Luento 6

2

Esitiedot

Miten terästen karkenevuutta voidaan parantaa?

Miten päästölämpötila ja aika vaikuttavat karkaistun rakenteen mekaanisiin ominaisuuksiin?

Mitä tarkoittaa päästöhauraus?

3

Esitiedot

Epäselviä termejä• Sorbite on vanhentunut termi ’rakeiselle’ päästömartensiitille• Troostite on vanhentunut termi ’kerrosmaiselle’

päästömartensiitille• Stress on jännitys, ei paine• Reversibele = palautuva, palautettavissa oleva• Irreversiibeli = peruuttamaton, pysyvä

Muista henkilötietosi. Yksi tunnistamaton vastaus• Seostamalla eri aineilla...• Karkaistuilla teräksillä lujuusarvot...• Päästöhauraalla taräksellä ...

Niukkaseosteiset teräkset

5

Niukkaseosteiset teräkset

Jaottelu•Automaattiteräkset•Nuorrutusteräkset•Hiiletysteräkset• Induktiokarkaistavat teräkset•Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset

Seostettuja teräksiä käytetään pääasiassa lämpökäsiteltyinä (toisin kuin hiiliteräksiä)

•Tyypillinen hiilipitoisuus 0,25-0,55%•Muut tyypilliset seosaineet: Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, B

6

Niukkaseosteiset teräkset

Tyypillinen mikrorakenne onpäästömartensiittinen tai bainiittinen, jotka ovat ominaisuuksiltaan sitkeitä

•Vastaava mikrorakenne syntyy hiiliteräkseen kun sen ainepaksuus on pieni (karkenevuus taipumus on pieni)

• Seostaminen kasvattaa karkenemista, mikä puolestaan kuvaa teräksen kykyä muuttua martensiittiseksi (taibainiittiseksi)

• Seostaminen ei nosta merkittävästi martensiitin kovuutta ja lujuutta, vaan siihen vaikuttaa oleellisesti hiilipitoisuus

7

Austeniitin hajaantuminen ei tasapainon mukaisesti

Austeniitin hajaantumisen tapahtuessa niin nopeasti ettei tasapainorakennetta (ferriitti,perliitti tai näiden seos) ehdi muodostua, tulee rakenteeksi joko

•Bainiittia, joka syntyy matalan lämpötilan eutektoidisenreaktion tuloksena tai

•Martensiittia, joka muodostuu ilman diffuusiotamartensiittimekanismilla

8

Bainiitti

Bainiitti on ferriitin ja sementiitin ei-lamellaarinen seos.

Korkeissa hajaantumislämpö-tiloissa muodostuuyläbainiittia, alhaisemmissaalapainiittia

9

Martensiitti

Martensiitti on tetragonaalisesti vääristynyttä hiiliylikyllästeistä ferriittiä eli uusi ferriittiin pohjautuva rakenne, johon hiili on jäänyt pakkotilaan. Martensiitti muodostuuausteniitista alle 220°C lämpötiloissa. Suurilla jäähtymisnopeuksilla eli matalissa austeniitinhajaantumislämpötiloissa ei diffuusio tapahdu riittävän nopeasti, vaan austeniitti hajaantuu leikkautumismekanismilla.

10

Ylä- ja alabainiitti

Yläbainiitti• Sementiittierkaumat ovat

ferriitti-liuskojen rajoilla. • Kovaa, korkeanlujuuksista

ja haurasta.

Alabainiitti• Runsas dislokaatioisia

ferriittiliuskoja, joiden sisällä onsementiittierkaumia.

• Kohtalainen kovuus sekä erinomaiset lujuus- ja sitkeysarvot.

• Tärkeä rakenne erikoislujissa nuorrutetuissa rakenneteräksissä.

11

Leikkautuminen

Leikkautumismekanismi on hyvin nopea jamartensiittia muodostuu erittäin suurillakin jäähtymisnopeuksilla.

•Martensiitin ja austeniitin yksikkökopeilla on selvä yhteys•Martensiitin tetragonaalisuus riippuu hiilipitoisuudesta •Muodostuneen martensiitin kovuus riippuu myös

hiilipitoisuudesta •Muodostuva martensiitti on usein niin haurasta, että sitä

pitää sitkistää päästön avulla (lähes aina).

12

Austeniitista martensiitiksi

13

14

15

Levy ja sälemartensiitit

Kun hiilipitoisuus on korkeampi ja/tai jäähtymisnopeus hitaampi on tuloksenalevymartensiittia.

• Kovaa ja haurasta• Taipumus

lohkomurtumiseen

Matalammalla hiilipitoisuudella ja/tai nopeammalla jäähtymisnopeudella syntyy sälemartensiittia

• Kovaa, lujaa ja kohtuullisen sitkeää

16

17

Hiilipitoisuuden vaikutus

18Hiilipitoisuuden vaikutus teräksen kovuuteen ennen päästöä eri martensiittipitoisuuksilla

19

Karkaisun vaiheet

Austenointi•Jos lämmitys tehdään liian nopeasti, ei austeniitin

hiilipitoisuuden ehdi nousta riittävän korkealle. Seurauksena on pienempi kovuus

• Sen vuoksi nuorrutukseen käytetään yleensä normalisoitua terästä, jolla on tasalaatuinen mikrorakenne ja austenointi onnistuu helpommin

Austenointi lämpötila•Alieutektoidisilla teräksillä 20-30°C A3 -rajan yläpuolella•Ylieutektoidisilla 30-40°C A1 -rajan yläpuolella

20

21

Karkaisun vaiheet

Sammutuksen tarkoituksena on estääausteniitin tasapainon mukainen hajaantuminen ferriitiksi ja perliitiksi taibainiitiksi.

•Kun lämpötila alittaa tietyn kriittisen arvon (Mslämpötila), austeniitti ei hajaannu, vaan muuttuumartensiitiksi

• Sitä lämpötilaa, jossa kaikki austeniitti on muuttunutmartensiitiksi kutsutaan Mf -lämpötilaksi

•Mf lämpötila voi olla huoneen lämpötilan alapuolella, jolloin kaikki austeniitti ei hajaannu, vaan rakenteeseen jää jäännösausteniittia

22

Karkaisun vaiheet

Jäännösausteniitti vähentää kovuutta, voi aiheuttaa myöhempiä mittamuutoksia

•Sammutuksen jälkeen kappale jäähdytetään välittömästi –70oC tai –200oC

•Soveltuu esim. kovuutta ja mittapitävyyttä vaativille mittavälineille

Muut karkaisut•Etappikarkaisu. Lämpötilaa tasataan sulasulassa 200-

400oC ennen jäähdytystä Ms lämpötilan alapuolelle•Bainiittikarkaisu. Sammutus austenointilämpötilasta

bainitointikylpyyn (200-400oC). Pidetään kylvyssäkunnesa austeniitti on hajaantunut

23

Karkenevuus

Karkenevuus kuvaa teräkseen karkaisussa syntyvän kovuuden syvyysjakaumaa

•Jos kovuus kappaleen sisällä on lähes sama kuin pinnalla, on teräs syvään karkeneva

•Jos kovuus kappaleen sisällä on matala pintaan nähden on teräs huonosti karkeneva

Karkenevuus ei ota kantaa karkaisussa syntyvän martensiitin kovuuteen

•Siihen siis vaikutti hiilipitoisuus•Tosin jos martensiittia on paljon on kovuus suurempi,

mutta pienellä hiilipitoisuudella martensiitinmaksimikovuus on matala

24

Karkenevuus

Karkevuuden mittayksikkönä on perustuu jäähtymisnopeuteen (°C/s)

•Jäähtymisnopeus voidaan puolestaan muuttaa etäisyydeksi kappaleen pinnasta, kun lämmön poistumisnopeus pinnasta ja teräksen lämmönjohtavuus on tiedossa

• Jominy etäisyys ja ideaalinen kriittinen läpimitta

Tärkeimmät karkenevuuteen vaikuttavat tekijät ovat•Koostumus•Austenointi lämpötila•Austeniitin suuri raekoko kasvattaa karkenevuutta

(mutta heikentää iskusitkeyttä)

25

Karkenevuus

Karkenevuutta voi heikentää•Austenoinnin aikana liukenematta jääneet karbidit, sillä

ne laskevat austeniitin hiilipitoisuutta ja toimivat muiden kuin martensiitin ydintymiskohtina

Suuri karkenevuus ei ole kaikissa tapauksissa ole hyödyllistä

•Jos ainoastaan pinnan pitää olla kova, voi liian syvä karkeneminen aiheuttaa jäännösjännityksiä ja säröjen syntymistä

• Seostetut teräksen ovat kalliimpi

26

Karkenuustestit

Läpikarkenevuus•Tarkastelun kohteena olevalle tangolle (koostumus ja

halkaisija) tehdään karkaisukoe halutuilla parametreillä•Tangosta valmistetaan poikkileikkaushie•Kiillotettu pinta syövytetään, jolloin 50%

martensiittipitoisuus näkyy vaaleana alueena (etsi kuva)•Tangon katsotaan läpikarenneen jos keskiosan

martensiittipitoisuus on vähintään 50%

27

Karkenuustestit

Jominykoe•Normalisoitu tanko austenoidaan ja jäähdytetään

vesisuihkulla toiselta otsapinnalta. Tankon pinta hiotaan kovuusprofiilin mittausta varten

•Tarkemmat tiedot standardista ASTM A 255

Muita testejä•Hiilletyskarkaisulle•Työkaluteräksille (ilmaan karkeneville)•Huonosti karkenevat teräkset (Hot-brine test) ja

(Surface-area-center, SAC)

28

29

30

Karkenevuus

Koostumuksen vaikutus karkenevuuteen voidaan selvittää laskennallisesti

•Grossmann (1942) selvitti useiden karkaisukokeiden avulla teräksen pääasiallisten seosaineiden vaikutuksen karkenevuuteen

•Kokeiden perusteella voidaan laskea sen tangon paksuus joka muuttuu täysin martensiitiksi

Nykyisin käytettävissä useita simulaatio-ohjelmia

•Predic & Tech, AC3, Cetim-Siclop, SteCal, Prevert, Chat,Minitech, Predcarb, Simulan

31

Seostaminen

Seosaineiden tarkoitus on mahdollistaan karkeneminen pienemmillä jäähtymisnopeuksilla

•Suuremmat kappaleet saadaan karkenemaan•Sammutusväliaineena voidaan käyttää öljyä veden

sijasta, jolloin vältytään nopean jäähtymisen aiheuttamista vetelyistä ja halkeilusta

32

Seostaminen

Seostamisella on myös muita vaikutuksia•Vetokokeessa mitattu poikkipinta-alan pieneneminen on

pienempi hiiliteräksestä syntyneelle martensiitille kuin seosteräksessä syntyneelle martensiitille

• Seostetut teräksen päästetään tyypillisesti korkeammassa lämpötilassa, jolloin jäännösjännitysten laskevat enemmän

•Seosteräkseen päästössä syntyy tyypillisesti kovempi karbideja kuin hiiliteräksen päästössä

• Saman kovuuksisen seosteräksen sitkeys on parempi kuin hiiliteräksen

33

Joitain seosaineita

Mangaani•Usein käytetty ja halpa

seosaine

Kromi

Molybdeeni

Nikkeli•Kallis, mutta erittäin

hyödyllinen sitkistävän vaikutuksen vuoksi

Boori•Erittäin pieni pitoisuus

(0,001%) edistää karkenevuutta tehokkaasti tiivistetyissä niukkahiilisissä teräksissä

•Vaikutusta heikentää happi, typpi,

34

35

Mangaani ja hiilipitoisuuden vaikutus kuumavalssatun teräksen murtolujuuteen

36Standardin mukaisen koostumusvaihtelun vaikutus Jominykokeen kovuuskäyrään

1541HC 0,35-0,45Mn 1,25-1,75Si 0,15-0,35

1340HC 0,37-0,44Mn 1,45-2,05Si 0,15-0,35

37

Hiili- ja mangaanipitoisuuden vaihtelun vaikutus teräksen 1050 Jominykokeen kovuuskäyrään (Crpitoisuudet 0,06%, 0,06%, 0,06%, 0,08%)

38

Sammutusväliaineet

Sammutusväliaineet sammutus tehon mukaan•Suolaliuos, natriumhydroksidi liuos•Vesi•Polymeeriliuokset•Öljy• Ilma

Väliaineen sammutustehoa voidaan kasvattaa sekoituksella

39

40

Koon vaikutus karkenevuuteen

Kun karkenevuus testi(e)n tuloksia sovelletaan käytäntöön huomataan

•Suureten kappaleiden karkenevan vähemmän vaikka jäähtymisnopeus olisikin sama kuin pienellä kappaleella

• Syynä voi olla suuren kappaleen jäähtymisen synnyttämät jännitykset jotka vaikuttavat austeniitinhajaantumista tai sammutustehon heikkeneminen koon kasvaessa

Tämä huomioidaan seuraavan kalvon kaltaisilla piirroksilla

•Jominy equivalent hardness (Jeh)

41

43

Myöstö ja päästö

Molemmat ovat lämpökäsittelyjä joissa terästä pidetään korotetussa lämpötilassa jonkin aikaa. Tällöin

•Jäännösjännitykset laukeavat (myöstö)•Mikrorakenne muuttuu (päästö)•Englannin kielessä myöstöstä käytetään joskus (usein)

nimitystä tempering vaikka selvyyden vuoksi pitäisi käyttää termiä stress relieving

44

Päästö

Rakenne tasolla voidaan havaita seuraavat vaiheet

•Vaihe I: ε karbidien muodostuminen ja martensiitinhiilipitoisuuden laskeminen (auto tempering, quench tempering)

•Vaihe II: Jäännösausteniitin hajaantuminen ferriitiksi jasementiitiksi

•Vaihe III: ε karbidien ja matala hiilisen martensiitinmuuttuminen ferriitiksi ja austeniitiksi

• (Vaihe IV: Seostuissa teräksissä syntyy seosaineiden karbideja)

45

Päästö

Lämpötila vaikuttaa vaiheiden esiintymiseen•Vaihe I: 100-250 °C•Vaihe II: 200-300 °C•Vaihe III: 250-350 °C

Mittamuutokset•Martensiittin muuttuminen ferriitiksi ja sementiitiksi

pienentää tilavuutta• Jäännösausteniitin muuttuminen ferriitiksi ja

sementiitiksi kasvattaa tilavuutta

46

Mittamuutokset

47

Päästö

Lujuus ja kovuus laskevat päästön aikana sitä enemmän mitä

•Korkeampi lämpötila– Kovuus laskee tasaisesti lämpötilan noustessa

•Pidempi aika– Järkevillä lämpökäsittely ajoilla (>10 min) kovuus alenee

tasaisesti ajan logaritmiin nähden

• (Seosteräksillä kovuus voi nousta seoskarbidien muodostuessa)

Murtovenymä ja muut sitkeysarvot paranevat•Tiedot löytyvät päästökäyrästä (nuorrutuspiirroksesta)

48

49

50

Päästö

Karbideja muodostavat seosaineet (Cr, Mo, W, V, Ta, Nb, Ti) nostavat kovuutta päästön aikana. Muut seosaineet (Ni, Si, Al, Mn) voivat nostaa kovuutta liuoslujittamalla ferriittiä ja pienentämällä raekokoa

•Seosaine karbidejen vaikutus näkyy parhaiten korkeassa lämpötilassa tehtävässä päästössä

Yhdistämällä eri lämpötiloissakarbidemuodostavia seosaineita saadaan kovuus pysymään lähes samana kaikissa päästölämpötiloissa

51

52

53

C 0,35%

Cr 5%

Mo 1.5%

V 0.4%

54

Päästöhauraus

Päästölämpötilan nostaminen kasvattaamurtovenymää lineaarisesti kun taas iskusitkeys voi laskea

• Iskusitkeyden alenemisesta käytetään nimitystä (alempi)päästöhauraus (tempered martensite embrittlement, TME)

• Ilmiö tapahtuu tyypillisesti lähellä 300 °C•Syynä voi olla austeniitin raerajoille kertyneiden

epäpuhtauksien aiheuttama sementiitin muodostus ja/taisementiitin muodostuminen martensiittin raerajoille

55

Alempi päästöhauraus

56

Päästöhauraus

Teräksen transiitiolämpötila nousee jos sitä pidetään pitkään lämpötila-alueella 375-575°C.

• Ilmiöstä käytetään nimitystä ylempi päästöhauraus (temper embrittlement)

•Pienet pitoisuudet tinaa, antimonia, fosforia yhdessä seosaineiden (kromi ja/tai mangaani) altistavat ylemmälle päästöhauraudelle

• Syynä ajatellaan olevan edellämainittujen aineiden kertyminen austeniitin raerajoille

57

Ylempi päästöhauraus

58

Ylempi päästöhauraus

Transiitiolämpötilan muuttuuminen teräkselle 3140

59

NuorrutusteräksetYleisominaisuutena nuorrutusteräksillä on hyvät lujuus- ja sitkeysominaisuudet yhtyneenä samaan materiaaliin. Erityispiirteenä on hyvä väsymiskestävyys. Nuorrutusteräkset jaetaan eri ryhmiin seostuksen perusteella:

• Hiiliteräkset C = 0.3 - 0.5 %• C- Mn- teräkset C = 0.38 - 0.45 %, Mn = 1.1 - 1.4 %• Cr- Ni- teräkset C = 0.25 - 0.45, Cr = 0.5 - 2 %, Ni = 1 - 2 %• Cr- Mo- teräkset C = 0.3 - 0.45 %, Cr = 0.9 - 1.2 %, Mo = 0.15 -

0.25 %• Cr- Mo- Ni- teräkset C = 0.22 - 0.39 %. Cr = 0.9 - 1.6 %, Mo =

0.15 - 0.25 %, Ni = 0.3 - 1.6 %• Cr- V- teräkset C = 0.25 - 0.5 %, Cr = noin 1 %, V = noin 0.1 %• Si- Mn- teräkset C = 0.4 - 0.7 %, Si = 0.8 - 2 %, Mn = 0.6 - 1.1 %

60

Nuorrutusteräkset

Nuorrutusteräkset valitaan yleensä lujuuden tai karkenevuuden perusteella. Koneistettavuus edellyttää yleensä pehmeäksihehkutusta ja koneistus suoritetaan ennen nuorrutusta.

•Hitsattavuus yleensä heikko

Käyttökohteina erityisesti pyörivät konekomponentit

•Akselit, hammaspyörät

Myös työkaluja •Kirveet, lekat, vasarat

61

Nuorrutuspiirros

62

Hiiletysteräkset

Pienehköille kappaleille, joiden pintakerroksessa tarvitaan kovuutta ja hyvää kulumis- tai väsymiskestävyyttä, mutta sisustan tulee pysyä pehmeänä ja sitkeänä

•Niukka- tai keskihiilisiä teräksiä, joissa nykyisin myös kromia, nikkeliä ja molybdeeniä

•Periaatteessa koostumus kuten nuorrutusteräksellä, mutta pienempi hiilipitoisuus (paitsi hiilletyksen jälkeen pinnassa)

63

Hiilletysteräkset

Hiiletyksessä pinnan hiilipitoisuutta kohotetaan hehkuttamalla terästä hiiltä luovuttavassa atmosfäärissä

•Hiili kulkeutuu diffuusion välityksellä pinnasta kappaleen sisäosiin

•Pinnassa oleva korkeamman hiilipitoisuuden kerros muuttuu karkaisussa kovaksi martensiitiksi, kun taas hiilipitoisuudeltaan alhainen sisusta jää pehmeäksi ja sitkeäksi

•Karkaisussa pintaan muodostuu myös väsymiskestävyyden kannalta edullinen puristusjännitys martensiitinsuuremman ominaistilavuuden vuoksi

64

Hiiletysteräkset

Voivat olla hienoraekäsiteltyjä teräksiä, joita on lisäksi seostettu austeniitinrakeenkasvutaipumuksen rajoittamiseksihiiletyksessä

•Tyypillinen koostumus 0.17 %C, 1.5 %Cr, 1.55 %Ni ja 0.3 % Mo

•Käyttökohteina hammaspyörät, niveltapit ja -holkit, lyhyet akselit jne

65

Induktiokarkaistavat teräkset

Yleensä booriseosteisia teräksiä•Booria käytetään teräksen seosaineena pääasiassa

karkenevuuden kasvattamiseksi•Vaikutus jo pieninä pitoisuuksina•Halvempia seostettuihin teräksiin verrattuna

Suuremmilla pitoisuuksilla (B > 0.005%) muodostuvat, raerajoille asettuvatrautaboridit alentavat sitkeyttä

•Myös pieni (0,1-0,2%) hiilipitoisuus on otollinen

66

67

68

Pintakarkaisu

Boori vaikuttaa austeniitin hajaantumista hidastavasti (suotautuminen raerajoilleausteniitissa + borokarbidien erkautuminen); ferriitin ydintyminen estyy

•Boori on voimakas nitridin ja oksidin muodostaja•Boorin pitämiseksi liuoksessa booriteräkset seostettava

(tiivistettävä) alumiinilla, titaanilla, zirkoniumilla jne•Karkenevuus pienenee austeniitin raekoon kasvaessa•Perustyyppi hiilimangaaniteräs (hiili välillä 0.15 - 0.4 %,

Mn välillä 0.8 - 1.65 %)– Lisäksi Ti, V, Zr, Al. Esim. 0.18 % C, 1 % Mn, 0.25 % Si,

0.003 % B– Rp = 800 MPa, Rm = 900 MPa

69

Niukkaseosteiset kuumalujat teräkset

Tavallisesti niukka- tai keskihiilisiä, seosaineina pääasiallisesti kromi ja molybdeeni

•Hiilipitoisuus luokkaa 0.15-0.2 %, Cr n. 1 %, Mo n. 0.5 %•Pääasiallinen lujuusvaikutus liuoslujittumisen kautta•Käyttölämpötila-alue 550 °C- asteeseen saakka•Kehitysversiona kromipitoisuuden kasvattaminen: 9 % Cr

ja 12 % Cr sekä n. 1.5-2 % Mo sisältävät teräkset alkavat jo kuulua seostettujen teräslajien sarjaan

•Hiilipitoisuus hitsattavuuden turvaamiseksi matala•Käyttökohteina ennen kaikkea voimalaitoskattiloiden

lämmönvaihdinpinnat (vesiseinät, tulistimet, lämmönvaihtimet jne)

70

Valmistajia ja tukkureita

Rautaruukki• www.rautaruukki.fi

Imatrasteel• www.imatrasteel.com

Ovako• www.ovako.com

Böhler

Sten• www.sten.fi

Starckjohann Steel• www.starckjohannsteel.fi

Tibnor• www.tibnor.fi

Uddeholme• www.uddeholm.fi

Teräsrenki• www.terasrenki.com