Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

HŐKEZELÉSI TECHNOLÓGIÁK SZÁMÍTÓGÉPES TERVEZÉSE Dr. Frigyik Gábor egyetemi docens Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszék HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolc, 2006

1

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Acélok felhasználói tulajdonsága függ:

kémiai összetételtől maradó fesz nagyságától és elosztásától De ezek is kölcsönhatásban vannak Pl: szövetszerkezet változás fajtérfogatváltozás Feszültség húzó fesz. segíti az ausztenit bomlását nyomó fesz. nehezíti az ausztenit bomlását Ezek a tényezők legegyszerűbben „Hőkezeléssel” változtathatók Hőkezelés csoportosítása: (milyen térfogatra terjed ki a tulajdonság változtatás) térfogati (cél) felületi hőkezelések

Miskolc, 2006

2

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

Sok esetben az igénybevétel olyan, hogy a felület kopásnak a mag dinamikus igénybevételnek van kitéve Megoldás: keresztmetszetben heterogén szerkezet kell Lehetőségek felületi réteg fémtani állapotának változtatása ( pl.: görgőzés, sörétezés, edzés) felületi rétegben megváltoztatjuk a kémiai összetételt és fémtani állapotot ( Ez a felületötvöző vagy termokémiai kezelés)

Miskolc, 2006

3

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Csoportosítás:

az ötvöző elemet leadó hézag halmazállapota szerint szilárd folyékony gázközegű Ezek különböznek a: - költségek réteg szerkezete réteg tulajdonsága környezet károsítása tekintetében A szilárd (por) közeg → korszerűtlennek tűnik, de kis üzemben előnyös (egyszerű, olcsó) Sófürdő → szabályozási nehézségek, környezetszennyező nem perspektívikusak Gázközeg → jól szabályozható, könnyű automatizálhatóság környezetvédelmi szempont szerint kedvező (jelen és a jövő!)

Miskolc, 2006

4

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Fizikai kémiai folyamatok:

Technológiától függetlenül az ötvöző elemet az acél gázfázisból veszi fel.

A felületötvözés részfolyamatai: kialakul egy gáz-fém határréteg határréteg disszociál → aktív ötvöző keletkezik ötvöző elem adszorbeálódik → kialakul ötvözőben gazdag fázik megindul a diffúzió a mag irányába Diffúzió a ferritben vagy az ausztenitben valósul meg

Megfontolandó:

a feltételek javulnak a T növelésével, de a környezetben oxidálódik a felület, romlik a korábbi hőkezeléssel elért tulajdonság, ugyanakkor a Diffúziós tényező a ferritben nagyobb

Miskolc, 2006

5

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

Kialakuló kéreg vastagsága:

x



k



t

ahol: - x, mm k, konstans mm/óra, ez függ a db minősségétől és T-től t, idő, óra T és t együttes hatása látható x [mm] T növelése kedvezőbb a kéregvastagság növelése szempontjából.

T 3 T 2 T 1 Ipari gyakorlatban a „ nem fémekkel” való ötvözésé a vezető szerep. Ezek közül is a C, N, esetleg B T 1 T 2 T 3 t [h]

Miskolc, 2006

6

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS CEMENTÁLÁS, BETÉTEDZÉS

Cementálás – kéreg C-ban való dúsítása → HV Cem + edzés = betétedzés Alkalmazás: ha C< 0,2% (betétben edzhető acélok) 0,75 < C < 1,2% 0,1 < X < 3,0 mm (MSZ 31 szerint) Előfordul nagyobb C% - ú, ötvözött acélok cementálása Pl.: golyóscsapágy acélok, Cr ötvözésű szerszámacél Itt a cél a kopásállóság javítása Me 3 C, Me 7 C 3 , Me 23 C 6 karbidokkal illetve: kedvező R maradó kialakítása

Miskolc, 2006

7

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Cementálás szilárd közegben

Cementálószer: BaCO 3 + Na 2 CO 3 + faszén + kokszpor Ezt és a db-kat dobozba rakják és légmentesen lezárják.

T= 850 - 900 °C lejátszódó reakciók: T [°C] BaCO CO 2 3 + C → BaO + CO 2 faszén → 2 CO 2 CO C aktív → CO 2 + C aktív + Fe → Fe (c) 900 °C 10-20 h levegő 400 °C 1 h levegő Paraméterek: T = 900 °C t = 10 – 20 óra x = 0,1 – 0,15 mm/óra

Miskolc, 2006

Megfontolandó: 8 t [h] - T min → ahol elbomlik a BaCO 3 - T max , akkor diff. seb. , de szemcsedurvulás lesz

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Cementálás folyékony közegben:

Hagyományos sófürdő + C leadó adalék (NaCN, KCN) Vegyi reakciók: 2NaCN + O 2 = 2NaCNO 2NaCNO + O 2 2CO → CO 2 = Na + C aktív 2 CO 3 C aktív + Fe → Fe (c) + CO + 2N Paraméterek: T t cem = 830 - 860 °C X=1,5mm = 5 – 10 óra Az adalék tiltott! (Egészség és környezetkárosító) → Előnyösebb a gázcementálás

Miskolc, 2006

9

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Gázközegű cementálás

Közeg: legalább 90% metán tartalmú földgáz Ez disszociál: CH 4 → 2 H A keletkező C aktív 2 + C aktív megkötödik a felületen Paraméterek: T cem = 930 - 950 °C T x= 1,5mm = 6 12 óra Fémtani problémák T [°C] - Ha C> 0,8% → karbid háló - T cem nő → szemcsedurvulás - x → kopás, teherviselés 950 °C 6-12 h levegő t [h]

Miskolc, 2006

10

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Cementálást követő hőkezelések

Keménység és kopásállóság növeléséhez → edzés

Cél:

a mag és kéreg megfelelő tulajdonságainak biztosítása

Közvetlen edzés

- megengedett az eldurvult szemcseszerkezet, a szerényebb mechanikai tulajdonságok T [°C] -

Szövetszerkezet:

mag: durvaszemcsés F + (P) kéreg: durva M tűs Megeresztéskor a M stabilabbá változik T cementálás olaj 160-180 °C 2-3 h levegő t [h]

Miskolc, 2006

11

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Egyszeri edzés

Cementálás után hevítés a kéreg C%-nak megfelelő T-re és innen olajban hűtés T [°C] T kéreg edz.

0,5 h A c1 olaj Technológiai adatok számitása hasonló az edzésnél megismertekhez.

Hevítés szabályozott atmoszférában végzik ( dekarbanizáció!)

Miskolc, 2006

160-180 °C 2-3 h levegő t [h]

Szövetszerkezet: - mag:

durva szemcsés F + (P) (Csak örökletes finomszemcsés acéloknál megfelelő a mech. tulajd.)

kéreg:

finom tűs M 12

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kettős edzés

Akkor alkalmazzák, ha szükség van a kéreg és a mag szerkezetének megváltoztatására

Első edzés

T = Tmag (normalizálás) - finomodik a mag, kéregben a karbidható feloldodik

Második edzés

a kéreg C%-nak megfelelő Megeresztés: kéreg tulajdonságainak beállitása T [°C] 0,5-1 h víz T kéreg edz.

0,5 h A c3 mag A c1 olaj 160-180 °C 2-3 h levegő t [h]

Miskolc, 2006

13

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS NITRIDÁLÁS

Nitridált kéreg szerkezete Megértéséhez szükséges ismerni a Fe – N metastabil rendszerű állapot ábrát.

Különböző fázisok jellegzetességei:

α

- TKK, nitroferrit N az oktaéderes pozíciókban - N max old. 590 °C-on 0,115% 20 °C –on ferromágneses 0,004%

Miskolc, 2006

14 900 910 o 800 700 600  500 0.1

 680±5 o 650 2.8

o 4.55

2.35

590 o 5.6

 ' ~490 o Mágneses átalakulás 5.7

6.1

400 300 0  8.25

4 8 Nitrogén, tömeg %  11.0

11.35

12

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

γ - nitroausztenit FKK N az oktaéderes rácshézagban Max N oldása = 2,8% T= 650°C –on Lassú hűtéskor eutektoidosan braunitra bomlik       Gyors hűtéskor → nitromartenzit keletkezik - Ez a α’ - N – ben túltelitett szilárd oldat → tetragonális Ez megeresztésállóbb mint a M(C) Megeresztéskor Fe 16 N 2 ( α ” fázis) majd Fe 4 N ( γ ’ fázis) válik ki γ ’ (Fe 4 N) rendezett rácsú szilárdoldat összetételekben 590°C-on a N= 5,3 – 5,75% FKK rácsú N az oktaéder rácshézagban Ferromágneses - T < 670 °C alatt stabil. E felett ε ná alakul

Miskolc, 2006

15

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

ε – Fe 2-3 N rendezett rácsú szilárdoldat - N = 4,55 – 11% között változik Hexagonális N az oktaéderes rácshézagban - T = 650 °C – eutektoidos bomlás:      ξ rombos kristályszerkezetű - N = 11,07 – 11,18% - T < 500 °C – on stabil Több C-t tud oldani, mint az ε Összetétele: Fe 8 C 3 N és Fe 2 N között változik Nitridálás szempontjából nem lényeges fázis

Miskolc, 2006

16

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

γ ’, ε , és ξ fázisokat nitridnek nevezik γ ’ – C oldása elhanyagolható - Az α karbonja csökkenti az N oldhatóságot ötvözők: megváltoztatják az α, γ ’ és ε N oldódását W, Mo, Cr, Ti, V növelik az α ötvözött acélban γ ’ és ε ban a N oldódását fázisok komplex nitrid és karbonitrid (Pl.: Fe, Me 4 N; FeMe 3 NC stb.) γ ’ ben az Al és Si nagy mennyiségben oldódhat szélesítik a γ ’ homogén területét!

ε ban oldódók növelik a keménységét!

Ötvöző nitridek is keletkeznek Ezek nagy N tartalmúak

Miskolc, 2006

17

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Nitridált kéreg kialakulása:

900 910 o 800 700 600  500 0.1

 680±5 o 650 2.8

o 4.55

2.35

590 o 5.6

 ' ~490 o Mágneses átalakulás 5.7

6.1

400  11.0

 11.35

300 0 8.25

4 8 Nitrogén, tömeg % 12 Ezek figyelembevételével: T nitridálás = 520 - 580 °C

Nitridálás előtti állapot:

lágyított, normalizált állapot szövetszerkezet: F + P nemesített: szferoidit Kiinduló állapot: Fe alapú szilárd oldat + karbid

Nitridálás hőmérséklete:

minél magasabb legyen (diffúzió miatt) ugyanakkor ne rontsuk el a korábban kialakított tulajdonságot kéregben ne legyen fázisátalakulás (strukturális feszültségek)

Miskolc, 2006

18

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kéreg kialakulásának mechanizmusa:

adszorbeállódott N-t oldja az α szilárdoldat  felületen kialakul egy telítetlen α megindul a N diffúziója a mag irányába  '   ' t 1 < t 2 < 6.1 tömeg % t 3 A nitrogén oldékonysági határa az  '-nitridben adszorpció gyorsabb, mint a diffúzió - t 1 időpontban a α telítetté válik csíraképződéssel megjelenik a γ ’ (szemcse , mozaikblokkhatáron, diszlokációhoz) t 1  t 2 t 3  0.115 tömeg % Távolság a felülettől A nitrogén oldékonysági határa az  -vasban Az alapanyag nitrogéntartalma első csírák a felületig kiérő α γ ’ csak a túltelített α határa ban növekedhet → a felületen összefüggő γ ’ kéreg a kéregvastagság nő γ’ kialakulása → ugrásszerű N% Felületen telítődik γ’ -ben a N → megjelenik az ε . ε változik.

γ’ és ε határon ugrásszerű N% változás N tartalma széles határokon belül

Miskolc, 2006

19

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kialakult kéreg:

T < Ac 1 ,      

N

Ha ezt lehűtjük szobahőmérsékletre:  Ötvözött acélokban az ε   két fázisból áll.

    

C

  

N

  felül: (FeMe) 2 CN és majd kialakul az    (FeMe) 3 CN Különbség: 2%N A nagy N%-u ε ban a N atom „ kiül” a rácshibákra → atomok molekulává rekombinálódnak → nő a nyomás → mikrorepedés → oxidáció → Fe 2 O 3 → pórusképződés → csökkenti a HV-t, kopásállóságot fázisokból fog állni ε porozitása függ a % -től c% csökkenti a N diffúzióját → növeli pórusképződést → csökkenti HV-t

Miskolc, 2006

20

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

ε alatt helyezkedik el a belső nitridálódási zóna - Ez vas nitridből és ötvöző nitridből áll Nitridképződés térfogatnövekedéssel jár - torzul az α rácstorzulás és a nitridek gátolják a diszlokációkat(Cr, Mo) → csökken az A 5 és nő az R m és R eH , HV A hatás akkor jelentős, ha a nitridek koherensek.

Ha nagyobb méretű nitridek keletkeznek → nem a rács torzulás hanem ezek távolsága a meghatározó → Kisebb lesz a HV

Miskolc, 2006

21

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS A kéreg jellemző tulajdonságai

Kéreg: 1. vegyületi zóna 2.diffúziós zóna

Vegyületi zóna:

(telitőközegtől függően) ε ε ε - nitrid karbonitrid oxinitrid ε ε oxi-karbonitrid Fázis alatt van az ε + γ ’ zóna.

γ ’ mennyisége függ a hűtés sebességétől Vegyületi zónára jellemző: - HV és kopásállóság igen vékony 0,01 – 0,025 mm HV ε HV ε porózus karbonitrid = 200 – 300 MHV tömör karbonitrid = 900 – 1600 MHV

Miskolc, 2006

22

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Diffúziós zóna

: α + nitridek Tulajdonsága függ: a nitrid minőségétől mennyiségétől eloszlásától méretétől alakjától

befolyásolható:

hőmérséklettel idővel tulajdonsága függ az ötvözöktől és N%-tól Al és Si a γ’ ben összpontosul Cr, Mo, Ti, V α ban oldódik HV= f(techn. paraméter, ötvöző %) = 500 – 1000 HV10 Alacsonyabb hőmérsékleten nagyobb keménységű diffúziós zóna állítható elő.

Miskolc, 2006

23

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Szerkezeti acélok nitridálása

Hatás: kopásállóság javul – kifáradási határ nő Mag tulajdonságát korábban alakitják ki (normalizálás, nemesítés).

Kéreg vastagsága és szerkezete függ a nitridálás előtti fémtani állapottól (szövetsz.) Diffúziós egyenletből következik: – x= f (T) exponiciális, míg az időtől –

x



k



t x



D

0

e



Q

másodfokú parabola szerint változik N behatolási mélysége – Nitridálás közben az anyag megeresztődik – Csökken a kifáradási határ, mivel: - csökken a magszilárdság Kisebb lesz a kéregben a nyomófeszültség • →Korábbi megeresztés T > Tnitridálás + 50°C legyen

Miskolc, 2006

24

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

Vegyületi zóna tulajdonsága függ az ε N% tól Kedvezőbb a kis N% az ε - ban - Ha T nitrid növeljük → nő a N diffúziója → csökken az meredeksége.

ε N tartalma és csökken a HV eloszlás - Az ε vastagsága a megengedhető kopás mértékétől függ. (Felesleges növelni) - De a R maradó = f (x, ε , és a szerkezettől) optimális, ha : ε = 15 – 20 µm ha ε > 20 µm → csökken a kifáradási határ Méretváltozás! Mivel – nitridképződés → fajtérfogatváltozás → megeresztődés - Db. duzzadni fog → nomogrammok → tervezhető a méretnövekedés

Miskolc, 2006

25

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Szerszámacélok nitridálása

Igénybevételek: koptató felületi, ill. élnyomás → ciklikus → fáradás sokszor ütésszerű → Kemény kéreg és nívós kéreg alatti rész kell!

Forgácsoló és alakító szerszámoknál előnyös a nitridált kéreg.

Gyorsacélnál: felületen csak diffúziós zóna keletkezzen.

vágóélen kisebb a súrlódási erő → kisebb az él T-e kisebb a diffúziós kopás csökken a forgács szerszámra tapadása lényeges a maradó feszültség eloszlása Kéregben jelentős nyomófeszültség (kedvezö) Átmenet 0,05 – 01 mm-nél Felületen a keménység: 1100 – 1400MHV Ez növelhető az α ötvözésével Kedvező a hőállósága: 700°C-on a HV = 700 MHV pl.: K13, K14, R3

Miskolc, 2006

26

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Nitridálás technológiája:

Legrégebbi felületötvözés (Damaszkuszi kard) Nitridálás sófürdőben: Sók termikus bomlásakor keletkező N-t használják Káros egészségre, környezetre (KCN, NaCN) 2KCN + O 2 → 2KCNO 2KCNO + O Gyakorlati megoldás 2 → K 2 CO 3 +CO + 2N aktív Nem használják!

Miskolc, 2006

27

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Gáznitridálás:

- T = 500 - 600 °C kell az N aktív → N leadó közeg az NH 3 - T = 400 °C-on 2NH 3 → 3H 2 + 2 N aktív Gázt áramoltatni kell, mert N + N = N 2 Ez pedig: T, p, v felület min-től gáztér aktívitása függ a disszociáció fokától nitridálás gyenge túlnyomással (p = 500 Pa) Paraméterek: T = f(s, felületi HV) - vékony, nagy HV réteg kis T-en vastagabb de kisebb HV réteg magasabb T-en Általában aknás retortás kemencében végzik Ha kemény, kopásálló kérget akarunk → NH 3 + C tart. Keverék Ha a vegyületi zónát akarjuk változtatni → az NH 3 at hígítani kell N 2 , H 2 , Ar H 2 – vékonyabb zónát eredményez N 2 – vastagabb zónát eredményez

Miskolc, 2006

28

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Ionnitridálás:

Legkorszerűbb, gyártósorba is beépíthető Technológia - Db. ot tartályba helyezzük, villamosan elszigetelve katódként kapcsoljuk Levegőt kiszívják, majd feltöltik N 2 , N 2 +H 2 -vel Katódporlasztással tisztitjuk, aktiváljuk a felületet p=0,1 - 0,2 kPa, U=1000V Nitridálás : p=0,2 -2 kPa, U=400 – 1000V - Folyamatok: - N+++ → a felületre csapódnak → T= 400 - 580°C Fe++ távolit el A plazmában nitrideket alkotnak és ezek a felületre egyenletesen lerakódnak Diffúzióval megindul a kéreg képződése nitridálási idő: 15 – 30 perc

Miskolc, 2006

29

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

TERMOKÉMIAI KEZELÉS

Nitridálás számitógépes tervezésének alapadatai T [°C] 950 °C 6-12 h levegő Kívánalom: Kéreg – vastagsága keménysége - szerkezete maradó feszültség Paraméterek T, t, p, gázösszetétel, sebesség felületminőség, U t [h] Irodalomban kevés konkrét adat van. A számitógépes tervezés lehetőségével a VEM alkalmazás feltételeivel a későbbiekben találkozhatunk.

Miskolc, 2006

30

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012

Miskolci Egyetem Hőkezelési technológiák számítógépes tervezése

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!

Miskolc, 2006

31

HEFOP - 3.3.1 - 2004 - 06 - 0012