Az acél alkatrészek betétedzése, cementálása és direkt edzése a felületi tulajdonságok javítására

A hőkezelés olyan technológiai eljárás, amelynek segítségével a kész alkatrészek szövetszerkezetét és azzal együtt mechanikai, fizikai vagy kémiai tulajdonságait alakjuk megváltoztatása nélkül úgy módosítják, hogy a rendeltetésüknek megfelelő igénybevételüknek megfeleljenek. Célja a munkadarab szövetszerkezetének, feszültségállapotának megváltoztatása, az előírt tulajdonságok elérése (általában keménység és/vagy szívósság változtatása) céljából. A hőkezelhetőség az anyag fajtájától és kémiai összetételétől függ. A hőkezelés és a megeresztés közötti különbség a következő: Egyszerűen fogalmazva, a lágyítás azt jelenti, hogy nincs keménység, és a megeresztés továbbra is megtart egy bizonyos keménységet. Hőkezeléskor a fémek vagy ötvözeteik átalakulását használjuk ki, ezért szükséges azok hőmérsékletét ismerni.

A Hőkezelési Eljárások Alapjai

A hőkezelési eljárások folyamán a tárgyakat irányított módon, célszerűen megválasztott hőmérsékletre hevítik, meghatározott ideig hőn tartják és kellő sebességgel lehűtik. A hőkezelés során célunk egy munkadarab egy részének vagy egészének mechanikai, fizikai, kémiai tulajdonságának megváltoztatása egy pontosan meghatározott program szerint végrehajtott hevítéssel, hőntartással majd hűtéssel.

A Hőkezelést Befolyásoló Tényezők

A hőkezelést befolyásoló tényezők a következők:

A hevítés hőfoka: A legtöbb hőkezelési eljárásnál az a-g átalakulás során lejátszódó folyamatot befolyásoljuk oly módon, hogy különböző hűtési sebességeket alkalmazunk. A hevítéskor az ausztenit mező (GSE vonal) elérése a célunk. Konkrét hőfokot csak egy adott összetétel esetén lehet meghatározni, mivel minden C tartalomnál más és más az értéke. Hevítéskor az átalakulási hőmérséklet fölé melegítünk kb. 30-50 °C-kal. Ha a hevítés ettől nagyobb mértékben meghaladja az átalakulási hőmérsékletet akkor túlhevítésről beszélünk, ami szemcsedurvulást okoz. Rontja a szilárdsági tulajdonságokat és gazdaságtalan is, a későbbiekben egy újabb hőkezeléssel esetleg javítható. Ha a túlhevítés oly mértékű, hogy az megközelíti a szolidusz hőmérsékletét, akkor a kisebb keresztmetszetű részek megolvadhatnak és a krisztallit határokon már megkezdődhet az oxidáció, ekkor az acél elégetéséről beszélünk. Az elégetett acélt már nem lehet javítani, selejté válik. Attól függően, hogy a kívánt hevítési hőfokot milyen gyorsan érjük el, felléphetnek problémák. A hevítés sebességének megválasztását több tényező is befolyásolja:
- Az anyag hővezetési tényezője
- Az alkatrész mérete, tömege
- Az alkatrész tagoltsága
Az erősen ötvözött, nagyobb C tartalmú, nagyobb méretű acélok érzékenyek a gyors hőmérséklet változásra, főleg 650 °C alatt. Ebben az esetben egyenletes lassú hevítést kell alkalmazni esetleg több lépcsőben.
A hőntartás ideje: Ha az alkatrész hőmérséklete elérte az átalakulási hőmérsékletet, további időre van szükség, hogy a teljes keresztmetszetében végbemehessen a tervezett szerkezeti átalakulás. Ha a hőntartás túlságosan elnyúlik, akkor szemcsdurvulás léphet fel. A hőntartási idő a szénacélok esetében negyedrésze a hevítési időnek. A hőntartás idejét nagymértékben befolyásolja a munkadarab geometriai mérete.
A hűtés sebessége: A hűtés sebességén az anyagban előidézett, időegységre jutó hőfokcsökkenést értjük. Ennek nagysága az alkalmazott hűtőközegtől függ. Az iparban különböző hűtőközeget alkalmazunk. Normál hűtésnek nevezzük, ha az acélt nyugodt, szellőmentes levegőn hűtjük. A normál hűtésnél gyorsabb hűtést gyors hűtésnek nevezzük. Ilyen hűtést vízben vagy olajban érhetünk el. Lassú hűtésről beszélünk, ha a hűtőközeg szárazhomok vagy hamu. Ha a hűtést zárt dobozban vagy kemencében végezzük, akkor tovább csökkenthető a hűtés sebessége.

Fázisátalakulások és Hűtési Sebesség

A megszerkesztett eredő görbe pontjai adják meg az átalakulás időszükségletét egy adott hőmérsékleten. Az átalakulás időt igényel, ezért a C-görbe mellet lennie kell egy másik C görbének is. Az elsőnél kezdődik a másodiknál fejeződik be az átalakulás. A kettő távolsága az átalakulási idővel arányos. Az A1 átalakulási hőmérséklet felett stabil ausztenit található, amely csak az A1 hőfokon ill. az aláhűtve alakul át. Az A1 alatt a T tengely a C-görbe és az Mk vonal által határolt területen még szintén ausztenit található, mivel csak a C-görbe mentén kezdődik meg az átalakulás. Itt azonban az ausztenit nem stabil, hiszen már át kellett volna alakulnia az A1-es átalakulási hőmérsékleten. A C-görbénél indul meg az ausztenit-perlit átalakulása, így a két görbe között a még át nem alakult labilis ausztenit és a már kialakult perlit is egyaránt megtalálható. A C-görbén túl már újra stabil szövetszerkezetben található a perlit. Ha hűtés sebessége nagyobb, mint a felső kritikus hűtési sebesség, akkor a hűtés vonala metszi az Mk és Mv vonalakat. Mivel a perlit a C-görbék mentén alakul ki, itt nem keletkezik. Az átalakulási idő igen kicsi, így diffúziós folyamat nem mehet végbe. Az anyag tűs szerkezetű martenzit lesz.

Az acélok a vas-vaskarbid állapotábrában 2,06% C-tartalomig terjedő mezőt foglalják el. Egyensúlyi viszonyok között hűtve 723 °C-on 0,8%-os C-tartalmú ausztenitből perlit alakul ki. A gyakorlatban ipari körülmények között szinte sohasem egyensúlyi viszonyoknak megfelelően megy végbe a hűtés, ezért az átalakulás folyamata eltérő a metastabilis kristályosodási rendszerétől. Az eltérés oka, hogy az átalakulás fizikai alapja a diffúzió. A diffúzióhoz, mivel az atomok hőmozgásán alapul, idő kell. Magasabb hőfokon, ahol a részecskék hőmozgása intenzívebb, sebességük nagyobb, kevesebb idő szükséges a diffúzióhoz. Gyors hűtéssel a diffúzióhoz rendelkezésre álló idő lerövidül, ezért az átalakulások eltérő módon mennek végbe. Egy bizonyos határon túl már a diffúzióra nem áll rendelkezésre elegendő idő.

Astra felni útmutató

Martenzit keletkezése

A martenzit keletkezése alapvetően eltér a többi szövetelem kialakulásától. Nem diffúziós folyamatban jön létre, hiszen a felső kritikus hűlési sebességtől gyorsabb hűtés miatt nincs elég idő a diffúzióra. Az átalakulás az atomok vándorlása nélkül, azok kis elmozdulásával megy végbe, és így alig van időigénye. Az átalakulás során a lapközepes rácsszerkezetet alkotó atomok kötései átrendeződnek úgy, hogy térközepes rács alakul ki. Az elemi cellákban intersztíciósan oldott szénatomok találhatóak, amelyek az átalakulás előtt a cella közepén voltak találhatók. Az átalakulás után a térközepes köbös rácsszerkezetben a legnagyobb rendelkezésre álló hely az 1/2a 1/4a 0 koordinátájú helyen található, de a gyors hűtés miatt nincs ideje a szénatomnak erre a helyre vándorolni, ezért kicsit torzítja a rácsszerkezetet. A torzítás miatt belső feszültségek alakulnak ki az anyagban, amelyek idővel igyekeznek megszünni. A rács torzulása miatt kemény tűs szerkezet jön létre, amely sokszor túl rideg.

Acélok Hőkezelési Eljárásai

A hőkezelési eljárásokat 5 fő csoportba soroljuk: kiegyenlítő hőkezelések, lágyító hőkezelések, keménységfokozó hőkezelések, szívósságot fokozó hőkezelések, kéregötvöző hőkezelési eljárások. A hőkezelési eljárások hevítési-hőntartási-hűtési folyamatát diagramokon célszerű ábrázolni. Ez oly módon történik, hogy előbb a hőmérséklet-összetétel diagramon (ez lényegében a vas-karbid állapotábrának a bal alsó része) mutatható be a széntartalomtól függően, milyen hőfokra kell hevíteni az acélt, majd egy hőmérséklet-idő diagramban a hőntartás időtartamát és az alkalmazandó hűtés sebességét is ábrázoljuk.

Kiegyenlítő Hőkezelések

A kiegyenlítő hőkezelési eljárások célja az acélban előforduló inhomogenitások egész keresztmetszetre történő kiegyenlítése. Ide tartozik többek között a normalizálás (regenerálás), amely a hegesztett acélok, túlhevített, durvaszemcsés, egyenlőtlen méretű szerkezetének javítására szolgál, az újrakristályosítás a hidegalakítással járó ridegedés megszüntetésére, a diffúziós hőkezelés az öntvények vegyi összetételének dúsulásainak csökkentésére, valamint a feszültségcsökkentő izzítás a megmunkálás során keletkezett belső feszültségek megszüntetésére.

Lágyító Hőkezelések

A lágyító hőkezeléseket azért végzik, hogy az acélokat könnyen megmunkálhatóvá tegyék. Az acél jellemző szövetelemének a perlitnek cementit lemezeit a hő okozta felületi feszültség hatására cementit szemcsékké alakítjuk hőkezeléssel. Típusai a teljes kilágyítás (szferoidit képzése), a normalizáló lágyítás (ötvözött, hipoeutektoidos acéloknál), az izotermális lágyítás (kis sebességű forgácsoló megmunkálásokhoz) és az ausztenitre lágyítás (erősen ötvözött acélok leglágyabb állapotának elérésére).

Keménységfokozó Hőkezelések

A keménységfokozó eljárások célja általában a kopásálló, martenzites szövetszerkezet kialakítása, esetleg kemény fémvegyület kiválásának elősegítése. E csoportba tartozó hőkezelési eljárások: közönséges edzés, kombinált edzés, lépcsősedzés, mélyhűtés, mesterséges öregítés. Edzésnek azt a hőkezelési eljárást nevezzük, amelynek során a 0,3%-nál nagyobb széntartalmú acélokat a GSK vonal fölé hevítik 30-50 °C-kal, majd az ausztenitté alakulás után gyorsan, a kritikus hűtési sebességnél nagyobb sebességgel lehűtik, hogy kemény martenzites szövetszerkezet alakuljon ki. Az edzés célja a martenzites szerkezet elérése, és a megeresztés után a munkadarab jó teljesítményt nyújt, hogy teljes mértékben kiaknázza az anyagban rejlő lehetőségeket.

Főtengely tulajdonságai Yamaha csónakmotorban

Megeresztés és Nemesítés

A megeresztés egy olyan hőkezelési eljárás, amelynek során a kioltott fémtermékeket vagy alkatrészeket egy bizonyos hőmérsékletre hevítik, majd egy bizonyos ideig tartó tartás után egy bizonyos módon lehűtik. A megeresztés a kioltás után közvetlenül végrehajtott művelet, és általában a munkadarab utolsó hőkezelése. Fő célja: 1) Csökkentse a belső feszültséget és a ridegséget. 2) Állítsa be a munkadarab mechanikai tulajdonságait. 3) Stabil munkadarabméret. Megeresztés közben csökken a keménység, a szilárdság, a szívósság pedig lényegesen növekszik. A nemesítés egy kombinált hőkezelési eljárás, ami edzésből és rögtön ezt követően magas hőmérsékletű megeresztésből áll, kötőelemeknél 340 °C - 650 °C között. Ez a legfontosabb és legelterjedtebb hőkezelési eljárás kötőelemeknél, melynek során optimális egyensúlyt érnek el egy ésszerűen magas szakítószilárdság - pontosabban magas szakítószilárdság/folyáshatás arány - valamint megfelelő szívósság elérésével, ami szükséges a kötőelemek megfelelő működéséhez.

Betétedzés, Cementálás és Direkt Edzés

Nagy dinamikus igénybevételnek kitett alkatrészek tipikus felületmódosító eljárása a betétedzés. A kérgesítő hőkezelések célja általában az alkatrészek felületi kopásállóságának fokozása oly módon, hogy az alkatrészek magja szívós, tehát töréssel szemben ellenálló maradjon. Ez kétféle elven valósítható meg: olyan hőkezeléssel, mely esetén a kémiai összetétel a darabban nem változik, vagy termokémikus kezeléssel, ahol a darab felületét valamilyen elemmel diffúziósan dúsítják.

A Betétedzés (Cementálás) Részletesebben

A betétedzés lényege, hogy a kis karbontartalmú acélok kérgébe karbont diffundáltatva a kéreg karbontartalma a nemesíthető, sőt a szerszámacélokéra jellemző mértékűre növelhető. Az alkatrészeket magas hőmérsékleten (speciális esetben magasabb nyomáson) kezelik, az emelkedett hőmérséklet hatására az alkatrész környezetében lévő szén, vagy nitrogén atomok diffundálnak a felület közvetlen közelében. Ha ezt követően az egész darabot ausztenitesítik majd edzik, a mag a kis karbontartalom miatt nem edződik be, lágy és szívós marad, a kéreg pedig a karbontartalomnak megfelelő kopásállóságú lesz. A betétedzésű acélok lehetnek ötvözetlenek és ötvözöttek; nagy mag-szilárdsági és szívóssági követelmények esetén ötvözött minőségeket alkalmaznak.

A betétedzés technológiája két lépésből áll: a szenítés (cementálás) szakaszából és az ezt követő edzés + feszültségmentesítés szakaszából. A cementálás céljából a darabot karbon-leadó közegben ausztenites állapotra hevítik és ott hőn tartják. A felület karbonban telítődni igyekszik, és kialakul egy felületi karbon-eloszlás. A telítésközeli karbontartalom a felületen néhány óra alatt beáll, a további hőntartás diffúziósan növeli a rétegvastagságot. A korszerű technológiák változtatható karbonpotenciálú közeggel dolgoznak. A folyamatot nagy karbonpotenciálú közeggel indítják (szenítő szakasz), majd a karbonpotenciált csökkentve (diffúziós szakasz) a karbon-eloszlás módosítására adnak lehetőséget. A betétedzés szokásos rétegvastagsága néhány tized mm-től kb. 3 mm-ig terjed, a darabméretektől és az igényektől függően. A kéreg maximális keménysége általában 58-63 HRC.

A karbon-leadó közeg lehet szilárd szemcsés (faszén vagy báriumkarbonát), sóolvadék (cianidok, szilícium-karbid stb.) vagy gáz. Manapság csak a gázcementálás tekinthető korszerűnek. A leggyakrabban alkalmazott technológia az egylépcsős, azaz direkt edzés. A hőmérséklet és a cementáló gáz összetételének ismeretében határozzuk meg az előírt kéregvastagsághoz szükséges cementálási időt. A betétedzést megeresztés (feszültségmentesítés) követi 180-200 °C között.

Felni választás Focus 1-hez

Előnyei: kifáradással szemben az egyik legjobb védekezési módszerünk a szívós mag, nagyobb szilárdságú kéreg koncepció. Továbbá a keményebb réteg kopásállósága sokkal jobb, mint az alapanyagé. Az ilyen, alacsony karbon tartalmú acélok kérgébe karbont diffundáltatva - cementálás - a kéreg karbon tartalma a nemesíthető, sőt a szerszámacélokéra jellemző mértékűre növelhető (0.6% < C < 1%).

Betétedzés jellemzői és berendezései

A cementálás egy folyamat, amely során az anyagot gazdag szén és nitrogén tartalmú gázközegben kezelik, hogy javítsák a felületi keménységet és kopásállóságot. A nagyméretű függesztett alkatrészek gázközegű betétedzése és cementálása szolgáltatásunk lehetővé teszi az alkatrészek felületi tulajdonságainak fejlesztését, ami kritikus fontosságú a hosszú élettartamú és kopásálló alkatrészek gyártásában.

Berendezés Típusa: Aknás kemence.
Specifikáció: Nagyméretű Függesztett Alkatrészek Gázközegű Cementálása: Az aknás kemence lehetővé teszi nagyméretű és függesztett alkatrészek gázközegű cementálását.

Egyéb Kérgesítő és Felületi Edzési Eljárások

Olyan hőkezeléssel, mely esetén a kémiai összetétel a darabban nem változik, de a hőkezelési állapot - azaz a szerkezet - igen. Ilyen esetben a mag szívósságát nemesített állapot biztosítja, a kéreg edzett szerkezete pedig úgy hozható létre, hogy a nemesített darab kérgét lokálisan ausztenitesítik és edzik. Ez lángedzéssel, indukciós edzéssel, elektronsugaras edzéssel, lézeredzéssel stb. valósítható meg.

Indukciós Edzés

Az indukciós edzéskor induktorral hevítik fel a felületet. Minél nagyobb a frekvencia, annál kisebb a felmelegedő kéreg vastagsága. Hűtése vízzel vagy vizes oldattal történik. Gyors, pontosan szabályozható, automatizálható eljárás. Indukciós edzéshez megfelelő minőségű és hőkezelési állapotú darab szükséges. Az alkalmazott acélok általában nagy karbontartalmú nemesíthető acélok vagy gyengén ötvözött szerszámacélok. Fontos, hogy a karbontartalom elérje azt a mértéket, amely az előírt keménység biztosításához szükséges. Indukciós edzés előtt a darabot nemesíteni szokás, mégpedig két okból. Egyrészt nemesítéssel biztosítható a mag nagy szilárdsága melletti szívóssága; másrészt a nemesített finom szferoidites szövet gyorsan ausztenitesíthető - ez pedig követelmény az igen rövid idejű ausztenitesítéssel jellemzett indukciós edzésnél (másodpercekben mérhető időintervallumról van szó). A frekvencia szabályozásával beállítható a hevíteni szándékozott felületi rétegvastagság. A rétegvastagság a frekvencián kívül a munkadarab anyagának villamos vezetőképességétől és mágneses permeabilitásától is függ, de a frekvencia a meghatározó paraméter.

Nitridálás

A nitridálást nitridképzőkkel ötvözött, nemesített acélok kérgesítésére alkalmazzák. A nitridálás hőmérséklete valamivel kisebb, mint az acél megeresztési hőmérséklete. A betétedzéssel szemben ezért nitridálásnál méretváltozás és vetemedés gyakorlatilag nem jelentkezik. A nitridálás nitrogén-leadó közegben történő hevítésből áll. A nitrogén a felületbe diffundálva ötvöző-nitrideket alkot - ezek igen nagy keménysége hozza létre a kéregkeménységet. A keménység meghaladhatja az 1000-1200 HV-ot, szemben a betétedzett kérgek maximálisan 850-900 HV keménységével. A kialakuló rétegvastagság elérését természetesen a hőkezelés ideje befolyásolja. Döntő azonban az acél kémiai összetétele is.

Egyéb felületi edzések

Lézeres edzés: A lézeres edzés során lézersugárral hevítik fel a munkadarabot. Nagyméretű alkatrészeknél alkalmazzák, ahol nem az egész munkadarabot, hanem csak egyes részeit kell edzeni, vagy olyan kisméretű alkatrészeknél, amelyeket más módszerrel már nem tudnak kezelni.
Elektronsugaras edzés: Az elektronsugaras edzéskor a munkadarabot vákuumba kell helyezni, ennek megfelelően az eljárást csak tiszta technológiai körülmények között tudják elvégezni.

Összehasonlító táblázat: Kérgesítő Eljárások

Eljárás	Cél	Fő előnyök	Jellemző rétegvastagság	Max. keménység (HV)
Betétedzés (Cementálás)	Karbontartalom növelése a felületen	Szívós mag, kopásálló kéreg, nagy szilárdság	0,1 mm - 3 mm	850-900
Indukciós Edzés	Felület lokális edzése	Gyors, pontosan szabályozható, automatizálható	Néhány tized mm - max. 12 mm	62 HRC (kb. 740 HV)
Nitridálás	Nitrogénnel dúsítás a felületen	Nagyon magas felületi keménység, minimális vetemedés	Tized mm nagyságrend	1000-1200