TERÄSOPAS
3.4 Lämpökäsittelyt, joissa ei tapahdu austeniitin muodostumista
Edellä käisitellyissä läimpökäisittelymenetelmissä austeniitin muodostumisella ja hajautumisella on ollut keskeinen asema ja läimpökäsittelyn lopputulos on suurelta osalta määräytynyt austeniitissa tapahtuvien ilmiöiden kulusta. Niiden lisäksi on joukko lämpökäsittelymenetelmiä, joissa lämpötila ei missään vaiheessa pysyvästi nouse ellutektoidisen lämpötilan (A1) yläpuolelle. Lämpöktisittelyn lopputulos määräytyy tällöin ferriittimatriisissa tapahtuvien ilmiöiden kulusta.Tällaisia lämpökäsittelyjä ovat pehmennyshehkutus, jännitystenpoisto- eli myöstöhehkutus, uudelleenkiteyttämis- eli rekristallisointihehkutus, typetys seka martensiitin päästö,joka on käsitelty jo karkaisun yhteydessä.
3.4.1 Pehmennyshehkutus
Pehmennyshehkutuksella ymmärretään teräksen hehkuttamista alemman muutoslämpötilan (A1) alapuolella (ylieutektoidisilla teräksillä hieman A1:n yläpuolella) tai siten, että lämpötila heilahtelee alemman muutoslämpatilan molemmin puolin ja jäähdyttämistä, karbidien riittävän pallottumiseen tarvittavan pitoajan jälkeen, huoneenlämpötilaan ilmassa (ylieutektoidiset teräkset uunissa)(kuva 20).
Pehmennyshehkutus tehdään yleensä keski-ja runsashiilisille teräksille ja sillä pyritään parantamaan teräksen koneistettavuutta tai kylmämuokattavuutta.Pitkäaikainen hehkutus lähellä alempaa muutoslämpötilaa aiheuttaa normalisoinnissa tai kuumamuokkauksen jälkeisessä ilma jäähtymisessä muodostuneen perliittirakenteen pallottumisen. Karbidilamellit pyrkivät pallon muotoon pienentääkseen täten kokonaispinta-alaansa ja siten tähän pintaan sitoutunutta pintaenergiaa. Hiilen suuri diffuusionopeus ferriitissä lähellä A1-lämpötilaa luo tälle prosessille kineettiset edellytykset.
Ylieutektoidisilla teräksillä suoritetaan pehmennyshehkutus hieman Al:n yläpuolella, jolloin teräs on austeniittinen, mutta suuri osa karbideja on vielä liukenematta. Pitkän hehkutusajan (2-4 tuntia) kuluessa pallottuvat liukenemattomat karbidit. Hehkutusta seuraa hidas jäähdytys, enintään 20°C/ tunnissa, jonka aikana austeniittiin liuennut sementiitti erkautuu entisten karbidipallojen pintaan ja perliitin muodostuminen estyy täten. Hisasta jäähdytystä jatketaan 600°C:een saakka, loppujäähtyminen voi tapahtua ilmassa. Pehmennyshehkutuksen lopputuloksena on edellä kuvatuilla hehkutusmenetelmillä mikrorakenne, jossa on karbidipalloja ferriittipohjalla.
Pehmennyshehkutus on yleensä aikaa vievä käsittely, etenkin ylieutektoidisilla teräksillä, joilla koko hehkutus uunijäähdytyksineen saattaa sitoa lämpökäsittelyuunin 10 tunnin ajaksi. Usein onkin tällöin nopeampi tapa samaan lopputulokseen pääsemiseksi karkaista teräs ensin ja suorittaa sitten päästö lähellä A1-lämpötilaa. Tällöin saadaan mikrorakenne, jossa on karbidipalloja ferriittipohjalla (kuva 40).
Kuva 40. Pehmennyshehkutettu
rakenne (sferoidiitti),
Fe - 0,8 % C; 1150°C, 60/vesi
+ lyijy, 700°C, 24 h/ilma.
Myöstöhehkutus
Myöstöhehkutuksella ymmärretään teräksen hehkuttamista alemman muutoslämpötilan (A1) alapuolella (yleensä lämpötila-alueella 500--650°C) ja jäähdyttämistä, sisäisten makrojännitysten laukeamiseen tarvittavan pitoajan jälkeen, hitaasti (yleensä uunin mukana) n. 200°C:n alapuolelle. Teräksen mikrorakenteessa tai lujuusominaisuuksissa ei myöstöhehkutuksen aikana saa tapahtua merkittäviä muutoksia.
Haitallisia makrojännityksiä syntyy teräkseen faasimuutoksiin liittyvien tilavuuden muutosten, hitsauksen, epätasaisen jäähtymisen ja voimakkaan työstämisen vaikutuksesta. Myöstöhehkutuksessa purkautuvat sisäiset makrojännitykset korkean lämpötilan aktivoiman paikallisen myötämisen vaikutuksesta. Teräksessä ei myöstöhehkutuslämpötilassa voi säilyä suuremmat sisäiset jännitykset kuin teräksen myötölujuus tässä lämpötilassa edellyttää.
Hitaalla jäähtymisellä estetään uusien jännitysten muodostuminen lämpötilaerotusten vaikutuksesta.
Sisäiset jännitykset saattavat olla hyvinkin suuria ja kuormituksista aiheutuviin jännityksiin liittyessään olla aiheena haurasmurtuman (erityisesti hitsatuissa rakenteissa) tai väsymismurtuman alkuunpääsyyn.
Sisäiset jännitykset aiheuttavat myöskin usein mittamuutoksia ja vääntymistä koneistuksen aikana. Myöstöhehkutus onkin hitsatuille rakenteille sekä koneistettaville takeille ja valuille hyvin yleisesti käytetty lämpökäsittely.
Rekristallisointihehkutus
Rekristallisointihehkutuksella ymmärretään kylmämuokatun teräksen hehkuttamista alemman muutoslämpötilan (A1) alapuolella ja jäähdyttämistä, mikrorakenteen uudelleenkiteytymiseen tarvittavan pitoajan jälkeen, ilmassa.
Teräksessä esiintyvät sisäiset jännitykset voidaan jakaa kahteen päätyyppiin, makroskooppisiin ja mikroskooppisiin. Makroskooppisten jännitysten vaikutusalue on suuri verrattuna rakeen läpimittaan. Ne ovat rakeen mittakaavassa tasaisesti jakautuneet, vaikkakin voivat vaihdella kappaleen poikkipinnan eri kohdissa. Makroskooppiset jännitykset eivät vaikuta lujuusominaisuuksiin siten, että ne voitaisiin esim. kovuusmittauksilla havaita. Makroskooppisten sisäisten jännitysten muodostumista ja poistamista käsiteltiin edellisessä kappaleessa.
Mikroskooppisten jännitysten vaikutusalue on taas rakeen suuruusluokkaa ja ne saattavat vaihdella suurestikin kappaleen poikkipinnan eri kohdissa. Mikroskooppisten sisäisten jännitysten olemassaolo ilmenee aina teräksen lujuusominaisuuksissa ja ne voidaan siten havaita esim. kovuusmittauksilla kovuuden kasvuna.
Teräksen kylmämuovaus on eräs yleisimpiä sisäisten mikrojännitysten muodostumisen syitä.
Kylmämuovauksessa tapahtuvaa lujuuden kasvua sanotaan muokkauslujittumiseksi ja lujittumista tehostaa usein vielä ns. muokkausvanheneminen. Muokkausasteen kasvaessa lisääntyvä muokkauslujittuminen asettaa muokkausasteen suuruudelle ylärajan, jonka ylittäminen johtaa murtumiseen. Muokkauksen jatkamiseksi on lujittunut teräs pehmennettävä, mikä voi tapahtua joko rekristallisointihehkutuksella tai normalisoinnilla. Rekristallisointihehkutuksessa ei tapahdu austeniitin muodostumista ja hajautumista, vaan rakenne uudistuu ferriittisen rakenteen välittömällä uudelleenkiteytymisellä. Muokkautuneisiin kiteisiin syntyy sopiviin kohtiin uusien muokkautumattomien kiteiden ytimiä, joita erottaa muokkautuneista kiteistä alkuvaiheessa pienenkulmanraja 1), joka ytimen kasvaessa muuttuu tietyssä vaiheessa tavalliseksi raerajaksi eli suuremkulman rajaksi 2). Kun muokkautunut rakenne on kokonaisuudessaan täten uudelleen kiteytynyt ovat teräksen mekaaniset ominaisuudet palautuneet ennen kylmämuovausta vallinneisiin arvoihinsa.
Kuva 41.Teräksen Imatra MUK 7 (A 7943, C = 0,07 %,
Si = 0,02 %, Mn = 0,47 %) rekristallisoitumisdiagramm.
1) Pienenkulman rajaksi sanotaan koherenttia raerajaa, jonka erottaminen kiteiden hilatasojen suunnat eroavat vain vähän (enintään n. 15°) toisistaan (kuva 49).. Tällainen raeraja voi jännityksen ja termisen aktivaation vaikutuksesta siirtyä ja siten tehdä mahdolliseksi ytimen kasvun.
2) Suurenkulman rajaksi sanotaan raerajaa, jonka erottamien kiteiden hilatasojen suunnat eroavat runsaasti (yli n. 2º) toisistaan (kuva 52). Raerajan muodostaa tällöin n. kolmen atomietäisyyden paksuinen siirtymävyöhyke, jossa atomit ovat epäjärjestyksessä. Tällaisen raerajan siirtyminen tapahtuu atomien ylipinoutumisena kiteestä toiseen epäjärjestysalueen yli ja vaatii tapahtuakseen huomattavasti korkeamman lämpötilan kuin pienenkulman rajan siirtyminen.
Rekristallisaation ajavana voimana on kylmämuokkauksessa teräkseen varastoitunut muokkausenergia ja korotetusta lämpötilasta saadaan atomien liikkumiseen tarvittava aktivoimisenergia.
Rekristallisoituneen rakenteen raekoko riippuu muokkausasteesta ja rekristallisointilämpötilasta siten, että muokkausasteen kasvaessa raekoko pienenee ja lämpötilan kasvaessa raekoko kasvaa.
Kullakin metallilla on sille tyypillinen muokkausasteen suuruus, ns. kriittinen muokkausaste, jonka omaavaan metalliin muodostuu heti rekristallisaation ensimmäisessä vaiheessa suuri raekoko. Puhtaalla raudalla on kriittinen muokkausastealue 5--15 %:iin. Syynä tähän ilmiöön on muokkausasteen pienuudesta johtuva ytimien vähälukuisuus, jolloin rakeet ehtivät kasvaa suuriksi ennen kuin ne törmäävät toisiin kasvaviin rakeisiin ja kasvu pysähtyy. Kriittisen muokkausasteen omaavaa terästä on vältettävä rekristallisointihehkuttamasta, jos toivotaan hienoa raekokoa. Tällöin on turvauduttava normalisointiin. Rekristallisoitumisen ensimmäisessä vaiheessa syntyneet pienet rakeet jatkavat välittömästi kasvamistaan siten, että useampisivuiset rakeet kasvavat harvempisivuisten rakeiden kustannuksella. Rakeenkasvun ajavan voiman muodostaa pyrkimys pienentää raerajoihin sitoutunutta pintaenergiaa, pienentämällä raerajojen kokonaispinta-alaa ja saattamalla raerajojen väliset kulmat mahdollisimman lähelle tiettyjä, tasapainoehtojen määräämiä arvoja.
Rakeenkasvua.samoin kuin primäärisen rekristallisaation kulkua voidaan säätää tehokkaasti hienojakoisen erkauman avulla. Sopivan jakautuman omaava erkauma pystyy lukitsemaan raerajat ja pysäyttämään rakeenkasvun, kun tietty, erkauman hiukkaskoosta ja jakautumasta riippuva raekoko on saavutettu. Rekristallisaation ajavana voimana on kylmämuokkauksessa teräkseen varastoitunut muokkausenergia ja korotetusta lämpötilasta saadaan atomien liikkumiseen tarvittava aktivoimisenergia.
Rekristallisoituneen rakenteen raekoko riippuu muokkausasteesta ja rekristallisointilämpötilasta siten, että muokkausasteen kasvaessa raekoko pienenee ja lämpötilan kasvaessa raekoko kasvaa.
Kullakin metallilla on sille tyypillinen muokkausasteen suuruus, ns. kriittinen muokkausaste, jonka omaavaan metalliin muodostuu heti rekristallisaation ensimmäisessä vaiheessa suuri raekoko. Puhtaalla raudalla on kriittinen muokkausastealue 5--15 %:iin. Syynä tähän ilmiöön on muokkausasteen pienuudesta johtuva ytimien vähälukuisuus, jolloin rakeet ehtivät kasvaa suuriksi ennen kuin ne törmäävät toisiin kasvaviin rakeisiin ja kasvu pysähtyy. Kriittisen muokkausasteen omaavaa terästä on vältettävä rekristallisointihehkuttamasta, jos toivotaan hienoa raekokoa. Tällöin on turvauduttava normalisointiin. Rekristallisoitumisen ensimmäisessä vaiheessa syntyneet pienet rakeet jatkavat välittömästi kasvamistaan siten, että useampisivuiset rakeet kasvavat harvempisivuisten rakeiden kustannuksella. Rakeenkasvun ajavan voiman muodostaa pyrkimys pienentää raerajoihin sitoutunutta pintaenergiaa, pienentämällä raerajojen kokonaispinta-alaa ja saattamalla raerajojen väliset kulmat mahdollisimman lähelle tiettyjä, tasapainoehtojen määräämiä arvoja.
Rakeenkasvua.samoin kuin primäärisen rekristallisaation kulkua voidaan säätää tehokkaasti hienojakoisen erkauman avulla. Sopivan jakautuman omaava erkauma pystyy lukitsemaan raerajat ja pysäyttämään rakeenkasvun, kun tietty, erkauman hiukkaskoosta ja jakautumasta riippuva raekoko on saavutettu. Rekristallisaation ajavana voimana on kylmämuokkauksessa teräkseen varastoitunut muokkausenergia ja korotetusta lämpötilasta saadaan atomien liikkumiseen tarvittava aktivoimisenergia.
Rekristallisoituneen rakenteen raekoko riippuu muokkausasteesta ja rekristallisointilämpötilasta siten, että muokkausasteen kasvaessa raekoko pienenee ja lämpötilan kasvaessa raekoko kasvaa.
Kullakin metallilla on sille tyypillinen muokkausasteen suuruus, ns. kriittinen muokkausaste, jonka omaavaan metalliin muodostuu heti rekristallisaation ensimmäisessä vaiheessa suuri raekoko. Puhtaalla raudalla on kriittinen muokkausastealue 5--15 %:iin. Syynä tähän ilmiöön on muokkausasteen pienuudesta johtuva ytimien vähälukuisuus, jolloin rakeet ehtivät kasvaa suuriksi ennen kuin ne törmäävät toisiin kasvaviin rakeisiin ja kasvu pysähtyy. Kriittisen muokkausasteen omaavaa terästä on vältettävä rekristallisointihehkuttamasta, jos toivotaan hienoa raekokoa. Tällöin on turvauduttava normalisointiin. Rekristallisoitumisen ensimmäisessä vaiheessa syntyneet pienet rakeet jatkavat välittömästi kasvamistaan siten, että useampisivuiset rakeet kasvavat harvempisivuisten rakeiden kustannuksella. Rakeenkasvun ajavan voiman muodostaa pyrkimys pienentää raerajoihin sitoutunutta pintaenergiaa, pienentämällä raerajojen kokonaispinta-alaa ja saattamalla raerajojen väliset kulmat mahdollisimman lähelle tiettyjä, tasapainoehtojen määräämiä arvoja.
Rakeenkasvua.samoin kuin primäärisen rekristallisaation kulkua voidaan säätää tehokkaasti hienojakoisen erkauman avulla. Sopivan jakautuman omaava erkauma pystyy lukitsemaan raerajat ja pysäyttämään rakeenkasvun, kun tietty, erkauman hiukkaskoosta ja jakautumasta riippuva raekoko on saavutettu. Terästen yhteydessä käytetään tätä keinoa pääasiassa säätämään kuumamuovauksen jälkeen tapahtuvaa austeniitin rakeenkasvua, joka on eräs esimerkki rekristallisoitumisen jälkeen tapahtuvasta rakeenkasvusta. Rakeenkasvua ehkäisevinä hiukkasina toimivat tällöin stabiilit karbidit ja nitridit (kuva 12). Jos erkauman jakautuma on epätasainen tai liian harva, pääsee siellä täällä jokin rae kasvamaan muita.suuremmaksi. Tällaisella rakeella on taipumus kasvaa ympäröivien pienten rakeiden kustannuksella, jolloin tuloksena on hyvin epähomogeeninen raekoko. Siellä täällä on erittäin suuria rakeita; joita ympäröi usein hyvin pienet rakeet. Tätä ilmiötä sanotaan sekundääriseksi rakeenkasvuksi ja se on yleensä haitallinen mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Sekundäärisen rakeenkasvun ajava voima on sama kuin primäärisessä rakeenkasvussa: pyrkimys pintaenergian pienentämiseen.
Seuraava luku