TERÄSOPAS
2.Seosaineiden vaikutus2.1 Seosaineiden vaikutus mikrorakenteeseen
Seosaineet saattavat esiintyy teräksessä monessa eri muodossa. Kaikki seosaineet liukenevat tietyssä määrin teräkseen, muodostaen raudan kanssa ns. jähmeän liuoksen. Jähmeässä liuoksessa saattavat seosaineen atomit korvata rauta-atomeja, jolloin puhutaan korvaussijaliuoksesta. Näin käy silloin, kun seosaineen atomin läpimitta on lähellä raudan atomin läpimittaa. Hyvin pienet atomit (vety, typpi, hiili, boori) asettuvat sen sijaan rauta-atomien välisiin koloihin, jolloin puhutaan välisijaliuoksesta. Suurin määrä, minkä rauta pystyy liuottamaan seosaineita riippuu seosaineen laadusta, lämpötilasta sekä muista läsnäolevista seosaineista. Toisilla seosaineilla on liukoisuus rajoittamaton (esim. nikkelin, mangaanin ja koboltin liukoisuus austeniittiin), toisilla taas lähes olematon (esim. lyijy). Mikäli sulatteessa on enemän jotain seosainetta kuin teräs pystyy liuottamaan, muodostuu teräksessä yleensä rakenneosia, joissa ko. seosaineen pitoisuus on keskimääräistä pitoisuutta suurempi. Tämän uuden rakenneosan määrä pyrkii muodostumaan sellaiseksi, että jäljelle jäävä seosainemäärä vastaa juuri suurinta tämän seosaineen liukoisuutta kussakin lämpötilassa.
Täten voidaan selittää esim. sementiitin (C = 6,72 %) muodostuminen ylieutektoidisessa teräksessä, kun lämpötila laskee ES-viivan (Acm ) alapuolelle. Sementiitti (Fe3C) on esimerkki metallin ja hiilen välisistä välisijayhdisteistä, joita sanotaan yhteisellä nimellä karbideiksi. Muita teräksessä esiintyviä yhdisteitä ovat mm. nitridit, sulfidit, silikaatit ja oksidit.
Nämä metallin ja epämetallin väliset yhdisteet esiintyvät huoneenlämpätilassa teräksessä erilaisina hiukkasina, joita sanotaan erkaumiksi tai kuonasulkeumiksi. Niitä esiintyy aina teknisissä teräksissä ja useimmilla niistä on merkittävä vaikutus teräksen ominaisuuksiin. Erityisesti erilaiset karbidit muodostavat tärkeän rakenneosan teräksessä. Useimmat seosaineet liukenevat pieninä pitoisuuksina teräksessä esiintyessään halukkaasti sementiittiin ja muodostavat erikoiskarbideja suurina pitoisuuksina esiintyessään. Karbidien muodostumista suosivat seosaineet lisääntyvän karbidinmuodostamistaipumuksen mukaisessa järjestyksess„ lueteltuina ovat: mangaani, kromi, molybdeeni, volframi, tantaali, vanadiini, niobi, zirkoni ja titaani. Kupari, nikkeli ja koboltti eivät sen sijaan osallistu karbidin muodostamiseen. Metallien ja epämetallien välisille yhdisteille on olennaista, että niille voidaan antaa kemiallinen kaava ja että eri atomilajit esiintyvät niissä määräsuhteissa.
Lisäksi saattaa teräksessä esiintyä metallien välisiä yhdisteitä, joissa eri atomilaatujen suhde vaihtelee kapeammalla tai leveämmällä alueella. Metallien väliset yhdisteet, joiden rakenne riippuu atomien suhteellisista läpimitoista, eri atomilajien valensseista sekä niiden kahden uloimman elektronikehän rakenteista, ovat tavallisissa rakenneteräksissä esiintyvillä seosainepitoisuuksilla harvinaisia.
Runsasseosteisissa syöpymisen kestävissä ja työkaluteräksissä esiintyy metallien välisiä yhdisteitä sen sijaan melko yleisesti; tunnetuin niistä on ehkä sigma-faasi, jota esiintyy mm. runsaasti kromia sisältävissä teräksissä.
Seosaineilla on myös välitön vaikutus terästen rakennemuutosten termodynamiikkaan sekä kinetiikkaan. Ensinmainittu vaikutus ilmenee niissä muutoksissa, mitä seosaineet aiheuttavat rauta-hiili-tasapainopiirroksessa. Seosaineiden vaikutus rakennemuutosten kinetiikkaan eli ytimenmuodostus- ja kasvuedellytyksiin ei sen sijaan ilmene tasapainopiirroksista. Tätä vaikutusta käsitellään kappaleessa 3.2.
Sen vaikutuksen perusteella, mikä seosaineilla on rauta-hiili-tasapainopiirrokseen, voidaan ne jakaa kahteen ryhmään: seosaineisiin, jotka supistavat austeniittialuetta ja seosaineisiin, jotka laajentavat sitä.
Edelliseen ryhmään kuuluvat mm. pii, kromi, folframi, molybdeeni, fosfori, vanadiini, titaani, alumiini, tantaali, zirkoni, boori, rikki ja niobi.
Jälkimmäiseen ryhmään kuuluvat mm. mangaani, nikkeli, koboltti, kupari, typpi ja hiili.
Näihin eri ryhmiin kuuluvien aineiden vaikutusta rautahiili-tasapainopiirroksen austeniittialueeseen havainnollistavat kuvat 5 ja 6.
Kuvat 5 ja 6
Kuvassa 6. on esitetty mangaanin vaikutus. Mangaani laajentaa austeniittialuetta laskemalla eutektoidista lämpötilaa. Nikkelillä on samanlainen vaikutus. Austeniittisten mangaani- ja nikkeliterästen olemassaolo perustuu tähän ilmiöön kuten myöhemmin käy ilmi.
Kuva 7.
Kuvassa 7 on esitetty yhteenvetona eri seosaineiden vaikutus terästen lämpökäsittelyn kannalta tärkeän eutektoidiseen lämpötilaan sekä eutektoidiseen hiilipitoisuuteen.
2.2 Seosaineiden vaikutus rakennemuutoksiin
Aikeisemmin (kappaleessa 1) todettiin austeniitin hajautuvan lämpötilan laskiessa siten, ett„ austeniittiin muodostuu raerajoille ja muihin sopiviin kohtiin ferriitin (alieutektoidisilla teräksillä) tai karbidin (ylieuttektoidisilla teräksillä) ytimiä, jotka kasvavat austeniitin kustannuksella. Samoin hajautuu eutektoidisen koostumuksen omaava austeniitti perliitiksi ytimen muodostumis- ja kasvumekanismilla.
Kun lämpötila (stabiilisssa) austeniitissa on alittanut tasapainopiirroksessa annetun faasirajan (esim. A3:n) ovat edellytykset ferriittiytimen muodostumiselle olemassa. Tällaisen ytimen täytyy olla tiettyä kriitillistä kokoa suurempi, jotta se pystyisi kasvamaan edelleen. Ytimen muodostumiseen tarvitaan energiaa (aktivoimisenergia), joka saadaan alijäähtymisestä, eli hetkellisen lämpötilan ja tasapainopiirroksen faasirajaa vastaavan lämpötilan erotuksesta. Mitä alemmas A3-lämpötilan alapuolelle austeniitti on jäähtynyt, sitä suurempi on mahdollisuus kasvukykyisen ferriittiytimien muodostumiselle. Kasvukykyisten ytimien muodostuminen on siis tilastollinen ilmiö ja ytimien muodostumistodennköisyys eli muodostumisnopeus kasvaa alijäähtymisen lisääntyessä. Ensimmäisen ytimen muodostumiseen kuluva aika, ns. viivästyminen, pienenee samalla.
Kun esim. pysyviä ferriitin ytimiä on muodostunut austeniittiin, alkavat ne kasvaa siten, ett„ austeniitista siirtyy rauta-atomeja ytimen ja austeniittikiteen välisen rajan yli ferriittikiteeseen. Samanaikaisesti kulkeutuu ferriitistä hiiltä austeniittiin, koska ferriitti pystyy liuottamaan korkeintaan 0,02 % hiiltä. Raerajan yli vaeltaa myös muita seosaineita vaellussuunnan riippuessa seosaineiden pitoisuuksista ja suhteellisista liukoisuuksista ferrlittiin ja austeniittiin.
Ytimen kasvamiselle välttämätön atomien vaeltaminen eli diffuusio on taas ilmiö, joka vaikeutuu lämpötilan laskiessa eli alijäähtymisen kasvaessa. Lämpötilan laskiessa riittävästi estyy vähitellen yhä useamman atomilajin diffuusio, millä seikalla on suuri merkitys austeniitin hajautumismekanismille kuten myöhemmin käy ilmi. Näiden kahden, lämpötilan laskiessa vastakkaiseen suuntaan kehittyvän ilmiön -ytimen muodostumisnopeuden ja ytimen kasvunopeuden- yhteisvaikutuksesta austeniitin hajaantuminen ensin nopeutuu alijäähtymisen kasvaessa, mutta alkaa tietyn kriitillisen lämpötilan alapuolella hidastua. Kun tätä ilmiäöätä kuvataan graafisesti lämpötila-aika koordinaatistossa saadaan tunnettu isoterminen S-käyrä.
Kuva 8.
Kuva 8 esittää erään hiiliteräksen isoterminen S-käyrä, joka on saatu siten, että austenitoitu kappale on nopeasti jäähdytetty tiettyyn lämpötilaan ja havaittu austeniitin hajaantumisen alkamis- ja päättymishetki. Tämä on toistettu useammassa eri lämpötilassa ja täten saadut hajautumisen alkamis- ja loppumishetkeä kuvaavat pisteet on esitetty lämpötilan funktiona ja yhdistetty käyriksi kuvan 8 osoittamalla tavalla. Isotermiset S-käyrät antavat erittäin havainnollisen kuvan austeniitin hajautumisen kinetiikasta ja niillä on suuri merkitys teräksen lämpökäsittelyssä. Nilden avulla on myäs helpointa havainnollistaa seosaineiden vaikutusta austeniitin hajautumiseen.
Kaikki seosaineet, kobolttia lukuunottamatta, vaikuttavat austeniittiin liuenneena samaan suuntaan. Ne hidastavat austeniitin hajautumista vaikeuttamalla ytimen muodostusta ja hidastamalla ytimien kasvun edellyttämää atomien diffuusiota. Isotermisissä S-käyrissä ilmenee tämä siten, että seosainepitoisuuden kasvaessa S-käyrät siirtyvät alka-akselilla oikealle ja samalla etääntyvät (ajassa) toisistaan.
Kun teräkseen lisätään n. 30 % nikkeliä, hidastuu austeniitin hajautuminen niin paljon, että sitä ei tapahdu hitaallakaan jäähdytyksellä. Tällöin teräksen rakenne on huoneenlämpötilassa austeniittinen. Tätä ilmiötä käytetään hyväksi austeniittisissa teräksissä. Syöpymisenkestävässä teräksessä, jossa Cr-pitoisuus on tavallisesti n. 18 %, saadaan teräs jäämään austeniittiseksi, kun nikkelipitoisuus ylittää 8%. Austeniittisessa mangaaniteräksessä (ns. Hadfield-teräs) saadaan mikrorakenne nopealla jäähdytyksellä jäämään täysin austeniittiseksi, kun hiilipitoisuus on n. 1,2 % ja Mn-pitoisuus n. 13 %.
2.3 Seosaineiden vaikutus lujuusominaisuuksiin
Vaikka seosaineiden tärkein merkitys lujuusominaisuuksia ajatellen onkin siinä, että ne tekevät mahdolliseksi edullisen mikrorakenteen saavuttamisen lämpökäsittelyllä, niillä on myös monia välittömiä vaikutuskia. Jos otetaan tarkastelun pohjaksi hitaasti jäähtynyt niukkahiilinen teräs, jonka rakenne on pääasiassa ferriittiä, voidaan todeta, että teräksen lujuus muodostuu seuraavista komponenteista: ferriitin lujuus, perliitin lujuus, perliitin suhteellinen määrä sekä erkaumat ja kuonasulkeumat.
Seosaineilla on ratkaiseva merkitys ferriitin lujuudelle. Puhtaan raudan myötölujuus on erittäin pieni. Jo 0,005 % hiiltä nostaa sen n. viisinkertaiseksi
kuva 9.
Kaikki seosaineet lisäävät ferriittiin liuetessaan myös sen lujuutta
kuva 10.
Eräät pieniatomiset seosaineet, kuten hiili, typpi, vety ja boori aiheuttavat kerääntyessään ns. dislokaatioiden (ks. 4.1.3) ympärille sen, että liukuminen kiteen liukutasoja pitkin pääsee alkamaan vasta, kun tietty rajajännitys, kriitillinen leikkausjännitys, on ylitetty tällä liukutasolla. Tähän ilmiöön perustuu terävän myötörajan esiintyminen ferriittisissä teräksissä.
Toinen ferriitin lujuuteen vaikuttava tekijä on sen raekoko. Kokeellisesti on osoitettu,että ferriitin myötöraja on kääntäen verrannollinen ferriittirakeen läpimitan neliöjuureen.
Tätä riippuvuutta esittää tunnettu Hall-Petch'in yhtälö:
|
Ferriittiin liuenneet seosaineet eivät oleellisesti vaikuta raekokoon.
Hitaasti jäähtyneessä niukkahiilisessä teräksessä esiintyy mikrorakenteessa ferriitin ohella myös perliittiä (kuva 2) Perliitti on vuorottelevista ferriitti ja sementiittilamelleista rakentunut, ja sen lujuus määäräytyy ferriittilamellien paksuudesta. Ferriittilamellien paksuus määräytyy taas perliitin muodostumislämpötilasta, Bain'in mukaan vaihtelee perliitin kovuus välillä 170-377 HB kun muodostumislämpötila vaihtelee välillä 720--595 C.
Seosaineet voivat vaikuttaa välittömästi ja välillisesti perliitin lujuuteen ja määrään. Välillinen vaikutus perustuu perliittireaktion hidastumiseen ja ilmenee S-käyrien siirtymisen„ oikealle. Tämä vaikutus tulee esille lähemmin lämpökäsittelyn yhteydessä. Välittömät vaikutukset ilmenevät rauta-hiili- tasapainopiirroksesta. Kaikki seosaineet pienentävät eutektoidista hiilipitoisuutta (kuva 7), mikä merkitsee sitä, että eutektoidisessa pisteessä muodostuvan perliitin sementiittipitoisuus pienenee ja ferriittipitoisuus vastaavasti kasvaa. Kun 0,8 % hiiltä sisältävässä perliitissä ferriittilamellien paksuus on n. 7,5 kertaa karbidilamellin paksuus, on vastaava suhde hiilipitoisuudella 0,6 % n. 10,5. Ferriittilamellien paksuneminen aiheuttaa perliitin kovuuden pienenemisen. Samanaikaisesti kuitenkin perliitin määrä myös kasvaa, joten lopullinen tulos riippuu näiden kahden tekijän yhteisvaikutuksesta.
Mangaani ja nikkeli laskevat muut seosaineet nostavat eutektoidista lämpötilaa (kuvat 6 ja 7). Eutektoidisen lämpötilan lasku merkitsee perliitin lamellietäisyyden pienenemistä, mistä on seurauksena perliitin lujuuden kasvu. Eutektoidista lämpötilaa nostavat seosaineet aiheuttavat taas perliitin lujuuden pienenemistä.
Kaikissa teknillisissä teräkslssä esiintyy erilaisia erkaumia, kuten karbideja, nitridejä sekä kuonasulkeumia, joilla on sekä edullisia että haitallisia vaikutuksia teräksen lujuusominaisuuksiin. Tällaisten epämetallisten sulkeumien vaikutus riippuu niiden muodosta, jakautumasta ja kovuudesta. Haitallisimpia ovat kuonasulkeumat, jotka muodostavat ohuita, alhaisessa lämpötilassa sulavia tai hauraita kalvoja raerajoille aiheutaen kuuma- tai kylm„haurautta. Täten esiintyvät muun muassa rautasulfidi, joka aiheuttaa kuumahaurautta, alumininitridit eräissä tapauksissa sekä usein karbidit, aiheuttaen kylmähaurautta.
Seosaineilla voidaan vaikuttaa usein kuonasulkeuman muotoon ja jakautumiseen siten, että sen haitalliset vaikutukset pienenevät. Niinpä teräksissä käytetään aina mangaania sitomaan rikki mangaanisulfidiksi, joka ei muodosta kalvoa raerajalle. Hauraiden nitridikalvojen muodostuminen on usein seurausta liian runsaasta nitridejä muodostavan seosaineen (alumiinin) pitoisuudesta. Soviva lmpökäsittely tai alumiinin vaihtaminen johonkin toiseen nitridejä muodostavaan seosaineeseen (esim. titaaniin) poistaa usein tämän vaikeuden.
Hauraita karbidikalvoja esiintyy usein ylieutektoidisissa teräksissä väärän lmpökäsittelyn seurauksena. Erityisesti ns, nuorrutusrakenteessa esiintyessään ne ovat tuhoisia lujuutta ja sitkeyttä ajatellen. Austeniittisissa teräksissä muodostuu helposti karbidikalvoja raerajoille. Tästä on seurauksena haurautta (13 % Mn-teräs) tai syöpymisenkestävyyden huononeminen, kuten tapahtuu austeniittisten CrNi-terästen herkistymisilmiössä. Molemmissa tapauksissa voidaan sopivalla seostuksella saada karbidit muodostumaan pallomaisina ja rakenteeseen tasan jakautuneena, jolloin karbidierkauman haittavaikutukset pienenevät.
Sopivilla seosainelisäyksillä aikaansaatuja erittäin hienojakoisia, ns. koherentteja hiukkasia käytetään useissa tapauksissa parantamaan teräksen lujuusominaisuuksia. Koherentit hiukkaset ovat joko nitridejä tai erikoiskarbldeja. Sopivan jakautuman omatessaan ne estävät rakeenkasvua ja lisäävät kitkajännitystä liukutasolla kohottaen siten myötörajaa ja parantaen sitkeyttä.
Seuraava luku