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

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

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)

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!)

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

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kialakuló kéreg vastagsága: ahol: - x, mm - k, konstans mm/óra, ez függ a db minősségétől és T-től - t, idő, óra T és t együttes hatása látható T növelése kedvezőbb a kéregvastagság növelése szempontjából. Ipari gyakorlatban a „ nem fémekkel” való ötvözésé a vezető szerep. Ezek közül is a C, N, esetleg B

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% (MSZ 31 szerint) 0,1 < X < 3,0 mm Előfordul nagyobb C% - ú, ötvözött acélok cementálása Pl.: golyóscsapágy acélok, Cr ötvözésű szerszámacél Itt a cél a kopásállóság javítása Me3C, Me7C3, Me23C6 karbidokkal illetve: kedvező R maradó kialakítása

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Cementálás szilárd közegben Cementálószer: BaCO3 + Na2CO3 + faszén + kokszpor Ezt és a db-kat dobozba rakják és légmentesen lezárják. T= 850 - 900°C lejátszódó reakciók: BaCO3 → BaO + CO2 CO2 + Cfaszén → 2 CO 2 CO → CO2 + Caktív Caktív + Fe → Fe (c) Paraméterek: Megfontolandó: T = 900°C - Tmin → ahol elbomlik a BaCO3 t = 10 – 20 óra - Tmax, akkor diff. seb. , de x = 0,1 – 0,15 mm/óra - szemcsedurvulás lesz

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Cementálás folyékony közegben: Hagyományos sófürdő + C leadó adalék (NaCN, KCN) Vegyi reakciók: 2NaCN + O2 = 2NaCNO 2NaCNO + O2 = Na2CO3 + CO + 2N 2CO → CO2 + Caktív Caktív + Fe → Fe (c) Paraméterek: Tcem = 830 - 860°C tX=1,5mm = 5 – 10 óra Az adalék tiltott! (Egészség és környezetkárosító) → Előnyösebb a gázcementálás

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Gázközegű cementálás Közeg: legalább 90% metán tartalmú földgáz Ez disszociál: CH4 → 2 H2 + Caktív A keletkező Caktív megkötödik a felületen Paraméterek: Tcem = 930 - 950°C Tx= 1,5mm = 6 -12 óra Fémtani problémák - Ha C> 0,8% → karbid háló - Tcem nő → szemcsedurvulás - x → kopás, teherviselés

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 Szövetszerkezet: - mag: durvaszemcsés F + (P) - kéreg: durva M tűs Megeresztéskor a M stabilabbá változik

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Egyszeri edzés Cementálás után hevítés a kéreg C%-nak megfelelő T-re és innen olajban hűtés - Technológiai adatok számitása hasonló az edzésnél megismertekhez. - Hevítés szabályozott atmoszférában végzik ( dekarbanizáció!) Szövetszerkezet: - mag: durva szemcsés F + (P) (Csak örökletes finomszemcsés acéloknál megfelelő a mech. tulajd.) - kéreg: finom tűs M

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

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 0,004% - ferromágneses

γ’ (Fe4N) - rendezett rácsú szilárdoldat 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 Fe16N2 (α” fázis) majd Fe4N (γ’ fázis) válik ki γ’ (Fe4N) - 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

TERMOKÉMIAI KEZELÉS ε – Fe2-3N rendezett rácsú szilárdoldat - N = 4,55 – 11% között változik - Hexagonális - N az oktaéderes rácshézagban - T = 650°C – eutektoidos bomlás: - Ferromágneses ξ - rombos kristályszerkezetű - N = 11,07 – 11,18% - T < 500°C – on stabil - Több C-t tud oldani, mint az ε - Összetétele: Fe8C3N és Fe2N között változik - Nitridálás szempontjából nem lényeges fázis

- γ’, ε , és ξ fázisokat nitridnek nevezik 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 -ban a N oldódását - ötvözött acélban γ’ és ε fázisok komplex nitrid és karbonitrid (Pl.: Fe, Me4N; FeMe3NC 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

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Nitridált kéreg kialakulása: 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) Ezek figyelembevételével: Tnitridálás = 520 - 580°C

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kéreg kialakulásának mechanizmusa: - adszorbeállódott N-t oldja az α szilárdoldat - felületen kialakul egy telítetlen α - megindul a N diffúziója a mag irányába - adszorpció gyorsabb, mint a diffúzió - t1 időpontban a α telítetté válik - csíraképződéssel megjelenik a γ’ (szemcse-, mozaikblokkhatáron, diszlokációhoz) - első csírák a felületig kiérő α határa - γ’ csak a túltelített α -ban növekedhet → a felületen összefüggő γ’ kéreg - a kéregvastagság nő - γ’ kialakulása → ugrásszerű N% - Felületen telítődik γ’-ben a N → megjelenik az ε. ε N tartalma széles határokon belül változik. - γ’ és ε határon ugrásszerű N% változás

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Kialakult kéreg: T < Ac1, Ha ezt lehűtjük szobahőmérsékletre: fázisokból fog állni Ötvözött acélokban az ε két fázisból áll. felül: (FeMe)2CN és majd kialakul az (FeMe)3CN Különbség: 2%N A nagy N%-u ε -ban a N atom „ kiül” a rácshibákra → atomok molekulává rekombinálódnak → nő a nyomás → mikrorepedés → oxidáció → Fe2O3 → pórusképződés → csökkenti a HV-t, kopásállóságot - ε porozitása függ a % -től - c% csökkenti a N diffúzióját → növeli pórusképződést → csökkenti HV-t

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 A5 és nő az Rm és ReH, 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

ε Fázis alatt van az ε + γ’ zóna. TERMOKÉMIAI KEZELÉS A kéreg jellemző tulajdonságai Kéreg: 1. vegyületi zóna 2.diffúziós zóna Vegyületi zóna: (telitőközegtől függően) - ε - nitrid - ε karbonitrid - ε oxinitrid - ε oxi-karbonitrid ε 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 porózus karbonitrid = 200 – 300 MHV HV ε tömör karbonitrid = 900 – 1600 MHV

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.

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: - N behatolási mélysége x= f (T) exponiciális, míg az időtől másodfokú parabola szerint változik 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

- Vegyületi zóna tulajdonsága függ az ε N%-tól TERMOKÉMIAI KEZELÉS - Vegyületi zóna tulajdonsága függ az ε N%-tól - Kedvezőbb a kis N% az ε - ban - Ha Tnitrid növeljük → nő a N diffúziója → csökken az ε N tartalma és csökken a HV eloszlás meredeksége. - Az ε vastagsága a megengedhető kopás mértékétől függ. (Felesleges növelni) - De a Rmaradó = f (x, ε, és a szerkezettől) optimális, ha : ε = 15 – 20 µm ha ε > 20µm → csökken a kifáradási határ Méretváltozás! Mivel – nitridképződés → fajtérfogatváltozás → megeresztődés - Db. duzzadni fog → nomogrammok → tervezhető a méretnövekedés

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

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Nitridálás technológiája: - Legrégebbi felületötvözés (Damaszkuszi kard) Nitridálás sófürdőben: - Sók termikus bomlásakor keletkező N-t használják - Káros egészségre, környezetre (KCN, NaCN) 2KCN + O2 → 2KCNO 2KCNO + O2 → K2CO3+CO + 2Naktív Gyakorlati megoldás Nem használják!

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Gáznitridálás: - T = 500 - 600°C kell az Naktív → N leadó közeg az NH3 - T = 400°C-on 2NH3 → 3H2 + 2 Naktív - Gázt áramoltatni kell, mert N + N = N2 gáztér aktívitása függ a disszociáció fokától Ez pedig: T, p, v felület min-től - 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 → NH3 + C tart. Keverék - Ha a vegyületi zónát akarjuk változtatni → az NH3 -at hígítani kell N2, H2, Ar H2 – vékonyabb zónát eredményez N2 – vastagabb zónát eredményez

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Ionnitridálás: - Legkorszerűbb, gyártósorba is beépíthető -Technológia - Db.-ot tartályba helyezzük, villamosan elszigetelve katódként kapcsoljuk - Levegőt kiszívják, majd feltöltik N2, N2+H2-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

TERMOKÉMIAI KEZELÉS Nitridálás számitógépes tervezésének alapadatai Kívánalom: Kéreg – vastagsága - keménysége - szerkezete - maradó feszültség Paraméterek T, t, p, gázösszetétel, sebesség felületminőség, U Irodalomban kevés konkrét adat van. A számitógépes tervezés lehetőségével a VEM alkalmazás feltételeivel a későbbiekben találkozhatunk.

KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!