1. No category

Terästen lämpökäsittelyt
Teräkseen halutaan käyttötarkoituksen mukaan erilaisia ominaisuuksia. Jossain tapauksessa
teräksestä tehdyn kappaleen tulee olla kovaa ja kulutusta kestävää, joskus taas sitkeää ja hyvin
taivutettavaa. Usein teräsosien tai rakenteiden valmistus määrää teräksen ominaisuudet.
Teräksen ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa lämpökäsittelyillä. Tällöin itse asiassa muutetaan
teräksen mikrorakenne halutuksi. Mikrorakenne vaikuttaa taas teräksen ominaisuuksiin.
Teräksille voidaan tehdä monia lämpökäsittelyjä kuten normalisointi, karkaisu, päästö, nuorrutus, perlitointi, bainitointi, pintakarkaisu, rekristallisointi, pehmeäksihehkutus, myöstö, vedyn
poistohehkutus ym.
Normalisointi
Normalisoinnin tarkoituksena on sit‑
keyden lisääminen ja mekaanisten
ominaisuuksien tasaaminen. Usein
valun tai taonnan jälkeen kiderakenne
on epätasainen. Suuret rakeet alen‑
tavat sitkeyttä eli teräs on haurasta.
Normalisoinnilla muutetaan kidera‑
kenne hienoksi. Raekoon pienentämi‑
nen perustuu kidemuodon muutoksen
hyväksikäyttöön (kuva 17.1). Teräs
kuumennetaan austeniittialueelle, josta
sen annetaan jäähtyä vapaasti ilmassa.
Normalisoinnin tuloksena syntyy sit‑
keä, hienorakeinen ferriittis‑perliittinen
rakenne.
Rakenne täysin
austeniittinen
Useampia austeniittikiteitä kustakin
perliitti-rakeesta
enemmän kiteitä =
pienempiä kiteitä
1000 °C
900
Austeniittia
800
700
Perliittiä
600
Ferriittiä
Ennen karkearakeista
500
Kuva 17.1 Normalisointi.
60
Teräs 0,5 % C
0,8
1,0
%C
Jälkeen hienorakeista
Karkaisu ja päästö,
nuorrutus
Karkaisu‑ ja päästökäsittelyllä lisätään
teräksen lujuutta ja kovuutta sekä myös
sitkeyttä. Karkaisussa synnytetään
kova martensiittinen mikrorakenne,
jonka sitkeyttä parannetaan päästö‑
hehkutuksella.
Karkaisussa teräs kuumennetaan aus‑
teniittialueelle ja jäähdytetään nopeasti
eli sammutetaan veteen, öljyyn tai
ilmaan, Sammutuksen jälkeen teräs
on välittömästi päästettävä eli kuu‑
mennettava uudelleen joko noin 200
ºC:een tai korkeammalle 500…700
ºC:een. Karkaisuhehkutuksen jälkeises‑
sä sammutuksessa austeniitti muuttuu
martensiitiksi. Se on luonteeltaan kovaa
ja haurasta. Päästössä sen kovuus
alenee jonkin verran, mutta sitkeys
paranee merkittävästi. Päästölämpötilaa
muuttamalla voidaan valita sopiva lu‑
juuden ja sitkeyden yhdistelmä. Mitä
korkeampi on päästölämpötila, sitä
alhaisempi kovuus ja parempi sitkeys.
Jos halutaan säilyttää karkaisussa
saavutettu suuri lujuus ja esimerkiksi
kulumiskestävyys, päästetään teräs
noin 200 ºC:ssa. Karkaisua ja korkeam‑
malla lämpötila‑alueella tehtyä päästöä
(500…700 ºC) sanotaan nuorrutuksek‑
si. Nuorrutettu teräs on karkaistuun
verrattuna vähemmän lujaa, mutta
sitkeys on erinomainen.
Lämpötila °C
1000
900
Lämpötila °C
1000
900
Austenitointi
800
800
700
700
600
500
500
400
400
300
300
200
Päästön lämpö‑
tila-alue
600
Päästö
200
Sammutus
100
100
0
0
Kuva 17.2 Nuorrutus.
Karkaisematon
Aika
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
Hiilipitoisuus %
Karkaistu
Kuva 17.3
Pintakarkaisut
Usein koneenosalta vaaditaan suurta
pinnan kovuutta, mutta keskustan
lujuus on toisar voista, mieluummin
sen tulee olla sitkeä. Esimerkiksi ham‑
maspyörästä on edullista karkaista vain
teräksen pinta.
Pinta voidaan karkaista kuumentamalla
vain se ja sammuttamalla esimerkiksi
vesisuihkulla. Kuumennus tehdään ta‑
vallisesti sähkön avulla, jolloin puhutaan
induktiokarkaisusta. Myös kaasuliekkiä
voidaan käyttää, ks. kuva s. 6.
Toinen menetelmä on hiiletyskarkaisu.
Niukkahiilistä terästä (C = 0,1...0,2 %)
kuumennetaan hiiltä luovuttavassa väli‑
aineessa, tavallisesti kaasussa, useita
tunteja, jolloin pintaan ja pinnan lähei‑
syyteen siirtyy hiiltä. Karkaisuhetkellä
pitoisuus pinnan läheisyydessä on
noin 0,8 %. Pinnasta tulee kova ja
kulutusta kestävä sisustan jäädessä
pehmeämmäksi. Rakenteeseen syntyy
myös puristusjännityksiä pintaan, mikä
lisää väsymislujuutta.
Lämpötila °C
1000
Lämpötila °C
1000
900
800
900
800
Hiiletys
700
600
700
Sammutus
600
500
500
400
400
300
300
Päästö
200
200
100
100
0
0
Kuva 17.4 Hiiletyskarkaisu.
Aika
Päästön lämpö‑
tila-alue
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
Hiilipitoisuus %
61
Hehkutukset
Pehmeäksi hehkutuksessa perliittisen
teräksen sementiittilamellit palloutuvat
(kuva 17.5 ja 17.6). Käsittelylämpötila
riippuu pitoisuudesta. Se on yleensä
5…30 tuntia.
Jännitysten poistohehkutuksella vä‑
hennetään valmistustavasta aiheutuvia
sisäisiä jännityksiä hitsatuissa raken‑
teissa, valuissa sekä voimakkaasti
työstetyissä kappaleissa. Sisäiset
jännitykset lisäävät haurasmurtuman
Lämpötila °C
1100
ja väsymismurtuman vaaraa sekä aihe‑
uttavat muodonmuutoksia jatkokäsitte‑
lyissä. Hehkutus tapahtuu 500…600
ºC:n lämpötilassa (kuva 17.7) ja sitä
seuraa hidas jäähdytys (noin 15 ºC/h)
huoneenlämpötilaan.
Vedynpoistohehkutus on tarpeen, kun
teräksen sitkeysominaisuudet ovat
heikentyneet vedyn vaikutuksesta.
Vedyn aiheuttamia säröjä ja murtumia
saattaa esiintyä mm. suurissa valan‑
Pehmeäksi hehkutus
Perliittisferriittinen
1000
900
800
teissa ja suurissa taotuissa kappaleissa
jäähtymisen aikana sekä hitsauksen
yhteydessä. Hehkutus tapahtuu välit‑
tömästi A1:n alapuolella ja sen pituus
riippuu teräksen vetypitoisuudesta
ja kappaleen paksuudesta (yleensä
kymmeniä tunteja).
A3
Acm
A1
Tavoitelämpötila
700
Palloutunut
600
500
0,00 0,20
0,50
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
Hiilipitoisuus %
Kuva 17.5 Pehmeäksi hehkutus.
Lämpötila °C
1100
Jännitystenpoistohehkutus
1000
900
A3
Acm
800
A1
700
600
Tavoitelämpötila
500
0,00 0,20
0,50
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
Hiilipitoisuus %
Kuva 17.7 Jännitystenpoistohehkutus.
62
Kuva 17.6 Rakenteet ennen ja
jälkeen pehmeäksi hehkutuksen.
Lämpötila °C
1100
Rekristallisointihehkutus
1000
Ennen
900
Jälkeen
800
Kuva 17.8
Rekristallisaatio.
A3
Acm
A1
700
Rekristallisointihehkutusta käytetään kylmämuokkauksessa
lujittuneen teräksen pehmentämiseen. Käsittelyssä kylmä‑
muokkautuneet rakeet korvautuvat uusilla kiteillä (kuva 17.8)
ja teräkseen palautuvat sen alkuperäiset ominaisuudet.
Hehkutuslämpötila on 600...700 ºC (kuva 17.9).
Tavoitelämpötila
600
500
Ilmauunissa suoritettavassa hehkutuksessa teräksen pin‑
nassa tapahtuu hapettumista ja myös usein hiilenkatoa.
Mikäli sitä ei voida sallia, on hehkutus tehtävä suojakaa‑
sussa tai tyhjössä.
0,00 0,20
0,50
0,80 1,00 1,20 1,40 1,60
Hiilipitoisuus %
Kuva 17.9 Rekristallisointihehkutus.
Lämpökäsittelyt terästen
tuotantoprosessissa
Niukkaseosteisia teräksiä, kuten ylei‑
siä rakenneteräksiä, käytetään taval‑
lisimmin kuumavalssatussa tilassa.
Teräksen ominaisuudet riippuvat tällöin
koostumuksen lisäksi valssauksen
suoritustavasta ja erityisesti viimeisten
valssauspistojen lämpötilasta, redukti‑
oista sekä jäähdytyksestä valssauksen
jälkeen. Säätämällä näitä tekijöitä
voidaan lopputuotteen ominaisuuksiin
vaikuttaa melko laajoissakin rajoissa.
Nykyaikaiset kuumavalssaamot suun‑
nitellaan siten, että edellä mainittu‑
ja tekijöitä voidaan ohjata. Tällä ns.
kontrolloidulla kuumavalssauksella
voidaan monissa tapauksissa korvata
normalisointi, erässä tapauksissa myös
nuorrutus.
Yhdistämällä tarvittavat lämpökäsittelyt
kuumavalssausprosessiin vältetään
uusi austenitointikuumennus. Tästä on
etua teräksen ominaisuuksia ajatellen
myös seuraavista syistä:
•Kuumavalssauksen korkean aloituslämpötilan sekä muokkautumisen ansiosta austeniitti on homogeenista.
•Korkean austenitointilämpötilan ansiosta seosaineet ovat hyvin liuoksessa, jolloin saadaan hyvä karkenevuus.
•Hiilenkato ja hilseily jäävät vähäisemmäksi.
Kuumavalssatut levyt ja
nauhat
Kuumavalssattujen levyjen tärkein
lämpökäsittely on normalisointi, jonka
tarkoituksena on parantaa teräksen sit‑
keyttä raekokoa pienentämällä. Samalla
myös teräksen lujuusvaihtelut tasoittu‑
vat. Normalisoinnilla saavutettavat levyn
ominaisuudet voidaan aikaansaada
myös kontrolloidulla valssauksella.
Kuumavalssattujen nauhojen tyypillinen
toimitustila on nykyisin ”kontrolloidusti
valssattu”.
Nuorruttamalla saadaan teräslevyihin
suuria lujuuksia. Levyt karkaistaan vesi‑
suihkuilla puristimien tai rullien välissä,
jolloin estetään levyn käyristyminen.
Jos teräs on runsaammin seostettu,
se karkenee myös ilmajäähdytyksessä.
Tällöin vetelyt eli hallitsemattomat muo‑
donmuutokset jäävät vähäisemmiksi.
Karkaisu voidaan tehdä myös vals‑
sauksen yhteydessä. Valssainten jäl‑
keen teräsnauha tai –levy sammute‑
taan korkeapaineisilla vesisuihkuilla.
Tarvittaessa karkaistut levyt siirretään
päästöuuniin. Menetelmää kutsutaan
suorakarkaisuksi. Se on huomattavasti
kustannustehokkaampaa kuin levytuot‑
teen erillinen nuorrutuskäsittely.
63
Kylmävalssatut levyt ja nauhat
Kylmävalssauksen lujittamaan nau‑
haan palautetaan muodonmuutos‑
kyky rekristallisaatiohehkuttamalla
nauhakelat kellouuneissa tai liikkuva
nauha jatkuvatoimisissa hehkutusuu‑
neissa. Ohjaamalla teräksen koos‑
tumusta, kuumanauhavalssausta,
kylmävalssauksen muokkausastetta
sekä rekristallisaatiohehkutusta voidaan
kylmävalssatun ohutlevyn lujuutta ja
muovattavuusominaisuuksia vaihdella
laajoissa rajoissa.
Kellouunihehkutus on nauhakelojen
perinteinen hehkutustapa. Uunialustalle
pinotaan 3…5 kelaa ja panoksen päälle
nostetaan suojakello. Hehkutus tapah‑
tuu suojakaasuatmosfäärissä, joka
estää pintojen hapettumisen ja nopeut‑
taa lämmön siirtymistä. Suojakellon
päälle nostetaan maakaasupolttimella
varustettu uunikello. Hehkutuksen
päätyttyä uunikello vaihdetaan jääh‑
dytyskelloon, jonka ilmapuhaltimilla
panos jäähdytetään noin 50 °C:een ja
puretaan. Koko hehkutustapahtuma
kuumennuksineen ja jäähdytyksineen
kestää 30…70 tuntia.
Jatkuvatoimisessa hehkutuksessa
nauha liikkuu esikäsittely, uuni- ja jääh‑
dytysvaiheiden läpi 5…10 minuutissa.
Nauhakela avataan ja johdetaan nauha‑
varaajaan. Kelan loputtua sen jatkoksi
hitsataan uusi. Nauhavaraajan tehtävä
on mahdollistaa nauhan kulku uunissa
vakionopeudella, vaikka alkupää joudu‑
taan hitsauksen ajaksi pysäyttämään.
Esikäsittelyjä ovat nauhan pesu, huuh‑
telu ja kuivaus. Uunissa on esikuumen‑
nus-, hehkutus- ja jäähdytysvyöhykkeet.
Nauhan lämpötila nousee 700…800
°C:een. Uunissa on suojakaasuat‑
mosfääri ja sitä voidaan käyttää myös
jäähdyttämiseen. Hehkutuksen jälkeen
nauhan pinta peitataan ja passivoidaan.
Kuva 17.10 Kellouuneja.
Nopean jäähdytyksen vuoksi ferriitti‑
sessä rakenteessa on jonkin verran
liuenneena hiiltä. Hyvien kylmämuova‑
usominaisuuksien saavuttamiseksi se
on muutettava karbidiksi, mikä tapah‑
tuu jälkihehkutuksella 200…400 °C:n
lämpötilassa. Tätä käsittelyä sanotaan
ylivanhennukseksi.
Perlitointi ja bainitointi
Nämä ovat ns. isotermisiä lämpökä‑
sittelyjä eli rakennemuutoksen aikaan‑
saamiseen tar vitaan pitoa tietyssä
lämpötilassa. Aluksi teräs kuumenne‑
taan austeniittialueelle, minkä jälkeen
se siirretään toiseen uuniin tai sulaan
lyijy‑ tai suolakylpyyn. Tällöin austeniitti
hajoaa toivotuiksi kidemuodoiksi perlii‑
tiksi tai bainiitiksi.
Perlitointia käytetään luonteeltaan sitkei‑
den terästen lastuttavuuden parantami‑
seen. Bainitoinnilla saavutetaan erittäin
hyvä sitkeys ja kohtuullinen lujuus.
Runsashiilisten lankojen isotermistä
käsittelyä vedettävyyden parantamiseksi
sanotaan patentoinniksi.
Tangot ja langat
Tankojen ja lankojen lämpökäsittelypro‑
sessi on monipuolisempi kuin levyillä.
Usein teräksen käyttäjät työstävät
kappaleen, jolloin sen on vastattava
esimerkiksi lastuamisen vaatimuksia.
Terästangot voidaan nuorruttaa valmiiksi
jo terästehtaassa, jolloin käyttäjältä
jää lämpökäsittelyvaihe pois. Taontaa
varten teräksen on oltava katkaistavissa
kylmänä leikkurilla. Siksi taottavat teräk‑
set on usein pehmeäksihehkutettava.
Jos tankoja kylmätaotaan, teräksen
on oltava, jos mahdollista, vieläkin
pehmeämpää. Tällöin pehmeäksiheh‑
kutukset muodostuvat hyvin pitkiksi,
jopa 30 tuntia, jotta rakenne pallottuisi
täydellisesti.
Ruostumattomat teräkset
Ruostumattomien terästen tärkein
lämpökäsittely on austeniittisten lajien
liuotushehkutus ja ferriittisten lajien
tasaushehkutus. Liuotushehkutus (aus‑
tenitointi) tehdään 1 050…1 100 ºC:n
64
lämpötilassa ja jäähdytyksen on oltava
nopeaa paksuseinäisillä kappaleilla.
Käsittely parantaa mikrorakenteen ta‑
salaatuisuutta, mikä on välttämätöntä
hyvien mekaanisten ominaisuuksien ja
hyvän syöpymiskestävyyden kannalta.
Liuotushehkutus tehdään yleensä jat‑
kuvatoimisessa uunissa ja tasausheh‑
kutus kupu‑uunissa.