AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS BAINITES TALAKULSNAK VIZSGLATA

DOKTORI (Ph.D) RTEKEZS

Kozsely Gbor okl. kohmrnk

Tmavezet:

Dr. Tranta Ferenc egyetemi docens

Kerpely Antal Anyagtudomnyok s technolgik Doktori Iskola

Miskolc 2007

2

TARTALOMJEGYZK 1. BEVEZETS, CLKITZS............................................................... 6 2. AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS,

TALAKULSI FOLYAMATA, HKEZELSE S TULAJDONSGAI ................................................................................ 8

2.1 AZ NTTTVASAK TPUSAI .................................................................. 8 2.2 A GMBGRAFITOS NTTTVAS ELLLTSNAK RVID

TRTNETE.............................................................................................. 10 2.3 A GMBGRAFITOS NTTTVAS GYRTSTECHNOLGIJA... 11 2.4 A GMBGRAFITOS NTTTVASAK HKEZELSEI ...................... 13 2.5 VASTVZETEK FZISTALAKULSAI.......................................... 14

2.5.1 Perlites talakuls.................................................................................. 15 2.5.2 Proeutektoidos szvetelem.................................................................... 16 2.5.3 Martenzites talakuls........................................................................... 18

2.6 BAINITES TALAKULS....................................................................... 19 2.6.1 Fels bainit............................................................................................ 21 2.6.2 Als bainit ............................................................................................. 21 2.6.3 Karbidok kpzdse.............................................................................. 22

2.6.3.1 Epszilon-karbid ............................................................................... 23 2.6.3.2 Eta-karbid........................................................................................ 23 2.6.3.3 Khi-karbid ....................................................................................... 24 2.6.3.4 Kappa-karbid................................................................................... 24

2.6.4 A bainit egyb megjelensi formi ....................................................... 25 2.6.4.1 Szemcss bainit............................................................................... 25 2.6.4.2 Inverz bainit .................................................................................... 25 2.6.4.3 Oszlopos bainit................................................................................ 25

2.6.5 Ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas bainites talakulsa................. 26 2.7 AZ AUSZTEMPERL HKEZELS FOLYAMATA ......................... 26

2.7.1 Ausztenitests ...................................................................................... 28 2.7.2 Lehts az ausztemperlsi hmrskletre ........................................... 29 2.7.3 Ausztemperls ..................................................................................... 29

2.8 AZ TVZELEMEK HATSA A BAINITES TALAKULSRA. AZ TVZET OPTIMLIS SSZETTELE.......................................... 30

2.8.1 Szilcium ............................................................................................... 31 2.8.2 Mangn.................................................................................................. 31 2.8.3 Molibdn ............................................................................................... 31 2.8.4 Rz, nikkel s egyb tvzelemek...................................................... 32 2.8.5 Az tvzs gyakorlati megvalstsa.................................................... 32

2.9 A SZVETSZERKEZET HATSA AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS MECHANIKAI TULAJDONSGAIRA .............................................................................. 33

2.9.1 Szaktszilrdsg, folyshatr, s nyls .............................................. 34 2.9.2 Kopsllsg ......................................................................................... 38 2.9.3 Dinamikus tulajdonsgok, frasztsi vizsglat ..................................... 38 2.9.4 Megmunklhatsg ............................................................................... 39

3

2.10 AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS ALKAL-MAZSI TERLETE ................................................................................ 39

3. FMTANI VIZSGLATOK ............................................................... 41 3.1 TGULSMRS (DILATOMETRIA)................................................... 41

3.1.1 A mrs elve.......................................................................................... 41 3.1.2 A dilatomteres vizsglat gyakorlati megvalstsa............................. 43 3.1.3 A vastvzetekre vonatkoz dilatomteres kutatsok ttekintse........ 44 3.1.4 A dilatomteres szmtsok alapjai....................................................... 46

3.2 RNTGENDIFFRAKCIS VIZSGLATOK.......................................... 49 3.2.1 Diffrakci elve s alkalmazsa ............................................................. 49 3.2.3 Kvalitatv s kvantitatv fzisanalzis ................................................... 51 3.2.4 A fzisok rcsparamterei..................................................................... 52

3.2.4.1 Az ausztenit rcsparamtere ........................................................... 53 3.2.4.2 A ferrit rcsparamtere ................................................................... 53 3.2.4.3 A cementit rcsparamtere.............................................................. 54

4. SAJT VIZSGLATOK ..................................................................... 55 4.1 VIZSGLATI ANYAG ............................................................................. 55 4.2 TERMOMGNESES VIZSGLATOK.................................................... 55 4.3 DILATOMTERES VIZSGLATOK ...................................................... 57

4.3.1 A Fmtani Tanszken vgzett vizsglatok............................................ 57 4.3.2 Freibergben vgzett vizsglatok ........................................................... 61

4.4 RNTGENDIFFRAKCIS VIZSGLATOK.......................................... 63 4.5 DILATOMTERES SZMTSOK......................................................... 64

4.5.1 Az ausztenit ferritt alakulsnak szmtsa ........................................ 64 4.5.2 A ferrit s karbid egyttes kpzdse ................................................... 68

5. EREDMNYEK.................................................................................... 72 5.1 AZ AUSZTENITESTSI HMRSKLET HATSA AZ

NTTTVAS MS HMRSKLETRE................................................. 72 5.2 AZ IZOTERMS TALAKULSI DIAGRAM MEGHATROZSA. 73 5.3 A DILATOMTERES GRBKEN JELENTKEZ

SSZEHZDS VIZSGLATA ........................................................... 75 5.4 RNTGENDIFFRAKCIS VIZSGLATOK.......................................... 80 5.5 A VIZSGLATI EREDMNYEK SSZEFOGLALSA ....................... 84 5.6 A DILATOMTERES SZMTSOK EREDMNYEI.......................... 85

6. SSZEFOGLALS.............................................................................. 91 SUMMARY................................................................................................ 93 KVETKEZTETSEK, TZISEK ....................................................... 95 TUDOMNYOS KZLEMNYEK ...................................................... 97 KSZNETNYILVNTS.................................................................... 100 IRODALOMJEGYZK......................................................................... 101

4

JELLSJEGYZK a rcsparamter; nm a a ferrit rcsparamtere; nm a az ausztenit rcsparamtere; nm a, b, c a cementit rcsparamterei; nm A abszorpcis faktor C berendezsfaktor d sktvolsg D Debye-Waller faktor

2F szerkezeti faktor G adott rntgendiffrakcis mrsnl a konstans faktorok szorzata Ghkl, a ferrit fzis mrt {hkl} reflexijra kiszmtott konstansok szorzata Ghkl, az ausztenit fzis mrt {hkl} reflexijra kiszmtott konstansok szorzata h, k, l Miller-indexek H adott kristlyban az egyenrtk (hkl) skok szmt kifejez faktor HT felletvalsznsg I(2) intenzitsgrbe Ihkl, a ferrit illetve a martenzit fzis intenzitsa Ihkl, az ausztenit fzis intenzitsa k megoszlsi hnyados m a vaskarbidban lv vas s karbonatomok arnya N trfogategysgenknt az elemi cellk szma (3.2.3 fejezetben) N a folyamat kzben a ferritben lv atomok szma N C a folyamat kzben a ferritben lv karbonatomok szma N Fe a folyamat kzben a ferritben lv vasatomok szma N 1 az 1.reakciban kpzdtt ferritben lv atomok szma N 1C az 1.reakciban kpzdtt ferritben lv karbonatomok szma N 1Fe az 1.reakciban kpzdtt ferritben lv vasatomok szma N 2 a 2.reakciban kpzdtt ferritben lv atomok szma N 2C a 2.reakciban kpzdtt ferritben lv karbonatomok szma N 2Fe a 2.reakciban kpzdtt ferritben lv vasatomok szma N a folyamat kzben az ausztenitben lv atomok szma N C a folyamat kzben az ausztenitben lv vasatomok szma N Fe a folyamat kzben az ausztenitben lv karbonatomok szma N 1 az 1. reakci vgn az ausztenitben lv atomok szma N 1C az 1. reakci vgn az ausztenitben lv karbonatomok szma N 1Fe az 1. reakci vgn az ausztenitben lv vasatomok szma N a vaskarbidban lv atomok szma N C a vaskarbidban lv karbonatomok szma

5

N Fe az ausztenitben lv vasatomok szma N 2 a 2.reakciban kpzdtt vaskarbidban lv atomok szma N 2C a 2.reakciban kpzdtt vaskarbidban lv karbonatomok szma N 2Fe a 2.reakciban kpzdtt vaskarbidban lv vasatomok szma q rcselemhez tartoz vasatomok szma T textra tnyez V ferrit trfogathnyada (3.2.3 fejezetben) V ausztenit trfogathnyada (3.2.3 fejezetben) V a folyamatok kzbeni trfogat V0 az 1.folyamat elejn a kiindul trfogat V1 az 1. folyamat vgn (2. folyamat elejn) kialakult trfogat

0VV relatv trfogatvltozs a kiindul trfogathoz viszonytva

0VV relatv trfogatvltozs az 1. folyamat vgn kialakult trfogathoz

viszonytva W szgfaktor az adott folyamatban keletkez ferrit fzis 1 az 1. reakciban kialakult ferrit 2 a 2. reakciban kialakult ferrit adott folyamatban talakul ausztenit fzis 0 kezdeti (a 1.reakci eltt meglv) ausztenit fzis 1 az 1. folyamat vgn megmaradt ausztenit fzis hullmhossz; m, nm, pm rcselem trfogata; nm3 a ferrit rcselemnek trfogata; nm3 az ausztenit rcselemnek trfogata; nm3 0 a kiindul ausztenit rcselemnek trfogata; nm3 1 az 1. folyamat vgn az ausztenit rcselemnek trfogata; nm3 a vaskarbid rcselemnek trfogata; nm3

beessi szg; 2 diffrakcis szg; vaskarbid fzis karbontartalom atomtrtben kifejezve a ferrit karbontartalma atomtrtben kifejezve a folyamat sorn az ausztenit karbontartalma atomtrtben kifejezve

0 az 1. folyamat elejn az ausztenit karbontartalma atomtrtben kifejezve

1 az 1. folyamat vgn az ausztenit karbontartalma atomtrtben kifejezve i a fzis i jel tvz (szennyez) elem tartalma atomtrtben kifejezve

6

1. BEVEZETS, CLKITZS Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas (Austempered Ductile Iron, ADI) olyan gyengn tvztt s hkezelt gmbgrafitos ntttvas, amelynek szvetszerkezete a gmbgrafiton kvl ts bainites ferritbl s karbonban ds ausztenitbl ll. Az ausztemperls lnyegben egy olyan technolgiai mvelet, amely ausztenitest hkezelsbl s az ezt kvet bainites tartomnyban vgzett izoterms hkezelsbl ll. Ezt a szvetszerkezetet az ntszeti szakirodalomban Kovcs Bla Viktor utn auszferritnek is nevezik, s ezt az amerikai ASTM A 644-92 szabvnyban is rgztettk [1, 2]. Amita a 60-as vek elejn az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasat felfedeztk, azta kzkedvelt anyag. Harminc ve annak, hogy a tmeggyrtsa megkezddtt s nagyszm ksztermk alapanyagaknt hasznljk. Ez a siker nyilvnul meg abban az elrejelzsben, amely szerint szak-Amerika ignye a kzeljvben elrheti a 200 ezer tonna/v mennyisget. Ez annak ksznhet, hogy az sszettel s a hkezelsi paramterek megvlasztsval a mechanikai tulajdonsgok szles hatrokon bell mdosthatak, j az nthetsge, s gazdasgos az ellltsa. Ennek ellenre az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasban rejl lehetsgek mg kornt sincsenek teljesen kihasznlva, ezrt szksges, hogy jobban megrtsk a hkezels sorn lejtszd folyamatokat. Az ADI ipari alkalmazsnak nvekedse maga utn vonta a tudomnyos kutatsok s fejlesztsek volumennek nvekedst is, gy napjainkban az egyik legnpszerbb kutatsi tmv vlt az ntszettel, illetve fmtannal foglalkoz kutatk krben. A kutatsok szmtalan rszterletre terjednek ki: az ADI alkalmazhatsgra (kivltva pldul a kovcsolt aclt), a hkezelsi technolgia, a hkezel berendezsek fejlesztsre, a fizikai s mechanikai tulajdonsgok vizsglatra, s nem utols sorban az ausztemperls sorn vgbemen folyamatok vizsglatra. A vastvzetekben vgbemen talakulsok fzisai, szvetelemei mennyisgnek mrsre alapveten ktfle mdszer terjedt el. A mikroszkpos vizsglati technikhoz ktd mdszer a klnbz hkezelsek utn a maratott metallogrfiai csiszolaton jl megklnbztethet fzisok terletarnynak rtkelsn alapszik. Az talakult hnyad megllaptsra szolgl mrsek msik nagy csoportja viszont az talakulsok sorn a fizikai tulajdonsgok vltozsnak mrsre pl. Ilyen tulajdonsgok lehetnek a villamos ellenlls, a mgneses s termikus tulajdonsgok, valamint a trfogatvltozs. A leggyakrabban hasznlt mdszer a fzistalakulsok vizsglatra a tgulsmrs. A mrs alapja, hogy a fzisok fajtrfogata eltr egymstl, s az talakulsi folyamat sorn az talakulsi trfogathnyad arnyos a fajtrfogat vltozsval, ami viszont arnyos a hosszvltozssal, amit dilatomterrel kzvetlenl lehet mrni. A tgulsmrst hasznljk a htgulsi egytthat mrsre, illetve a vastvzetek talakulsi diagramjainak a meghatrozsra is. A dilatomterek pontossgnak nvekedse lehetv tette az talakulsi folyamatok kvantitatv elemzst is. A mrstechnika s szmtstechnika fejldsvel a dilatomteres grbk szmszer felvtele is megolddott, amely az talakulsi folyamatok kinetikai vizsglatt tette lehetv.

7

A kutatsaim clja a gmbgrafitos ntttvas ausztemperlsa sorn lejtszd folyamatok vizsglata a hkezelsi paramterek (ausztenitests hmrsklete, az ausztemperls hmrsklete, illetve a hntarts ideje) fggvnyben, adott sszettel anyagnl. Erre alapveten a dilatomteres vizsglatot hasznltam, amelyet mgneses s rntgendiffrakcis s szvetvizsglatokkal egsztem ki. A dilatomteres vizsglatoknl j jelensgknt azt az anomlit tapasztaltam, hogy az talakuls sorn nemcsak tguls, hanem bizonyos krlmnyek kztt sszehzds is jelentkezett. Ezt az anomlit a freibergi TU Bergakademie-n vgzett mrseim is megerstettk. A disszertcim clja, hogy ezt az anomlit megmagyarzzam. Az talakulsi folyamat sorn fellp mretvltozsokat elmleti szmtsokkal is altmasszam.

8

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 1 2 3 4 5

Hm

rs

klet

, C

Karbontartalom, wt%

Ausztenit

Ferrit

Ausztenit+Ferrit

Ausztenit+olvadk

Ferrit+Karbid/Grafit

olvadk

Ausztenit+-Ferrit

Ausztenit+-Ferrit+olv.

-Ferrit+olvadk

-Ferrit

Ferrit+AusztenitKarbid/Grafit

AusztenitKarbid/Grafit

Grafit+olvadk

AusztenitGrafit+olv.

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

0 1 2 3 4 5

Hm

rs

klet

, C

Karbontartalom, wt%

Ausztenit

Ferrit

Ausztenit+Ferrit

Ausztenit+olvadk

Ferrit+Karbid/Grafit

olvadk

Ausztenit+-Ferrit

Ausztenit+-Ferrit+olv.

-Ferrit+olvadk

-Ferrit

Ferrit+AusztenitKarbid/Grafit

AusztenitKarbid/Grafit

Grafit+olvadk

AusztenitGrafit+olv.

2. AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS, TALAKULSI FOLYAMATA, HKEZELSE S TULAJDONSGAI

2.1 AZ NTTTVASAK TPUSAI Az ntttvas lnyegben Fe-C-Si tvzet, amely egyb tvz- s szennyezelemeket is tartalmaz. Az tvzelemeket az nthetsg, a kristlyosods illetve a hkezelsek feltteleinek javtsa rdekben adjk hozz a vastvzethez. A szennyezelemek a gyrts sorn nem szndkosan, st szndkunk ellenre kerlnek a vastvzetbe. A kznsges ntttvasak jelents mennyisg foszfort tartalmaznak (javtja az nthetsget s a formakitlt kpessget). A nagyszilrdsg ntttvasaknl, mint pldul a gmbgrafitos ntttvasnl is a foszfortartalmat olyan szinten tartjk, hogy ne jelenjen meg a steadit (ternr eutektikum). A szilcium a karbon utn a legfontosabb tvzelem, ersen grafitost hats.

2.1 bra

Az Fe-C-Si rendszer fzisdiagramja 2% szilciumtartalomnl [6]

Hkezelssel a kristlyosods utn kialakult szvetszerkezetet mdostjk, ezltal rik el a kvnt tulajdonsgokat. A hkezelsnek illetve brmilyen technolgiai folyamatnak az alapjai a vas-karbon egyensly fzisdiagrambl addnak [3]. Az ebben megadott hmrskletek s koncentrcik azonban a ksr s tvzelemek hatsra megvltoznak. A Fe-C-Si rendszer fzisdiagram metszett 2wt% szilciumtartalomnl a 2.1 bra mutatja [46]. Jl lthat, hogy a szilcium megvltoztatja ugyan az Fe-C tvzetrendszer nonvarins folyamatait, azt monovarins, hmrsklet kzben vgbemenv teszi, de jellegn nem

9

vltoztat. Jelents a hatsa a jellegzetes koncentrcikra is. Pldul cskkenti az eutektikus s az eutektoidos karbontartalmat, cskkenti az ausztenit karbonold kpessgt. Az ntttvas szvett lnyegben az sszettele s az nttt llapotbl val lehls sebessge hatrozza meg. Minl nagyobb a karbon s a szilciumtartalom, annl inkbb alakul ki a stabilis rendszer szerinti szvet. A lehlsi sebessg nvelse viszont a metastabilis rendszer folyamatoknak kedvez. Az ntst kvet lehlsi sebessg az ntvny falvastagsgtl s az ntforma helvon kpessgtl fgg. A 2.2 bra a gyakorlatban hasznlt karbon s szilcium sszettel intervallum alapjn mutatja be a vastvzetek tpusait [7].

Kar

bont

arta

lom

, %

%C + 1/6 %Si=2,0

Fehr ntttvasTemperntvny

Szrke v.

Gmbgrafitos v.%C + 1/3 %Si=4,3

Aclok

Szilciumtartalom %

Kar

bont

arta

lom

, %

%C + 1/6 %Si=2,0

Fehr ntttvasTemperntvny

Szrke v.

Gmbgrafitos v.%C + 1/3 %Si=4,3

Aclok

Szilciumtartalom %

2.2 bra A vastvzetek fajti a karbon illetve a szilciumtartalom fggvnyben [7]

Kristlyosods talakuls Szvetelemek

karbidos karbidos ldeburit+perlit karbidos+grafitos karbidos ldeburit+grafit+perlit

grafitos karbidos grafit+perlit grafitos karbidos+grafitos grafit+ferrit+perlit grafitos grafitos grafit+ferrit

2.1 tblzat

Az ntttvasak kristlyosodsnak s talakulsnak lehetsges mdjai s az ez alapjn kialakul szvetelemek

10

A karbon, a szilcium, s a lehlsi sebessg hatst az gynevezett ntttvas diagramokban foglaljk ssze. A klasszikus Maurer diagram egy adott lehlsi sebessg mellett a karbon- s a szilciumtartalom alapjn adja meg az ntttvas szvett. Az ntttvas kt fontos folyamata a kristlyosods s az ausztenit szilrd llapotbeli talakulsa. Mindkett vgbemehet grafitosan s karbidosan. Ennek fggvnyben az ntttvas lehetsges szvetelemeit a 2.1 tblzat mutatja be.

A grafitos kristlyosods esetn a grafit alakja, mrete, mennyisge s eloszlsa eltr. A grafit alakjnak kialakulst szmos tnyez befolysolja, pldul a grafitcsra fajtja, alakja, az tvzs stb. 2.2 A GMBGRAFITOS NTTTVAS ELLLTSNAK RVID

TRTNETE A gmbgrafitos ntttvasgyrts trtnetnek kezdete a mlt szzad 20-as veinek vgre nylik vissza. Ekkor ksrleteket vgeztek a nikkel hasznostsra az ntvnygyrts, elssorban a vasntvnygyrts tern. Ennek eredmnyeknt olyan ntttvasat sikerlt ellltani, amelyben a grafit gmb alakban volt jelen, gy nttt llapotban szvs s mrhet nyls, nagy karbontartalm ntttvasat nyertek. 1938-ban az eutektikushoz kzel es sszettel ntttvas szvetben bzikus salakkal vgzett olvadkkezels s jelents tlhevts utn ugyancsak gmbgrafitot talltak. Ezt kveten ksrletek indultak a magnzium hatsnak vizsglatra az ersen tvztt fehrtret ntttvasban, majd a hipoeutektikus ntttvasban. A laboratriumi krlmnyek kztt kapott eredmnyek alapjn megkezdtk az ipari bevezets elksztst, amelyet 1948. prilisban fejeztek be [4, 5, 710]. Ezzel a munkval prhuzamosan a British Cast Research Association kutatinak sikerlt hipereutektikus ntttvasban kis mennyisg criummal s ms ritkafldfmmel a grafitot gmb alakban kristlyostani. Ezekrl az eredmnyrl Henton Morrogh 1948. mjus 7.-n az American Foundrymans Society philadelphiai lsn szmolt be. Ez az elads tekinthet az els jelents kzlemnynek a gmbgrafitos ntttvas ellltsval kapcsolatos szakirodalomban [4, 5, 710]. Az els szabadalmi bejelents 1946 jliusban keletkezett. Az International Nickel Co. Ltd. magnziumos eljrst 1947-ben szabadalmaztatta. Ezt kveten az esemnyek felgyorsultak, a szabadalmaztatott eljrsok zemi bevezetse megindult. 1949-ben az USA-ban mr 50 szabadalomtulajdonos volt, 1966-ban pedig mr 651. Szintn 1949-ben szletett meg az els gmbgrafitos ntttvasakra vonatkoz szabvny ASTM A339-51T szmon, amelyet a ksbb a mig is rvnyben lv ASTM A 536-ra neveztek t. Ezzel megindult a gmbgrafitos ntttvas trhdtsa, gyrtsnak tovbbfejldse. Alig 20 v mlva az USA-ban a gpjrm ntvnyek 40%-a, a csvek 26%-a s a mezgazdasgi gp ntvnyek 55%-a mr gmbgrafitos ntttvasbl kszlt [11].

11

25 mm25 mm

2.3 bra Az ausztemperlt ntttvas els ipari alkalmazsa [7, 10]

Az 1960-as vekben a General Motors sikeresen tesztelt ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasbl kszlt sebessgvltkat. Az els ipari alkalmazsa 1972-ben egy htgp kompresszor forgattys tengely volt, amely a 2.3 brn lthat [7, 10]. A 90-esek vekben az ADI ntvnyek felhasznlsa rohamos temben ntt, s az vezred vgre elrte a 80 ezer tonnt [10]. 2.3 A GMBGRAFITOS NTTTVAS GYRTSTECHNOLGIJA Az ntdk feladata olyan gmbgrafitos vasntvny ellltsa, amely biztostja a j minsg ausztemperlt ksztermk gyrtst. A gyenge minsg vasntvny nem alkalmas erre a clra, mivel az ausztemperl hkezels sorn mr a kisebb ntvnyhibk (mikrozrvnyok, salak, mikroporozits, ntsi hibk) is megnvekednek s rontjk az ntvny mechanikai tulajdonsgait. A j ausztemperlt ntvny gyrtsnak felttelei [7, 1216]:

egyenletes eloszls s legalbb 100db/mm2 mennyisg grafit gmbszemcse legyen

a gmbszemcssts mrtke 80% felett legyen a szvetszerkezet megengedett maximlis karbid s nemfmes zrvny

tartalma 0,5% alatt legyen mikroporozits s/vagy mikrolunker megengedett maximlis mrtke

1V/V%. A hkezels eltt a kiindul szvetszerkezetet a kristlyosodsi folyamat hatrozza meg. A gmbgrafitos ntttvas kristlyosodsa a gmbalak grafit sajtos kristlyosodsi krlmnyeiben tr el a lemezgrafitos ntttvastl. A gmbgrafit a lemezgrafittl eltren nem egykristly. A kzel eutektikus sszettel olvadkbl a kristlyosods a grafitcsra megjelensvel kezddik el. Az aktv csra szerept a metalloid elemek oxidjai, karbidjai egyarnt jtszhatjk, de grafit maradvnyok is szolglhatnak csraknt. A kritikus csrk kialakulst kveten azok nvekedsnl a szerkezeti tlhls s a grafit/olvadk

12

hatrfelleti feszltsg is fontos szerepet jtszik. A gmbt alkot valamennyi hexagonlis rcselem c-tengelye a gmb kzppontjbl kifel mutat, a nvekeds irnya megegyezik a c-tengellyel. A c-tengely irny nvekedst gtl elemek (S, O) atomjainak hinya teszi lehetv a grafit gmbalak kristlyosodst. A grafit nvekedse sorn a krnyez olvadk karbonban szegnyedik. A karbonban elszegnyedett olvadkbl ltrejn az ausztenitcsra, amely gyorsan krlveszi a gmbalak grafit csrt. Ezzel ltrejn az ausztenitbl s grafitbl ll eutektikum. Az olvadkbl az eutektikum nvekedse csak gy trtnhet, hogy az olvadkbl a karbonatomok az ausztenitburkon keresztl diffundlva rrakdnak a grafitcsrra, s az ausztenit fzis pedig a burok vastagsgt nveli. Ennek a diffzinak a hajtereje az a koncentrciklnbsg, ami az olvadkkal rintkez s a grafittal rintkez ausztenit egyenslyi karbontartalma kztt van. (Termszetesen ahhoz, hogy a grafitcsra illetve gmbgrafit fzis nvekedni tudjon a vasatomoknak a grafit szomszdsgbl ndiffzis folyamattal el kell tvoznia). gy az egyetlen grafitcsrbl ltrejn a gmbgrafit eutektikus cellja (kzel gmbszer kpzdmny) kzpen a gmbs grafit fzis, s azt krlveszi az ausztenit. A keletkezett grafitcsrk szma hatrozza meg, hogy mennyire tudnak nni ezek a cellk, azaz milyen finom lesz a szvet. Adott sszetteli s olvadkcsra llapot mellett a lehlsi sebessggel tbb csra kpzdik.

Az eutektikus celln bell a szilcium dsulsa olyan, hogy a grafit mellett tbb, a cella szlein kevesebb, ugyanis a binr eutektikum kristlyosodsa a gyakorlati tvzetekben hmrsklet kzben megy vgbe, mikzben az olvadk sszettele gy vltozik, hogy nagyobb hmrskleten, azaz kezdetben az eutektikus cella kristlyosodsa nagyobb szilciumtartalm olvadkbl a vgs szakaszban a kisebb szilciumtartalm olvadkbl jn ltre. Az eutektikum fzisa kzl a szilcium a grafitba nem pl be, csak az ausztenit fzis tartalmazza. Ezzel az elszr keletkezett grafit melletti elhelyezked ausztenitnek nagyobb a szilciumtartalma. A dsuls szempontjbl jelents foszfor az eutektikus cella szln dsul fel hasonlan az aclok kristlyosodshoz. A kristlyosods vgn az ausztenit s az abban lv grafit gmbk alkotjk a szvetet. A gmbgrafitos ntttvasban lehetleg ne legyen foszfid eutektikum s minl kevesebb szulfid zrvnyt tartalmazzon.

Az ausztenit karbonold kpessge a hmrsklettel cskken, az ausztenit karbonban teltett lesz. Hls kzben szekunder grafit vlik ki belle rrakdva a gmbkre, majd az eutektoidos folyamatban vagy a stabil rendszer szerint ferritt s grafitt alakul t, vagy a metastabil rendszer perlitt. Hogyha a folyamat a stabil rendszernek megfelelen megy vgbe a most kpzdtt grafit rrakdik az eutektikus grafitra. A fmes alapanyag tisztn ferritbl ll. Mivel ehhez a karbon hossztv diffzijra van szksg nagyon gyakran fordul el, hogy a grafitos talakuls csak a grafit gmbk kzelben zajlik le. Tvolabb metastabil mdon perlit jn ltre. A grafit melletti grafitos talakulst az ott dsult szilcium is segti. Ha grafitost s karbidost elemek arnya az utbbiak javra toldik el az egsz ausztenit talakulsa karbidosan trtnik s ilyenkor az egsz fmes alapanyag perlitbl ll. Az sszetteltl s lehlsi sebessgtl fggen a fmes alapanyag a tisztn ferritestl a tisztn perlitesig vltozhat.

13

2.4 A GMBGRAFITOS NTTTVASAK HKEZELSEI

A korai idszakban a grafit mdostsval sikerlt az ntttvasak szvssgi tulajdonsgainl jelents javulst elrni, akr 20%-os nylst is. A szvssgi s szilrdsgi tulajdonsgok javtsban tovbbi fejldsi lehetsget knlt a fmes alapszvet mdostsa. gy alakult ki a ferrites, perlites s tbbek kztt a bainites vagy ms nven ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas. Az ntttvasak alkalmazsi terlett hkezelssel ki lehet terjeszteni. Szkebb rtelemben vett hkezel mveletekre jellemz, hogy a kvnt tulajdonsgait pusztn azltal rjk el, hogy a termk hmrsklett szilrd llapotban, idben clszeren vltoztatjuk, de e mveletek kzben nem vltozik meg a termk tlagos vegyi sszettele s a termk kplkeny alaktst sem kap. A gmbgrafitos ntttvasnl lehetsges a szvetszerkezet szles hatrok kztti megvltoztatsa gy, hogy minden ntvnynek a sajt felhasznlsi cljnak a lehet legjobban megfelel optimlis tulajdonsgot adjanak. Htrnya viszont, hogy fennll a vetemeds, a revseds, a dekarbonizlds illetve a repedskpzds veszlye. Ezenkvl megn a gyrts kltsge s idszksglete [5, 17]. A hkezels clja lehet:

a bels feszltsgek cskkentse j forgcsolhatsg elrse a gmbgrafitos ntttvas szilrdsgnak illetve szvssgnak

biztostsa nagy kopsllsg biztostsa.

Ezek alapjn a kvetkez hkezelseket klnbztetjk meg:

Feszltsgcskkent izzts: Az ntvny termikus illetve ntsi feszltsgeinek cskkentsre irnyul hkezels. ltalban 650C-nl alacsonyabbra hevtik az ntvnyt, s megfelel hntarts utn lassan lehtik.

Lgyts: A hkezels sorn az ntvnyeket olyan hmrskletre hevtik, amelyen meghatrozott id alatt az nll cementit s/vagy a perlit cementitje ferritt s grafitt bomlik, ezltal a lehet leglgyabb szvetszerkezet jn ltre. Az ilyen hkezels clja a megmunklhatsg javtsa, a kemnysg cskkentse, vagy a jobb szvssg, tmunka elrse.

Nemests (edzs s megereszts): Az edzs lnyege, hogy az ausztenitest izztst kveten olyan gyors legyen a hts, hogy martenzites szvet kpzdjk, miltal a termk kemnysge s szilrdsga n. Megeresztssel a martenzites szvet nagy ridegsgt (A1-nl kisebb hmrskletre trtn jbli hevtssel) enyhteni lehet. Ezltal cskken a kemnysg, de a szvssg n. Ezzel biztosthatak a vltozatos szilrdsgi s szvssgi tulajdonsgok.

Ausztemperls: Olyan technolgiai mvelet, amely ausztenitestsbl s az ezt kvet bainites tartomnyban vgzett izoterms kezelsbl ll. A helyesen vgrehajtott hkezels hatsra a gmbgrafitos ntttvas

14

szvetszerkezete a gmbgrafiton kvl ts bainites ferritbl s karbonban ds ausztenitbl ll.

A helyes hkezelsi md megvlasztshoz a fzistalakulsok sajtossgait figyelembe kell venni. Az ausztenitferrit talakuls hmrskletmez als s fels hatrrtke jelentsen fgg az sszetteltl, a hevts s a hts sebessgtl. Az ntttvasak hkezelse nem llhat egyszeren az acl hkezelsi elrsainak tvtelbl [5, 1721]. A gmbgrafitos ntttvasak nhny talakulsi diagramja a [22, 23] szakirodalmakban tallhatak. Korbban a Nehzipari Mszaki Egyetem Fmtani Tanszkn is meghatroztak adott sszettelre vonatkoz talakulsi diagramokat [24]. A vastvzetek hkezelse sorn lejtszd talakulsi folyamatok s az ennek eredmnyekppen kialakult szvetszerkezet hatrozza meg a hkezelt termk fizikai s mechanikai tulajdonsgait, kvetkezskppen a vastvzetekben lejtszd talakulsi folyamatok megismerse alapvet jelentsg. 2.5 VASTVZETEK FZISTALAKULSAI

Az ausztenit az sszetteltl fggen adott hmrsklet alatt (A1, A3,

Acm) elveszti termodinamikai stabilitst, s olyan talakulsokon megy t, melynek sorn a rendszer kisebb energij llapotba jut. Az aclok ezen hmrsklet alatt ha a gyakorlatnak megfelelen a metastabilis rendszeren bell maradunk s eltekintnk a valjban kisebb energia tartalm, de reakcikinetikai okok miatt az aclokban csak nagyon ritkn megvalsul +grafitot tartalmaz stabilis llapottl +Fe3C fzisokat tartalmazva vannak egyenslyban.

Az ausztenit talakulsa az sszetteltl s a hmrsklettl fggen, egymstl elgg eltr mechanizmusokkal, klnbz szvetelemeket ltrehozva mehet vgbe. Az talakulsokat kt, egyidejleg fellp jelensg irnytja:

1. A termodinamikai hajter: adott hmrskleten a felleten kzppontos ausztenit (-vas) a kisebb szabadenergij llapotot jelent trben kzppontos ferritt (-vas) s tetragonlis cementitt alakul t. Az talakulsi folyamat ltalban csrakpzdssel kezddik.

2. Az talakuls kinetikja: ez hatrozza meg a csrakpzds s a csranvekeds feltteleit. Mivel az ausztenit karbonold kpessge sokkal nagyobb, mint a ferrit, ezrt az ausztenitben oldott karbonatomok nagy rsznek el kell tvoznia a ferritt alakul kristlyrcsbl. Szilrd llapotban az atomok mozgsa csak diffzival lehetsges, a diffzinak viszont jelents idszksglete van.

Az talakulsok a martenzites talakuls kivtelvel termikusan aktivlt folyamatok. Az sszetteltl s a hmrsklettl fggen vltozik a termodinamikai hajter (amely a tlhlssel arnyos), s vltozik a diffzi sebessge is, gy ugyanaz az ausztenit tbbflekppen is talakulhat.

Ennek megfelelen az aclokban teht a kvetkez talakulsok mehetnek vgbe: ferrit-perlites (eutektoidos), bainites s martenzites [2527].

15

Az ntttvas ausztenitjnek talakulsi folyamatai termszetesen hasonltanak az acl ausztenitjnek talakulsaihoz. Ha az ntttvas ausztenitje lland hmrskleten izotermsan alakul t, a folyamat eredmnykppen ugyangy perlit vagy bainit kpzdik, folyamatos lehls kzben perlit, bainit vagy martenzit, de az talakuls el is maradhat az ausztenit tvztartalma illetve a lehlsi sebessg fggvnyben. A karbidos rendszerben a felsorolt szvetelemeken kvl az ntttvasban a stabilis rendszer fzisai, a ferrit s grafit is kpzdik az ausztenit izoterms vagy lehls kzben vgbemen talakulsa sorn. Az utbbiak kpzdsnek hmrsklet s id adatai klnbznek a metastabilis fzisoktl, ezrt ugyanazon ausztenit karbidos s grafitos talakulsnak krlmnyeit ms-ms diagram fejezi ki. Az aclhoz viszonytva az ntttvas talakulsi folyamatainl a kvetkez lnyeges klnbsgeket talljuk [4]:

A stabilis rendszernek megfelelen hosszabb hntarts sorn ferritgrafitos talakuls megy vgbe.

Az ntttvasban az tvzelemek jelents mrtkben dsulnak s gy az inhomogenitsokbl addan a csrakpzds s nvekeds felttelei sem azonosak.

Az nttt szvet sokkal durvbb, mint az acl szvete. Az talakulsi folyamatok bemutatsnl a bainites talakulst kln, rszletesebben a 2.6 alfejezetben trgyalom, mivel ez kpezi a kutatsaim s a disszertcim gerinct is. 2.5.1 Perlites talakuls A kt ksbbiekben trgyaland talakulstl eltren eutektoidos talakuls egyenslyi krlmnyek kztt is vgbemehet, hiszen az Fe-Fe3C diagram szerint a PSK vonalnak megfelel hmrskleten a kzeltleg 0,8% karbont tartalmaz ausztenitbl, ferritbl s cementitbl ll lemezes szerkezet szvetelem, perlit kpzdik. Az eutektoidos sszettel ausztenit A1 s kb. 550C kztt perlitesen alakul t. A perlit keletkezse diffzival vgbemen heterogn talakuls, a csra minden esetben az ausztenit szemcsehatrai mentn jelenik meg. ltalban felttelezik, hogy a cementit csrja jelenik meg elszr, br ms elkpzelsek is ismertek. Ha a csra mrete s a hmrsklet a cementitkristly stabilitsnak feltteleit kielgti, a csra nvekszik, oly mdon, hogy az ausztenitbl megfelel mennyisg karbon diffundl a cementit fel. A cementitkristly nvekedse azzal a kvetkezmnnyel jr, hogy krnyezetben az ausztenit karbonban elszegnyedik. Ekkor a cementitkristly mellett ferritkristly, ferritlemezke kpzdik. A tovbbiakban a ferritkristly s a cementitkristly is nvekszik. A ferritkristly nvekedse a karbontartalom felszaporodshoz vezet az ausztenitben, s gy a ferrit mellett ismt kialakulnak a cementit kpzdsnek, stabilitsnak felttelei. A perlit kt fzisa teht nem egymstl fggetlenl n. Ezrt alkot a perlit csomkat, kolnikat. A csomk trben kzeltleg gmb formjak, mert a csom a tr mindhrom irnyban nvekedsre kpes [2529].

16

Az j perlitcsomk kpzdse lass lehls kzben mindaddig folytatdik, amg az ausztenit szemcsehatrai mentn a csrakpzdsre alkalmas helyek ki nem merlnek, az egyes kolnik nvekedse pedig addig tart, amg egyms nvekedst nem akadlyozzk. Mivel egy-egy ausztenitszemcsn bell tbb perlitkolnia is kpzdhet, a csomk mrete ltalban kisebb, mint az ausztenit szemcsemrete volt. 2.5.2 Proeutektoidos szvetelem

Az ausztenit talakulsa amennyiben karbontartalma nem felel meg az eutektoidos karbontartalomnak, annl kisebb vagy nagyobb ferrit vagy cementit megjelensvel kezddik. Hasonlkppen az eutektoidos talakulshoz, ezek a folyamatok lejtszdhatnak egyenslyi krlmnyek kztt is. Az egyenslyi krlmnyek kztt s a tbb-kevsb gyors lehls kzben vgbemen talakuls kztt csak a folyamat vgeredmnyt tekintve (mennyisge, megjelensi formja) van klnbsg. A proeutektoidos szvetelemek megjelense is heterogn csrakpzdssel indul folyamat.

Hipoeutektoidos tvzetekben a ferritkristly hatra eltt az ausztenit karbonban feldsul, a diffzi azonban a karbonatomok gyors elszlltsval lehetv teszi az talakuls folytatdst.

Az ausztenit szemcsehatron kpzd proeutektoidos ferritnl kvetkez ferrit alakokat szoktk megklnbztetni: allotriomorf ferrit, elsdleges s msodlagos oldallemezes, valamint elsdleges s msodlagos frszfog alak Widmansttten ferrit. Az ausztenit szemcse belsejben kpzd ferrit, amely kristlyhibkon (legtbbszr nemfmes zrvnyokon) kpzdik. A 70%-nl nagyobb ferrit mennyisg gynevezett masszv szerkezet kialakulshoz vezet. A klnbz ferrit tpusokat Dub-fle osztlyozst a 2.4 bra mutatja be [27].

Ha a proeutektoidos ferrit krisztallitjai s az talakul ausztenit krisztallitjai kztt nincs meghatrozott kristlytani kapcsolat, akkor a ferrit csra minden irnyban nvekszik.

A Widmansttten ferrit sok hasonlsgot mutat a fels bainites ferrithez, ezrt ezt a ferrit morfolgit kicsit rszletesebben trgyalom. Az A3 alatti mrskelt tlhlsnl az gynevezett primer oldallemezes Widmansttten ferrit az eredeti ausztenit szemcse hatrn keletkezik, majd lemezszeren n. Ez a morfolgia viszont ritkn fordul el. A tlhls nvekedsvel a lemezek finomabbak lesznek.

A msodlagos oldallemezes Widmansttten ferrit a korbban kpzdtt (ltalban allortiomorf) szemcsehatrbl kpzdik. Ezek a szekunder ferritlemezek sokkal gyakrabban jelentkeznek, mint a primer vltozat. Szoksosan csoportokban keletkeznek, morfolgijukban nagyfok szablyszersg mutatkozik meg s tbb, egyenletes tvolsgban lv lemezbl val nvekedsnl a vezet lek kzeltleg egy sk frontot hatroznak meg. Ez a forma leginkbb 0,3-0,4% -nl kevesebb karbont tartalmaz acloknl fordul el, ha nagy az ausztenit szemnagysg s az talakuls kztes hmrsklet tartomnyban megy vgbe.

17

szemcsehatr mentn

nvekv ferrit

Widmanstttenoldallemezes (ts)

elsdleges msodlagos

frszfog alakWidmansttten

idiomorf ferrit

szemcsn belli Widmansttten lemezes

elsdleges msodlagos

szemcsn belli szemcsehatr mentn

nvekv

masszv ferrit

szemcsehatr mentnnvekv ferrit

Widmanstttenoldallemezes (ts)

elsdleges msodlagos

frszfog alakWidmansttten

idiomorf ferrit

szemcsn belli Widmansttten lemezes

elsdleges msodlagos

szemcsn belli szemcsehatr mentn

nvekv

masszv ferrit

2.4 bra A ferrit tpusok Dub-fle osztlyozsa

A szemcsn belli t, vagy lemezszer Widmansttten ferrit ers

tlhlsnl keletkezik. A nagy ausztenit szemcse elsegti ezek keletkezst a helyi diszlokcikon, ms esetben az ausztenitben a kisszg szemcsehatrokon kpzdik. Gyakran csillagszeren, csoportokban, vagy mg sszetettebb konfigurciban jelenik meg a proeutektoidos ferrit alacsony hmrskleten keletkezve.

Mg alacsonyabb hmrskleten a nemlemezes karbidok kivlsa a ferrit lemezeket bainites ferritt alaktja t, amely gyakran ktegekben jelenik meg.

A kristlytani orientcit tekintve a Widmansttten ferrit (hasonlan a bainites ferrithez) s az ausztenit rcsa kztt is Kurdjumov-Sachs orientcis sszefggs ll fenn [27].

18

2.5.3 Martenzites talakuls Martenzites talakuls nemcsak a vastvzetekben fordul el. Martenzitnek ltalban a diffzi nlkl, kooperatv atommozgssal lezajl talakulsi folyamat termkt szoks nevezni.

Tovbbi jellegzetessge a martenzitnek, hogy az talakul fzis s a martenzit kztt meghatrozott kristlytani kapcsolat van, s az talakuls az talakulsban rsztvev atomok egyttes, kooperatv mozgsval folyik le. Ez a kooperatv mozgs vgeredmnyben alakvltozs jelleg folyamat. Az alakvltozs jelleg fleg akkor szembetn, ha a martenzit metszi a felletet, mert ilyen esetben felleti rajzolat (relief) jelenik meg. Az ausztenit martenzitesen csak akkor alakulhat t, ha a hts olyan gyors, hogy nincs lehetsg a diffzis folyamatok ltal irnytott eutektoidos, vagy bainites talakulsra. Azt a hmrskletet, amelyen a martenzit kpzdse megindul, Ms hmrskletnek nevezzk, Mf hmrsklettel jelljk az talakuls befejez hmrsklett. Az Ms hmrskletet az talakul ausztenit sszettele, legerteljesebben pedig a karbon hatrozza meg. A (2.1) egyenletben, az tvzelemek mennyisge tmegszzalkban van megadva, s az Ms hmrskletet oC-ban kapjuk meg [30].

14Ni9Mo11Cr26Mn14Si440C548Ms = (2.1)

Az tvzetlen aclok Ms hmrsklete 500 s 200oC kztt van, a savll Cr-Ni aclok pedig szobahmrsklet alatt. A martenzites talakuls egyik leglnyegesebb vonsa az, hogy a kpzdtt martenzit mennyisge csak attl a hmrsklettl fgg, amelyre az aclt lehtttk, de fggetlen az talakuls hmrskletn eltlttt idtl. Nhny ersen tvztt aclban azonban izotermikus krlmnyek kztt is vltozhat a martenzit mennyisge.

A martenzit kemnysge, szilrdsga azzal magyarzhat, hogy a martenzit karbonban ersen tlteltett, s gy a ferrit rcsa ersen torzul, valamint azzal, hogy a martenzit igen kis szemcsemret s ezen tlmenen mg nagy diszlokcisrsg is. A szubsztitcis elemek is okoznak bizonyos mrtk rcstorzulst s gy szilrsg nvekedst, de az ilyen elemek hatsa mg ersen tvztt aclokban is lnyegesen kisebb, mint az elbb emltett kt tnyez. A felleten kzppontos rcs ausztenitbl trben kzppontos rcs, tetragonlis rcs illetve szoros illeszkeds, hexagonlis rcs martenzit keletkezhet. Mivel a martenzites talakuls trfogat nvekedssel jr, a martenzit ltal krlhatrolt ausztenitben nyomfeszltsgek brednek. A nyomfeszltsg hatsa alatt lv ausztenitben az talakuls nehezebben zajlik le, st az talakuls el is maradhat. A martenzites talakuls sorn visszamarad ausztenitet maradk ausztenitnek nevezzk.

A martenzitnek a karbontartalomtl fggen hrom klnbz morfolgij vltozata ismert: lcszer martenzit, ts martenzit, valamint az elz kettnek a keverke. Ezek tetragonliss torzult trben kzppontos kockarcsak. Az -martenzit hexagonlis rcs nem ferromgneses fzis, mangnnal ersen tvztt aclokban jelenik meg [26, 27, 30, 31].

19

2.6 BAINITES TALAKULS

A tlhls mrtknek nvelsvel az ausztenitnek ferritt val talakulsi hajlama n, mivel a hmrsklet jelents mrtkben A1 alatt van, ezrt a karbon diffzija lelassul. Ilyenkor a perlites mechanizmus mr nem mehet vgbe, hanem felvltja azt a bainites talakuls. A bainit csrakpz fzisa teht a ferrit [2527, 32].

A bainit a vastvzetek legbonyolultabb szvetszerkezete. Benne foglaltatik az ausztenit allotrp talakulsa sorn kialakult ferrit, a cementit (illetve egyb karbidok) kivlsa, mely vagy ausztenitbl vagy a ferritbl trtnik, a fzisok megvltozott karbontartalma, s az talakulssal jr bels feszltsgek [3335].

Szmtalan alakban fordul el, s Hehemann nem kevesebb, mint ngy fajta szerkezetet klnbztetett meg, amelyeket bainitknt osztlyozott. gy nem is csoda, hogy a kpzdsi mechanizmus trgyban is llandan vita folyik, mita Robertson 1929-ben, Davenport s Bain 1930 rszletes tanulmnyukat kz tettk [3336]. Napjainkban Bhadeshia folytat irnyad kutatsokat [34].

Tny, hogy 80 vnyi intenzv kutatssal sem sikerlt teljesen tisztzni a bainit kpzds mechanizmust. Nem a ksrleti eredmnyek hinya, hanem sokkal inkbb a rendelkezsre ll informci rtelmezse az alapja a klnbz iskolk klnbz paradigminak. A bainites talakuls klnbz jellegzetessgei ltalban egymstl fggnek, s minden iskola megprbl kifejleszteni egy kvetkezetes lerst, amely magba foglalja az sszes jelensget. Amint egy j eredmny jelenik meg, minden iskola megtallja a mdjt, hogy beptse a sajt ltalnos elkpzelsbe [33, 34, 3639].

A bainitre hrom klnbz lers is ltezik, gymint szvetszerkezeti, kinetikai s felleti rajzolat definci [33, 34, 4044, 56].

A szvetszerkezeti definci ltalnossgban gy rja le a bainitet, mint ktfzis, nemlemezes szerkezet szvetelemet. Nem tartalmaz azonban semmilyen megktst a ferrit szerkezetre nzve. A bainites reakcinl minden esetben a ferrit a csrakpz fzis [27, 33, 34, 36, 4144].

Egyesek szerzk szerint a bainites ferrit vkony, lencse alak lemezkk vagy lcek halmazainak formjban nvekedik, amelyeket ktegeknek (sheaves) is neveznek. Az nll lemezkket a ktegen bell pedig alegysgeknek (subunit) hvjk [34, 55].

A kinetikai definci a teljes reakcikinetikn alapszik. A bainit kln C grbvel rendelkezik az talakuls kezdetre, melynek fels hatra az gynevezett kinetikai BS hmrsklet, ennl magasabb hmrskleten nem keletkezhet bainit. Az tvzetlen aclokban a bainites talakuls kinetikai jellegzetessgeit elnyomja a proeutektoidos s a perlites talakuls [27, 28, 33, 34, 4047]. Felleti rajzolat definci alapja, hogy a bainit nvekedse lassan megy vgbe s ezt felleti rajzolat megjelense ksri. Az als bainit krisztallogrfiai sajtossgait a martenzites talakulsok elmletei kielgten lerjk. A fels bainit s a Widmansttten ferrit krisztallogrfija s felleti domborzata kztti hasonlsg is megalapozott. Mindez ahhoz az elkpzelshez vezetett, hogy

20

bainites talakuls egy olyan displacive mechanizmus eredmnye, amelynek sebessgt az sszettel vltozs szablyozza, azaz a karbon diffzija a krnyez ausztenitbe [2527, 30, 3335, 3843, 45, 48, 49, 56].

A bainites talakuls nmely tekintetben a perlites, ms tekintetben pedig a martenzites talakuls jellegzetessgeit mutatja, ezrt joggal nevezik kzbens talakulsi mdnak.

Kiindul ausztenit

Karbon diffziaz ausztenit

Karbon diffzia ferritben s a fzishatron

Karbidkpzdsaz ausztenitben

Karbidkpzdsa ferritben

Fels bainit Als bainit

Kiindul ausztenit

Karbon diffziaz ausztenit

Karbon diffzia ferritben s a fzishatron

Karbidkpzdsaz ausztenitben

Karbidkpzdsa ferritben

Fels bainit Als bainit

2.5 bra A fels s als bainit kpzdsi mechanizmusa

A legalkalmasabb definci a bainit lersra a szvetszerkezeti definci

maradt, azaz nemlemezes ferritbl s karbidbl ll, melyet fels s als bainitknt osztlyozunk. Ez a klnbsgttel lnyeges mind a fzistalakuls elmlete szempontjbl, mind pedig azrt, mert a fels s az als bainit mechanikai tulajdonsgai eltrek. A klasszikus bainit ezen kt klnbz formja klnbz hmrsklettartomnyokban jelenik meg a vastvzetekben. Amint a nevek is mutatjk, a fels bainit magasabb hmrskleten keletkezik, mint az als bainit. A fels s als bainit kpzdsi mechanizmust a 2.5 bra mutatja be [34, 50].

21

2.6.1 Fels bainit A hipoeutektoidos aclban az ausztenit fels bainitt val talakulsa a ferrit lceinek, tinek megjelensvel kezddik el. ltalban nem egyetlen ferritt indul nvekedsnek, hanem ezek egy csoportja, gy a szvetben ferritt ktegek jelennek meg. Mivel a ferrit karbonold kpessge mg az talakuls hmrskletn is csekly (

22

majd kb. 0,7 wt% felett lland marad. Ezt a vltozst az ausztenit karbonold kpessgvel, majd az ausztenit karbontartalmtl fgg diffzis sebessggel hozzk sszefggsbe [2628, 33, 51].

A legjabb kutatsok [5254] azt tapasztaltk, hogy 300C-nl alacsonyabb hmrskleten a folyamat sorn az ausztenit karbontartalma n, vagyis a fels bainit kpzdsnek tartomnya 300C alatt is lehet.

Karbontartalom, wt%

Hm

rs

klet

, C

Hm

rs

klet

, F

Als bainit

Fels bainit

extrapollt Acm

Karbontartalom, wt%

Hm

rs

klet

, C

Hm

rs

klet

, F

Als bainit

Fels bainit

extrapollt Acm

2.6 bra

A karbontartalom hatsa a fels s als bainit kpzdsre [28]

2.6.3 Karbidok kpzdse

A bainites szerkezet fontos jellegzetessge a karbidkivls, klnsen a mechanikai tulajdonsgokra vonatkozan van meghatroz szerepe.

Az ausztenitben a fels bainites ferrit nvekedse elbb-utbb karbon kivlshoz vezet. Ha az talakulsi felttelek engedik a karbid kivlst, a termodinamikailag instabil ausztenitbl cementit vlik ki [34, 58].

Als bainit esetben a karbid kivls a tlteltett ferritbl trtnik. A megeresztett martenzitben megfigyelt tmeneti karbidokat az als bainitben is kimutattk [34].

Szmos tvzetben, klnsen amelyeknek viszonylag nagy a szilcium vagy az alumnium tartalma, a karbid kivls olyan lass folyamat, hogy gyakorlatilag nem is megy vgbe. A bainit ilyenkor csak bainites ferritbl s karbonban dsult ausztenitbl ll. A 2.2 tblzat a bainitben kimutatott karbidokat, illetve a kristlytani adataikat mutatja be. A rcsparamter rtke az adott tvzet sszetteltl fgg [34].

23

Karbid Kristlyrendszer

Rcsparamter adatok () Fe, M/C

Cementit Ortorombos a=4.525 b= 5.087 c=6,743 3 Hexagonlis a=2,735 c=4,339 2,4-3 Ortorombos a=4,704 b= 4,318 c=2,83 2 Monoklin a=11,564 b= 4,573 c=5,058

=97,44 2,2 vagy 2,5

Hexagonlis a=6,9 c= 4,8 1,37

2.2 tblzat A bainitben kimutatott karbidok s kristlyszerkezetk [34]

2.6.3.1 Epszilon-karbid

A mlt szzad 30-40-es veiben vgzett vizsglatokbl (Curie pont mrse s tgulsmrst) mr kvetkeztetni lehetett arra, hogy a vastvzetekben elfordul karbid nem mindig cementit. Annak ellenre, hogy az als bainitben a leggyakoribb tmeneti karbid az -karbid, elszr csak 1952-ben sikerlt kimutatni [59], amelyet ksbb ms szerzk is megerstettek [33, 34, 37, 60, 61]. Nem mindig talltak azonban -karbidot a cementit kivls eltt [34, 62].

Az edzett acl megeresztse sorn arra a kvetkeztetsre jutottak, hogy karbon atomoknak energetikailag kedvezbb a diszlokcikon kivlni, mint -karbidot kpezni. Ha a diszlokci srsg viszonylag nagy a karbon atomok csapdba esnek a diszlokcikon, s gy nincs elg karbon az -karbid kpzdshez. Ekkor a sokkal stabilabb cementit kzvetlenl a tlteltett ferritbl vlik ki. Irodalmi adatok alapjn az acl tlagos karbontartalmnak 0,25% fltt kell lennie, hogy -karbid kpzdjn [34, 62].

Az -karbid jelenltet az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas als bainitjben is kimutattk, ahol az -karbid hosszabb ausztemperls utn -karbidd alakult t [6367].

Elszr -karbid orientcis kapcsolatot a megeresztett martenzitben mutattak ki [68]. Nagyon hasonl sszefggst talltak az als bainitben is. A karbidok lemez alakak, hozzvetlegesen 6-20 nm szlesek s 70-400 nm hosszak [61, 66].

( ) ( ) 1101101 ( ) ( ) 0101112 ( ) ( ) 1000110 ( ) ( ) 0121111

2.6.3.2 Eta-karbid

Az -karbid ortorombos Fe2C kplet tmeneti karbid. ltalban az aclok megeresztsvel hozzk kapcsolatba, ahol a martenzit/karbid orientcijra a kvetkez sszefggst talltk [6971]:

24

( ) { } 010011

[ ] 001100 ><

Az karbidot az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas als bainites ferritjben is kimutattk, s az albbi orientcis sszefggst talltk: [6466].

[ ] 110001100 >< A fenti orientcis sszefggs megegyezik a martenzit megeresztsnl tallt -karbid/martenzit sszefggssel. Ez tovbbi bizonytkul szolglt annak a felttelezsnek az igazolsra, hogy az als bainitnl a karbidok kivlsa a bainites ferritben hasonl mdon megy vgbe, mint a megeresztsi sorn lejtszd folyamatok. Tovbb azt is megmutattk, hogy az ausztemperls hmrsklett cskkentve -karbid keletkezik. Ha pedig az ntttvas szilciumtartalma n, akkor cementit keletkezik.

Hasonlan az -karbidhoz a ksrleti eredmnyek arra utalnak, hogy a ferrit karbontartalmnak meg kell haladnia egy kritikus koncentrcit, mieltt -karbidot egyltaln detektlni tudnnk talakulsakor [64, 65]. 2.6.3.3 Khi-karbid

A -karbid egy msik tmeneti karbid. Elszr szintn a martenzit megeresztsnl mutattk ki nagy felbonts elektronmikroszkppal. Ami els rnzsre cementit rcshibnak tnt, az valjban egymsba fondott cementit s -karbid rteg volt. A klnbz tvolsgokban (0,57 s 0,67 nm) lv {200} skot prhuzamosnak talltk a {001} skkal, gy a cementitbeli hibk valjban a -karbidos rszeknek felelnek meg, amelyek nhny atomi sk vastagsgak. A cementit kzelsge miatt a -karbid nincs ltalnosan elfogadott sztchiometriai kplete, Fe2n+1Cn kifejezssel irhat le, ahol n 3 [34, 72]. -karbid kivlsrl hrom esetben szmoltak be: martenzit megereszts harmadik lpcsjnl, az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas als bainites ferritjben, valamint gmbgrafitos ntttvas 350 s 400C kztti ausztemperls msodik lpcsjnl [6467, 72, 73]. 2.6.3.4 Kappa-karbid

A -karbidot nagy karbontartalm aclok als bainites talakulsnl fedeztk fel. Ez is tmeneti karbid, amely az talakuls ksi szakaszban vlik ki karbonban feldsult ausztenitbl. A -karbidnak az izoterms talakuls hmrskletn nagy a szilcium old kpessge s -karbidd alakul t, ez pedig vgl mg stabilabb cementitt [34].

25

2.6.4 A bainit egyb megjelensi formi

Az als s fels bainit jl megalapozott felttelekkel lerja a szvetszerkezetet, s ezek egymstl alapvet vizsglati mdszerekkel megklnbztethetek, illetve kpzdsi mechanizmusaikat elmletileg is megrthetjk. Van azonban a szvetszerkezeteknek egyb szmos lersa, amelyre a bainit szt hasznljk [34, 40]. 2.6.4.1 Szemcss bainit

A mlt szzad 50-es veiben a kis karbontartalm aclok folyamatos lehlse utn kialakult szerkezetben fedeztk fel, amely durva ferrites lemezekbl llt s a lemezek kztt kis szigetek tallhatk, melyekben martenzit s maradk ausztenit van. Harbaken s munkatrsai neveztk el szemcss bainitnek, amely ezutn a szakirodalomban is elterjedt.

A megjelenst tekintve a szemcss bainit nagyon emlkeztet a fels bainitre. A szemcss bainit csak folyamatos lehls kzben keletkezik. A bainites talakuls ketts reakcija idben s hmrsklettartomnyban is klnvlik. Krlbell 500C-ig bainites ferrit keletkezik, mikzben az ausztenit karbonban dsul, de nem annyira ez a karbidkpzds is elegend lenne. Ehhez az is hozzjrult, hogy az tvzelemek (elssorban a jelenlev mangn) ksleltetik a karbidkpzdst. A hts tovbbi szakaszban, az talakuls msodik lpcsjben, a megnvekedett karbontartalm ausztenit martenzitt alakul t s 5-10% maradk ausztenit is lesz jelen.[33, 34, 40]. 2.6.4.2 Inverz bainit

A klasszikus bainitnl a ferrit a vezet fzis s a karbid kpzds a msodik folyamat. A hipereutektoidos acloknl megfigyelhet gynevezett inverz bainitnl a cementit a vezet fzis, amely kzvetlenl az ausztenitbl keletkezik, s amelyet a folyamat sorn ferrit rteg vesz krl.

Az talakulsi mechanizmus gyakorlatilag ismeretlen. Nincs bizonytk arra vonatkozan, hogy a ferrit nvekedse az atomok koordinlt mozgsnak a kvetkezmnye, tovbb nem ismertek sem kristlytani, sem pedig sszetteli adatok. Egyes kutatk szerint ez az talakuls nem is bainites talakuls [30, 34]. 2.6.4.3 Oszlopos bainit

Az oszlopos bainit nem lemezes cementit s ferrit fzisok egyfajta sszessge, hanem szvett rendellenes, kiss megnylt kolnia jellemzi. A kolnin bell a cementit rszecskk eloszlsa elgg sajtos, a t alak rszecskk tbbsge viszonylag nagy tvolsgban, egy sorban ll, s ezt a terletet klnbz fzisok veszik krl. Ez a szerkezet rendszerint a hipereutektoidos aclokban figyelhet meg, de elfordul alacsony karbontartalm aclok nagy nyomson vgbemen talakulsnl is. Ez arra a

26

tnyre utal, hogy az eutektoidos sszettel a nyoms nvekedsvel az alacsony karbontartalom fel toldik el [33, 34, 40]. 2.6.5 Ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas bainites talakulsa

Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas szvetszerkezete bainites. Az talakuls sajtossgai az ntttvas sszettelbl addnak. A legfontosabb klnbsg a gmb alak grafit jelenlte. Ez a grafit meghatrozza az ausztenitests sorn az ausztenit karbontartalmt, a karbon a grafitbl az ausztenitbe diffundl. A gmbgrafitos ntttvas ausztenitestsi hmrsklete pedig meghatrozza a karbon diffzi sebessgt.

Ebben az esetben az ausztenit kt egymst kvet reakcival elszr ferritt, majd ferrit+karbidd alakul t. A jelents mennyisg grafitkpz szilcium illetve alumnium hatsra, amelyek ksleltetik (neheztik) a karbidkpzdst, a kiindul sszettel ausztenitbl (0) els lpcsben bainites ferrit () keletkezik karbid kivlsok nlkl, mikzben az t nem alakult ausztenit karbonban dsul (), s az 1.reakci vgn az ausztenit (1) karbonban jelentsen tlteltett vlik. Ez az ausztenit a szobahmrskletre trtn hts hatsra sem alakul t martenzitt a magas karbontartalom miatt; (2.2) egyenlet [7481].

1.reakci: 110 ++ (2.2)

Az 1.reakci a gmbgrafithoz kzelebbi, karbonban szegnyebb ausztenit kristlyhatrain kezddik el. A bainites ferrit a kristlytani orientcinak megfelelen nvekedik.

Az t nem alakult ausztenit a msodik lpcsben ferritt () s valamilyen karbidd alakulhat t () (2.reakci); (2.3) egyenlet. A gyakorlati hkezelseknl ezt az talakulst mr clszer elkerlni azrt, hogy szobahmrskleten ferrit s ausztenit legyen a szvetben, a gmbgrafit mellett [7478].

2.reakci: + 1 (2.3)

Az ausztenit talakulst olyan egyrtelmen nem tisztzott tnyezk szablyozzk, mint a bainites ferrit kpzds mechanizmusa (azaz els reakci), a nvekeds sebessge s a bainites karbid kivlsnak (azaz a msodik reakci) mechanizmusa.

A hkezels paramterei (ausztenitests illetve az ausztemperls hmrsklete s ideje) valamint az ntttvas sszettele jelentsen befolysoljk a fenti reakcik kimenetelt. 2.7 AZ AUSZTEMPERL HKEZELS FOLYAMATA Az ausztemperls clja a bainites szerkezet ltrehozsa a vastvzetben. Ezzel a hkezelssel nagy szilrdg s szvssg kombincijt lehet elrni.

27

A nemestshez kpest az ausztemperlsnak bizonyos elnyei vannak [19, 8285]:

Az ausztenit talakulsakor kisebb trfogatvltozs megy vgbe, ezltal cskken az ntvnyek repedsnek, vetemedsnek veszlye, s csak kisebb feszltsgek keletkeznek.

A szoksosan alkalmazott 250-400C kztti izoterms talakulsi hmrskleten (amely sokkal kisebb, mint az edzs utni megereszts hmrsklete) nem vlik ki grafit s a proeutektoidos ferrit kpzdsnek veszlye is ki van zrva.

A sorozatban gyrtott ntvnyeket klnsebben nagy idrfordts nlkl lehet hkezelni.

Az ausztemperl hkezelst elssorban a gmbgrafitos ntttvasnl

alkalmazzk, de termszetesen ezt a lemezgrafitos ntttvasra is ki lehet terjeszteni, s ezltal ennek tulajdonsgai is jelentsen javulnak [86, 87].

A 2.7a brn (fels rsz) az ausztemperl hkezels folyamata lthat, amelyben feltntettem a bainites talakuls 1. s 2. reakcijt jell C grbket is.

Az ausztemperl hkezels a kvetkez ngy lpsbl ll [1, 2, 12, 77, 82, 85]:

1. Az ntvny ausztenitestse 840-950C kztti hmrskleten addig, amg a teljes fmes alapszvet t nem alakul ausztenitt.

2. Az ausztenitestst kveten az ntvny gyors lehtse egy 230-450C kztti ausztemperlsi (talakulsi) hmrskletre oly mdon, hogy kzben lehetleg semmilyen talakuls ne induljon meg.

3. Az ntvny izoterms hntartsa az ausztemperlsi hmrskleten, amelynl az talakuls sorn bainites ferrit keletkezik s az talakuls sorn az ausztenit karbonban dsul.

4 Az ntvny lehtse szobahmrskletre.

A 2.7b bra (als rsz) a klnbz idej hntarts s szobahmrskletre trtn hts utn kialakult fmes alapszvetet mutatja. A ferritkpzds kezdett jell C grbe eltti lehlsnl a szvet martenzitbl s kevs maradk ausztenitbl ll. Rvid hntartsi id utn az alapszvet bainites ferritet, martenzitet, s karbonban dsult ausztenitet tartalmaz. A hntartsi id nvekedsvel a bainites ferrit mennyisge n, s az ausztenit karbonban dsul. Az optimlis hntarts esetn a fmes alapszvetben bainites ferrit s maradk ausztenit van jelen. A hossz idej hntarts esetn (ez akr 6-8 rt is jelenhet) az ausztenitbl ferrit s karbid egyttesen kpzdik, azaz a hntarts ideje elri a karbidkpzds kezdett jell C grbt. Ha az ausztenit teljesen talakul, akkor fmes alapszvetben ferritet s valamilyen karbidot tartalmaz.

28

Ausztenitests

Ausztemperls

id

Hm

rs

klet

Szvetelemekmennyisge,

V/V%

Ausztenit

Ferritkpzdskezdete

Karbidkpzdskezdete

Bainites ferrit

Ferrit+

karbid0

100

Martenzit

id

(a)

(b)

Ausztenitests

Ausztemperls

id

Hm

rs

klet

Szvetelemekmennyisge,

V/V%

Ausztenit

Ferritkpzdskezdete

Karbidkpzdskezdete

Bainites ferrit

Ferrit+

karbid0

100

Martenzit

id

(a)

(b)

2.7 bra

Az ausztemperls folyamata (a), s a hkezels utn kialakult szvet (b) 2.7.1 Ausztenitests

Az ausztemperl hkezels els lpseknt az ntvnyt szobahmrskletrl az ausztenitestsi hmrskletre hevtjk. A hevtsi sebessg nem befolysolja jelentsen sem az ezt kvet hkezelsi folyamatot, sem a vgleges szilrdsgi tulajdonsgokat. Az ausztenitestsi hmrsklet megvlasztsa igen fontos, mert ettl fgg az ausztenit karbontartalma [1, 2, 12, 20, 75, 78, 88].

Ha az ausztenitestsi hmrsklet nagy, a vgs szvetben olyan szigetek vannak jelen, amelyek nem vesznek rszt az ausztemperlsi reakciban. Ezek a szigetek szobahmrskleten stabilak s a cellahatron jelennek meg. A magasabb ausztenitestsi hmrskleten nagyobb az ausztenit karbontartalma, klnsen a cellahatrokon. A nagyobb karbontartalom megnveli az ausztenit ellenllst az ausztemperlsi reakcival szemben, azaz az talakulsi folyamat lassabban jtszdik le. A szobahmrskleten stabil ausztenit alacsonyabb hmrskleten, vagy feszltsg hatsra martenzitt alakul. A martenzit a megmunklst csaknem lehetetlenn teszi s az ntvny ridegg vlik [74].

29

Ha a hntarts hmrsklete alacsonyabb a szksgesnl, a szvetben a grafit krl ferrit udvar lesz jelen. Az ausztenitests kzben a szvet ausztenitbl s durva szemcsj ferritbl ll. Az ausztenit s a ferrit kzel egyenslyi llapotban van s arnyuk a szvetben nem vltozik az ausztenitestsi idvel [12].

gy az ausztenitests optimlis hmrsklettartomnya az sszetteltl fggen 840-950C kztt van. Az ausztenitests idejt gy kell megvlasztani, hogy a szvet teljes mrtkben ausztenitesedjen s az ausztenit karbonban teltett legyen. E kt felttel teljestshez szksges ausztenitestsi hntartsi id az ausztenitests hmrsklettl s az sszetteltl fgg. Magasabb hmrskleten megn a karbon diffzija, gy a szksges ausztenitestsi id lecskken. Az tvz elemek dsulsuk miatt lasstjk a karbon diffzijt a grafit s fmes alapszvet kztt s gy megnvelik az ausztenitestsi idtartamot. A szksgesnl hosszabb ausztenitestsi id nem vltoztatja meg az ntvny tulajdonsgait, tovbbi hntarts csak felesleges hbevitelt s magasabb gyrtsi kltsget jelent [1, 12]. 2.7.2 Lehts az ausztemperlsi hmrskletre

Ez szintn fontos, de gyakran elhanyagolt szakasza a hkezelsnek. A nemkvnatos perlitkpzds elkerlsnek rdekben olyan gyorsan kell hteni az ausztemperls hmrskletre, hogy ne metsszk a perlitorrot az talakulsi diagramban. Szmos gmbgrafitos ntttvasra ltezik talakulsi diagram, a lehlsi sebessget ezek alapjn hatrozzk meg. tvzssel, pldul nikkellel, rzzel, mangnnal vagy molibdnnel a perlites talakulst lnyegesen ksleltetni lehet. A htsi sebessgre a htkzeg anyaga, mennyisge illetve az ramoltatsa is hatssal van. Minl nagyobb a frd trfogata, annl nagyobb a hkapacitsa s annl kisebb a hmrsklet vltozsa az ausztemperls kzben. A frd lehet s- vagy fmfrd (n, lom). Kever berendezs alkalmazsa a frd ramoltatst segti el [1, 12, 74]. 2.7.3 Ausztemperls

Ha a hkezels helyesen trtnik, az ntvny teljes egszben talakuls nlkl hl le az ausztemperls hmrskletre. A bainites szvetszerkezet morfolgija, a bainites ferrit s a stabilizldott ausztenit arnya az ausztemperls hmrsklettl s idejtl fgg. Magasabb ausztemperlsi hmrskleten (kb. 370C felett) viszonylag vastagabb bainites ferrit tk keletkeznek. Alacsonyabb ausztemperlsi hmrskleten a szvet sokkal finomabb. A bainites ferrit t vastagsga teht cskken az ausztemperlsi hmrsklettel [74, 88, 89].

Az ausztemperls idejt gy kell megvlasztani, hogy a szvet maradk ausztenit tartalma maximlis legyen. A tl rvid ausztemperls utn a szvetben jelents mennyisg martenzit lesz jelen. A tl hossz idej ausztemperls

30

sorn pedig a megkezddhet a karbidkpzds, amely kedveztlen hats az ntvny mechanikai tulajdonsgaira nzve.

A TU Bergakademie Freiberg Vas- s Acltechnolgiai Intzetben a hkezelst vkuumkemencben (VKNQ 25/25/40) vgeztk, amelynl a gyors htst nagy nyoms (10bar) nitrognnel oldottk meg. Szintn (velem prhuzamosan) meghatroztk az ntttvas teljes hmrsklettartomnyra vonatkoz izoterms talakulsi diagramjt (perlit, bainit, martenzit) [90]. Minden jelenlv tvzelem valamilyen mdon befolysolja a hkezelsi folyamatot s gy a vgs szvetet is. Ezrt igen fontos a kmiai sszettel. 2.8 AZ TVZELEMEK HATSA A BAINITES TALAKULSRA. AZ

TVZET OPTIMLIS SSZETTELE. A karbon meghatroz szerepet jtszik a vastvzetek tulajdonsgainl, jelenltvel vagy hinyval, illetve, hogy milyen formban van jelen. A gmbgrafitos ntttvas tulajdonsgait is majdnem kizrlag a karbon hatrozza meg. Az tvz elemek az talakuls kinetikjt vltoztatjk meg, ezltal vesznek rszt a tulajdonsgok kialaktsban. A klnbz elemek szablyozzk a karbon diffzijt, illetve a fmes alapszvet karbon old kpessget [12, 91].

Kristlyosods kzben az elemek mikrodsulsa jl ismert, amelyet a lehet legkisebb mrtkre kell cskkenteni azrt, hogy az ausztemperls folyamata kiegyenltett legyen. Pldul a szilcium a grafit kzelben dsul, s mivel ferritkpz elem, elsegti a grafit krli ferrit udvar kialakulst. [1, 12, 74, 88, 9196].

A 2.8 bra [74] sematikusan mutatja be a klnbz elemek koncentrcivltozst a grafit s a kristlyhatr kztt. Az albbiakban nhny fontosabb elemrl lesz sz:

Cellahatr

Mn, Mo, Cr, V

Si, Ni, Cu

Grafit Grafit

Cellahatr

Mn, Mo, Cr, V

Si, Ni, Cu

Grafit Grafit

2.8 bra

Az elemek mikrodsulsa [74]

31

2.8.1 Szilcium

Vastvzetekben az tvzelemek kzl a grafitkpz szilciumnak van a legnagyobb szerepe. A nvekv szilciumtartalom az Fe-C diagramban az S pontot balra illetve az SE vonalat a magasabb hmrskletek fel tolja el, azaz magasabb ausztenitestsi hmrsklet szksges a teljes ausztenites szvet elrshez. Ez azt is jelenti, hogy cskkenti az ausztenit karbonold kpessgt. Egyes kutatk szerint 2 s 4% kztti szilciumtartalomnl lehet nagy szilrdsgot s megfelel nylst elrni, mivel a nvekv szilcium tartalom akadlyozza a karbidkpzdst s elsegti a maximlis maradk ausztenit ltrejttt. Ms kutatk szerint az optimlis szilciumtartalom kb. 2,5%. Az ennl nagyobb szilciumtartalom ugyan gtolja a martenzitkpzdst s az elemek dsulst a szemcsehatron, de elridegti a szvetet, s rontja a mechanikai tulajdonsgokat [18]. A szilcium gyorstja a karbon diffzijt s gyorstja az 1.reakcit (a bainites ferrit kpzdst), valamint kslelteti a 2.reakcit, oly mdon, hogy akadlyozza karbid csrakpzdst, lland ausztenitestsi s ausztemperlsi hmrskletnl [57, 12, 19, 75, 76, 9698]. 2.8.2 Mangn

Az ntttvas msik llandan jelenlv tvzeleme a mangn, amelynek hasznos s kros hatsai is vannak. A mangn, mint karbidkpz elem, az ntvny megszilrdulsakor a kristlyhatr kzelben dsul, s a grafittl tvol komplex vas-mangn karbidokat kpezhet. Ezek a kivlsok megnvelik a hatrok kztti ausztenit stabilitst, amely az ausztemperls utn htskor martenzitt alakul t, ami ronthatja a mechanikai tulajdonsgokat. A mangn cskkenti az ausztenitestsi hmrskletet. Lasstja a karbon diffzijt az ausztenitben, nveli alapszvet karbon old kpessgt, nveli az tedzhetsget, s kslelteti az 1.reakcit. Gyakorlatban az ajnlott mangn koncentrci 0,3%. A mangn kis mrtkben cskkenti a folyshatrt s a szaktszilrdsgot. Magasabb ausztemperlsi hmrskleten cskkenti a nylst s az tmunkt, mg alacsonyabb hmrskleten nveli [1, 5 7, 12, 15, 73, 75, 85, 94, 96, 97, 99, 100]. 2.8.3 Molibdn

A molibdn nagyon ersen megemeli az ausztenitestsi hmrskletet s cskkenti az ausztenit karbontartalmt. A leghatsosabb tvz elem az tedzhetsg nvelse szempontjbl, de manapsg csak igen nagymret ntvnyekben hasznljk. Kros hatsa, hogy ppen gy, mint a mangn, nagymrtkben a kristlyhatr kzelben dsul s stabil karbidot kpez, amely mg hosszabb grafitost izzts hatsra sem bomlik el teljesen. A molibdn nagymrtkben lasstja a karbon diffzijt, gy stabilizlja az ausztenitet s kslelteti az 1.reakcit. A gyakorlatban nikkellel s/vagy rzzel egytt hasznljk, de csak maximum 0,2%-ig [12, 15, 18, 85, 94, 96, 99, 101].

32

2.8.4 Rz, nikkel s egyb tvzelemek

A rz az ADI tedzhetsget javt legolcsbb tvzelem. Kevsb hatsos, mint a molibdn, mangn, vagy a nikkel. A rz s a nikkel hasznlatnak legfbb elnye, hogy minimlisra cskkentik a mangn s molibdn hasznlatt s ezltal kikszblik a karbidkpzds kros hatsait. Htrnya hogy, lasstja a karbon tmenett a gmbgrafit s a fmes mtrix kztt, gy kslelteti a karbon ausztenit homogenizldst. Emiatt jelentsen, akr 50%-kal is megnveli az ausztenitestsi idt. A rznek elhanyagolhat hatsa van az ausztenitestsi hmrskletre, a karbon oldhatsgra, illetve az ausztemperlsi reakci idejre. A rz 0,8 szzalknl nagyobb mennyisgben jelentsen rontja a dinamikus mechanikai tulajdonsgokat.

A nikkel cskkenti az ausztenit kpzds egyenslyi hmrsklett, s valamelyest lasstja a karbon tmenetet a grafitbl a fmes szvetbe, gy kismrtkben megnveli a szksges ausztenitestsi hmrskletet. A nikkel mikrodsulsa minimlis. Kismrtkben ugyan cskkenti a folyshatrt s a szaktszilrdsgot, de ezt a hatst az ausztemperlsi hmrsklet cskkentsvel kompenzlni lehet. Javtja a szvssgi tulajdonsgokat. Vilgpiaci ra gyakran vltozik s arnylag drga. Elmletben az ntvny brmilyen mrtkig tvzhet nikkellel, de gyakorlatban maximlis mennyisge 2% [7, 12, 15, 94, 96, 99]. Egyb karbidkpz elemek, mint a krm illetve a vandium a mangnhoz hasonlan viselkednek.

Az antimon rtalmas hatssal van a gmbstsre. Ezt a hatst viszont knnyen semlegesteni lehet ritkafldfmekkel, klnsen criummal. Az n s az antimon szintn diffzis gtat kpez a grafit/fm hatrfelleten, nagymrtkben akadlyozza a karbon diffzijt [5, 12, 100, 102 104]. 2.8.5 Az tvzs gyakorlati megvalstsa

A tipikus ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas sszettelt a 2.3 tblzat mutatja be.

tvzelem: tvzs mrtke Karbon 3,7 0,2 %

Szilcium 2,5 0,2 % Mangn 0,3 0,03 %

Rz Szksg szerint maximum 0,8 0,05 % -ig Nikkel Szksg szerint maximum 2 0,1 % -ig

Molibdn Csak, ha szksges maximum 0,25 % 0,03 % -ig

2.3 tblzat A gyakorlatban hasznlt ntttvas sszettele

A gyakorlatban az tvzs a kvetkezkppen trtnik: alacsony ra miatt

elszr rezet hasznlnak maximum 0,8%-ig. Ha szksges, akkor nikkelt is 2%-

33

ig. Ha az ntvny mrete megkvnja, akkor molibdnt is hasznlnak az tedzhetsg javtsra. El kell kerlni a nagy mangn s molibdn tartalom ltal esetleg okozott kivlsokat, amelyek rontjk a mechanikai tulajdonsgokat, de szksgesek az tedzhetsg szempontjbl [7, 92]. 2.9 A SZVETSZERKEZET HATSA AZ AUSZTEMPERLT

GMBGRAFITOS NTTTVAS MECHANIKAI TULAJDONSGAIRA

Ellenttben a lemezgrafitos ntttvassal, amelynek tulajdonsgait alapveten a grafit mennyisge hatrozza meg, a gmbgrafitos ntttvasban azonos sszettel esetn is a grafit mennyisge arnylag tg hatrok kztt vltozhat anlkl, hogy a tulajdonsgai lnyegesen vltoznnak. Egyedl a Rp0,2-t befolysolja egyrtelmen a grafit mennyisge. Mindazonltal a grafit kros hatsa az ntttvasak mechanikai tulajdonsgaira rvnyes a gmbgrafitos ntttvasakra is, de sokkal kisebb mrtkben. Ez a hats nagymrtkben kompenzlhat a fmes szvet mdostsval. Teht a mechanikai tulajdonsgok kialaktsban a fmes alapszvetnek meghatroz szerepe van, s mind kzl a legfontosabb tnyez a maradk ausztenit mennyisge, illetve annak karbontartalma [1, 5, 105, 106].

A 2.4 s 2.5 tblzat az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas magyar (eurpai) s amerikai (ASTM) szabvnyainak mechanikai tulajdonsgokra vonatkoz elrsait mutatja be.

Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas klnbz osztlyaihoz klnbz hkezelsi paramterek tartoznak.

A tblzatok azt mutatjk, hogy adott szvssg mellett az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas ktszeres szaktszilrdsggal rendelkezik a hagyomnyos gmbgrafitos ntttvashoz kpest (amelynek szaktszilrdsga az ASTM A 536 szabvny szerint 414-827MPa), s sszevethet szmos aclval. Az ADI ntvnybl kszlt alkatrsz tmege a kovcsolt acl alkatrszekhez kpest 10%-kal kisebb, ami pl. gpjrmvek esetben gyakran jelents zemanyag megtakartst jelent [7, 13, 15].

Anyagminsg

Szakt- szilrdsg

Egyezmnyes folyshatr

Nyls Kemny-sg

Rvidjells Szm Rm [N/mm2]

Rp0,2 [N/mm2]

A5 [%]

HB

EN-GJS-800-8 EN-JS1100 800 500 8 260320 EN-GJS-1000-5 EN-JS1110 1000 700 5 300360 EN-GJS-1200-2 EN-JS1120 1200 850 2 340440 EN-GJS-1400-1 EN-JS1130 1400 1100 1 380480

2.4 tblzat Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasak osztlyai s a mechanikai

tulajdonsgokra vonatkoz elrs MSZ EN 1564:1997 szabvny szerint

34

Anyagminsg

Szakt- szilrdsg

Egyezmnyes folyshatr

Nyls t- munka

Kemny-sg

Osztly jel Rm [N/mm2]

Rp0,2 [N/mm2]

A5 [%]

J HB

1. 850/550/10 850 550 10 100 2693212. 1050/700/7 1050 700 7 80 3023633. 1200/850/4 1200 850 4 60 3414444. 1400/1100/1 1400 1100 1 35 3884775. 1600/1300/- 1600 1300 444555

2.5 tblzat Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasak osztlyai s a mechanikai tulajdonsgokra vonatkoz elrs ASTM 897M-02 szabvny szerint

Az ADI tovbbi kivl tulajdonsga a kopsllsg, mivel a hkezels

utn a szvetben meglv maradk ausztenit feszltsginduklt martenzitt alakul t, ami a kemnysg nvekedsvel jr. 2.9.1 Szaktszilrdsg, folyshatr, s nyls

Az ausztemperlsi hmrsklet cskkensvel a szvet finomodik, a ferrit tk vastagsga cskken s a szilrdsgi tulajdonsgok javulnak [7, 105]. Az ausztemperls hmrskletnek hatst az ADI szaktszilrdsgra (Rm), egyezmnyes folyshatrra (Rp0,2), kemnysgre (HB), nylsra (A5) s szvssgra a 2.9 bra mutatja be [92].

Krlbell 260 s 420C kztti hmrsklet kzben vgzett ausztemperls hatsra a hmrsklet nvekedsvel az ADI szilrdsgi tulajdonsgai cskkennek. A tovbbi hmrskletnvekeds nem jr lnyeges vltozsokkal a szaktszilrdsgra, a folyshatrra illetve kemnysgre nzve. A legnagyobb szilrdsgi rtkeket a fenti hmrsklettartomnynl kisebb hmrskleteknl talljuk, amelyekhez als bainites szvetszerkezet tartozik [82, 92].

Krlbell 350 s 420C kztti hmrsklet kzben vgzett ausztemperls utn a fmes szvet bainites ferritbl s maradk ausztenitbl ll. A maradk ausztenit mennyisge elrheti a 45%-ot is. Ezen a hmrskleten addnak a legnagyobb szvssgi s szilrdsgi rtkek [82, 83, 85, 92].

Krlbell 420 s 500C kztti ausztemperls sorn durva szemcss, nem ts bainit tpus szvet jelenik meg. A maradk ausztenit mennyisge kevesebb, mint 8%.

Magasabb talakulsi hmrskleten (kb. 500C fltt) a durva szemcss szvetben nincs maradk ausztenit, perlit viszont van. Az talakulsi hmrsklet nvelse nem okoz lnyeges klnbsget a bainitesperlites szvet s nem ts durva szemcss szvet mechanikai tulajdonsgai kztt. A kt szvet kzs jellegzetessge, hogy cskkentik a szvssgot s a nylst [85, 92].

35

2.9 bra Az ausztemperlsi hmrsklet hatsa a mechanikai tulajdonsgokra

klnbz ausztenitestsi hmrsklet esetben [92]

A 2.9 bra az ausztemperlsi hmrsklet hatsa mellett az ausztenitestsi hmrsklet mechanikai tulajdonsgokra gyakorolt hatst is mutatja.

Az als bainites tartomnyban az ausztenitestsi hmrskletnek nincs jelents hatsa a szilrdsgi s szvssg tulajdonsgokra [82, 83, 85, 92].

36

A fels bainites rgiban az ausztenitestsi hmrsklet szintn nem okoz jelents klnbsget a szaktszilrdsg, az egyezmnyes folyshatr s a kemnysg rtkeiben, viszont hatsa a szvssgra s nylsra jelents, klnsen, ha a rkvetkez ausztemperlsi hmrsklet 400C fltt van. Az alacsonyabb nylsi s szvssgi rtkek 1000C-os ausztenitestsi hmrskleten jelennek meg. Az ausztenit nvekv karbontartalma meghatrozza az ausztemperls sorn kialakul szvetszerkezetet, s a legjelentsebb tnyez a szvssg cskkentsben [92].

Az ADI szilrdsgi s szvssgi tulajdonsgaira teht mind az ausztenitestsi, mind az ausztemperlsi hmrsklet jelents hatssal van. Ennek megfelelen a legtbb tvzetlen s gyengn tvztt gmbgrafitos ntttvas ausztenitestsi hmrsklete 850-900C kztt van, amelynl az ausztenit nagyobb karbontartalmbl add kedveztlen hatsok nem jelennek meg. Az ausztemperlsi hmrsklet kb. 420C al cskkentse a szilrdsgi s szvssgi tulajdonsgok kedvez kombincijhoz vezet [82, 83, 85, 92].

A 2.10 bra a 300, 350, 400C-os ausztemperlsi hmrsklet hntartsok hatst mutatja be a mechanikai tulajdonsgokra. Az bra fels rsze a szaktszilrdsgot (Rm), a nylst (A5) s a kemnysget (HB) mutatja rszleges izoterms talakuls s szobahmrskletre hts utn, az bra als rsze pedig a maradk ausztenit mennyisgt brzolja [92, 99].

Rvid hntartsi id utn a fmes szvet bainites ferritbl, martenzitbl s maradk ausztenitbl ll. Az talakulsi hmrskletrl trtn hts utn a martenzit karbonban kevsb dsult ausztenitbl keletkezik. A martenzit megnveli az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas trsi hajlamt. A szaktszilrdsg, a folyshatr, a nyls s a maradk ausztenit mennyisge n az izoterms talakuls kezdeti szakaszban, de a kemnysg cskken.

A hntartsi id nvelsvel a bainites ferrit mennyisge n s a martenzit mennyisge cskken, gy cskken a gmbgrafitos ntttvas trsi hajlama. Az ADI optimlis mechanikai tulajdonsgait a maximlis maradk ausztenit tartalomnl kapjuk meg. Ez a bainites ferritausztenit szvetszerkezet kis mennyisgben martenzitet is tartalmazhat az talakulsi hmrsklet s a szvet sszetteli inhomogenitsa miatt [82, 83, 85, 92]. Amikor az ausztenit karbontartalma elri a maximumot, az talakulsi hmrskletrl trtn lehts utn gyakorlatilag az sszes karbon a maradk ausztenitben lesz jelen, nem keletkezik martenzit. Mind a szaktszilrdsg, mind a nyls elri a maximlis rtket, 2.10 bra [92]. A hntartsi id tovbbi nvelse a nyls rtkeinek cskkenst okozza, de nem okoz jelents cskkenst a szilrdsgi tulajdonsgokban. A nyls cskkense a maradk ausztenit mennyisgnek cskkense miatt kvetkezik be, amelyet ferrit+karbidbl ll szvetszerkezet vlt fel. A legjellegzetesebb vltozs 400C-on tapasztalhat, 2.10 bra [92].

37

2.10 bra

Az ausztemperls hntartsi idejnek hatsa a mechanikai tulajdonsgokra [92]

Az adott hmrskleten az ntvny mechanikai tulajdonsgainak legkedvezbb kombincijhoz (a bemutatott pldban a maximlis nylshoz tartoz szilrdsgi tulajdonsgokat) tartoz hntartsi idt gyrtsi ksrletekkel kell meghatrozni. Klnsen igaz ez magasabb talakulsi hmrskleteknl (kb. 400C felett) a mechanikai tulajdonsgokat a hntarts idtartama jelentsen befolysolja, azaz az optimlis mechanikai tulajdonsgok tartomnya szkebb [5, 7, 82, 83, 85, 92, 95, 97, 98, 99, 107109]. Az tvzelemek a szvetszerkezet vltozsn keresztl fejtik ki hatsukat az ADI mechanikai tulajdonsgaira. Ha nagyobb szvssg gmbgrafitos ntttvasat akarunk elrni, akkor alkalmas tvzelem a rz vagy a

38

nikkel. A molibdn- vagy mangntartalom nvelsvel nvelhet az tedzhetsg, ugyanakkor az sszetteli s szerkezeti inhomogenits nvekedsvel cskken az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas szvssga. 2.9.2 Kopsllsg A koptat ignybevtelnek leginkbb ellenll anyagokat rendszerint nagy kemnysg jellemzi. ltalban a kops mrtke jelentsen cskken a kemnysg nvekedsvel. Vannak kivtelek is (pl. ausztenites Hadfield acl), amelyeknek kemnysge nem tl nagy, de bizonyos krlmnyek kztt kivl kopsi tulajdonsgokkal rendelkeznek, amelyek lnyegesen meghaladjk a nagyobb kemnysg tvzetek kopsllsgt [7, 110]. Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasnl a koptat ignybevtel jellege s a szvetben tallhat maradk ausztenit mennyisge kztt jl definilhat, gyakorlati ismereteken alapul sszefggs van. Ha a koptats sorn az abrazv jelleg hats dominl, akkor a nagyobb kemnysg s szilrdsg anyagminsg, ha a dinamikus hats a meghatroz, akkor a viszonylag nagyobb szvssg, kisebb kemnysg, nagy mennyisg ausztenitet tartalmaz ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas alkalmazsa a clszerbb [110]. Az ADI abrazv kopsllsga jval meghaladja az alap ntttvast s sszemrhet azokkal az aclokkal, amelyeknek ktszeres a kemnysge [110]. A koptats sorn a felleten a maradk ausztenit martenzitt alakul t. Ilyenkor az ntvny felleti kemnysge megn, s ezltal a kopsllsga is. Mivel a martenzites talakuls csak a felleten megy vgbe, ezrt a szvsgi tulajdonsgok nem vltoznak. gy az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas kedvez kopsi tulajdonsga nagy szilrdsggal s szvssggal prosul [7, 92, 110, 111]. 2.9.3 Dinamikus tulajdonsgok, frasztsi vizsglat

Az ADI trsi szilrdsgra vonatkoz adatok hinya kt okra vezethet vissza. Az egyik, hogy viszonylag j anyag, s elssorban a hagyomnyosabb s knnyebben mrhet szilrdsgi tulajdonsgok adatbzist hoztk ltre. Msodszor a gmbgrafitos ntttvas kifradsi szilrdsgt nagy szrds jellemzi, illetve sok vltoz fggvnye. Rviden azokat a vltozkat tekintem t, amelyek hatssal vannak a kifradsi hatrra [105, 106, 112].

Grafit alakja: a gmbgrafitos ntttvasban a repeds a gmbgrafit s a fmes szvet hatrfelletrl indul. ebbl addan a gmbstsi tnyez fontos szerepet jtszik a gmbgrafitos ntttvas kifradsban. A kifradsi hatr cskken, ha a grafit gmbstsi tnyezje cskken.

Grafit mrete: a kifradsi hatr a gmbgrafit mret nvekedsvel cskken, klnsen, ha a fmes szvet kemnysge nagy. Ugyanolyan kemnysg fmes alapszvetnl teht a kisebb tmrj gmbgrafithoz nagyobb kifradsi hatr tartozik.

Nemfmes zrvny: a nemfmes zrvnyok is cskkentik a kifradsi hatrt, klnsen a nagy kemnysg fmes szvetben. Annak ellenre, hogy a

39

nemfmes zrvnyok mrete a gmbgrafithoz kpest sokkal kisebb, a hatsuk sokkal drasztikusabb.

A fmes mtrix kemnysge: hasonlan a tbbi mechanikai tulajdonsghoz a gmbgrafitos ntttvas szvete is hatssal van a kifradsi hatrra. A fmes alapszvet szerepe, hogy kslelteti a repedskpzdst. A kifradsi hatr nvekszik a mtrix kemnysgnek nvekedsvel. Ha a szvet kemnysge egy bizonyos rtket elr nincs tovbbi lettartam nvekeds. Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas viselkedst ciklikus terhelsi krlmnyek kztt tanulmnyozzk. A fradsi jellemzket sk s bemetszett prbatesten, csavar-hajtogat terhels kzben vizsgljk. A fradsos trssel szembeni legjobb ellenllsa a nagy maradk ausztenit tartalm bainites szvetnek van. Ennek a viselkedsnek az a magyarzata, hogy a gmbgrafitos ntttvas szaktszilrdgnak s kemnysgnek nvekedst nem arnyosan kveti a trsi szilrdsg nvekedse. Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas sk prbn kapott kifradsi hatra 40%-kal nagyobb, mint a perlites gmbgrafitos ntttvas. Bemetszett prbatesten pedig az ausztemperlt szvet kifradsi hatra hromszor nagyobb volt. Hasonl eredmnyeket adtak a gmbgrafitos ntttvas fogaskerk trsi vizsglatai. Napjainkban risi figyelmet szentelnek az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas alkalmazsra a fogaskerkgyrtsban [92, 113, 114]. Az ADI ntvnyek kifradsi hatrrt oly mdon nvelik, hogy a felleti bainites rteget srtszrssal kemnytik. A kemnytett felletnl fontos szerepet jtszik a bainites szerkezetben a maradk ausztenit. A hidegen (srtszrssal vagy ezt kvet terhelssel) alaktott maradk ausztenitbl feszltsg induklta martenzit keletkezik [92, 115]. 2.9.4 Megmunklhatsg Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvas megmunklsa ktflekppen trtnhet az ausztemperlsi hmrsklettl fggen. Magasabb hmrskleten (350-400C) az ausztemperlt ntvnyeket a hkezels utn munkljk meg. Ezeknek az ntvnyeknek a mrete nem vltozik, gy az alkatrsz a megmunkls utn zembe helyezhet. Az alacsonyabb hmrskleten trtn hkezels esetn az ADI nagy kemnysge miatt nehezen munklhat meg, ezrt ezeket az ntvnyeket az ausztemperls eltt ferritest hkezelsnek vetik al (amely ferritbl s grafitbl ll szvetet eredmnyez), s ezutn munkljk meg [12, 16, 85]. 2.10 AZ AUSZTEMPERLT GMBGRAFITOS NTTTVAS ALKAL-

MAZSI TERLETE A hkezelsi paramterek megfelel megvlasztsval az ADI termkek tulajdonsgai szles krben vltoztathatak, ezltal felhasznlhatsguk gyakorlatilag korltlan. Termszetesen lnyeges krds az is, hogy mekkora az adott termkhez tartoz kltsgvonzat. Az ADI alkatrszek megtallhatak a szemly- s tehergpkocsikban, mezgazdasgi s ipari gpekben, vasti

40

szerelvnyekben s hadiipari alkalmazsoknl egyarnt. Alkalmazsi elnyeik jrmipari alkatrszknt az aclhoz viszonytva a kisebb srsg, nagy szilrdsg s csillaptsi kapacits, valamint a kisebb gyrtsi kltsg. Tipikus felhasznlsi terletei: felfggesztsek alkatrszei, btykstengely, meghajt- vezrm- s tnyrosfogaskerekek, kapcsolszerkezetek, motorfelfggeszts, differencil s hajtmhzak, kerkagyak [7, 14]. A mezgazdasgi s fldmunkagpeknl az ADI alkatrszek (pldul fldmunkagpek vglei, aprtlaptok, tgyaluk, bontkalapcsok, lgprsszerszmok, mtrgyaszr alkatrszek) klnleges elnye az tsllsggal kombinlt kopsllsg.

Szmos olyan ipari alkalmazsi terlet van, ahol a kopsllsg s nagy dinamikus terhelhetsg szksges, pldul konvejorok, szivattyk, sajtk alkatrszei, koplemezek s gpfoglalatok.

Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasat leggyakrabban a fogaskerk gyrtsban alkalmazzk, s ebben a trgyban napjainkban is szmos publikci szletik [116, 117]. Az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasbl kszlt fogaskerekeknek a kvetkez elnyei vannak: a gyrtsor termelkenysgnek nvekedse, krlbell 10%-os slycskkens, kisebb mkdsi zaj, rvidebb a bejratsi id, fokozza a bergdssal szembeni ellenll kpessget. A 70-es vek elejn kezdtk a klnfle fogaskerekeket kovcsolt acl helyett ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasbl gyrtani. szak-Amerikban az ADI alkalmazsnak legnagyobb ttrse 1977-ben volt, amikor a General Motors a kovcsolt s kregedzett acl fogaskerekeket, ausztemperlt gmbgrafitos ntttvassal vltotta ki. Az ipari bevezets eltt kilenc vig tartott a fejleszts s hat vig zajlottak az zemi ksrletek. 1983-ban Gummins Engine Co. kezdte el az ausztemperlt gmbgrafitos ntttvasbl kszlt vezrm tengely gyrtst dzelmotorokhoz. A vezrm tengely kimunklsa lgytott gmbgrafitos ntvnybl trtnt, s ezutn kvetkezett az ausztemperls. Az ausztemperls utnra csak a bels tmr kialaktsa s a srtszrs munkafolyamata maradt. Az ves termels meghaladta az vi 30000 darabot s a kltsgmegtakarts elrte a 30%-ot. sszessgben elmondhat, hogy az ausztemperls jelents rtknvel tnyez, amely mind a gmbgrafitos ntttvasat gyrt ntdnek, mind a felhasznlnak nagyobb profitot eredmnyez [7, 14, 118].

41

3. FMTANI VIZSGLATOK A vastvzetek fzistalakulsaira vonatkoz ismeretek mind a mai napig folyamatosan bvlnek. A kutatsi mdszerekben az elmleti megfontolsok mellett jelents szerepet kapnak a ksrletek, azaz a fmtani vizsglatok is. Az anyag illetve az anyagban lejtszd folyamatok tanulmnyozsra ma mr a fizika megannyi elvt felhasznljk, illetve szmos fizikai tulajdonsg vizsglatra kiterjed. A fzisban vagy fzisokban vgbemen minden vltozs azok tulajdonsgainak, s ezen keresztl anyag tulajdonsgainak vltozsval jr. Ilyen pldul a fajtrfogat, a villamos ellenlls, a mgneses s termikus tulajdonsgok. Ebben a fejezetben a kutatmunkm alapjait kpez dilatomteres s rntgendiffrakcis vizsglatokat foglalom ssze. 3.1 TGULSMRS (DILATOMETRIA) A tgulsmrs (dilatometria) rgta kedvelt s szles krben alkalmazott vizsglati mdszere az anyagtudomnynak. A mdszer fejlesztse s sokirny alkalmazsa hossz idre nylik vissza a Miskolci Egyetem (Nehzipari Mszaki Egyetem) Metallogrfiai, illetve a Fmtani Tanszken is [119123]. 3.1.1 A mrs elve Egyfzis anyagok trfogata melegtskor a h okozta tguls kvetkeztben n. A htguls annak kvetkeztben lp fel, hogy a hmrsklet nvekedse kvetkeztben az atomok energija n s eltvolodnak egymstl (tvolsguk idbeli tlaga n). Ez kristlyos anyagoknl a rcsparamter nvekedst jelenti. Az lo hosszsg, T0 hmrsklet anyag T hmrskletvltozsakor ltrejv vonalmenti l mretvltozst a lineris htgulsi egytthat fejezi ki. A gyakorlatban a lineris htgulsi egytthat ltalban nhny szz fokos hmrsklettartomnyban llandnak tekinthet. A hosszvltozs hmrsklet fggst folytonos fggvnynek tekintve T0 esetben megkapjuk a T0 hmrsklethez tartoz lineris htgulsi egytthatt (3.1 egyenlet).

0TToo0T dT

dll1

Tl

l1lim

=

== (3.1)

A fmek allotrp talakulsa is trfogatvltozssal jr. Szobahmrsklettl az olvadspontig a fmek lineris mretei megkzeltleg 2%-kal nnek. A sznvas allotrp talakulsa klnsen jelents trfogatvltozs ksri (kb. 1,5%). Mindezek alapjn rthet, hogy a leggyakrabban hasznlt mdszer a vastvzetek fzistalakulsainak vizsglatra a dilatometria (tgulsmrs). A mrs alapja, hogy az ausztenit talakulsakor a kpzd talakulsi termkek fajtrfogata nagyobb az ausztenitnl, s az talakult hnyad mennyisge arnyos

42

a fajtrfogat vltozsval, az pedig kzel arnyos a hosszvltozssal, amit dilatomter segtsgvel kzvetlenl lehet mrni.

A dilatomteres vizsglat elnye, hogy adott krlmnyek kztt egyetlen darabbal felvehet az egsz folyamatot ler folyamatos grbe, htrnya viszont, hogy kzvetlenl nem rulja el magt a folyamatot. Ezrt a dilatomteres vizsglatot is mindig kiegsztik az talakult szerkezet vizsglatval.

Gyakorlati krlmnyek kztt az talakulsi folyamatok dnt tbbsgben folyamatos hts vagy hevts kzben mennek vgbe, a jellegk tanulmnyozsra illetve megismersre az izoterms krlmnyek alkalmasabbak. Az ausztenit izoterms talakulsnak vizsglati lnyege, hogy a prbadarabot a lehet leggyorsabban kell az ausztenitests hmrskletrl az talakulsi hmrskletre hteni. Ehhez mindig kismret mintk kellenek, s az talakuls hmrskletre belltott olyan kzeg, amely gyorsan elvonja a ht. Ez ktfle mdon lehetsges: vagy lland hmrsklet fmfrd alkalmazsval, vagy olyan berendezsben, amelyben a hkezelsi ciklust programszablyzssal oldjk meg [120123].

A tgulsmrs sorn a prbadarab hosszvltozst mrjk, amely kzel arnyos a trfogatvltozssal. A relatv trfogatvltozs (

0VV) adott hmrskleten

felrhat, mint az aktulis trfogat (V) valamint a kiindul trfogat (V0) klnbsge a kiindulsi trfogatra vonatkoztatva; (3.2) egyenlet:

0

0

0 VVV

VV

= (3.2)

A relatv hosszvltozs a relatv trfogatvltozsbl a (3.3) egyenlettel szmolhat

00 VV

31

ll

= (3.3)

A klnbz szakirodalmak (3.3) egyenletet adjk meg a relatv trfogatvltozsbl szmtott relatv hosszvltozsra [124131]. Ez az egyenlet egy nagyon j kzelt megoldst ad. A pontos megoldst viszont a (3.4) egyenlet adja [132134].

11VV

ll

3

00

+= (3.4)

A (3.4) egyenletet sorba fejtsvel a (3.5) egyenlethez jutunk, amelynek a msod s magasabb rend tagjait elhanyagolva visszakapjuk a (3.3) egyenletet.

0

5

0

4

0

3

0

2

000 VV

31..

VV

72922

VV

24310

VV

815

VV

91

VV

31

ll

+

+

= (3.5)

A 10%-nl kisebb relatv trfogatvltozs esetn (3.3) s (3.4) egyenlettel szmolt relatv hosszvltozsok kztti relatv hiba kisebb, mint 3,27%. A

43

gyakorlatban viszont 2%-nl kisebb relatv trfogatvltozsok fordulnak el, ahol ez a relatv hiba mg kisebb (0,67%). A gyakorlatban clszerbb teht az egyszerbb (3.3) egyenlettel szmolni [132134], vagyis elfogadjuk, hogy a relatv hosszvltozs arnyos a relatv trfogatvltozssal. 3.1.2 A dilatomteres vizsglat gyakorlati megvalstsa

A fmek h okozta tgulsmrsnl a 5-50 mm hossz hengeres prbt a prbatartval egytt hevtik s a relatv elmozdulst mrik. A mrsi hiba cskkentse rdekben clszer minl kisebb tgulsi egytthatj anyagot hasznlni prbatartknt. Erre a clra legltalnosabban hasznlt anyag a kvarc. Ennek tgulsi egytthatja kb. 510-7 1/K, vagyis kzeltleg 20-szor kisebb, mint ltalban a fmek. Hasznlata kb. 1150C-ig lehetsges, mert ennl nagyobb hmrskleten tkristlyosodik. Ezrt ilyen mrseknl korundbl kszlt prbatartt hasznlnak, mg nagyobb hmrskleten pedig grafitot. Az alapvet dilatomteres mrstechnikai mdszerek kzl ma mr korszertlennek tekinthetk azok a mdszerek, amelyek a vizsgland prbadarab mretvltozsnak nyomon kvetst mechanikai, vagy optikai elven oldjk meg. Napjainkban a prbadarab mretvltozst csaknem minden esetben induktv tjeladval kvetik nyomon. Ilyen tpus dilatomternl a prbadarab hosszvltozsa kt tekercsben kzpontosan lv vasmag elmozdulst okozza, s az i