Hiiletyskarkaisun vaikutus hammaspyörien mikrorakenteeseen
Törmä, Emma (2024)
Törmä, Emma
2024
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering and Natural Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-05-16
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294781
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202404294781
Tiivistelmä
Hammaspyörät ovat laajalti käytössä olevia voimansiirtokomponentteja, joihin kohdistuu erilaisia muun muassa kulutusta aiheuttavia voimia. Tästä johtuen hammaspyöriä voidaan vahvistaa hiiletyskarkaisulla, jonka tarkoituksena on saada hammaspyörän pinnasta kova ja kulutusta kestävä, ytimen jäädessä sitkeäksi. Hiiletyskarkaisussa tapahtuu muutoksia materiaalin mikrorakenteessa ja sitä kautta myös mekaanisissa ominaisuuksissa. Tämä työ on kirjallisuuskatsaus hiiletyskarkaisun vaikutuksista hammaspyörien mikrorakenteeseen. Tarkoituksena on selvittää, miten hiiletyskarkaisu vaikuttaa hammaspyörien mikrorakenteeseen ja millaisia materiaaleja hiiletyskarkaistavissa hammaspyörissä käytetään.
Työssä selvitetään aluksi teräksessä olevia erilaisia mikrorakenteita sekä niiden ominaisuuksia. Tärkeimmäksi mikrorakenteeksi osoittautuu martensiitti, joka on hyvin kovaa, mutta myös haurasta. Hiiletyskarkaisuprosessissa pyritään martensiittiseen mikrorakenteeseen, sillä kappaleen kovuus riippuu martensiitin määrästä. Martensiitin lisäksi myös jäännösausteniitilla on vaikutusta muodostuviin ominaisuuksiin.
Hiiletyskarkaisuprosessi jaetaan kolmeen vaiheeseen: hiiletykseen, sammutukseen ja päästöön. Hiiletyksessä tarkoituksena on tuoda kappaleen pintaan lisää hiiltä hyödyntäen hiiltä luovuttavaa väliainetta. Vaihe tehdään austeniittialueella, jolloin hammaspyörän mikrorakenne saadaan muuttumaan austeniittiseksi. Tässä työssä tutustutaan kaasuhiiletykseen, jossa väliaineena toimii kaasuseos. Sammutuksessa austeniittialueelle kuumennettu hammaspyörä jäähdytetään nopeasti kastamalla esimerkiksi veteen tai öljyyn. Vaiheessa austeniittinen mikrorakenne saadaan muutettua martensiittiseksi, jolloin hammaspyörästä tulee kova ja hauras. Lopuksi päästössä kappaletta hehkutetaan matalassa lämpötilassa martensiitin sitkeysominaisuuksien palauttamiseksi.
Hiiletyskarkaistavissa hammaspyörissä käytetään usein hiiletysteräksiä, joiden hiilipitoisuus on alle 0,2 %. Lisäksi niitä voidaan seostaa esimerkiksi nikkelillä, kromilla, molybdeenillä ja mangaanilla. Tässä työssä tutustutaan neljään eri hiiletysteräkseen, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5, 16MnCr5 ja 20NiCrMo2-2, joiden mikrorakennetta tutkitaan ennen ja jälkeen hiiletyskarkaisun. Näistä 18CrNiMo7-6-, 16MnCr5- ja 20NiCrMo2-2-terästen mikrorakenne ennen hiiletyskarkaisua koostuu ferriitistä sekä perliitistä ja 20MnCr5-teräksen hienolamellisesta perliitistä.
Hiiletyskarkaisun jälkeen materiaalien pinnan mikrorakenne koostuu pääasiassa martensiitista sekä jäännösausteniitista. Näiden lisäksi rakenteista löytyy myös karbideja tai rautaoksideja. Ytimen mikrorakenne puolestaan sisältää martensiittia ja mahdollisesti bainiittia. Sekä pinnan että ytimen martensiitin olisi hyvä olla raekooltaan mahdollisimman hienoa, koska silloin kappaleelle saadaan paremmat lujuus- ja sitkeysominaisuudet. Sopivissa määrin sitkeä jäännösausteniitti tasaisesti jakautuneena parantaa väsymisominaisuuksia, kun taas liian suuri määrä vaikuttaa heikentävästi moniin mekaanisiin ominaisuuksiin. Lisäksi karbidit voivat joko parantaa tai heikentää kappaleen ominaisuuksia: pyöreät ja tasaisesti jakautuneet karbidit lisäävät kulutuskestävyyttä ja isot sekä karkeat raerajakarbidit heikentävät muun muassa sitkeyttä.
Työssä selvitetään aluksi teräksessä olevia erilaisia mikrorakenteita sekä niiden ominaisuuksia. Tärkeimmäksi mikrorakenteeksi osoittautuu martensiitti, joka on hyvin kovaa, mutta myös haurasta. Hiiletyskarkaisuprosessissa pyritään martensiittiseen mikrorakenteeseen, sillä kappaleen kovuus riippuu martensiitin määrästä. Martensiitin lisäksi myös jäännösausteniitilla on vaikutusta muodostuviin ominaisuuksiin.
Hiiletyskarkaisuprosessi jaetaan kolmeen vaiheeseen: hiiletykseen, sammutukseen ja päästöön. Hiiletyksessä tarkoituksena on tuoda kappaleen pintaan lisää hiiltä hyödyntäen hiiltä luovuttavaa väliainetta. Vaihe tehdään austeniittialueella, jolloin hammaspyörän mikrorakenne saadaan muuttumaan austeniittiseksi. Tässä työssä tutustutaan kaasuhiiletykseen, jossa väliaineena toimii kaasuseos. Sammutuksessa austeniittialueelle kuumennettu hammaspyörä jäähdytetään nopeasti kastamalla esimerkiksi veteen tai öljyyn. Vaiheessa austeniittinen mikrorakenne saadaan muutettua martensiittiseksi, jolloin hammaspyörästä tulee kova ja hauras. Lopuksi päästössä kappaletta hehkutetaan matalassa lämpötilassa martensiitin sitkeysominaisuuksien palauttamiseksi.
Hiiletyskarkaistavissa hammaspyörissä käytetään usein hiiletysteräksiä, joiden hiilipitoisuus on alle 0,2 %. Lisäksi niitä voidaan seostaa esimerkiksi nikkelillä, kromilla, molybdeenillä ja mangaanilla. Tässä työssä tutustutaan neljään eri hiiletysteräkseen, 18CrNiMo7-6, 20MnCr5, 16MnCr5 ja 20NiCrMo2-2, joiden mikrorakennetta tutkitaan ennen ja jälkeen hiiletyskarkaisun. Näistä 18CrNiMo7-6-, 16MnCr5- ja 20NiCrMo2-2-terästen mikrorakenne ennen hiiletyskarkaisua koostuu ferriitistä sekä perliitistä ja 20MnCr5-teräksen hienolamellisesta perliitistä.
Hiiletyskarkaisun jälkeen materiaalien pinnan mikrorakenne koostuu pääasiassa martensiitista sekä jäännösausteniitista. Näiden lisäksi rakenteista löytyy myös karbideja tai rautaoksideja. Ytimen mikrorakenne puolestaan sisältää martensiittia ja mahdollisesti bainiittia. Sekä pinnan että ytimen martensiitin olisi hyvä olla raekooltaan mahdollisimman hienoa, koska silloin kappaleelle saadaan paremmat lujuus- ja sitkeysominaisuudet. Sopivissa määrin sitkeä jäännösausteniitti tasaisesti jakautuneena parantaa väsymisominaisuuksia, kun taas liian suuri määrä vaikuttaa heikentävästi moniin mekaanisiin ominaisuuksiin. Lisäksi karbidit voivat joko parantaa tai heikentää kappaleen ominaisuuksia: pyöreät ja tasaisesti jakautuneet karbidit lisäävät kulutuskestävyyttä ja isot sekä karkeat raerajakarbidit heikentävät muun muassa sitkeyttä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8798]