Kappaleen paksuuden vaikutus syntyvään mikrorakenteeseen hiiletyskarkaistussa kappaleessa

Abstract

Teräksen mekaanisiin ominaisuuksiin, kuten kovuuteen, vaikuttaa sen mikrorakenne, joita ovat austeniitti, martensiitti, bainiitti, perliitti sekä ferriitti. Muodostuvaan mikrorakenteeseen vaikuttaa teräksen kemiallinen koostumus sekä sen jäähdytysnopeus austenoinitilämpötilasta takaisin huoneenlämpötilaan. Korkein kovuus on martensiittisella mikrorakenteella ja sen muodostumiseen vaikuttaa rakenteessa olevan hiilen määrä sekä jäähtymisnopeus. Korkeampi hiilipitoisuus ja nopeampi jäähtymisnopeus muodostavat enemmän martensiittia. Hiiletyskarkaisu on lämpökäsittelymenetelmä, jossa kappaleen hiilipitoisuutta voidaan kasvattaa austenointilämpötilassa, sillä austeniittinen mikrorakenne liuoittaa itseensä enemmän hiiltä kuin ferriittinen mikrorakenne, jota esiintyy huoneenlämpötilassa. Hiiletyksen jälkeen kappale karkaistaan ja päästetään lopullisen mikrorakenteen saavuttamiseksi.

Tässä työssä perehdytään hiiletysteräkseen 16MnCr5. Sen standardinmukaisella koostumuksessa hiilipitoisuus on 0,14–0,19 %, jolloin sen maksimikovuus on 423 HV. Kun terästä hiiletyskarkaistaan, sen hiilipitoisuus nousee, jolloin myös sen mikrorakenteeseen saadaan enemmän martensiittia ja sen kovuus kasvaa. Teräksestä valmistettiin koepala, joka hiiletyskarkaistiin ja josta leikattiin viisi eri seinämäpaksuista näytettä. Näytteistä mitattiin kovuusprofiilit sekä kuvattiin mikrorakenneprofiilit. Hiiletyskarkaisuprosessin perusteella simuloitiin JMatPro ohjelmistolla hiilen konsentraatiota rakenteessa kullakin syvyydellä. Hiilen määrän ollessa tiedossa simuloitiin kullakin syvyydellä jatkuvan jäähtymisen faasimuutospiirrokset, joiden perusteella analysoitiin syntyvää mikrorakennetta.

Mitatusta kovuusprofiilista huomataan, että näytteiden kovuusprofiilit korreloivat keskenään melko hyvin, ohuimman näytteen kovuudet olivat kuitenkin selkeästi muita näytteitä korkeampia suuremmilla syvyyksillä ja paksuimman näytteen kovuudet alkoivat laskemaan selkeästi muita näytteitä aikaisemmin. JMatPro:lla simuloiduista jatkuvan jäähtymisen käyristä ja niistä saaduista mikrorakennekoostumuksista nähdään, että muodostuvan martensiitin määrä riippuu sekä näytteen paksuudesta sekä syvyydestä. Jatkuvan jäähtymisen faasimuutospiirroksen mukaan martensiitin jälkeen näytteisiin alkoi muodostumaan bainiittista rakennetta, sekä pienemmillä syvyyksillä perliittiä ja suuremmilla syvyyksillä ferriittiä. Martensiitin määrä syvyydellä 0,1 mm ohuimmassa näytteessä on 97 % martensiittia, kun taas syvyydellä 3,0 mm siinä on enää 46 % martensiittia. Paksuimmassa näytteessä puolestaan syvyydellä 0,1 mm on 87 % martensiittia ja syvyydellä 3,0 mm martensiittia ei ole lainkaan.

Martensiitin määrä on siis suurimmillaan ohuimmassa näytteessä sekä lähimpänä kappaleen pintaa. Hiilen määrän rakenteessa vaikuttaa millä syvyydellä kappaleessa ollaan ja jäähtymisnopeus on verrannollinen kappaleen paksuuden kanssa, paksumpi kappale jäähtyy hitaammin. Martensiitin syntyyn vaikuttavat täten sekä jäähtymisnopeus että hiilen määrä rakenteessa. Jatkuvan jäähtymisen faasimuutospiirroksesta, että syvimmällä syvyydellä 3,0 mm, jolloin kappaleen hiilipitoisuus on alhaisin, täysin martensiittiseen rakenteeseen ei enää päästä millään jäähtymisnopeudella. Toisaalta huomataan myös, että lähimpänä pintaa syvyydellä 0,1 mm, jolloin hiilipitoisuus oli suurin ohuin näyte ei myöskään saavuttanut täysin 100 % martensiittista rakennetta, vaikka jatkuvan jäähtymisen faasimuutospiirroksen mukaan se olisi teoriassa mahdollista.