Rakenneteräkset
Sisällysluettelo
Rakenne seosteräkset ovat teräksiä, jotka on tarkoitettu koneiden ja laitteiden komponentteihin, jotka toimivat rakenteiden mekaniikalle tyypillisissä olosuhteissa, eli lämpötiloissa, jotka vaihtelevat noin –40 °C:sta 300 °C:seen, ja ympäristöissä, jotka eivät ole erityisen kemiallisesti aggressiivisia. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kun mekaaniset kuormitukset ovat hallitsevia ja ympäristö ei vaadi korroosionkestävyyttä tai lämmönkestävyyttä, perusvalintakriteerinä on mekaanisten ominaisuuksien joukko eikä ”erityisominaisuudet”.
Useimmin vaadittu parametri ei ole itse ”vetolujuus”, vaan korkea myötöraja, koska se määrää, alkaako komponentti muuttua pysyvästi työkuormituksen alaisena. Samalla rakenneosat toimivat harvoin täysin staattisissa olosuhteissa, ja todellisuudessa esiintyy vaihtelevia kuormituksia, iskuja ja tärinää, minkä vuoksi väsymislujuus ja hauraan murtumisen kestävyys ovat erittäin tärkeitä. Tässä yhteydessä tärkeä käsite on sitkeän ja hauraan vaiheen siirtymälämpötila (Tpk), koska alhaisissa lämpötiloissa teräs voi käyttäytyä paljon hauraammin, jolloin jopa paikalliset jännityskeskittymät (esim. lovet, poikkileikkauksen muutokset, pinnan viat) muuttuvat vaarallisiksi. Jos komponentti toimii kitkan ja liukukosketuksen tai vierintäkosketuksen alaisena, se vaatii korkeaa kovuutta ja kulutuskestävyyttä, mikä yleensä saavutetaan tuottamalla kova pintakerros ja säilyttämällä sitkeä ydin.
Tässä voimme nähdä, miksi seosteräkset valitaan niin usein hiiliterästen sijaan. Hiiliteräs voi saavuttaa korkean kovuuden karkaisun jälkeen, mutta sen suurin rajoitus on heikko karkaisukyky, mikä tarkoittaa, että suuremmilla poikkileikkauksilla (materiaalin raja on noin 25 mm) ei voida saavuttaa tasalaatuista karkaisutilaa koko poikkileikkauksessa. Tämän seurauksena komponentilla on jälkikarkaisun jälkeen erilaiset ominaisuudet pinnalla ja ytimessä, mikä on erityisen haitallista dynaamisesti kuormitetuissa rakenteissa. Seosteräs mahdollistaa lisäaineiden ansiosta materiaalin ”ennustettavamman” ja tasaisemman reaktion koko komponentin poikkileikkauksessa.
Miksi seostaminen toimii
Rakenneteräksissä seostaminen on keino, joka muuttaa ensisijaisesti austeniitin muutoksia kineettisesti ja vaikuttaa siten jäähdytyksen seurauksena muodostuvaan rakenteeseen. Tärkein käytännön vaikutus on karkaistavuuden kasvu, eli teräksen kyky muodostaa kovettuvia rakenteita (martensiittisia tai bainiittisia) paitsi pinnalla myös syvällä materiaalissa. Käytännössä tällä on kaksi keskeistä vaikutusta. Ensinnäkin se mahdollistaa suurempien komponenttien karkaisun lievemmässä jäähdytysaineessa (esim. öljyssä veden sijaan), mikä vähentää halkeamien riskiä ja rajoittaa muodonmuutoksia. Toiseksi se mahdollistaa läpikarkaisun ja sitä seuraavan karkaisun, eli ytimen ja pinnan ominaisuuksien yhdenmukaisuuden koko poikkileikkauksessa.
Toinen tärkeä mekanismi on lisäaineiden vaikutus rakenteellisten komponenttien fragmentaatioon ja teräksen käyttäytymiseen karkaisun aikana. Alijäähtyneen austeniitin muuntumisen jälkeen hienompi rakenne tarkoittaa yleensä suurempaa lujuutta ja parempaa murtumiskestävyyttä. Samalla monet seosaineet saavat teräksen säilyttämään hyödylliset ominaisuutensa karkaisun aikana sen sijaan, että ne heikkenisivät helposti, koska pehmenemisprosessit viivästyvät tai vaativat korkeampaa lämpötilaa. Tämä on tärkeää, koska koneiden suunnittelussa ei ole kyse maksimaalisesta kovuudesta, vaan kestävistä kompromisseista: korkea myötölujuus + iskulujuus + ominaisuuksien vakaus.
Tästä syystä seosteräkset toimivat hyvin usein lämpökäsitellyssä tilassa. Pelkästään kemiallinen koostumus harvoin riittää. Jotta teräs toimisi erittäin luotettavana rakenneaineena, käytännössä suunnitellaan koko paketti: teräksen valinta + prosessin valinta (normalisointi, lämpökäsittely, hiiletyminen, nitraus, pintakovetus) + jäähdytys- ja karkaisuparametrien valinta. Vasta sitten seostaminen muuttuu todelliseksi ”rakenteen hallinnaksi” eikä pelkästään elementtien lisäämiseksi kemialliseen analyysiin.
Vähäseosteiset teräkset, joiden lujuus on parannettu
Vahvistetut matalaseosteiset teräkset, joita käytetään usein normalisoidussa tilassa, ovat tärkeässä asemassa rakenneteräksissä. Niiden erityispiirre on se, että niiden on yhdistettävä korotettu myötölujuus (materiaalin myötölujuus on noin 300–460 MPa) ja käytännöllinen hitsattavuus. Hitsattavuuden säilyttämiseksi hiilipitoisuus on rajoitettu – materiaalin hiilipitoisuus ei saa ylittää noin 0,22 %:a. Tämä on erittäin tärkeää: tässä ryhmässä tavoitteena ei ole parantaa ominaisuuksia ”hiilipitoisuutta nostamalla”, vaan rakenteen hallitsemisella ja kohtuullisten seosaineiden käytöllä.
Normalisoidussa tilassa on kaksi mikrorakenteen ”mallia”. Ensimmäinen on perliittiset teräkset, joiden rakenne on ferriittinen-perliittinen ja joissa seosaineet ovat läsnä ferriitin kiinteässä liuoksessa tai ovat osa perliitin karbideja. Lujuuden kasvu verrattuna hiilipitoisuudeltaan vastaaviin hiiliteräksiin johtuu siitä, että lisäaineet kovettavat ferriittiä, edistävät kovempien komponenttien suurempaa osuutta ja tukevat rakeiden hienontumista. Tämän ryhmän tyypillisiä lisäaineita ovat pääasiassa mangaani, kupari, pii ja alumiini sekä joissakin lajikkeissa myös vanadiini ja niobium; tyypilliset pitoisuusalueet on myös annettu, mukaan lukien mangaani alueella 1,0–1,8 % ja pii alueella 0,20–0,60 %.
Toinen malli on bainiittiteräkset, jotka normalisoidussa tilassa saavat bainiittirakenteen lisäaineiden ansiosta, jotka viivästyttävät diffuusiomuutoksia ja edistävät bainiitin muodostumista jäähtymisen aikana. Materiaalissa todetaan, että tämä ryhmä voi sisältää pieniä määriä lisäaineita, kuten molybdeenia ja booria, sekä lisäaineita, jotka vaikuttavat muutosten kinetiikkaan, kuten mangaania ja kromia, mikä mahdollistaa erittäin korkean lujuuden saavuttamisen jopa jäähdytettäessä ilmassa (materiaalin lujuusalue on 1100–1200 MPa). Tämä osoittaa tämän materiaaliryhmän logiikan: hitsattavuus säilyy alhaisen hiilipitoisuuden ansiosta, ja lujuuden takaa normalisoinnilla saavutettu rakenne, jota tukee sopiva seostus.
Teräkset karburointiin ja pintakovettamiseen
Karburointiin käytettävät teräkset valitaan ensisijaisesti sen perusteella, että komponentilla on oltava erittäin kova pintakerros, kun taas ytimen on säilytettävä sitkeys ja halkeilun kestävyys. Siksi nämä teräkset ovat teräksiä, joiden ydin sisältää vähän hiiltä; materiaalin hiilipitoisuus on tyypillisesti noin 0,14–0,25 % C. Teknologinen perustelu on yksinkertainen: ydin pysyy ”pehmeänä” (vähemmän hauraana), ja korkea kovuus esiintyy vain pintakerroksessa, johon hiili on lisätty karburointiprosessin aikana ja joka sitten on karkaistu.
Hiiliteräkset ovat mahdollista hiiletyttää, mutta materiaalissa korostetaan, että tämä ratkaisu on järkevä pääasiassa pienille komponenteille, joiden poikkileikkaus on pieni tai joissa kulutuskestävyys on tärkeää, mutta korkeaa ydinkestävyyttä ei vaadita. Suuremmilla poikkileikkauksilla hiiliteräs voi tarjota kovan pinnan, mutta ydin ei saavuta haluttua lujuutta, koska komponentti ei kovetu poikkileikkauksessa. Lisäksi hiiliteräksen kerroksen kovuuden varmistamiseksi tarvitaan usein nopeampaa jäähdytystä, mikä lisää muodonmuutoksia ja halkeamien riskiä.
Siksi käytännössä karburointiin tarkoitetut seosteräkset ovat hallitsevassa asemassa, koska seosaineet parantavat karkaistavuutta ja antavat suotuisat ominaisuudet paitsi kerrokselle myös ytimelle, usein öljyssä karkaistuna. Materiaali kiinnittää huomiota tärkeään rajoitukseen: liiallinen seostaminen, erityisesti kerroksessa, jonka hiilipitoisuus on kohonnut, voi edistää jäännösausteniitin muodostumista, mikä puolestaan voi vähentää karburoidun kerroksen kovuutta. Tämä on tärkeä käytännön johtopäätös, koska se osoittaa, että karburoinnissa ei ole kyse lisäaineiden maksimoimisesta, vaan niiden optimaalisesta valinnasta.
Artikkelissa korostetaan kromin roolia, jota on läsnä käytännössä kaikissa teräksissä hiiletykseen, yleensä määrinä 1–2 %, koska se lisää tehokkaasti karkaistavuutta ja helpottaa kovan kerroksen muodostumista öljyjäähdytyksen aikana. Karkaistavuutta ja ydinaineiden ominaisuuksia voidaan parantaa lisäämällä nikkeliä, minkä vuoksi tärkeät komponentit valmistetaan usein kromi-nikkeliteräksistä. Samalla on syytä huomata, että nikkeli on harvinainen komponentti, joten sen käyttö perustuu pikemminkin toiminnallisiin vaatimuksiin kuin ”perinteeseen”. Käytännössä käytetään myös mangaania sisältäviä teräksiä, mutta tällöin on tarpeen hallita haitallisia ilmiöitä (esim. rakeita koskevia) ja käyttää seosaineita, kuten molybdeeniä tai titaania, ominaisuuksien parantamiseksi ja fragmentoitumisen edistämiseksi.
Teräkset pintakovettamiseen valitaan samanlaisella logiikalla, jossa tavoitteena on saavuttaa kova pinta ja vahva ydin. Materiaali osoittaa usein hiilipitoisuuden vaihtelevan välillä 0,4–0,6 % tämän tyyppiseen käsittelyyn käytettävissä teräksissä, ja jos ytimen ominaisuuksille asetetaan korkeammat vaatimukset (erityisesti suuremmissa poikkileikkauksissa), on käytäntönä suorittaa ensin koko elementin lämpökäsittely ja vasta sen jälkeen pintakovetus.
Lämpökäsittelyyn tarkoitetut teräkset ja erikoisteräkset
Lämpökäsittelyyn tarkoitetut teräkset on suunniteltu siten, että niillä saavutetaan erittäin suotuisa kompromissi karkaisun ja korkean karkaisun jälkeen: korkea lujuus ja myötöraja säilyttäen samalla sitkeys ja iskulujuus.
Lämpökäsittely (karkaisu + korkea karkaisu) johtaa sorbiittirakenteisiin ja on perusmenetelmä korkeiden ominaisuuksien saavuttamiseksi koneen osissa. Materiaalissa todetaan, että tyypilliset karkaisulämpötilat ovat noin 500–700 °C ja ominaisuustasot voivat olla Rm 750–1500 MPa ja Re 550–1350 MPa. On myös tärkeää, että seosteräs mahdollistaa tämän tilan saavuttamisen koko suuremmilla poikkileikkauksilla, kun taas hiiliteräkset ovat yleensä riittävät pääasiassa poikkileikkauksille, joiden koko on enintään noin 20–25 mm.
Tässä prosessiparametrien ryhmässä valintaa ei tehdä ”sokkona”, koska karkaisu on kompromissi: korkeampi lämpötila parantaa yleensä plastisuutta lujuuden kustannuksella, kun taas matalampi lämpötila antaa suuremman lujuuden halkeilun herkkyyden kustannuksella. Materiaali korostaa myös ilmiötä karkaisuhauraus, joka ilmenee iskulujuuden heikkenemisenä tietyillä lämpötila-alueilla. On havaittu tyypillinen lasku noin 300 °C:ssa ja toinen lasku yli 500 °C:ssa, jolloin jälkimmäisessä tapauksessa on käytännön kannalta tärkeää, että karkaisun jälkeinen jäähdytysnopeus on merkittävä: nopeutettu jäähdytys (esim. vedessä tai öljyssä) voi vähentää haitallista vaikutusta verrattuna hitaaseen jäähdytykseen. Tämä osoittaa, että ”karkaisulämpötila” ei ole ainoa muuttuja – myös prosessin suorittamistapa on tärkeä.
Lämpökäsittelyyn tarkoitettujen terästen seostamisen osalta materiaalissa korostetaan lisäaineiden, kuten kromin (lisää karkaisukykyä ja vaikuttaa karkaisukäyttäytymiseen), molybdeenin (auttaa vähentämään joitakin haitallisia vaikutuksia, kuten taipumusta karkaisun haurastumiseen, ja lisää karkaisukykyä) ja nikkelin, joka on erityisen arvokas, koska se lisää karkaisukykyä ja parantaa plastisia ominaisuuksia sekä alentaa lisäksi sitkeän ja hauraan tilan siirtymälämpötilaa, mikä on tärkeää työskenneltäessä alhaisissa lämpötiloissa.
Aineistosta käy ilmi, että kromi-nikkeliteräkset ovat tämän ryhmän parhaita, vaikka ne edellyttävät karkaisun aiheuttamien ilmiöiden hallintaa, mistä johtuen niihin lisätään molybdeeniä ja joskus myös vanadiinia.
Vahvistamiseen tarkoitettujen terästen lisäksi on olemassa rakenteellisten seosterästen ryhmiä, joilla on melko selkeästi määritelty tehtävä. Nitraukseen tarkoitetut teräkset valitaan kovien nitridikerrosten tuottamiseksi; siksi käytetään lisäaineita, kuten alumiinia, kromia ja molybdeeniä, ja prosessia edeltää yleensä lämpökäsittely, jossa karkaisulämpötilan on oltava korkeampi kuin nitrauslämpötila, jotta ydin ei muuta rakennettaan nitrauksen aikana. Jousiteräkset on suunniteltu korkealle joustavuusrajalle ja väsymisikälle; materiaalissa korostuu piin rooli ja pinnan laadun merkitys (hapettuminen ja hiilen poistuminen heikentävät vakavasti väsymisikää), ja tyypilliseen käsittelyyn kuuluu karkaisu ja karkaisukäsittely korkean lujuuden säilyttämiseksi. Laakeriterästen on oltava erittäin kovia ja kulutusta ja kosketuspaineita kestäviä, ja materiaali viittaa tyypilliseen korkeahiiliseen, korkeakromiseen teräkseen ja tyypilliseen käsittelyyn: öljykarkaisu ja matala karkaisu noin 180 °C:ssa, jotta saadaan hienorakeinen rakenne, jossa on hienoja karbideja.
Aineistossa mainitaan myös erikoistuneempia ratkaisuja, mutta ne kuuluvat edelleen laajassa mielessä rakenteelliseen alaan. Maraging-teräkset (rauta seokset, joissa on nikkeliä) muodostavat karkaistessaan sitkeän martensiitin ja saavuttavat korkean lujuuden vasta vanhentamisen jälkeen, kun intermetalliset faasisaostumat ilmestyvät; tämä on tie poikkeuksellisiin ominaisuuksiin, mutta korkealla hinnalla. Lämpö- ja muovauskäsittely puolestaan yhdistävät austeniitin plastisen muodonmuutoksen kovettumiseen, jolloin martensiitti ”perii” tiheämmän dislokaatiorakenteen ja fragmentaation, mikä lisää lujuutta merkittävästi (materiaalin mukaan jopa useita kymmeniä prosentteja), mutta vaikeuttaa myöhempää koneistusta.
Rakenneteräkset – yhteenveto
Seosteräksisiä rakenneteräksiä käytetään, kun on tarpeen saada tietyt, toistettavat mekaaniset ominaisuudet tyypillisissä käyttöolosuhteissa ja samalla säilyttää komponentin turvallisuus vaihtelevissa kuormituksissa. Niiden etu hiiliteräksiin verrattuna johtuu pääasiassa niiden paremmasta karkaistavuudesta, joka mahdollistaa lämpökäsittelyn ja ominaisuuksien muokkaamisen suuremmilla poikkileikkauksilla, usein hellävaraisemmalla jäähdytyksellä ja siten pienemmällä halkeamien ja muodonmuutosten riskillä. Käytännössä seosteräksen valinta on koko järjestelmän valinta: koostumus + lämpökäsittelyn tyyppi (normalisointi, hienostaminen, hiiletyminen, nitraus, pintakovetus) + prosessin parametrit, koska vain tämä yhdistelmä määrää mikrorakenteen, ja mikrorakenne määrää ominaisuudet.
Tässä ryhmässä erottuvat seuraavat: matalaseosteiset normalisoidut teräkset (joissa hitsattavuus ja myötölujuus ovat avainasemassa), teräkset hiiletykseen ja pintakovettamiseen (joissa kova kerros ja sitkeä ydin ovat tärkeitä, ja joissa on hallittava ilmiöitä kuten jäännösausteniitti), lämpökäsittelyteräkset (joissa ominaisuuksien ja tarkoituksenmukaisen karkaisun valinnan välinen kompromissi, mukaan lukien karkaisuhaurauden huomioon ottaminen, on ratkaisevan tärkeää) sekä erikoistuneet ryhmät, kuten nitrausteräkset, jousiteräkset ja laakeriteräkset.
