Επιχειρησιακό Πρόγραμμα Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση «Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι.» ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ (MIS: 478889) ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 1.2. Κατεργασίες μετάλλων για ενίσχυση της απόδοσής τους Δρ. Κάρμεν ΜΕΝΤΡΕΑ, Καθηγήτρια Εφαρμογών Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Πρόγραµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» και συγχρηµατοδοττειται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο) και από εθνικούς πόρους. Οργανώνεται από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. του Α.Ε.Ι. Πειραιά Τ.Τ., σε συνεργασία με το Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων και το Τμήμα Εκπαιδευτικών Μηχανολόγων Μηχανικών της Α.Σ.ΠΑΙ.ΤΕ.
2.1 Ενίσχυση με κραματοποίηση Η πιο διαδεδομένη μέθοδος για την ενίσχυση τον μεταλλικών υλικών είναι η κραματοποίηση των μετάλλων. Τα κράματα έχουν ένα μέταλλο ως βάση και ένα ή περισσότερα ξένα χημικά στοιχεία, σε επαρκή ποσότητα ώστε να αλλάζουν σε κάποιο βαθμό τις ιδιότητες του. Το καθαρό μέταλλο έχει μόνο μια φάση. Ως φάση ορίζεται μια περιοχή ύλης με ομοιόμορφα φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά. Σε διαφορετικές καταστάσεις της ύλης (στερεά, υγρή, αέρια, πλάσμα) το καθαρό μέταλλο βρίσκεται σε ξεχωριστές φάσεις. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος τα κράματα είναι σε στερεή κατάσταση αλλά μπορούν να εμφανίζουν διαφορετικές φάσεις. Αν ένα μέταλλο φιλοξενεί στην κρυσταλλική δομή άτομα ξένου στοιχείου (με αντικατάσταση ή με παρεμβολή) δημιουργείται στερεό διάλυμα του μετάλλου (Σχήμα 1). Το στοιχείο μπορεί να παρουσιάζει πλήρη η περιορισμένη διαλυτότητα στο μέταλλο βάσης. Ο βαθμός διαλυτότητας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της ατομική δομής των δύο στοιχείων (μέγεθος του ατόμου, ηλεκτρόνια σθένους, σύστημα κρυσταλλώσεως, θέση ηλεκτραρνητικότητας). Τα μέταλλα με περιορισμένη διαλυτότητα μπορεί να σχηματίζουν χημικές ή/και διαμεταλλικές ενώσεις. Αυτά αποτελούν διαφορετικές στερεές φάσεις του κράματος. Σε μια δεδομένη θερμοκρασία ένα κράμα συγκεκριμένης χημικής σύστασης μπορεί να εμφανίζει περισσότερες φάσεις. Σχήμα 1: Σχηματική αναπαράσταση κυψελίδας ενός στερεού υαλώματος: (α) αντικατάστασης, (β) παρεμβολής. Τα στοιχεία κραμάτωσης δεν έχουν ποτέ την ίδια διάσταση ατόμου με το μέταλλο βάσης και κατά την δημιουργία στερεών διαλυμάτων εισάγονται στο κρυσταλλικό πλέγμα τάσεις (εφελκύστικες ή θλιπτικές), λόγω της τοπικής στρέβλωσης τους (Σχήμα 2). Σχήμα 2: Στρέβλωση της κρυσταλλικής δομής σε στερεά διαλύματα παρεμβολής αντικατάστασης και παρεμβολής 1/22
Κατά συνέπεια η εσωτερική ενέργεια του υλικού αυξάνεται κατά τόπους και για την παραμόρφωση του απαιτείται μεγαλύτερη δύναμη. Για δεδομένες συνθήκες, τα κράματα ενός μετάλλου έχουν πάντα υψηλότερη αντοχή από το καθαρό μέταλλο. 2.1.1 Διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία Για την αναγνώριση των κραμάτων πραγματοποιείται μελέτη της συμπεριφοράς τους κατά την θέρμανση και την ψύξη, από όπου προκύπτουν χαρακτηριστικά διαγράμματα. Αν η θέρμανση/ψύξη είναι πολύ αργή, ώστε σε εκάστοτε μετασχηματισμοί να γίνονται σε φυσικές συνθήκες, προκύπτουν τα διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία. Ένα σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία όταν η ελεύθερη ενέργεια του είναι ελάχιστη για δεδομένες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και χημικής σύστασης. Δυο φάσεις βρίσκονται σε ισορροπία όταν τα χαρακτηριστικά τους μένουν σταθερά στο χρόνο. Τα διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία απεικονίζουν τις σχέσεις μεταξύ της θερμοκρασίας και των συστατικών των κραμάτων, σε συνάρτηση με τη χημική τους σύσταση. Από αυτά, τα διαγράμματα δυο συστατικών (διμερή) έχουν εκτεταμένη εφαρμογή (Σχήμα 3). Από τις καμπύλες απόψυξης προκύπτει ότι ενώ τα καθαρά μέταλλα στερεοποιούνται σε σταθερή θερμοκρασία, τα στερεά διαλύματα τους στερεοποιούνται σε μια περιοχή θερμοκρασιών. Σχήμα 3: Κατασκευή διαγράμματος από καμπύλες απόψυξης 2.1.2 Διμερή διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία με πλήρη διαλυτότητα σε στερεή κατάσταση Αν τα στοιχεία που αναμιγνύονται μπορούν να διαλύσουν πλήρως το ένα μέσα στην κρυσταλλική δομή του άλλου τότε τα δυο στοιχεία παρουσιάζουν πλήρη διαλυτότητα σε στερεή κατάσταση και προκύπτουν ισόμορφα κράματα (Σχήμα 4). Το διάγραμμα εμφανίζει την θερμοκρασία τάξεως των δυο συστατικών. Οι δυο καμπύλες δείχνουν τα σημεία τήξεως και πήξεως των στερεών διαλυμάτων διαφορετικής σύστασης.. Η μία καμπύλη ονομάζεται Liquidus και είναι ο γεωμετρικός τόπος των σημείων πάνω από τα οποία κάθε κράμα βρίσκεται σε 2/22
υγρή κατάσταση. Η δεύτερη καμπύλη ονομάζεται Solidus και είναι ο γεωμετρικός τόπος των σημείων κάτω από τα οποία κάθε κράμα βρίσκεται σε στερεή κατάσταση. Ανάμεσα από τις δύο καμπύλες υπάρχει μία περιοχή η οποία παρουσιάζει δύο φάσεις: η στερεή φάση (το στερεό διάλυμα α) και η υγρή. Από το διάγραμμα εντοπίζεται η θερμοκρασία τήξεως και πήξεως κάθε κράματος του συστήματος καθώς και την κατάσταση (δομή) όλων των κραμάτων για μία δεδομένη θερμοκρασία. Σχήμα 4: Διμερές διάγραμμα φάσεων σε ισορροπία των κραμάτων Cu-Ni 2.1.3 Διμερή διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία με μερική διαλυτότητα σε στερεή κατάσταση. Αν τα στοιχεία μπορούν να διαλύσουν στην κρυσταλλική τους δομή περιορισμένη ποσότητα ενός άλλου στοιχείου παρουσιάζουν μερική διαλυτότητα σε στερεή κατάσταση (Σήμα 5 ). Το διάγραμμα φάσεων σε ισορροπία των κραμάτων Pb-Sn δείχνει τις θερμοκρασίες τήξης των δυο μετάλλων (Pb-327 ο C, Sn-232 ο C), τις γραμμές Liquidus, Solidus και Solvus, καθώς και την μέγιστη διαλυτότητα του κασσιτέρου σε μόλυβδο (18,3% σε θερμοκρασία 183 ο C) και του μολύβδου σε κασσίτερο (2,5% σε θερμοκρασία 183 ο C). Τα κράματα μολύβδου με περιεκτικότητα σε κασσίτερο κάτω από 18,3% και τα κράματα κασσιτέρου με περιεκτικότητα σε κασσίτερο πάνω από 97,5%, σχηματίζουν αντίστοιχα στερεά διαλύματα μολύβδου (α) και κασσιτέρου (β), και εμφανίζουν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος δομή που αποτελείται από δυο διαφορετικούς μονοφασικούς κόκκους: στερεού διαλύματος μολύβδου και στερεού διαλύματος κασσιτέρου (κόκκοι α και κόκκοι β). Η χημική σύσταση κάθε κράματος ορίζει την αναλογία των φάσεων και των κόκκων (κανόνας του μοχλού). 3/22
Το κράμα με 38,1%Pb και 61,9%Sn ονομάζεται ευτηκτικό και στερεοποιείται σε σταθερή θερμοκρασία (183 ο C) όπως και τα καθαρά μέταλλα.. Η οριζόντια γραμμή του διαγράμματος δηλώνει μία τριφασική ισορροπία ευτηκτικού τύπου (στην συγκεκριμένη θερμοκρασία συνυπάρχουν τρεις φάσεις υγρό, στερεό διάλυμα μολύβδου και στερεό διάλυμα κασσιτέρου). Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος το ευτηκτικό κράμα εμφανίζει ομοιόμορφους κόκκους οι οποίοι αποτελούνται από δυο φάσεις: πλακίδια εναλλάξ στερεού διαλύματος μολύβδου και στερεού διαλύματος Σχήμα 5: Διμερή διάγραμμα φάσεων σε ισορροπία των κραμάτων Pb-Sn κασσιτέρου (γραμμωτοί κόκκοι α+β). Τα κράματα με περιεκτικότητα σε κασσίτερο κάτω από 61,9% ονομάζονται υποευτηκτικά και αυτά με περιεκτικότητα πάνω από 61,9% κασσίτερο, υπερευτηκτικά. Όλα τα κράματα Pb-Sn με περιεκτικότητα σε κασσίτερο από 18,3% μέχρι 97,5% εμφανίζουν σε κάποιο βαθμό ευτηκτικό μετασχηματισμό. Σε αυτήν την περίπτωση τα κράματα μολύβδου θα έχουν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος δομή με μονοφασικούς κόκκους στερεού διαλύματος μολύβδου (α) και ευτηκτικούς γραμμωτούς κόκκους (α+β). Τα κράματα κασσιτέρου θα έχουν στην δομή τους μονοφασικούς κόκκους στερεού διαλύματος κασσιτέρου (β) και ευτηκτικούς γραμμωτούς κόκκους (α+β). 2.1.4 Διαγράμματα φάσεων σε ισορροπία σιδήρου-σεμεντίτη. 2.1.4.1 Αλλοτροπία καθαρού σιδήρου Ο σίδηρος είναι αλλοτροπικό μέταλλο και κατά την απόψυξη αλλάζει την κρυσταλλική του δομή (Σχήμα 6). Σε θερμοκρασίες κατώτερες των 911 ο C, ο σίδηρος κρυσταλλώνεται στην χωροκεντρωμένη κυβική δομή (bcc), ως σίδηρος-α (Feα). Σε θερμοκρασίες μεταξύ 911 ο C και 1392 ο C κρυσταλλώνεται 4/22
στην εδροκεντρωμένη κυβική δομή (fcc), ως σίδηρος-γ (Feγ). Σε θερμοκρασίες άνω των 1392 ο C και μέχρι το σημείο τήξης του στους 1536 ο C επανέρχεται στην χωροκεντρωμένη κυβική δομή, δηλαδή είναι σίδηρος-α σε διαστολή (Feδ). Η αλλαγή της κρυσταλλική δομής συνεπάγεται συνήθως σημαντικές αλλαγές στις ιδιότητες που χαρακτηρίζουν τις αλλοτροπικές μορφές του μετάλλου Τόσο ο σίδηρος-α όσο και ο σίδηρος-γ σχηματίζουν εκτεταμένα στερεά διαλύματα παρεμβολής. Άτομα μικρών διαστάσεων, όπως ο άνθρακας, το βόριο, το άζωτο, το οξυγόνο και το υδρογόνο, μπορούν να παρεμβληθούν ανάμεσα στα κενά που αφήνουν τα μεγαλύτερα άτομα του σιδήρου. Όταν μια θέση παρεμβολής καταληφθεί, τότε λόγω της τοπικής στρέβλωσης που προκαλείται στο πλέγμα, καθίσταται αδύνατη η κατάληψη γειτονικών της θέσεων σε αρκετά μεγάλη απόσταση. Όταν οι στρεβλώσεις και οι παραμορφώσεις του πλέγματος φθάσουν το ανώτατο επιτρεπτό όριο, τότε επέρχεται κορεσμός του διαλύματος, και κάθε επιπλέον ποσότητα ατόμων παρεμβολής αποβάλλεται από το διάλυμα. Σχήμα 6: Καμπύλη απόψυξης καθαρού σιδήρου 2.1.4.2 Διάγραμμα σιδήρου-άνθρακα Τα κράματα που προκύπτουν από τον σίδηρο και τον άνθρακα, διακρίνονται σε χυτοσίδηροι, στους οποίους ο άνθρακας έχει την μορφή γραφίτη ή σεμεντίτη (Fe 3 C) και χάλυβες στους οποίους ο άνθρακας έχει μορφή σεμεντίτη. Οι μετασχηματισμοί, οι οποίοι συνδέονται με ισορροπίες μεταξύ στερεών και υγρών μεταλλικών φάσεων στα κράματα Fe C, περιγράφονται αντίστοιχα από: το διάγραμμα σιδήρου-γραφίτη ή το σταθερό διάγραμμα σιδήρου-άνθρακα, όταν ο περιεχόμενος άνθρακας βρίσκεται σε μορφή γραφίτη, το διάγραμμα σιδήρου-σεμεντίτη ή το μετασταθές διάγραμμα σιδήρουάνθρακα, όταν ο άνθρακας είναι ενωμένος με το σίδηρο, υπό μορφή σεμεντίτη (Fe 3 C). 5/22
Το διάγραμμα σιδήρου-γραφίτη είναι το πιο σταθερό από θερμοδυναμικής πλευράς, αλλά κινητικοί λόγοι παρεμποδίζουν συχνά την πραγματοποίησή του. Αφορά τους φαιούς χυτοσιδήρους, ενώ δεν συναντάται ποτέ στους χάλυβες. Οι μετασχηματισμοί που προβλέπονται από το διάγραμμα σιδήρουγραφίτη ευνοούνται από τα γραφιτογόνα στοιχεία (όπως Si, P, Al, Ni, Cu), και την ύπαρξη άνθρακα σε ποσοστό υψηλότερο από 2% κ.β.το διάγραμμα σιδήρου-σεμεντίτη δεν είναι ένα πραγματικό διάγραμμα ισορροπίας, δεδομένου ότι το καρβίδιο του σιδήρου (σεμεντίτης) δεν αποτελεί φάση ισορροπίας. Ωστόσο πραγματοποιείται πιο αυθόρμητα και συναντάται σε όλους τους χάλυβες. Καρβιδιογόνα στοιχεία (στοιχεία που έχουν την τάση να ενώνονται με τον άνθρακα και να σχηματίζουν καρβίδια) όπως Mn, Cr, Mo, V, W, κ.λ.π. σταθεροποιούν το διάγραμμα σιδήρου-σεμεντίτη. 2.1.4.3 Διάγραμμα σιδήρου-σεμεντίτη Το στερεό διάλυμα άνθρακα στον σίδηρο-α ονομάζεται φερρίτης και το στερεό διάλυμα άνθρακα στον σίδηρο-γ ονομάζεται ωστενίτης. Ο σίδηρος σχηματίζει χημική ένωση με των άνθρακά (Fe 3 C με 6,69%C κ.β.) η οποία ονομάζεται σεμεντίτης. Η μελέτη των χαλύβων πραγματοποιείται στο διάγραμμα Fe-FeC 3 (Σχήμα 7 συνεχή γραμμή). Τα κράματα σιδήρου με περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0,025 % κ.β έως 2,11 % κ.β. ονομάζονται χάλυβες. Κράματα σιδήρου με περιεκτικότητα σε άνθρακα από 2,08 % κ.β. έως 6,769% κ.β. ονομάζονται χυτοσίδηροι. Στο διάγραμμα εμφανίζονται η θερμοκρασία τήξης του καθαρού σιδήρου και του σεμεντίτη και οι θερμοκρασίες αλλοτροπικού μετασχηματισμού τριών τριφασικών ισορροπιών: 1495 ο C (ισορροπία περιτηκτικού τύπου), 1148 ο C (ισορροπία ευτηκτικού τύπου), 727 ο C (ισορροπία ευτηκτοειδούς τύπου). Δίνονται επιπλέον η χημική σύσταση ευτηκτικού και ευτηκτοειδούς κράματος, η μέγιστη διαλυτότητα του άνθρακα στις διάφορες αλλοτροπικές μορφές του σιδήρου και οι διφασικές περιοχές. Ο σίδηρος-γ, αν και έχει πυκνότερη δομή από τον σίδηρο-α, διαθέτει μεγαλύτερες θέσεις παρεμβολής από εκείνες του σιδήρου-α. Κατά συνέπια η διαλυτότητα του άνθρακα στο σίδηρο-γ είναι μεγαλύτερη (2,1% κ.β.c) από εκείνη στο σίδηρο-α (0,025% κ.β.c). Το ευτηκτοειδές κράμα ( με 0,77%C κ.β) εμφανίζει κάτω από 727 ο C γραμμωτούς κόκκους φερρίτη-σεμεντίτη οι οποίοι ονομάζονται περλίτη. Οι χάλυβες διακρίνονται σε υποευτηκτοειδούς (με περιεκτικότητα σε άνθρακα κάτω από 0,77%) και υπερευτηκτοειδούς (με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεταξύ 0,77% και 2,11%). Η γραμμή θερμοκρασιών μετασχηματισμού του ωστενίτη ονομάζεται άνω κρίσιμη θερμοκρασία (A 3 για υποευτηκτοειδείς χάλυβες και A cem για τους υπερευτηκτοειδείς). 6/22
Σχήμα 7: Διμερές διάγραμμα φάσεων σε ισορροπία των κραμάτων Fe-FeC3 και Fe-C Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος οι υποευτηκτοειδείς χάλυβες έχουν στην μικροδομή τους κόκκους φερρίτη και περλίτη ενώ οι υπερευτηκτοειδείς, κόκκους σεμεντίτη και περλίτη, αντίστοιχα (Σχήμα 8) 7/22
Σχήμα 8: Μικροδομή των χαλύβων σε συνάρτηση με τη χημική σύσταση και τη θερμοκρασία 2.2 Ενίσχυση με μορφοποίηση (εργοσκλήρυνση). Τα μεταλλικά προϊόντα παρασκευάζονται από υλικά δεδομένης χημικής σύνθεσης. Η γεωμετρία τους (σχήμα και διαστάσεις) διασφαλίζεται μέσω των εργασιών μορφοποίησης. Κάποια προϊόντα λαμβάνονται απευθείας με χύτευση σε κατάλληλα καλούπια. Η πλειοψηφία κατεργάζεται από πλινθώματα. Η επεξεργασία τους προϋποθέτει μία σειρά από εργασίες οι οποίες περιλαμβάνουν τις μορφοποιήσεις τις μηχανουργικές κατεργασίες και τις θερμικές κατεργασίες. Οι κατεργασίες μορφοποίησης διακρίνονται σε μορφοποιήσεις εν θερμώ (αν πραγματοποιούνται σε θερμοκρασίες άνω από το ήμισυ της θερμοκρασίας τήξεως) και εν ψυχρώ (αν πραγματοποιούνται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος). 2.2.1 Κατεργασίες εν θερμώ (θερμηλασία) Τα χυτά πλινθώματα πρώτιστα κατεργάζονται εν θερμώ για να παραγάγουν ομοιόμορφο κόκκο και να αποβάλουν μέρος από τις ατέλειες που δημιουργούνται με τη διαδικασία στερεοποίησης. Το πλίνθωμα θερμαίνεται στην επιθυμητή θερμοκρασία και σταδιακά παραμορφώνεται πλαστικά για να επιτευχθεί το απαραίτητο πάχος. Συνήθως τα πλινθώματα μορφοποιούνται εν θερμώ με έλαση, σφυρηλάτηση, ή διέλαση (Σχήμα 9). Οι διαδικασίες αυτές, ιδιαίτερα η σφυρηλάτηση, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο στα τελικά προϊόντα όσο και στα ημιτελή. Η έλαση είναι μια τεχνική επεξεργασίας που χρησιμοποιείται πρώτιστα για να μειώσει τη διατομή ενός στοιχείου. Η θερμή έλαση ως αρχική κατεργασία χρησιμοποιείται για να διορθώσει τη δομή κόκκων των χυτών πλινθωμάτων. Επίσης, ισιώνει τους κόκκους και τα εγκλείσματα και τα επιμηκύνει στην κατεύθυνση της έλασης, με συνέπεια μια σύσταση ινών που οδηγεί σε διαφορετικές ιδιότητες στις διαμήκεις (κατεύθυνση έλασης) και εγκάρσιες κατευθύνσεις. Οι «φούσκες» ως αποτέλεσμα της στερεοποίησης είτε μειώνονται σε μέγεθος είτε κλείνουν εντελώς με τη θερμή έλαση. Επιπλέον, η θερμή έλαση χρησιμοποιείται για να παραχθούν ορισμένα αντικείμενα, όπως τα ελάσματα θερμής έλασης, οι δοκοί, τα δομικά προϊόντα και οι σωλήνες. Η σφυρηλάτηση μπορεί να είναι ανοικτής και κλειστής μήτρας (Σχήμα 10). Η πρώτη χρησιμοποιείται για να επεξεργαστούν τα μεγάλα αντικείμενα (όπως ένα 8/22
πλίνθωμα) ή μεγάλα αντικείμενα απλής μορφής (όπως δοχεία πίεσης, άξονες και δαχτυλίδια). Σχήμα 9: Μορφοποιήσεις εν θερμώ: (α) Έλαση, (β) Σφυρηλάτηση, (γ) Διέλαση. Στην σφυρηλάτηση ανοικτής μήτρας μόνο ένα μέρος της επιφάνειάς της είναι σε επαφή με το κομμάτι κατεργασίας περιορίζοντας την παραμόρφωση στο συγκεκριμένο σημείο. Η σφυρηλάτηση κλειστής μήτρας κύβων είναι πιο περίπλοκος και χρησιμοποιείται σε τελικά προϊόντα ή σε μικρά αντικείμενα περίπλοκης μορφής. Σε αυτή την περίπτωση εφαρμόζεται αρχικά σφυρηλάτηση ανοικτής μήτρας και έπειτα προκύπτει η τελική μορφή με παραμόρφωση μεταξύ δύο καλουπιών, παρόμοιων χύτευσης,. Σχήμα 10: Τεχνικές σφυρηλάτησης: (α) Σφυρηλάτηση ανοικτής μήτρας κύβων, (β) Σφυρηλάτηση κλειστής μήτρας κύβων. Η θερμή διέλαση χρησιμοποιείται κυρίως για να διορθώσει τη δομή κόκκων των χυτών πλινθωμάτων και για την παραγωγή σύνθετων μορφών. Το κομμάτι κατεργασίας εισάγεται σε ένα κυλινδρικό δοχείο όπου αναγκάζεται να διατρέξει μέσω ενός στομίου. Αν και η μορφή παραμόρφωσης, χαρακτηριστικό της 9/22
εξώθησης είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για την εξάλειψη ατελειών στερεοποίησης, η εξώθηση αφήνει πίσω της άλλες ατέλειες. Λόγω της φύσης της πλαστικής παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια της εξώθησης, οι συνυπολογισμοί στο κομμάτι προς κατεργασία τείνουν να διαμορφώσουν ένα δαχτυλίδι που επεκτείνεται πέρα από το οπίσθιο άκρο του εξωθημένου μέρους. Τα επιφανειακά ραγίσματα, τα ξεφλουδίσματα, και οι φουσκάλες είναι άλλες ατέλειες διέλασης. Η εξέλαση είναι μια πρόσθετη τεχνική θερμής έλασης, όπου δύο ανόμοια μεταλλικά υλικά ενώνονται σε στερεά κατάσταση από την πίεση. Μερικές από τις χαρακτηριστικές ατέλειες εξέλασης είναι η ακανόνιστη μορφή, το ράγισμα και οι ατέλειες επιφάνειας, όπως η δημιουργία φυσαλίδων, οι γρατσουνιές και η εισαγωγή ρύπων λόγω έλασης. 2.2.2 Κατεργασίες εν ψυχρώ (ψυχρηλασία) Η μορφοποίηση εν ψυχρώ χρησιμοποιείται αυστηρά στα τελικά προϊόντα όπου διασφαλίζονται διαστασιακή ακρίβεια, καλύτερη ποιότητα επιφάνειας και βελτιωμένες ιδιότητες. Οι πιο διαδεδομένες τεχνικές είναι η έλαση, η εξέλαση και η βαθειά κοίλανση εν ψυχρώ. Η σφυρηλάτηση εν ψυχρώ χρησιμοποιείται σε μικρότερη έκταση, στην παραγωγή συγκεκριμένων αντικειμένων. Με έλαση εν ψυχρώ παράγονται φύλλα και λουρίδες. από υλικά διαμορφωμένα με εν θερμώ έλαση. Το υλικό προς εν ψυχρώ έλαση μπορεί να είναι άμεσο προϊόν χύτευσης, εξέλασης ή σφυρηλάτησης. Η ψυχρή εξώθηση χρησιμοποιείται για την παραγωγή αντικειμένων, όπως οι σωλήνες χωρίς ραφή και οι σωληνώσεις. Μία στενά συνδεδεμένη τεχνική είναι αυτή της έλξης. Διαφέρει από την εξώθηση μόνο στο ότι το κομμάτι προς κατεργασία έλκεται παρά ωθείται. Η έλξη χρησιμοποιείται για να παραχθούν ράβδοι, καλώδια και σωλήνες. Όταν μια σταδιακά αυξανόμενη εφελκυστική δύναμη ενεργεί πάνω σε ένα υλικό, πρώτα παραμορφώνεται ελαστικά, κατόπιν πλαστικά.. Η καταπόνηση ευνοεί την μετακίνηση των διαταραχών και προκαλεί την επιμήκυνση των κόκκων κατά την κατεύθυνση της έλασης (Σχήμα 11). Η αύξηση της καταπόνησης αυξάνει την πυκνότητα των διαταραχών οι οποίες αλληλεπιδρούν μπλοκάρονται ή εξουδετερώνονται και συσσωρεύονται κατά τόπους στο υλικό. Οι κόκκοι υφίστανται εργοσκλήρυνση. Μετά από ψυχρή κατεργασία το υλικό παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα από την αρχική, υψηλοτέρα όρια διαρροής και θραύσης και μειωμένη πλαστικότητα. Κόκκοι Σχήμα 11: Πλαστική παραμόρφωση με εν ψυχρώ έλαση [1] 2.2.2.1 Ανακρυστάλλωση Αν μετά την ψυχρή επεξεργασία το υλικό θερμαίνεται πάνω από μία χαρακτηριστική θερμοκρασία, ένα νέο σύνολο πολύ λεπτών κόκκων δημιουργείται κατά τη θέρμανση. Το φαινόμενο ονομάζεται ανακρυστάλλωση (Σχήμα 12). Περιλαμβάνει την αναδιοργάνωση των ατόμων μέσα στους παλαιά 10/22
παραμορφωμένους κόκκους για να διαμορφωθούν νέοι κόκκοι, ενώ το σχήμα και η διαστάσεις του προϊόντος διατηρούνται. Σχήμα 12: Σχηματική απεικόνιση της ανακρυστάλλωσης των κόκκων Τα υλικά υψηλότερου σημείου τήξης ανακρυσταλλώνονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες σχετικά με τα υλικά των χαμηλότερων σημείων τήξης. Για ένα δεδομένο υλικό, η αύξηση του βαθμού ενδοτράχυνσης μειώνει τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης και αντίστροφα. Σε αντίθεση με την ψυχρή κατεργασία, η ανακρυστάλλωση έχει ως επίδραση τη μείωση της δύναμης και της σκληρότητας. Καθορίζοντας τη διαδικασία ανακρυστάλλωσης η ψυχρή κατεργασία θεωρείται η πλαστική διαδικασία παραμόρφωσης που πραγματοποιείται σε μια θερμοκρασία κάτω από την θερμοκρασία αυτή. 2.3 Ενίσχυση με εκλέπτυνση των κόκκων. Οι μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών είναι ανάλογες του μεγέθους του κόκκου τους. Όσο πιο μικροί είναι οι κόκκοι ενός υλικού τόσο αυξάνονται η σκληρότητα και οι μηχανικές αντοχές του. Κατά την στερεοποίηση των μετάλλων με αργή απόψυξη, λαμβάνεται δομή ισορροπίας η οποία αποτελείται από μεγάλους καλοσχηματισμένους κόκκους (Σχήμα 13). Αν η ταχύτητα απόψυξης αυξάνεται, κατά την στερεοποίηση προκύπτουν περισσότερα φύτρα κρυσταλλώσεων και η τελική δομή θα αποτελείται από περισσότερους και πιο μικρούς κόκκους. Το φαινόμενο παρατηρείται και κατά τον μετασχηματισμό των φάσεων σε στερεή κατάσταση, όπως ο ωστενιτικός μετασχηματισμός των χαλύβων (Σχήμα 14). Το μέγεθος κόκκου μπορεί να αλλάξει σε ορισμένα όρια με την απλή θέρμανση του υλικού. Κατά την θέρμανση οι μεγάλοι κόκκοι μεγαλώνουν σε βάρος των μικρών με διάχυση των ατόμων. Η διάχυση των ατόμων αυξάνεται έντονα με την θερμοκρασία και αρκετά με το χρόνο (Σχήμα 15). 11/22
Σχήμα 13: Η επιρροή της ταχύτητας απόψυξης στο μέγεθος των κόκκων, κατά την στερεοποίηση των μετάλλων,. Σχήμα 14: Η επιρροή της ταχύτητας απόψυξης κατά τον μετασχηματισμός του ωστενίτη σε ευτηκτοειδές χάλυβα 12/22
Σχήμα 15: Η επιρροή της θερμοκρασίας στον μέγεθος των κόκκων και στις μηχανικές ιδιότητες των υλικών 2.3.1 Θερμικές κατεργασίες χαλύβων Οι απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες αποκτώνται υποβάλλοντας τα μεταλλικά υλικά σε θερμικές κατεργασίες. Πρόκειται για μια διαδικασία ελεγχόμενης θέρμανσης του υλικού σε δεδομένη θερμοκρασία, διατήρηση στην θερμοκρασία για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και ελεγχόμενη ψύξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η ψύξη και η θέρμανση μπορεί να εφαρμοστούν συνεχόμενα ή κλιμακωτά. Ανάλογα με τις συνθήκες κατεργασίας, οι αλλαγές της δομής μπορεί να προκληθούν σε όλη την μάζα η μόνο στην επιφάνεια του υλικού. Από τα μεταλλικά κράματα οι χάλυβες επιδέχονται τις περισσότερες θερμικές κατεργασίες. Οι θερμικές κατεργασίες εντός της μάζας έχουν συνήθως σκοπό την βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και οδηγούν, κυρίως, στη σκλήρυνσή τους, σε ελάττωση ή ολική απαλοιφή των μηχανικών τάσεων και σε ρύθμιση του μεγέθους των κόκκων. Η αύξηση του ορίου διαρροής και της αντίστασης σε εφελκυσμό συνοδεύεται από μια ελάττωση της δυσθραυστότητας και της ολκιμότητας. Είναι συνεπώς αναγκαίο, να βρεθεί ένας αποδεκτός συνδυασμός των ιδιοτήτων αυτών. 13/22
2.3.2 Θερμικές κατεργασίες με διάχυση ατόμων (Σχήμα 16) 2.3.2.1 Ανόπτηση κατεργασίας. Η ανόπτηση κατεργασίας εφαρμόζεται μετά από ψυχρή κατεργασία προκειμένου να αυξηθεί η ολκιμότητα του χάλυβα το οποίο έχει υποστεί σκλήρυνση με ενδοτράχυνση. Η ανόπτηση κατεργασίας εφαρμόζεται ώστε να είναι δυνατή η συνέχιση της πλαστικής παραμόρφωσης του υλικού, χωρίς να επέλθει θραύση του και χωρίς να καταναλωθούν υπερβολικά ποσά ενέργειας. Κατά τη διάρκεια αυτής της κατεργασίας, είναι δυνατόν να συμβούν αποκατάσταση ή/και ανακρυστάλλωση. Σχήμα 16: Διάγραμμα Fe-Cem; xχαρακτηριστικές θερμοκρασίες ανοπτήσεων 14/22
Η οξείδωση της επιφάνειας αποφεύγεται, εάν η θερμοκρασία της ανόπτησης παραμείνει σε χαμηλά επίπεδα, υψηλότερα όμως της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσης, ή εάν η διεργασία πραγματοποιηθεί σε ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. 2.3.2.2 Ανόπτηση εξομάλυνσης. Η κατεργασία της ανόπτησης για εξομάλυνση δομής εφαρμόζεται στους υποευτηκτοειδείς χάλυβες προκειμένου να δημιουργηθεί ομοιόμορφη, κυτταροειδής και λεπτοκρυσταλλική φερριτοπερλιτική δομή. Για τους υπερευτηκτοειδείς χάλυβες, η εξομάλυνσης εφαρμόζεται προκειμένου να επιτευχθεί καλύτερη διασπορά του σεμεντίτη. Για το σκοπό αυτό, ο χάλυβας θερμαίνεται κατά 55-85 ο C υψηλότερα της άνω κρίσιμης θερμοκρασίας A c3 ή A cm (εξαρτώμενης από την % κ.β. συγκέντρωση σε C) για ωστενιτοποίηση και ψύχεται στον αέρα, μέχρι τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Κατ αυτόν τον τρόπο, μειώνονται ή εξαφανίζονται οι ανισοτροπίες των ιδιοτήτων του χάλυβα και βελτιώνονται οι μηχανικές του ιδιότητες. Πολλές φορές, λόγω της σχετικά μεγάλης ταχύτητας απόψυξης, οι υποευτηκτοειδείς χάλυβες που υφίστανται εξομάλυνση παρουσιάζουν ομοιογενή, λεπτόκοκκο περλίτη, χωρίς σχηματισμό προευτηκτοειδούς φερρίτη. 2.3.2.3 Πλήρης ανόπτηση. Η πλήρης ή απλώς ανόπτηση εφαρμόζεται στους χάλυβες χαμηλής έως μέσης περιεκτικότητας σε άνθρακα, οι οποίοι πρόκειται να υποστούν πλαστική παραμόρφωση κατά τη διάρκεια κατεργασιών μορφοποίησης ή κοπής (Σχήμα 17). Το κράμα ωστενιτοποιείται, με θέρμανση κατά 15-40 ο C υψηλότερα της καμπύλης A c3, μέχρι να αποκατασταθεί πλήρης ισορροπία (ωστενιτοποίηση). Τέλος, παραμένει για αρκετές ώρες, μέσα σε φούρνο, όπου αποψύχεται μέχρι τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, με την ταχύτητα απόψυξης του φούρνου (περίπου 20 ο C / ώρα). Μετά την κατεργασία, οι κόκκοι του περλίτη είναι μεγαλυτέρου μεγέθους και τραχείς και ο χάλυβας, είναι μαλακός και όλκιμος. Σχήμα 17: Σχηματισμός της μικροδομής υποευτηκτοειδούς χάλυβα κατά την πλήρη ανόπτηση. 15/22
2.3.2.4 Ανόπτηση ανακρυστάλλωσης Κατά την ανόπτηση ανακρυστάλλωσης, ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασία υψηλότερη της θερμοκρασίας ανακρυστάλλωσής του, εντός της φερριτικής περιοχής (650-750 ο C), ενώ, συγχρόνως, ελέγχεται η απόψυξή του (αργή απόψυξη στον αέρα). Εφαρμόζεται στους εν ψυχρώ παραμορφωμένους χάλυβες, προκειμένου να εξαλειφθεί ο ιστός της ενδοτράχυνσης (π.χ. σε λαμαρίνες μετά από ψυχρή έλαση) και να καταστεί δυνατή η περαιτέρω κατεργασία μορφοποίησης. 2.3.2.5 Ανόπτηση αποκατάστασης. Η ανόπτηση αποκατάστασης πραγματοποιείται για τους ίδιους λόγους, που πραγματοποιείται και η ανόπτηση ανακρυστάλλωσης, αλλά η θέρμανση γίνεται σε θερμοκρασία 450-600 ο C, χαμηλότερη από τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης του χάλυβα. 2.3.2.6 Αποτατική ανόπτηση. Κατά την αποτατική ανόπτηση, το κράμα θερμαίνεται εντός της φερριτικής περιοχής, 580-650 ο C, και στη συνέχεια υφίσταται αργή απόψυξη. Λόγω της συντελούμενης διάχυσης των ατόμων εξαιτίας της βραδείας μεταβολής των θερμοκρασιών, πραγματοποιείται μείωση ή τέλεια εξάλειψη των εσωτερικών μηχανικών τάσεων οι οποίες είχαν συσσωρευθεί κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής κατεργασίας και παραγωγής των χαλύβων. Η ανόπτηση αποκατάστασης και η αποτατική ανόπτηση δε μεταβάλλουν τη μικρογραφική μορφή των χαλύβων. 2.3.2.7 Ανόπτηση σφαιροποίησης. Η ανόπτηση σφαιροποίησης συνίσταται στη θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία λίγο χαμηλότερη ή λίγο υψηλότερη της ευτηκτοειδούς θερμοκρασίας A c1, διατήρηση στην θερμοκρασία για πολλές ώρες και αργή απόψυξή του μέσα στο φούρνο. Με την κατεργασία αυτή, επιτυγχάνεται η σφαιροποίηση του σεμεντίτη. Ο σφαιροποιημένος σεμεντίτης, χωρίς να υποστεί μετασχηματισμό φάσης, βελτιώνει την κατεργασιμότητα του χάλυβα. Η ταλαντευτική ανόπτηση προκαλεί σφαιροποίηση του σεμεντίτη και επιτυγχάνεται με θέρμανση του χάλυβα σε περιοδικά μεταβαλλόμενη θερμοκρασία, μεταξύ A c1-50 o C και A c1 +50 o C. 2.3.3 Θερμικές κατεργασίες σκλήρυνσης Εάν η απόψυξη πραγματοποιηθεί με πολύ ταχύ ρυθμό, η διάχυση των ατόμων δεν είναι εφικτή και λαμβάνονται προϊόντα (φάσεις) εκτός ισορροπίας. Η κατεργασία καλείται βαφή του χάλυβα. 2.3.3.1 Ωστενιτοποίηση 16/22
Η μοναδική φάση η οποία μετασχηματίζεται κατά την ψύξη του χάλυβα είναι ο ωστενίτης. Κατά συνέπεια, η βαφή του χάλυβα προϋποθέτει ωστενιτοποίηση κατά την οποία ο χάλυβας θερμαίνεται σε θερμοκρασία υψηλότερη κατά 50 ο C, άνω της κρίσιμης θερμοκρασίας A c3 για τους υποευτηκτοειδείς χάλυβες και της κάτω κρίσιμης Α c1 για τους υπερευτηκτοειδείς. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί πλήρης μετατροπή του κράματος σε ομογενή ωστενίτη, η παραμονή στη θερμοκρασία διαρκεί αρκετό χρόνο, χωρίς όμως να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη αύξηση του μεγέθους των κόκκων (υπερθέρμανση). Κατά τη θέρμανση τεμαχίων μεγάλης διάστασης παρατηρείται μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας και του εσωτερικού της μάζας του κράματος, γεγονός που είναι δυνατό να προκαλέσει πλαστική παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος του ωστενίτη. Επιβάλλεται, συνεπώς, η θέρμανση να γίνεται με βραδύ ρυθμό ή σε περισσότερα στάδια, με προθέρμανση (Σχήμα 18). Κατά τη διάρκεια της θέρμανσης προς ωστενιτοποίηση, ο χάλυβας οξειδώνεται, και προκαλείται επιφανειακή απώλεια υλικού και ελάττωση της περιεκτικότητας σε άνθρακα. Η οξείδωση αντιμετωπίζεται με θέρμανση σε κλιβάνους ελεγχόμενης ατμόσφαιρας ή σε φούρνους κενού. Σχήμα 18: Κύκλος θερμικών κατεργασιών συμβατικού εργαλειοχάλυβα 2.3.3.2 Βαφή Η βαφή πραγματοποιείται με την απόψυξη του ωστενίτη με ταχύτητα πάνω από μία κρίσιμη η οποία δεν επιτρέπει πια την διάχυση των ατόμων. Τα διαθέσιμα μέσα έχουν χαρακτηριστική ικανότητα ψύξης. Η αποτελεσματικότητα τους δίνεται από έναν αριθμητικό συντελεστή, ο οποίος καλείται δραστικότητα του μέσου βαφής. Η δραστικότητα αυξάνεται με την ανάδευση του μέσου. Η σειρά φθίνουσας δραστικότητας των ψυκτικών μέσων είναι: αλατούχο υδατικό διάλυμα H 2 O, τήγματα ή υγρά άλατα, διαλύματα λαδιών, καθαρά λάδια, ατμοσφαιρικός αέρας ή ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Η ταχύτητα ανάδευσης επιδρά θετικά στην ταχύτητα απόψυξης, καταστρέφοντας το σχηματιζόμενο στρώμα ατμών. Τα δραστικά λουτρά προκαλούν μεγαλύτερες εσωτερικές τάσεις και ενδέχεται να προκαλέσουν τη ρωγμάτωση του χάλυβα, κατά τη βαφή. Η απόψυξη μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς διακοπή από την θερμοκρασία ωστενιτοποίησης στην θερμοκρασία περιβάλλοντος, χρησιμοποιώντας ένα μέσο (συνεχή βαφή). Στην περίπτωση βαφής τεμαχίων μεγάλων διαστάσεων ή 17/22
περίπλοκής γεωμετρίας (για την αποφυγή ρηγματώσης ή στρέβλωσης) η ψύξη πραγματοποιείται σε δυο στάδια. Πρώτα μεταφέρεται το τεμάχιο από το φούρνο ωστενιτοποίησης σε τήγμα άλατος με θερμοκρασία κοντά στην M s (λίγο πάνω, ή λίγο κάτω), και διατηρείται ισοθερμοκρασιακά ένα χρονικό διάστημα, και στην συνέχεια ψύχεται στον αέρα (κλιμακωτή βαφή). Για την επιλογή κατάλληλης τεχνικής και τον έλεγχο των αποτελεσμάτων χρησιμοποιούνται χαρακτηριστικά διαγράμματα απόψυξης, τα διαγράμματα ΤΤΤ (Time-Temperature-Transformation). Tα διαγράμματα ΤΤΤ κατασκευάζονται για συγκεκριμένη χημική σύσταση του χάλυβα και ισχύουν μόνο στην περίπτωση βαφής χαλύβων της ίδιας ποιότητας. Αν κατά την βαφή εφαρμόζεται συνεχή απόψυξη, χρησιμοποιούνται τα αντίστοιχα διαγράμματα (CCT-Continuous-Cooling-Transformation). Τα CCT διαγράμματα δίνουν πληροφορίες σχετικά με τις φάσεις και την σκληρότητα που προκύπτουν μετά από απόψυξη με συγκεκριμένη ταχύτητα (συγκεκριμένες καμπύλες απόψυξης) καθώς και το χρόνο έναρξης και ολοκλήρωσης του μετασχηματισμού του ωστενίτη (Σχήμα 19α). Στην περίπτωση κλιμακωτής βαφής και θερμικών κατεργασιών με ισοθερμοκρασιακή ψύξη χρησιμοποιούνται ΙΤ (Isothermal-Transformation) διαγράμματα. Τα IT διαγράμματα δίνουν πληροφορίες σχετικά με τις φάσεις και ορισμένες φορές και την σκληρότητα που προκύπτουν μετά από ισοθερμοκρασιακή απόψυξη σε συγκεκριμένη θερμοκρασία, καθώς και το χρόνο έναρξης και ολοκλήρους του μετασχηματισμού του ωστενίτη (Σχήμα 19β). Σχήμα 19: (α) Διάγραμμα CCT του χάλυβα AISI 1045, (β) Διάγραμμα IT ευτηκτοειδούς χάλυβα 18/22
19/22
2.3.3.3 Επαναφορά Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός εισάγει στο υλικό τεράστιες τάσεις και αμέσως μετά την βαφή οι χάλυβες είναι πολύ σκληροί και εύθραυστοι. Για την βελτίωση των ιδιοτήτων τους υφίστανται επαναφορά. Κατά την επαναφορά το υλικό θερμαίνεται σε μία θερμοκρασία κάτω από την κάτω κρίσιμη A 1, για αρκετό χρόνο ώστε ο μαρτενσίτης να εξελιχθεί μερικώς στην κατάσταση ισορροπίας ( συνήθως μια ή δυο ώρες). Στην συνέχεια ψύχεται στον αέρα μέχρι την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Η δομή που προκύπτει καλείται επαναφερμένο μαρτενσίτη. Με την επαναφορά η σκληρότητα του χάλυβα ελαττώνεται λίγο, ενώ η δυσθραυστότητα και η ολκιμότητά του αυξάνονται. Κατά την επαναφορά του μαρτενσίτη λαμβάνονται διάφορες δομές ανάλογα με τη θερμοκρασία και το χρόνο της κατεργασίας. Η επιλογή των συνθηκών επαναφοράς εξαρτάται από την τελική επιθυμητή σκληρότητα του τεμαχίου και ορίζεται από το χαρακτηριστικό διάγραμμα επαναφοράς του χάλυβα (Σχήμα 20) Στην περίπτωση των κραματωμένων χαλύβων μετά την βαφή εφαρμόζονται δύο η τρεις επαναφορές (Σχήμα 21). 2.3.3.4 Διαστασιακές μεταβολές Τόσο κατά την βαφή όσο και κατά την επαναφορά το τεμάχιο υφίσταται διαστασιακές μεταβολές και στρέβλωση. Στην περίπτωση των εξαρτημάτων με αυστηρές γεωμετρικές απαιτήσεις ( μικρές διαστασιακές ανοχές ), οι διαστασιακές μεταβολές λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό της θερμικής κατεργασίας. Μετά την επαναφορά το εξάρτημα υφίσταται ρεκτιφιέ όπου μικρές διαστασιακές μεταβολές και στρεβλώσεις διορθώνονται. Σχήμα 20α: Διάγραμμα επαναφοράς του χάλυβα AISI D 2 20/22
Σχήμα 20β: Κύκλο θερμικών κατεργασιών του χάλυβα AISI Η 13 2.3.4 Επιφανειακές θερμικές και θερμοχημικές κατεργασίες Κατά την λειτουργία τους πολλά εξαρτήματα καλούνται να έχουν σκληρή επιφάνεια, ώστε να αντέχουν στην φθορά, και συγχρόνως πυρήνα με ικανοποιητικές μηχανικές αντοχές και δυσθραυστότητα. Ο συνδυασμός αυτός επιτυγχάνεται με συγκεκριμένες επιφανειακές θερμικές κατεργασίες. Οι επιφανειακές κατεργασίες των υλικών αποβλέπουν στην ενίσχυση της αντοχής των υλικών και αφορούν την επιφανειακή σκλήρυνση και την προστασία από διάβρωση. Οι συνηθέστερες είναι οι θερμικές κατεργασίες (φλογοβαφή, επαγωγική επιφανειακή θέρμανση, κλπ) και οι θερμόχημικές. Οι θερμοχημικές επιφανειακές κατεργασίες αναφέρονται στον εμπλουτισμό μίας επιφανειακής στοιβάδας του υλικού του εξαρτήματος σε κάποιο χημικό στοιχείο το οποίο είναι ικανό να προσδίδει αύξηση της σκληρότητας και κατά συνέπεια της αντοχής σε φθορά του υλικού. Ανάλογα με το χημικό στοιχείο εμπλουτισμού που επιλέγεται, οι θερμοχημικές επιφανειακές κατεργασίες διακρίνονται σε: ενανθράκωση, εναζώτωση, ενδοκυάνωση, κλπ. 2.4 Ενίσχυση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης Τα μη σιδηρούχα κράματα με ικανοποιητικό ποσοστό διαλυτότητα των στοιχείων μπορούν να αποκτήσουν ενισχυμένες ιδιότητες μέσω της γήρανσης. Κατά την γήρανση το κράμα θερμαίνεται σε θερμοκρασία όπου το κραματικό στοιχείο διαλύεται πλήρως και προκύπτουν κόκκους με ένα στερεό διάλυμα (ομογενοποίηση). Στην συνέχεια το κράμα ψύχεται απότομα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (υπερβαφή). Κατά την απόψυξη προκαλείται κατακρήμνιση δεύτερης φάσης μέσα στους κρυσταλλίτες και οι κόκκοι γίνονται διφασικοί. Το κράμα θερμαίνεται ξανά, στην διφασική περιοχή (επαναφορά). Κατά την επαναφορά τα κατακρημνίσματα συσσωρεύονται στα όρια των κόκκων. Στην συνέχεια ψύχεται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (γήρανση). Από την θερμική κατεργασία προκύπτει μία δομή κόκκων στέρεου διαλύματος του μετάλλου βάσης και εξαιρετικά λεπτές κατακρημνίσεις ομοιόμορφα διανεμημένα στην βάση ( Σχήμα 21). 21/22
Σχήμα 21: Ενίσχυση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης Βιβλιογραφία [1] Γ. Ν. Χαϊδεμενόπουλος, Φυσική Μεταλλουργία, εκδόσεις Τζιόλα, Θεσσαλονίκη, 2007. [2] Ι. Χρυσουλάκης και Δ. Παντελής, Επιστήμη και Τεχνολογία των Μεταλλικών Υλικών, Παπασωτηρίου, Αθήνα, 1996. [3] Γ. Δ. Παπαδημητρίου, Γενική Μεταλλογνωσία ΙΙ, Τα κράματα, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα 1993. [4] Π. Γ. Πετρόπουλος, Μεταλλουργεία, Εκδόσεις Ευγενίδου Ίδρυμα, 1995. [5] George Krauss, Steels: Heat Treatment and Processing Principles, ASM International, 1995, σελ. 34-36. [6] http://www.learneasy.info/mdme/memmods/mem30007a/steel/steel.ht ml [7] http://www.schnitzersteel.com/steel_manufacturing_process.aspx 22/22