4. A vasöntészet anyagai A C-tartalom meghatározó mind az ... · de egymással a hőmérséklet mentén szomszédos fázis stabil. A vele szomszédos 2 fázis alkotja. – δ-ferrit,

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

4. A vasöntészet anyagai 4.1. A vas–karbon egyensúlyi diagram

A szerkezeti anyagok között az egyik legfonto-sabb szerepet a vasalapú ötvözetek játszák, ugyanis mind a felhasználási területük kiterjedt-sége, mind pedig a felhasznált mennyiség tekin-tetében rendkívül jelentős anyagtípusként említ-hetjük. A vasalapú ötvözetek közé sorolunk minden olyan fémes anyagot, amelyben a kom-ponensek (az összetevő kémiai elemek) között a Fe mennyisége a legnagyobb. Amennyiben a Fe-tartalom meghaladja az 50 tömeg-%-ot, az ötvözet neve: acél, és ha a vasalapú ötvözetben a karbon mennyisége (C-tartalom) nagyobb, mint 2,1 tömeg-%, vasnak vagy öntöttvasnak nevezzük. Az 5.1. szakaszból majd kitűnik, de már itt előre kell bocsátani, hogy az acélok és az öntöttvasak legfontosabb ötvözőjének a karbont (szén, C) tekintjük.

A C-tartalom meghatározó mind az acélok, mind pedig az öntöttvasak tulajdonságaira, ezért a Fe–C fázisdiagram (64. ábra) alapvető isme-retnek számít. Az első Fe–C állapotábrát Sir William Chandler Roberts-Aus en (1843–1902), brit kohómérnök közölte 1897-ben (65. ábra).

t

65. ábra – Az első Fe–C állapotábra (díszítés, nem tananyag)

64. ábra – Az Fe–C fázisdiagram. A szaggatott vonalak azt az esetet jelölik, amikor a megszilárdulás egyensúlyi módon, a C-nak grafitként való kiválásával

megy végbe. A folytonos vonallal jelölt változat pedig a karbonnak Fe3C vas-karbidként való kiválására vonatkozik: ez jellemző az acélokra és fehérvasakra, míg a grafitos kristályosodás a szürkevasakra.

32. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

4.1.1. Az Fe–C fázisdiagramhoz kapcsolódó alapfogalmak

4.1.2. Az Fe–C rendszer fázisai

– Olvadék, folyadékfázis – Ötvözet, ötvöző Az ötvözet kizárólag olvadékból áll, ha egy

tetszőleges koncentráció mellett hőmérséklete nagyobb, mint a koncentrációvonal és a fázisdi-agram ABCD vonalának metszéspontja. Az ABCD vonal neve: likvidusz. Az AHJECF vonal (szolidusz) alatt nem létezhet.

Ötvözetnek nevezzük azokat az anyagokat, amelyek alapalkotója valamilyen fém (ezt gyak-ran nevezik mátrixnak), és mellette egy vagy több további komponens épül be a mátrix atom-jai közé. Az ötvözet lehet kristályos vagy amorf. A gyakorlatban használt ötvözeteket általában kétkomponensű ötvözetként tekintjük. – δ-vas vagy δ-ferrit

A fázisdiagram A-H-N-A tartományában egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete TKK.

A mátrixban elhelyezkedő komponens az öt-vöző, ill., ha nemkívánatos a jelenléte, akkor szennyező. Az ötvözőelemek az atomátmérő függvényében a mátrix atomjainak helyére, ill. azok közé illeszkednek.

– γ-vas vagy ausztenit A fázisdiagram J-E-S-G-N-J tartományában

egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete LKK. Ma-ximális C-tartalma 2,14 tömeg-%. Nevét az első Fe–C fázisdiagramot közlő Austin-ról kapta.

– Szilárd oldat Az ötvözet olyan kristályos fázisa, amelyben

az ötvözők eloszlása egyenletes a mátrixban. Ha az ötvözők a kristályrács kitüntetett helyeit foglal-ják el, rendezett rácsú szilárd oldat alakul ki.

– α-vas vagy ferrit A fázisdiagram G-P-origó-G tartományában

egyedül stabil fázis. Kristályszerkezete TKK. 20°C-on gyakorlatilag nem oldja a karbont. – Vegyület

Olyan szilárd fázis, amely az olvadék kristá-lyosodása közben vagy kiválási folyamatok eredményeként alakul ki egy adott koncentráci-ónál (esetleg egy szűk koncentrációintervallu-mon). Kémiai képlettel leírható.

– Vas-karbid, Fe3C vagy cementit 6,67% C-nél (25 at-%) keletkező vegyület. A

Fe–C rendszer metastabil kiválása, amely köny-nyen létrejön a nem egészen lassú lehűléskor.

– Grafit – Koncentráció Az Fe–C rendszer stabil kiválása, amely csak

egészen lassú lehűléskor tud kialakulni. Az alapalkotóhoz adott ötvözőelem mennyi-

sége tömegszázalékban vagy atom-%-ban. A fá-zisdiagramon függőleges vonallal jelezzük. – Acél: Fe–C ötvözet, amelyben C < 2,14%.

Hipereutektoidos acél: 0,76< C< 2,14%. – Hőmérséklet Eutektoidos acél: C = 0,76% C. A fázisdiagram függőleges tengelye. A fázisdi-

agramon vízszintes vonallal jelezzük. Hipoeutektoidos acél: 0 < C < 0,76%.

– Öntöttvas: Fe–C ötvözet, ahol C ≥ 2,14%. – Egyfázisú tartomány Hipereutektikus vas: 4,3< C< 6,67%. Olyan tartomány a fázisdiagramon, mely-

ben csak az olvadék v. egy szilárd oldat stabil. Eutektikus vas: C = 4,3% C. Hipoeutektikus vas: 2,14 ≤ C < 4,3%. Függőleges vonal (valamelyik komponens,

ill. az adott rendszer vegyületei). 4.1.3. Az Fe–C rendszer szövetelemei

– Kétfázisú tartomány Szövetelemnek nevezzük ötvözetnek az opti-kai mikroszkópos vizsgálattal (pl. szín, alak, mé-ret, eloszlás szerint) megkülönböztethető részeit.

Olyan tartomány, amelyben két tetszőleges, de egymással a hőmérséklet mentén szomszédos fázis stabil. A vele szomszédos 2 fázis alkotja.

– δ-ferrit, ausztenit, ferrit – Háromfázisú tartomány Egyfázisú, lágy szövetelemek, optikai mik-

roszkópos szövetképük a 66. ábrán látható. A fázisdiagram vízszintes vonalai. Az a 3 fázis stabil, amelyek a végein és közben érintik a víz-szintest.

33. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

– Perlit – Vas-karbid, Fe3C vagy cementit Kétfázisú, közepes szilárdságú szövetelem,

ferrit (≈ 0% C) és cementit (6,67% C) alkotja. A fázisdiagram S pontjának megfelelő, 0,76% C-tartalmú ausztenitből keletkezik a lehűléskor: al-lotrop átalakulással ferrit + cementit elegyévé alakul. Szerkezete jellegzetes: lemezes (67. ábra). A perlithez hasonlóan, egy szilárd fázisból két másik keverékeként keletkező átalakulási termék általános fémtani megnevezése: eutektoid.

Primer cementit: az olvadékból kristályo-sodik elsődlegesen (69.a. ábra: vastag tűk). Szekunder cementit: ausztenitből kristályo-

sodik, az abban oldódni nem tudó karbon kivá-lása miatt (69.b. ábra: vastag tűk a perlitben). Tercier cementit: ferritből kristályosodik,

az abban oldódni nem tudó szén kiválása miatt (69.c. ábra: a vastagabb szemcsehatárokon).

67. ábra – Finomlemezes (F) és durvalemezes (C) perlit

a)

b)

c) 66. ábra – Delta-ferrit (a), ausztenit (b) és ferrit (c)

68. ábra – Lédeburit eutektikus fehéröntöttvasban

a)

b)

c) 69. ábra – A cementit változatai

– Lédeburit Kétfázisú szövetelem, ausztenit és vas-karbid

alkotja. Nevét felfedezője, Adolf Ledebur (1837-1916), a híres Bergakademie Freiberg első pro-fesszora tiszteletére kapta. A fázisdiagram C pontjának megfelelő, azaz 4,3% C-tartalmú ol-vadékból keletkezik annak lehűléskor. Szerkezete a két fázis finom elegye (68. ábra). A hozzá ha-sonlóan, egy folyadék fázisból két szilárd keveré-keként keletkező átalakulási termék általános fémtani megnevezése: eutektikum.

34. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

Az acélok esetében a martenzit – a kristály-rácsból kidiffundálni nem tudó karbon rácstorzu-lást eredményező hatása miatt – sokkal nagyobb szilárdságú lesz, mint az ugyanolyan acélból ke-letkező perlit. Az általában igen törékeny tűs martenzit szövetképe a 71. ábrán látható. A martenzit Adolf Martens (1850–1914) a berlini anyagvizsgáló laboratórium igazgatója tiszteleté-re kapta a nevét.

– Grafit Lemezes grafit: egykristályként válik ki az

eutektikus olvadékból, elmetszve girbe-gurba lemezeket formáz, ezt szemlélteti a 70.a. ábra. Gömbgrafit: gömbszemcsésítő ötvözőknek

(Mg) köszönhető az alakja, polikristályos (70.b.). Vermikuláris (átmeneti) grafit: 70.c. ábra.

a)

b)

c) 70. ábra – Lemezgrafitos (a), gömbgrafitos (b)

és vermikuláris (v. átmeneti grafitos) szövet

71. ábra – Martenzit szövetképei (fent: Osmund, 1901.)

– Bénit Tulajdonságait tekintve a perlit és a martenzit

közé sorolható, tehát a szilárdsága nagy, de nem olyan törékeny, mint a martenzit. Nevét E. C. Bain tiszteletére kapta.

– Martenzit Az előzőekben láttuk, hogy a lehűtéskor az –

egyéb ötvözőt nem tartalmazó – acélban és ön-töttvasban az ausztenit 727°C-on még éppen lé-tezhet (ekkor a C-tartalma nem lehet más, csak az eutektoidos koncentrációnak megfelelő 0,76%). Ennél kisebb hőmérsékleteken viszont az ausztenitnek át kell alakulnia ferritté, a ferrit-ben oldhatatlan karbonnak pedig cementitté. Ezt a lassú hűtésnél, valamint a 727°C-tól nem sok-kal kisebb hőmérsékleteken∗ végbemenő folya-matot nevezzük perlites átalakulásnak, amely egy jellemző típusa a diffúziós átalakulásoknak.

72. ábra – Bénittűk (sötét) martenzittel (világos) körbevéve

Ugyanakkor egészen más jellegű átalakulással tűnik el az ausztenit abban az esetben, ha a le-hűtés sebessége meghalad egy kritikus értéket.

∗ Figyelembe kell venni azt, hogy az ausztenit allotrop átala-kulásának megkezdődése is és lezajlása is időt vesz igénybe, s emiatt a túlhűtött ausztenit hosszabb ideig is létezhet, mie-lőtt perlitté alakulna.

35. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

4.2. Az alapvető öntészeti módszerek

1 2 3

4 5 6

7 8 75. ábra – A precíziós öntés lépései: 1–Viaszminta sajtolása

a fémformában, 2–Viaszminták „bokrosítása”, 3–Többszöri bemártás finom kerámiaszemcséket tartalmazó emulzióba,

öntése a kerámiaformába, 6–A kerámiahéj széttörése,

Az öntészet az alakadó technológiák egyike. Alapelve az, hogy az elkészíteni kívánt alkatrész alakjával pontosan megegyező minta (amely le-het fém, fa, viasz stb.) segítségével elkészítenek egy formát, és ezt a formát kitöltik a megolvasz-tott fémmel, amely a formában szilárdul meg. A vasöntészeti ipar az öntöttvasból és acélból ké-szülő öntvények előállítását végzi, a világterme-lés az ezredfordulón kb. 65 millió tonna volt. Az öntészeti módszereket egyszerűen lehet csopor-tosítani a formázási és öntési módszerek alapján:

– Osztott formák Homokformák: homok + kötőanyag. Héjformák: a formázóanyag (homok +

kötőanyag) mennyisége jelentősen csökken. Fémformák (kokilla): többször felhasznál-

ható, szemben az összes többi formával. Kerámiaformák.

– Osztatlan formák Centrifugálöntés (pörgetőöntés) 73. ábra.

szárítás, 4–Viasz kiolvasztása forró vízben, 5–Fémolvadék

7–A darabok levágása a bokorról, 8–Készre munkálás

Precíziós öntés v. „viaszveszejtéses öntés”, lépéseit a 75. ábra vázolja.∗ Különleges formák (rugalmas, kiégő hab).

Kiszorításos öntés (squeeze casting), lépé-seit vázlatosan a 76. ábra szemlélteti.

– A formakitöltés módja Gravitációs öntés (74. ábra),

Tixotrop öntés v. „félszilárd” öntés. pörgetőöntés (73. ábra), Vákuumos öntés, 77. ábra. nyomásos öntés.

76. ábra – A kiszorításos öntés vázlata

73. ábra – A horizontális pörgetőöntés vázlata

77. ábra – A vákuumos öntés vázlata

74. ábra – Formakészítés és a kiöntött forma

∗ Az öntészethez és jó néhány más tananyagrészhez kapcso-lódóan a tanszéki honlapról letölthetők segédletek: www.mtt.bme.hu oktatás a Fémek technológiája c. tan-tárgy letölthető anyagai között.

36. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

4.3. Az öntöttvasak típusai, jellemző tulaj-donságai és felhasználási területe

Az öntöttvas a 2,1%-nál több karbont, ezen-kívül számos szokásos ötvöző- és szennyező elemet tartalmazó többalkotós vasötvözet. Az ún. szürkeöntöttvas az Fe-C (stabil vagy egyen-súlyi) rendszerben, az ún. fehéröntöttvas pedig a metastabil Fe-Fe3C rendszerben kristályosodik: lásd a 64. ábrát. A karbonnnak az öntöttvasban alkotott fázisa – grafit avagy vas-karbid – a hűtés sebességétől és az ötvözőktől függ. A kétféle el-nevezés a töretfelület sötétszürke (grafitos), ill. ezüstfehér (vas-karbid) színe miatt alakult ki.

Az öntöttvasak szövetszerkezetét egyrészt a T telítettségi fokkal, másrészt pedig a szövetelemek típusaival jellemzik:

T > 1 ⇒ hipereutektikus, T = 1 ⇒ eutektikus, T < 1 ⇒ hipoeutektikus.

Az öntöttvasak szövetszerkezetének összetevői egyszerűen meghatározhatók a Greiner–Klingenstein-diagram alapján: a C és a Si össze-ge, valamint a falvastagság közötti összefüggés alapján jellemzi a várható szövetet (78. ábra).

0 10 20 30 40 50 60 74

5

6

7

0

V.IV.III.II.I.

V. - Ferrites szürkevasIV. - Ferrit-perlites szürkevas

II. - Vegyes szövetû vasakI. - Fehérvas

III. - Perlites szürkevas

(C +

Si)

men

nyis

ége

[%]

Falvastagság [mm]

78. ábra – A Greiner–Klingenstein-diagram

4.3.1. Az egyes öntöttvasfélék tulajdonságai

– Lemezgrafitos öntöttvas A mechanikai tulajdonságok (szilárdság, ru-

galmassági modulus stb.) annál jobbak, minél kisebb a grafit mennyisége (T kicsi), minél egyenletesebb a grafitlemezek eloszlása és ki-sebb a mérete. Ezeket az öntési hőmérséklet, a T telítettségi fok és a lehűlési sebesség jelentősen

befolyásolja. Az öntöttvasak tulajdonságai a fal-vastagságtól erősen függnek.

– A lemezgrafitos öntöttvas előnyei (az acél-hoz viszonyítva):

- jobb önthetőség (kisebb öntési hőmérséklet, kisebb zsugorodás)

- jó nyomószilárdság, - jó rezgéscsillapító képesség, - jól forgácsolhatóság, - jó kopásállóság, - jó hővezető képesség és hőállóság, - korrózióállóság (pl. talajba fektetett csőveze-

tékek), - olcsó. A nagyon nagy méretű alkatrészek gyártása

terén jelentős szerepet kap az öntési technológia, amelyre néhány példát mutat a 79. ábra.

79. ábra – Lemezgrafitos öntöttvasból készített termékek

)(3,03,4

3,027,031,026,4

PSiC

PMnSiCT

+−≈

≈−+−

=

37. oldal

A n y a g i s m e r e t 4. fejezet: A vasöntészet anyagai

38. oldal

– az oxidáló atmoszférában izzítva előállított fehér temperöntvényekre és

– A gömbgrafitos öntöttvas A gömbgrafitos öntöttvas előállításának ipari

méretű módszerei az 1940-es évektől kerültek bevezetésre. Magyarországon az 1950-es évek-ben eredményesen oldották meg a gömbgrafitos öntöttvasak előállítását (Gillemot László profesz-szor vezetésével a BME Mechanikai Technológia Tanszék).

– a semleges atmoszférában hőkezelt, ún. fekete temperöntvényekre.

A tempervas az oxidáló közegben dekarbonizálódik: a szén kiégése az öntvény fe-lületén kezdődik és halad befelé. A temperálás vékonyfalú (3-15 mm) gyártmányoknál hatásos (pl.: csőszerelvények stb.). A gömbgrafitos öntöttvasak a nagy szilárdság

(folyáshatár) mellett jelentős szívóssággal (nyúlá-si) is rendelkeznek (A5=2÷17%).

A hőkezelést védőgázban végezve az öntvény törete sötét, ezért az ilyen öntvényeket fekete temperöntvénynek nevezzük. A cementit a hő-kezelés hatására temperszénné alakul. A fehér és a ferrites fekete temperöntvények a mechanikai tulajdonságok alapján növelt szilárdságú szívós öntöttvasak.

Forgattyús tengely

Fogaskerék, átmérője 6 m

A Toyota egyik modelljének gömbgrafitos öntvény alkatrészei 80. ábra – Gömbgrafitos öntöttvasból készített termékek

Felhasználásuk ott indokolt, ahol a kovácso-lás a termék bonyolultsága miatt túl költséges. A temperöntvények a jó szilárdság mellett jelentős szívóssággal is rendelkeznek. Mezőgazdasági és textilipari gépek, közlekedési eszközök alkatré-szeiként alkalmazzák. Temperöntvényből készül-hetnek a gépjárművekben a fárasztó és/vagy di-namikus igénybevételnek kitett hajtórudak, mo-tor-, sebességváltómű-, tengelykapcsolóház, bütykös- és forgattyús tengelyek stb. A perlites temperöntvények kopásállósága kedvező, amelyre a lánchajtások elemeinél van szükség.

A vasöntészeti anyagok alapjellemzőit hason-lítja össze az 5. táblázat (az acélöntvények tár-gyalása nem része a tananyagnak).

Tulajdonság

Gömb

grafi

tos

Temp

erön

tvény

Leme

zgra

fitos

Acélö

ntvén

y

Fehé

rvas

Önthetőség 5 4 5 1 3

Megmunkálhatóság 4 4 5 3 0

Rezgéscsillapítás 4 4 5 2 1

Felületkeményítés 5 5 5 3 0

Young-modulus 5 4 3 5 0

Ütésállóság 4 3 1 5 0

Korrózióállóság 5 4 5 2 4

Szilárdság/tömeg 5 2 1 3 0

Kopásállóság 4 2 3 1 5

Gyártási költség 4 3 5 2 3

Kiváló ⇐ 5 – 4 – 3 – 2 – 1 – 0 ⇒ Nagyon gyenge

5. táblázat – A vasöntvények alaptulajdonságai

– Temperöntvények A temperöntvények alapanyaga a tempervas:

ez fehérvas, melyben a karbon (2,2–3,4%) kizá-rólag kötött formában, lédeburit és perlit szövet-ben van jelen. A cementit maradéktalan elbon-tását hőkezelés biztosítja („temperálás”), ennek módjától függően a temperöntvényeket 2 nagy csoportra oszthatjuk: