2014. október: jegyzet, portré, anyagtudomány, tudomány, biotechnológia, paragrafus, innováció, ipari automatizálás, vízgazdálkodás, zöldkörnyezet, it
2014. október 6.

Szerző:
Szegedi Imre

Hatásfoknövelő hőkezelés

Egy-egy fém vagy fémes ötvözet tulajdonságait nagyon sok tényező határozza meg. Az előállított anyagok vagy alkatrészek néhány jellemzőjén nem, vagy alig tudunk módosítani – ilyen például a kémiai összetétel –, azon viszont változtathatunk (bizonyos határok között), hogy milyen mechanikai tulajdonságai legyenek anyagunknak. E módosítás kézenfekvő eszköze a hőkezelés, aminek éppen az az értelme, hogy az anyag kémiai összetételének megváltoztatása nélkül, a mikroszerkezet befolyásolásával hozzunk létre vagy erősítsünk valamilyen, számunkra kedvező tulajdonságot. A hőkezelési eljárásokról a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem három szakértőjét kérdeztük.


„Hőkezelésen nem feltétlenül kell különleges beavatkozást érteni. A lényeg az, hogy valamilyen előzetesen meghatározott program alapján felhevítik, hőn tartják és lehűtik, vagy esetenként éppen túlhűtik, majd normál hőmérsékletre melegítik az adott anyagot. Ezt véghezvihetjük gyorsan és lassan, egyszer és többször” – vázolja fel röviden a hőkezelés lényegét a Budapesti Műszaki és Gazdaság­tudományi Egyetem (BME) Anyagtudomány és Technológia Tanszékét vezető Szabó Péter János.

Mérnökgenerációk sora számtalan méréssel, elméleti és gyakorlati úton is kitapasztalta, hogy a fémek szerkezetében milyen hatások érhetők el hőkezeléssel, és a kívánt hatáshoz milyen hőmérsékletre és mennyi ideig kell hevíteni az adott fémet. Ennek köszönhetően konkrét felhasználási igény esetén a szakemberek meg tudják mondani, hogy egy adott alapanyagból milyen eljárások alkalmazásával juthatnak el a kívánt célig.

Százan a szakmáról
Közel száz szakember vesz részt a Gépipari Tudományos Egyesület Hőkezelő Szakosztálya által szervezett XXVI. Hőkezelő és Anyagtudomány a Gépgyártásban című országos konferencián. A 2014. október 8–10-én, Balatonfüreden megrendezendő eseményen a fémes anyagok – az acélok és elsősorban az alumíniumötvözetek – mellett kerámiákkal, polimerekkel és kompozit anyagokkal foglalkoznak. A konferencia főbb témái közé tartozik az acélok és öntöttvasak mellett az alumíniumötvözetek hőkezelése; a gázok szerepe a hőkezelésben; a hőkezelő kemencék; az új anyagok és új, tulajdonságváltoztató technológiák. Kiemelt figyelem övezi a matematikai modellezést az anyagtudományban és a hőkezelésben, a hőkezelés szerepét a gépipari beszállító vállalkozásoknál, különös tekintettel a járműgyártásra, illetve az új, korszerű hőkezelési és felületkezelési technológiákat. Ugyancsak sok szó esik a hőkezelés minőségbiztosításáról, illetve a környezetvédelmi vonatkozásokról. Évekkel ezelőtt mondta Prohászka János, a Műegyetem egykori professzora, hogy az anyagtudomány és az anyagtechnológiák (ilyen a hőkezelés) közötti kapcsolat a következő: az anyagtudomány a miértekre keresi a választ, az anyagtechnológiák meg a hogyanra. A balatonfüredi konferencia előadásainak fele a hogyanra koncentrál, tehát a gyakorlati megoldásokra keresnek válaszokat, míg a másik fele a miértekre helyezi a hangsúlyt, vagyis az elmélet és a gyakorlat egymást erősíti.

Ha nem is hőkezelésnek hívták, de már az ókorban is alkalmazták ezt az eljárást a fegyverek edzésekor. Az edzés maga is egyfajta hőkezelés: a kovácsmester izzó szénbe dugva több száz fokos hőmérsékletre hevítette a vasat, majd kalapálta, utána pedig nagyon gyorsan lehűtötte. Napjainkban ezzel a módszerrel lényegében azonos elv alapján végeznek szilárdságnövelő eljárásokat, habár izzó szén helyett a mai kornak megfelelő hevítőeszközöket, például speciális kemencéket alkalmaznak.

Érdekes helyzet adódik abból, hogy a fémes anyagokkal szemben két egymásnak ellentmondó követelményt támasztunk. Az egyik, hogy legyenek rendkívül szilárdak, ugyanakkor képesek legyenek maradandó alakváltozásra, és legyenek alakíthatók. Gondoljunk egy szalagkorlátra! Ha betonból készül, ripityára töri az autót. Ha gumiszalagból, elszakad a járművet védeni hivatott korlát, és az autó a szakadékba zuhan. Olyan anyagra van tehát szükség, amelynek nagy az energiaelnyelő képessége. A fémek rácsszerkezete ciklikus hőkezeléssel a célnak megfelelő formába hozható. Az ókoriak fémedzéséhez hasonlóan előbb nagy hőmérsékletre hevítik, majd egymás után többször is lehűtik, de úgy, hogy két ciklus között hengerelik, nyújtják az anyagot. Ezt nevezik ciklikus termomechanikus kezelésnek. Ha ügyesen csinálják, eljuthatnak a kedvező ultrafinomszemcsés állapotba. A több hazai intézmény részvételével napjainkban folyó egyik kutatás célja ennek az állapotnak az elérése olcsó, egyszerű és hagyományos anyaggal, például acéllal. A műegyetemi szakemberek egyebek mellett arra vállalkoztak, hogy olcsó titánrúdból ultrafinomszemcsés titánt hoznak létre, amelyből különféle orvosi implantátumok, protézisek készíthetők.

Orbulov Imre Norbert tanszékvezető-helyettes szerint a hőkezelések olyan mikroszerkezeti változásokat okoznak az anyagon belül, amelyek a felhasználó számára kedvező tulajdonságváltozással járnak. Egy acélötvözet esetében például fontos, hogy a benne lévő alapötvöző, a szén milyen formában van jelen. Normál esetben az acéloknál a szén vegyületként, vaskarbidként van jelen. Attól függően, hogy mennyi vaskarbid van az acélban, és az hogyan oszlik el, illetve egy-egy hőkezelési lépés után miként hat a vasatomok alkotta rácsszerkezetre, a vaskarbid alapvetően befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat, ily módon ugyanis a hőkezeléssel a szénatomok eloszlása, megjelenési formája változtatható meg.

A hevítés módjában sokat fejlődött ez a terület. Például ha van egy szerszámunk vagy alkatrészünk, amelynél a felületnek nagyon keménynek kell lennie, de ezt a keménységet nem várjuk el az eszköz egészétől, akkor elegendő, ha a felületet hőkezeljük. Persze az egészet a kívánt keménységű anyagból is legyárthatjuk, ám akkor nagyon drága lesz. Sokkal kevesebbe kerül, ha egy olcsó anyagnak csupán a külső néhány mikrométeres vagy milliméteres rétegét keményítjük az általunk kívánt mértékre. A felületi keményítés egyik módja a felületi edzés. Ebben az esetben például lézernyalábbal felizzítanak egy apró felületdarabot, így azonban olyan kicsiny térfogat hevül fel, hogy a lézer kikapcsolása után a környező, szoba-hőmérsékletű fémrész pillanatok alatt elvezeti a hőt. Egy automatika vezérli a nyaláb mozgását, ezért a felület minden pontja átesik a lézeres felület­kezelésen. Azaz, külső médium alkalmazása nélkül is létrejön a nagy hűtési sebesség. A lézeres felületi ötvözés szintén izgalmas területe az anyagtudománynak. Ez meglehetősen hasonlít a lézeres felületi edzéshez, a különbség csupán annyi, hogy az előbbinél nagyobb teljesítményű a lézernyaláb. A lézerrel kis foltban itt meg is olvasztják az anyagot, majd a keletkező folyadéktócsába, azaz olvadt fémbe egy fúvókával apró szemcséjű ötvözőanyagot, például roppant kemény kerámiát visznek be. A keletkező fém-kerámia réteg keménysége sokszorosan meghaladja az alapanyagét.

A hagyományos anyagok egy, esetleg két fő komponensből állnak, amihez az esetek többségében legfeljebb 1-2 százaléknyi ötvözőanyagot adnak. Az úgynevezett nagy entrópiájú anyagok esetében 16-20 százalékos mennyiségben vannak jelen a fémek. Az eredmény egy olyan anyag, amely nagyon nagy hőmérsékletig tartja meg kedvező tulajdonságait, például a kiinduló anyagoknál magasabb hőmérsékleten lágyul, illetve olvad. Az acél 900 Celsius-fokon már rengeteget veszít szilárdságából, míg egy nagy entrópiájú anyag több száz fokkal magasabb hőmérsékleten, akár 1400 fokon is megtartja szilárdságát. (A New York-i ikertornyok is azért dőltek össze, mert a becsapódó repülőgépek által okozott tűzvészben az acél tartószerkezet vesztett szilárdságából.) A nagy entrópiájú anyagokat nagyon leegyszerűsítve fémek összeöntésével, összekeverésével állítják elő, és kész is a fantasztikus anyag. Ám a gyakorlatban ez mégsem ilyen egyszerű, amit az is bizonyít, hogy nagy entrópiájú fémet csak speciális öntödék tudnak előállítani.

Van, amikor igen gyorsan szeretnénk növelni (máskor meg csökkenteni) az anyag hőmérsékletét. A gyors hőmérséklet-emelésre találták ki az indukciós kemencéket, amelyek hétköznapi változatai a háztartásokban is megjelentek: ezek az indukciós főzőlapok. Az indukciós főzőlap működése a mágnesességen alapul. A főzőlap alatt indukciós tekercsek vannak, amelyek elektromágnesként működnek, ha bekapcsoljuk a főzőlapot. A váltakozó áram mágneses mezőt hoz létre, és a mező környezetében lévő vasalapú edényben áram indukálódik, ami hőt termel, és ezzel együtt a hőmérséklete is megemelkedik. Ráadásul a hőmérséklet emelésével tovább nő az ellenállás, ami még több hő termelését eredményezi. Ez a hőmennyiség elegendő a főzéshez, sőt például a víz sokkal gyorsabban felforr, mint gáz vagy elektromos főzőlapokon. Fontos tudni, hogy az indukciós főzőlapon a folyamat láthatatlan, míg gáznál a lángot, üvegkerámia főzőlapnál pedig a fűtőszál izzását látjuk. Az indukciós főzőlap fényei csak „tájékoztatóak”, hogy melyik része működik. A főzőlap végig hideg, illetve csak annyira melegszik fel, amennyire az edény visszamelegíti. Az edény viszont meglehetősen forró lesz. Hagyományos főzésnél is átmelegszik az edény, csak ott látjuk is, hogy mitől lett forró a bogrács, a lábas vagy a serpenyő. A BME szakemberei természetesen nem főzésre használják az indukciós kemencéiket, hanem olvasztásra és hőkezelésre. A laboratóriumi méreteken régen túllépve arra is lehetőség nyílik, hogy – mint a járműiparban – sorozatban kezeljenek nagyméretű alkatrészeket, például tengelyeket. A gyártósorban áthúzzák egy nagyfrekvenciás indukciós tekercsen, és már vörösen izzik.

Napjainkban az egyszerű felületi hőkezelések is gyors ütemben fejlődnek, de az igazán látványos eredményeket a diffúzió jelenségét kihasználva érik el. Ez esetben (valamilyen közegbe helyezve) a fém felületének kémiai összetételét bizonyos vastagságban megváltoztatják. Például szenet visznek bele, ami a legkönnyebben szén-dioxidos, szén-monoxidos környezetben lehetséges. Ezzel a megoldással – a nagyközönség a tanulmányaiból cementálásként emlékezhet erre a módszerre – keményebb lesz az anyagunk, azaz megnöveltük a kopásállóságát. Ha nem szenet, hanem nitrogént viszünk az általunk kiválasztott anyag felületére, akkor nitridálásról beszélünk. A nitridálás során – a módszert egyre gyakrabban alkalmazzák szerkezeti és szerszámacélok felületi kezelésére – a darab felületébe elemi nitrogént juttatnak, ami termikus diffúzióval behatol a darab belsejébe, a vassal vegyületeket képez, növelve a kopásállóságát, keménységét és korrózióállóságát. A nitrogént leadó közeg lehet szilárd, folyékony, gáz vagy plazma állapotú. Hazánkban mindhárom közeget alkalmazzák.

Cementálással ugyan vastagabb felületi réteget lehet kialakítani, mint nitridálással, a kezelés részét képező edzéskor azonban a darab viszonylag nagymértékű térfogatváltozást szenved, illetve vetemedik. Ezzel szemben nitridáláskor a munkadarab térfogata pusztán a felvett nitrogén által okozott növekedés miatt változik meg kismértékben és előre számolható módon. Ennek következtében a szerszámok és szerkezeti elemek nitridálásakor elhagyható a keménymegmunkálás. Mivel a munkadarabok a kemencével együtt hűlnek, a gyors hűtés által okozott mechanikai feszültségek sem jelentkeznek hibaforrásként. Az eddig említett, már széles körben alkalmazott eljárásokat egészítik ki a szintén egyre inkább elterjedő kombinált eljárások: a nitrocementálás vagy karbonitrálás.

Az ultragyors dermesztés során a hagyományos folyamat – formába öntöm a fémet és hagyom kihűlni – töredéke alatt hűl le az anyag. Olyan gyorsan, hogy az anyagnak nincs ideje a hagyományos, kristályos rácsszerkezet kialakítására, ezért az üveghez hasonló amorf szerkezet alakul ki. Nem túl nagy találékonysággal az ilyen anyagokat fémüvegnek nevezik, mondván, hogy ezeknek is különleges mágneses és mechanikai tulajdonságai vannak.

A hőkezelés a járműgyártás egyik kiemelkedő jelentőségű részlegénél, a motorgyártásnál is szerepet követel magának. Mindannyian el tudjuk képzelni, hogy a hengerfej és a benne mozgó dugattyú különleges igénybevételnek van kitéve. Ezért a hengerfal és a dugattyú között megfelelő kenést kell biztosítani. Ha mindkét felület tökéletesen sima, akkor nem marad meg rajtuk a kenőanyag. Ezért a henger falát különböző technológiákkal kérgesítik, megkarcolják. A hengereknél az általánosan alkalmazott lemezgrafitos öntöttvasban a szén grafitként van jelen, viszonylag nagy, lemezes részecskék formájában. Egy új módszerrel lézert vezetnek körbe ezen a felületen, ami a felületen található, illetve a felülethez közeli szenet kiégeti. Visszamaradnak apró kis üregek, amelyekben tócsaként tárolódik a kenőanyag. Ez az újítás jó néhány százalékkal megnöveli a motor hatásfokát, hiszen nagyobb hőmérsékletet bír el ez a rendszer, ami nagyobb sebességet jelent. Ég és föld a különbség, ha egy hagyományos autóból átülünk egy ugyanolyan hengerűrtartalmú, de az új módszerrel készült járműbe.

Ginsztler János akadémikus, a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék professor emeritusa szerint a károsodásanalízis örökzöld kutatási irány, a tanszék évtizedek óta aktív ezen a területen. Károsodásanalízisen a szerkezetek tönkremenetelének kutatását értik. Ha ezt pontosan feltérképezik, ha megértik a károsodáshoz vezető folyamat okait, megakadályozhatják, hogy hasonló eszközök esetében ugyanez előforduljon. Például igaz lehet, hogy egy elem eltört, de ha e tapasztalat alapján a többit, mondjuk, 10 százalékkal szilárdabbra vagy keményebbre stb. készítik, akkor jelentősen megnövelhető az élettartama.

Léteznek károsodási folyamatok, amelyek igen hosszú idő alatt teszik tönkre az anyagot. A nagy hőmérsékleten üzemelő erőművi csővezetékeknél például 20-30 ezer üzemóra után jelentkezik az elöregedés, addig észre sem veszik. Ellenben, ha bekövetkezik, az az alkatrész menthetetlen, ki kell cserélni, ami az erőmű teljes leállásával is járhat. Elképzelhető, mennyibe kerül egy leállás, ha például egy atomerőmű egyik blokkjáról van szó.

Megoldásként szóba jöhet a károsodási folyamatot valamilyen módon visszafordító hőkezelési technológia. Ginsztler János éppen azt vizsgálta, hogy miként deríthető ki egy alkatrészről, hogy annak károsodása még visszafordítható vagy menthetetlen. Senki se higgye, hogy egy ilyen diagnosztika pofonegyszerű feladat! Az üzemeltetés során a fémekben különféle reakciók játszódnak le a szemcsehatárok mentén, ezek tudatos befolyásolásával jelentős élettartam-növekedés érhető el. Regeneráló hőkezeléssel – ezen általában a magas hőmérsékleten üzemelő berendezések anyagainak élettartam-meghosszabbítását értik – például megakadályozhatják a fémben az üregek képződését, mert ha az üregek túl nagyra nőnek, megrepedhet az anyag. Ahhoz azonban, hogy ezt növelni tudják, előtte alapos vizsgálatsorozatra van szükség az alapállapot megállapításához. Az atomerőművi reaktortartályok élettartama várhatóan meghaladja az ötven évet, ennek a tartálynak a paramétereivel minden pillanatban tisztában kell lenni. Más, kevésbé kritikus elemeknél, ahol anyagfáradást észlelnek, az időben elvégzett regeneráló hőkezeléssel vagy az adott komponens cseréjével számottevően növelhető az élettartam.

A hazai ipari vállalatoknál természetesen alkalmazott szintű, technológiai célokat szolgáló kutatások – gyártással kapcsolatos problémák megoldása, új anyagok fejlesztése – folynak, alapkutatással általában nem foglalkoznak. Ha elakadnak, gyakran a műegyetemi tanszék segítségét kérik, hogy vizsgálják meg az előállított termék tulajdonságait, mikroszerkezetét. Számos ilyen jellegű megrendelés kötődik autóipari beszállítókhoz, ám azt is el kell ismerni, hogy a multinacionális cégek ilyen jellegű kérésekkel sokszor nem a hazai egyetemeket keresik meg. A másik erős megrendelői csoport az alapanyaggyártóké. Szabó Péter János elmondta, hogy rendszeresen pályáznak közös kutatási programokkal, ahol olyan alapanyagok előállítása a cél, amelyeket később a cégek a gyártásban tudnak hasznosítani.

A károsodási folyamatok jelentős része a szemcsehatárok mentén terjed. Egy ilyen jellegű különleges eset megoldására ma is példaként emlékeznek a tanszék munkatársai. Egy beszállító az általa gyártott kipufogódobban a kipufogócsövet rézalapú keményforrasztással rögzítette. És nem értette, hogy ezek a csövek miért törnek ki egymás után a helyükről. A tanszéki laboratóriumban végzett elemzéssel kiderítették, hogy megdöbbentő módon a forraszanyag jégcsapszerűen behatolt a szemcsehatárok közé, és ez vezetett a repedésekhez, törésekhez. A műegyetemi szakemberek ciklikus termomechanikus kezeléssel megváltoztatták a szemcsehatárok tulajdonságait, s ezzel a megoldással bizonyíthatóan nagymértékben csökkentették a forrasztóanyag szemcsehatár menti beoldódását. Többé nem törtek a csövek.

Finom(szemcsés) megoldás
Szintén a szemcsehatárral kapcsolatos probléma jelentkezett a repülőgépek turbinahajtóműveiben. Az évtizedekkel ezelőtt gyártott, relatíve nagy hőmérsékleten működő, szüntelenül forgó, a centrifugális erő miatt állandóan terhelt lapátok gyorsan tönkrementek. A mérnökök azonban rájöttek arra, hogy a megoldás olyan anyag kifejlesztése, amelynél nem jelentkezhet a szemcsehatár-probléma. Ilyen anyag az egykristály. Megfelelő hűtési technikával az ömledék állapotból elérhető, hogy egy kristálycsírából adott orientáció szerint szilárduljon meg az anyag. A mai magas hatásfokú és hosszú élettartamú sugárhajtóművek nem létezhetnének ilyen egykristály turbinalapátok nélkül. A szemcsehatárok kiküszöbölésével megnőtt a turbinalapátok termikus és kifáradási élettartama, javult a korrózióállóságuk, vékonyabb falakkal gyárthatók és nagyobb a hőtűrésük. Ezek a tényezők mind hatásfok-növekedéssel járnak. Az utóbbi években az áramtermelő gázturbinákban is egykristály lapátokat alkalmaznak. (A 200 és 400 megawatt közötti villamos teljesítményt előállító berendezésekben használt lapátok mérete tízszerese a sugárhajtóművekben működőkének.) A legnagyobb hőmérsékleten működő egykristály turbinalapátok körülbelül 45 centiméter hosszúak, míg a repülőgép-hajtóművekben 6-8 centiméteres lapátok vannak.

Fémek hőkezelése mellett létezik hőkezelés a műanyagoknál és a kerámiáknál is. Nagyon kevés olyan honfitársunk van, akinek ne pótolták volna foghiányát kerámiával. A kerámiáknál ugyanakkor nem a kész anyag tulajdonságainak megváltoztatására alkalmazzák a hőkezelést, hanem magának az anyagnak az előállítására. A kiindulási anyag egy nagyon finom por, amelyet a kívánt formába öntenek. Ezután megfelelő nyomáson nagy hőmérsékletre hevítik, aminek hatására a szemcsék egymáshoz tapadnak. (Tapadnak, mert hevítéskor nem érik el az olvadási hőmérsékletet.) Ezzel az eljárással olyan ötvözet is létrehozható, amire hagyományos megoldásokkal – kohászati módszert értve ezen – nem vagyunk képesek. Volfrámötvözeteket, kerámiákat készítenek például ily módon. A nagy hőállóságú kerámiák, mint például a fúvókák, a folyamat elején forgácsolással még alakíthatók, de a nagy hőmérsékletű hőkezelésen vagy zsugorításon átesett kerámiák (egy alumínium-oxid kerámia térfogata több százalékkal is csökken) legfeljebb gyémántcsiszolóval formázhatók. A kerámiák kiváló hőállóságuk mellett kopásállóságukról is ismertek, ezért ilyen anyagból igen nagy igénybevételnek kitett golyóscsapágyat készítenek nagy fordulatszámon üzemelő gépekhez.

Statikus igénybevételnél ezek hatékonyan üzemelnek olyan hőmérsékleten, amin egy acélcsapágy már összeégne.•

Magyar műhely
A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Anyagtudomány és Technológia Tanszéke a hőkezeléssel kapcsolatos hazai kutatások nagy hagyományú központja. Az itt folyó munka minőségét kiválóan jelzi, hogy a tanszék egykori professzora, Konkoly Tibor szakterületének legnagyobb nemzetközi kitüntetését, az Edström-medált is megkapta, és másodmagával ő írta a minden amerikai mérnök által használt nagy kézikönyv, az ASM egyik fejezetét (Hő­kezelés – Számítógéppel segített tulajdonságtervezés). Kevés olyan magyar kutató van, aki szakterületének világszerte elismert művében egy fejezetet írhatott. Az ő tanítványai töltenek be meghatározó szerepet a hazai egyetemeken és kutatóintézetekben, illetve dolgoznak a mind nagyobb szerepet játszó ipari kutatásokban. A hazai szakmai műhelyek sorában a budapesti műegyetem mellett mindenképpen meg kell említeni a miskolci, a győri és a kecskeméti felsőoktatási intézményeket. Számos hazai vállalkozás is alkalmaz hőkezeléssel kapcsolatos megoldásokat: a Dunaferr és az alapanyag-forgalmazók mellett elsősorban a hazai járműbeszállítókra kell gondolni.
 
Innotéka