Hærdning (metallurgi) - Tempering (metallurgy)
Temperering er en proces med varmebehandling, som anvendes til at forøge sejheden af jern -baserede legeringer . Hærdning udføres normalt efter hærdning for at reducere noget af den overskydende hårdhed og udføres ved at opvarme metallet til en temperatur under det kritiske punkt i en bestemt periode og derefter lade det køle af i stille luft. Den nøjagtige temperatur bestemmer mængden af fjernet hårdhed og afhænger af både den specifikke sammensætning af legeringen og af de ønskede egenskaber i det færdige produkt. For eksempel hærdes meget hårde værktøjer ofte ved lave temperaturer, mens fjedre er hærdet ved meget højere temperaturer.
Introduktion
Hærdning er en varmebehandlingsteknik, der anvendes på jernholdige legeringer , såsom stål eller støbejern , for at opnå større sejhed ved at mindske legeringens hårdhed . Reduktionen i hårdhed ledsages normalt af en stigning i duktilitet , hvorved metalets skørhed mindskes . Hærdning udføres normalt efter slukning , hvilket er hurtig afkøling af metallet for at sætte det i sin hårdeste tilstand. Hærdning opnås ved kontrolleret opvarmning af det quenchede emne til en temperatur under dens "lavere kritiske temperatur ". Dette kaldes også den lavere transformationstemperatur eller lavere arrest (A 1 ) temperatur; temperaturen, ved hvilken de krystallinske faser af legeringen, kaldet ferrit og cementit , begynder at kombinere for at danne en enfaset fast opløsning kaldet austenit . Opvarmning over denne temperatur undgås for ikke at ødelægge den meget hårde, quenchede mikrostruktur, kaldet martensit .
Præcis kontrol af tid og temperatur under tempereringsprocessen er afgørende for at opnå den ønskede balance mellem fysiske egenskaber. Lav tempereringstemperatur kan kun aflaste de indre spændinger og mindske skørhed, samtidig med at størstedelen af hårdheden opretholdes. Højere tempereringstemperaturer har tendens til at producere en større reduktion i hårdhed, hvilket ofrer en vis flydestyrke og trækstyrke for en stigning i elasticitet og plasticitet . Imidlertid kan hærdning ved lave temperaturer i nogle lavlegerede stål , der indeholder andre grundstoffer som krom og molybdæn , medføre en stigning i hårdhed, mens hårdheden vil falde ved højere temperaturer. Mange stål med høje koncentrationer af disse legeringselementer opfører sig som udfældningshærdende legeringer , hvilket giver de modsatte virkninger under de betingelser, der findes i quenching og hærdning, og kaldes maraging stål .
I kulstofstål ændrer hærdning størrelsen og fordelingen af carbider i martensitten og danner en mikrostruktur kaldet "hærdet martensit". Hærdning udføres også på normaliserede stål og støbejern for at øge duktilitet, bearbejdelighed og slagstyrke. Stål hærdes normalt jævnt, kaldet "gennem hærdning", hvilket giver en næsten ensartet hårdhed, men det opvarmes undertiden ujævnt, kaldet "differentiel hærdning", hvilket giver en variation i hårdhed.
Historie
Hærdning er en gammel varmebehandlingsteknik. Det ældste kendte eksempel på hærdet martensit er en plukkeøkse, der blev fundet i Galilæa og stammer fra omkring 1200 til 1100 f.Kr. Processen blev brugt i hele den antikke verden, fra Asien til Europa og Afrika. Mange forskellige metoder og kølebade til slukning er blevet forsøgt i gamle tider, fra slukning i urin, blod eller metaller som kviksølv eller bly, men hærdningsprocessen har været relativt uændret gennem tiderne. Hærdning blev ofte forvekslet med slukning, og ofte blev udtrykket brugt til at beskrive begge teknikker. I 1889 skrev Sir William Chandler Roberts-Austen : "Der er stadig så meget forvirring mellem ordene" temperament "," temperering "og" hærdning "i skrifter fra endda fremtrædende myndigheder, at det er godt at beholde disse gamle definitioner nøje i tankerne. Jeg bruger ordet temperering i samme forstand som blødgøring. "
Terminologi
I metallurgi kan man støde på mange udtryk, der har meget specifikke betydninger inden for marken, men kan virke temmelig vage set fra udefra. Udtryk som "hårdhed", "slagfasthed", "sejhed" og "styrke" kan bære mange forskellige konnotationer, hvilket gør det undertiden svært at skelne den specifikke betydning. Nogle af de begreber, der er stødt på, og deres specifikke definitioner er:
- Styrke : Modstandsdygtighed over for permanent deformation og rivning. Styrke i metallurgi er stadig et temmelig vagt begreb, så det er normalt opdelt i flydestyrke (styrke ud over hvilken deformation bliver permanent), trækstyrke (den ultimative rivestyrke), forskydningsstyrke (modstand mod tværgående eller skærekræfter) og trykstyrke (modstandsdygtighed over for elastisk afkortning under belastning).
- Sejhed : Modstandsdygtighed over for brud , målt ved Charpy-testen . Sejhed øges ofte, når styrken falder, fordi et materiale, der bøjer, er mindre tilbøjeligt til at bryde.
- Hårdhed : En overflades modstandsdygtighed over for ridser, slid eller fordybning. I konventionelle metallegeringer er der en lineær sammenhæng mellem indrykningshårdhed og trækstyrke, hvilket letter målingen af sidstnævnte.
- Skørhed : Skørhed beskriver materialets tendens til at gå i stykker, før det bøjes eller deformeres enten elastisk eller plastisk. Skørhed øges med nedsat sejhed, men påvirkes også stærkt af indre belastninger.
- Plasticitet : Evnen til at forme, bøje eller deformere på en måde, der ikke spontant vender tilbage til sin oprindelige form. Dette er proportionalt med stoffets duktilitet eller formbarhed .
- Elasticitet : Også kaldet fleksibilitet, dette er evnen til at deformere, bøje, komprimere eller strække sig og vende tilbage til den oprindelige form, når den eksterne belastning er fjernet. Elasticitet er omvendt relateret til Youngs modul af materialet.
- Slagmodstand : Normalt synonymt med højstyrke sejhed, det er evnen til at modstå stødbelastning med minimal deformation.
- Slidstyrke : Normalt synonymt med hårdhed, dette er modstandsdygtighed over for erosion , ablation , spalling eller galdende .
- Strukturel integritet : Evnen til at modstå en maksimal nominel belastning, mens du modstår brud, modstår træthed og producerer en minimal mængde bøjning eller afbøjning for at give en maksimal levetid .
Kulstofstål
Meget få metaller reagerer på varmebehandling på samme måde eller i samme omfang, som kulstofstål gør, og kulstofstål varmebehandlingsadfærd kan variere radikalt afhængigt af legeringselementer. Stål kan blødgøres til en meget formbar tilstand ved udglødning , eller det kan hærdes til en tilstand, der er så hård og sprød som glas ved at slukke . Imidlertid er stål i hærdet tilstand normalt alt for sprødt og mangler brudstyrke til at være nyttigt til de fleste applikationer. Hærdning er en metode, der anvendes til at mindske hårdheden og derved øge duktiliteten for det quenchede stål for at give metallet en smule fjedring og smidighed. Dette gør det muligt for metallet at bøje sig før det går i stykker. Afhængigt af hvor meget temperament der tilføres stålet, kan det bøjes elastisk (stålet vender tilbage til sin oprindelige form, når belastningen er fjernet), eller det kan bøjes plastisk (stålet vender ikke tilbage til sin oprindelige form, hvilket resulterer i permanent deformation ) inden brud . Hærdning bruges til nøjagtigt at afbalancere metalets mekaniske egenskaber, såsom forskydningsstyrke , flydespænding , hårdhed , duktilitet og trækstyrke for at opnå et hvilket som helst antal af en kombination af egenskaber, hvilket gør stålet nyttigt til en lang række anvendelser. Værktøj som hamre og skruenøgler kræver god modstandsdygtighed over for slid, slagfasthed og modstandsdygtighed over for deformation. Fjedre kræver ikke så meget slidstyrke, men skal deformeres elastisk uden at gå i stykker. Bildele har en tendens til at være lidt mindre stærke, men skal deformeres plastisk, før de går i stykker.
Bortset fra i sjældne tilfælde, hvor der er behov for maksimal hårdhed eller slidstyrke, såsom det uhærdede stål, der bruges til filer , hærdes slukket stål næsten altid til en vis grad. Imidlertid er stål undertiden udglødet gennem en proces kaldet normalisering , hvilket efterlader stålet kun delvist blødgjort. Hærdning bruges undertiden på normaliserede stål for yderligere at blødgøre det, hvilket øger smidbarheden og bearbejdeligheden for lettere metalbearbejdning . Hærdning kan også anvendes på svejset stål for at aflaste nogle af de belastninger og overskydende hårdhed, der dannes i den varmepåvirkede zone omkring svejsningen.
Slukket stål
Temperering er oftest udført på stål, der er blevet opvarmet til over sin øvre kritisk (A 3 ) temperatur og derefter hurtigt afkølet, i en proces kaldet quenching , ved anvendelse af fremgangsmåder, såsom neddypning af varmt stål i vand, olie eller tvungen luft. Det slukkede stål, der placeres i eller meget tæt på sin hårdest mulige tilstand, hærdes derefter for trinvist at reducere hårdheden til et punkt, der er mere egnet til den ønskede anvendelse. Hærdet af det slukkede stål afhænger af både kølehastighed og af legeringens sammensætning. Stål med et højt kulstofindhold når en meget hårdere tilstand end stål med et lavt kulstofindhold. Ligeledes vil hærdning af kulstofstål til en bestemt temperatur producere stål, der er betydeligt hårdere end kulstoffattigt stål, der er hærdet ved den samme temperatur. Den tid, der holdes ved tempereringstemperaturen, har også en effekt. Hærdning ved en let forhøjet temperatur i kortere tid kan give den samme effekt som hærdning ved en lavere temperatur i længere tid. Hærdetider varierer afhængigt af kulstofindholdet, størrelsen og den ønskede anvendelse af stålet, men varierer typisk fra et par minutter til et par timer.
Hærdning af kølet stål ved meget lave temperaturer mellem 66 og 148 ° C (151 og 298 ° F) vil normalt ikke have særlig stor effekt end en let lindring af nogle af de indre spændinger og et fald i sprødhed. Hærdning ved højere temperaturer, fra 148 til 205 ° C (298 til 401 ° F), vil medføre en svag reduktion i hårdhed, men vil primært aflaste meget af de indre spændinger. I nogle stål med lavt legeringsindhold forårsager hærdning i området 260 og 340 ° C (500 og 644 ° F) et fald i duktilitet og en stigning i sprødhed og betegnes som "hærdet martensit-sprødhed" (TME) rækkevidde. Undtagen i tilfælde af smedning undgås dette interval normalt. Stål, der kræver mere styrke end sejhed, såsom værktøj, hærdes normalt ikke over 205 ° C (401 ° F). I stedet produceres en variation i hårdhed normalt ved kun at variere tempereringstiden. Når øget sejhed ønskes på bekostning af styrke, anvendes højere tempereringstemperaturer fra 370 til 540 ° C (698 til 1.004 ° F). Hærdning ved endnu højere temperaturer, mellem 540 og 600 ° C (1.004 og 1.112 ° F), vil give fremragende sejhed, men ved en alvorlig reduktion i styrke og hårdhed. Ved 600 ° C (1.112 ° F) kan stålet opleve et andet stadie af sprødhed, kaldet "temperament-sprødhed" (TE), der opstår, hvis stålet holdes inden for temperaturområdet for temperament-sprødhed for længe. Ved opvarmning over denne temperatur holdes stålet normalt ikke i nogen tid og afkøles hurtigt for at undgå temperament-sprødhed.
Normaliseret stål
Stål, der er opvarmet over sin øvre kritiske temperatur og derefter afkølet i stående luft kaldes normaliseret stål. Normaliseret stål består af perlit- , martensit- og undertiden bainitkorn , blandet sammen i mikrostrukturen. Dette producerer stål, der er meget stærkere end fuldgløddet stål, og meget hårdere end hærdet slukket stål. Imidlertid er der til tider behov for ekstra sejhed ved en reduktion i styrke. Hærdning giver en måde til omhyggeligt at reducere stålets hårdhed og derved øge sejheden til et mere ønskeligt punkt. Støbt stål normaliseres ofte snarere end udglødet for at mindske den forvrængning, der kan opstå. Hærdning kan reducere hårdheden yderligere og øge duktiliteten til et punkt mere som udglødet stål. Hærdning bruges ofte på kulstofstål, hvilket giver stort set de samme resultater. Processen, der kaldes "normaliser og temperer", anvendes ofte på stål såsom 1045 kulstofstål eller de fleste andre stål indeholdende 0,35 til 0,55% kulstof. Disse stål er normalt hærdet efter normalisering for at øge sejheden og lindre indre belastninger. Dette kan gøre metallet mere egnet til dets tilsigtede brug og lettere at bearbejde .
Svejset stål
Stål, der har været bue svejset , gas svejsede , eller svejset på nogen anden måde udover smedesvejste , påvirkes i et lokaliseret område af varmen fra svejsningen. Dette lokaliserede område, kaldet den varmepåvirkede zone (HAZ), består af stål, der varierer betydeligt i hårdhed, fra normaliseret stål til stål næsten lige så hårdt som quenchet stål nær kanten af denne varmepåvirkede zone. Termisk sammentrækning fra ujævn opvarmning, størkning og afkøling skaber indre spændinger i metallet, både inden for og omkring svejsningen. Hærdning bruges undertiden i stedet for spændingsaflastning (jævn opvarmning og afkøling af hele objektet til lige under A 1- temperaturen) for både at reducere de interne spændinger og mindske skørheden omkring svejsningen. Lokaliseret hærdning bruges ofte på svejsninger, når konstruktionen er for stor, indviklet eller på anden måde for ubelejlig til at opvarme hele objektet jævnt. Tempereringstemperaturer til dette formål er generelt omkring 205 ° C (401 ° F) og 343 ° C (649 ° F).
Slukke og selvtilpasse
Moderne armeringsjern med 500 MPa styrke kan fremstilles af dyrt mikrolegeret stål eller ved en quench- og selvtempereringsproces (QST). Efter at stangen kommer ud af det sidste rullende pas, hvor stangens endelige form påføres, sprøjtes stangen derefter med vand, der slukker stangens ydre overflade. Stanghastigheden og mængden af vand kontrolleres omhyggeligt for at efterlade stangens kerne ikke-slukket. Den varme kerne tempererer derefter den allerede quenchede ydre del og efterlader en bar med høj styrke, men med en vis grad af duktilitet.
Smedarbejde
Hærdning var oprindeligt en proces, der blev brugt og udviklet af smede (jernforfalskere). Processen blev højst sandsynligt udviklet af hettitterne i Anatolien (det moderne Tyrkiet) i det tolvte eller ellevte århundrede f.Kr. Uden kendskab til metallurgi blev temperering oprindeligt udtænkt gennem en prøve-og-fejl-metode.
Fordi få metoder til præcis måling af temperatur eksisterede indtil moderne tid, blev temperatur normalt bedømt ved at se metalets hærdende farver. Hærdning bestod ofte af opvarmning over et trækul eller en kulsmed eller ved ild, så det var normalt ikke muligt at holde arbejdet nøjagtigt den rette temperatur i den korrekte tid. Hærdning blev normalt udført ved langsomt, jævnt overophedning af metallet, som det bedømmes af farven, og derefter straks afkøling, enten i fri luft eller ved nedsænkning i vand. Dette gav stort set den samme effekt som opvarmning til den rette temperatur i den rigtige tid og undgik sprødhed ved temperering inden for en kort tidsperiode. Selvom der findes tempereringsfarve guider, kræver denne metode til hærdning normalt en god mængde øvelse for at perfektionere, fordi det endelige resultat afhænger af mange faktorer, herunder stålets sammensætning, den hastighed hvormed det blev opvarmet, typen af varmekilde ( oxiderende eller karburiserende ), kølehastighed, oliefilm eller urenheder på overfladen og mange andre omstændigheder, der varierer fra smed til smed eller endda fra job til job. Stålets tykkelse spiller også en rolle. Med tykkere genstande bliver det lettere at opvarme overfladen kun til den rigtige temperatur, inden varmen kan trænge igennem. Dog kan meget tykke genstande muligvis ikke hærde hele vejen igennem under slukning.
Hærdende farver
Hvis stål er blevet friskmalet, slibet eller poleret, vil det danne et oxidlag på overfladen, når det opvarmes. Efterhånden som stålets temperatur øges, vil tykkelsen af jernoxidet også øges. Selvom jernoxid normalt ikke er gennemsigtigt, tillader sådanne tynde lag lys at passere igennem, hvilket reflekterer fra både den øverste og den nedre overflade af laget. Dette forårsager et fænomen kaldet tyndfilminterferens , som producerer farver på overfladen. Da tykkelsen af dette lag stiger med temperaturen, får det farverne til at skifte fra meget lysegul til brun, derefter lilla og derefter blå. Disse farver vises ved meget præcise temperaturer og giver smeden en meget nøjagtig måler til måling af temperaturen. De forskellige farver, deres tilsvarende temperaturer og nogle af deres anvendelser er:
- Svagt gul - 176 ° C (349 ° F) - gravører, barbermaskiner, skrabere
- Lysstrå - 205 ° C (401 ° F) - stenboremaskiner, brøndere, metalskæresave
- Mørkstrå - 226 ° C (439 ° F) - skrivere, høvleblade
- Brun - 260 ° C (500 ° F) - vandhaner, matricer, bor, hamre, kolde mejsler
- Lilla - 282 ° C (540 ° F) - kirurgiske værktøjer, stansning, stenudskæringsværktøj
- Mørkeblå - 310 ° C (590 ° F) - skruetrækkere, skruenøgler
- Lyseblå - 337 ° C (639 ° F) - fjedre, træskæresave
- Gråblå - 371 ° C (700 ° F) og højere - strukturelt stål
Ud over den gråblå farve mister jernoxidet sin gennemsigtighed, og temperaturen kan ikke længere bedømmes på denne måde. Laget øges også i tykkelse, når tiden går, hvilket er en anden grund til overophedning og øjeblikkelig afkøling anvendes. Stål i en hærdningsovn, der holdes ved 205 ° C (401 ° F) i lang tid, begynder at blive brun, lilla eller blå, selvom temperaturen ikke oversteg den nødvendige for at producere en lysstrå farve. Oxiderende eller karburiserende varmekilder kan også påvirke det endelige resultat. I modsætning til rust beskytter jernoxidlaget også stålet mod korrosion gennem passivering .
Differentiel temperering
Differentiel hærdning er en metode til at tilvejebringe forskellige mængder temperament til forskellige dele af stålet. Metoden bruges ofte i messesmed til fremstilling af knive og sværd for at give en meget hård kant, mens den blødgør rygsøjlen eller midten af bladet. Dette øgede sejheden, samtidig med at den opretholdt en meget hård, skarp, slagfast kant, hvilket bidrog til at forhindre brud. Denne teknik blev oftere fundet i Europa i modsætning til de forskellige hærdningsteknikker , der er mere almindelige i Asien, såsom i japansk sværdsmede .
Differentiel hærdning består i kun at anvende varme på en del af bladet, normalt rygsøjlen, eller midten af dobbeltkantede blade. For ensidige blade anvendes varmen, ofte i form af en flamme eller en rødglødende stang, kun på bladets rygsøjle. Derefter overvåges bladet omhyggeligt, når de hærdende farver dannes og langsomt kryber mod kanten. Varmen fjernes derefter, før lysstråfarven når kanten. Farverne vil fortsætte med at bevæge sig mod kanten i en kort periode, efter at varmen er fjernet, så smeden fjerner typisk varmen lidt tidligt, så den lysegule lige når kanten og bevæger sig ikke længere. En lignende metode anvendes til dobbeltkantede knive, men varmekilden påføres bladets centrum, så farverne kan krybe ud mod hver kant.
Afbrudt slukning
Afbrudte slukningsmetoder kaldes ofte hærdning, selvom processerne er meget forskellige fra traditionel hærdning. Disse metoder består i at standse til en bestemt temperatur, der er over martensitens starttemperatur (M s ), og derefter holde ved denne temperatur i længere tid. Afhængig af temperaturen og mængden af tid tillader dette enten ren bainit at dannes eller hold-off og danner martensitten, indtil meget af de indre spændinger slapper af. Disse metoder er kendt som austempering og martempering.
Austempering
Austempering er en teknik, der bruges til at danne ren bainit, en overgangs mikrostruktur, der findes mellem perlit og martensit. Ved normalisering findes både øvre og nedre bainit normalt blandet med perlit. For at undgå dannelse af perlit eller martensit standses stålet i et bad af smeltede metaller eller salte. Dette afkøler hurtigt stålet forbi det punkt, hvor perlit kan dannes, og ind i det bainit-dannende område. Stålet holdes derefter ved den bainitdannende temperatur ud over det punkt, hvor temperaturen når en ligevægt, indtil bainitten dannes fuldstændigt. Stålet fjernes derefter fra badet og får lov til at afkøle luft uden dannelse af hverken perlit eller martensit.
Afhængigt af holdetemperaturen kan austempering producere enten øvre eller nedre bainit. Øvre bainit er en laminatstruktur dannet ved temperaturer typisk over 350 ° C (662 ° F) og er en meget hårdere mikrostruktur. Nedre bainit er en nålelignende struktur, produceret ved temperaturer under 350 ° C og er stærkere, men meget mere sprød. I begge tilfælde frembringer austempering større styrke og sejhed for en given hårdhed, som hovedsagelig bestemmes af sammensætning snarere end afkølingshastighed, og reducerede indre spændinger, der kan føre til brud. Dette producerer stål med overlegen slagfasthed. Moderne slag og mejsler er ofte tempereret. Da austempering ikke producerer martensit, kræver stålet ikke yderligere hærdning.
Martempering
Martempering ligner austempering, idet stålet slukkes i et bad af smeltet metal eller salte for hurtigt at afkøle det forbi det perlitformende område. Men i martempering er målet at skabe martensite snarere end bainite. Stålet afkøles til en meget lavere temperatur end det, der anvendes til temperering; til lige over martensitens starttemperatur. Metallet holdes derefter ved denne temperatur, indtil temperaturen på stålet når en ligevægt. Stålet fjernes derefter fra badet, inden nogen bainit kan dannes, og får derefter lov til at afkøle og omdanne det til martensit. Afbrydelsen i afkøling tillader, at meget af de indre spændinger slapper af, før martensitten dannes, hvilket mindsker stålets skørhed. Imidlertid skal martempered stål normalt gennemgå yderligere hærdning for at justere hårdheden og sejheden, undtagen i sjældne tilfælde, hvor maksimal hårdhed er nødvendig, men den medfølgende skørhed ikke er. Moderne filer er ofte hærdet.
Fysiske processer
Hærdning involverer en tretrins proces, hvor ustabil martensit nedbrydes til ferrit og ustabile carbider og til sidst til stabil cementit, der danner forskellige faser af en mikrostruktur kaldet hærdet martensit. Martensitten består typisk af drejebænke (strimler) eller plader, der undertiden fremstår akikulær (nålelignende) eller linseformet (linseformet). Afhængigt af kulstofindholdet indeholder det også en vis mængde "tilbageholdt austenit." Tilbageholdt austenit er krystaller, der er ude af stand til at transformere til martensit, selv efter bratkøling under den martensitiske finish (M f ) temperatur. En stigning i legeringsmidler eller kulstofindhold forårsager en stigning i tilbageholdt austenit. Austenit har meget højere stabelfejlsenergi end martensit eller perlite, hvilket sænker slidstyrken og øger chancerne for galdning , selvom nogle eller de fleste af den tilbageholdte austenit kan omdannes til martensit ved kolde og kryogene behandlinger før temperering.
Martensitten dannes under en diffusionsløs transformation , hvor transformation sker på grund af forskydningsspændinger, der er skabt i krystalgitterne snarere end ved kemiske ændringer, der opstår under nedbør. Forskydningsspændingerne skaber mange defekter eller " dislokationer " mellem krystallerne, hvilket giver mindre stressende områder, hvor kulstofatomer kan flytte. Efter opvarmning migrerer kulstofatomer først til disse defekter og begynder derefter at danne ustabile carbider. Dette reducerer mængden af total martensit ved at ændre noget af det til ferrit. Yderligere opvarmning reducerer martensitten endnu mere og omdanner de ustabile carbider til stabil cementit.
Den første tempereringstrin opstår mellem stuetemperatur og 200 ° C (392 ° F). I det første trin udfældes kulstof i ε-kulstof (Fe 2,4 C). I det andet trin, der forekommer mellem 150 ° C (302 ° F) og 300 ° C (572 ° F), omdannes den tilbageholdte austenit til en form for lavere bainit indeholdende ε-carbon snarere end cementit (arkaisk omtalt som "troostit "). Den tredje fase forekommer ved 200 ° C (392 ° F) og højere. I det tredje trin udfældes ε-kulstof i cementit, og kulstofindholdet i martensit falder. Hvis hærdet ved højere temperaturer, mellem 650 ° C (1.202 ° F) og 700 ° C (1.292 ° F), eller i længere tid, kan martensitten blive fuldstændig ferritisk, og cementitten kan blive grovere eller sfæroidiseret. I sfæroidiseret stål brydes cementitnetværket fra hinanden og trækkes tilbage til stænger eller sfæriske formede kugler, og stålet bliver blødere end udglødet stål; næsten lige så blød som rent jern, hvilket gør det meget let at forme eller bearbejde .
Krympning
Krympning opstår under hærdning, når stål gennem et specifikt temperaturområde oplever en stigning i hårdhed og en reduktion i duktilitet i modsætning til det normale fald i hårdhed, der opstår på begge sider af dette område. Den første type kaldes hærdet martensit-sprødhed (TME) eller et-trins sprødhed. Den anden betegnes som temper-sprødhed (TE) eller totrins-sprødhed.
Ét-trins sprødgørelse forekommer normalt i kulstofstål ved temperaturer mellem 230 ° C (446 ° F) og 290 ° C (554 ° F), og blev historisk omtalt som "500 graders [Fahrenheit] sprødhed." Denne sprødhed sker på grund af nedbør af Widmanstatten nåle eller plader , lavet af cementit, i martensitens mellemliggende grænser. Urenheder såsom fosfor eller legeringsmidler som mangan kan øge sprødheden eller ændre den temperatur, ved hvilken den opstår. Denne form for sprødhed er permanent og kan kun lindres ved opvarmning over den øvre kritiske temperatur og derefter slukke igen. Imidlertid kræver disse mikrostrukturer normalt en time eller mere at danne, så det er normalt ikke et problem i smedmetoden til hærdning.
To-trins sprødhed forekommer typisk ved ældning af metallet inden for et kritisk temperaturinterval eller ved langsomt at afkøle det i det område. For kulstofstål er dette typisk mellem 370 ° C (698 ° F) og 560 ° C (1.040 ° F) , selvom urenheder som fosfor og svovl øger effekten dramatisk. Dette sker generelt, fordi urenhederne er i stand til at migrere til korngrænserne og skabe svage pletter i strukturen. Krympningen kan ofte undgås ved hurtigt at afkøle metallet efter hærdning. To-trins skørhed er dog reversibel. Krympningen kan elimineres ved at opvarme stålet over 600 ° C (1.112 ° F) og derefter hurtigt afkøle.
Legeret stål
Mange elementer er ofte legeret med stål. Hovedformålet med legering af de fleste elementer med stål er at øge dets hærdbarhed og mindske blødgøring under temperatur. Værktøjsstål kan for eksempel have elementer som krom eller vanadium tilføjet for at øge både sejhed og styrke, hvilket er nødvendigt for ting som skruenøgler og skruetrækkere . På den anden side skal borekroner og roterende filer beholde deres hårdhed ved høje temperaturer. Tilsætning af kobolt eller molybdæn kan få stål til at bevare sin hårdhed, selv ved rødglødende temperaturer og danne højhastighedsstål. Ofte tilsættes små mængder af mange forskellige elementer til stålet for at give de ønskede egenskaber snarere end blot at tilføje en eller to.
De fleste legeringselementer (opløste stoffer) har fordelen ved ikke kun at øge hårdheden, men også sænke både martensitens starttemperatur og den temperatur, ved hvilken austenit omdannes til ferrit og cementit. Under slukning tillader dette en langsommere kølehastighed, som gør det muligt at hærde genstande med tykkere tværsnit til større dybder end det er muligt i almindeligt kulstofstål, hvilket giver mere ensartethed i styrke.
Hærdningsmetoder til legeret stål kan variere betydeligt afhængigt af typen og mængden af tilsatte elementer. Generelt vil elementer som mangan , nikkel , silicium og aluminium forblive opløst i ferrit under hærdning, mens kulstof udfældes. Når de opslæmmes, vil disse opløste stoffer normalt producere en stigning i hårdhed over almindeligt kulstofstål med samme kulstofindhold. Når hærdet legeret stål, der indeholder moderate mængder af disse elementer, hærdes, vil legeringen normalt blødgøre noget forholdsmæssigt med kulstål.
Imidlertid udfældes elementer som krom, vanadium og molybdæn under hærdningen med kulstoffet. Hvis stålet indeholder forholdsvis lave koncentrationer af disse elementer, kan blødgøringen af stålet forsinkes, indtil langt højere temperaturer er nået, sammenlignet med dem, der er nødvendige for hærdning af kulstofstål. Dette gør det muligt for stålet at opretholde sin hårdhed i applikationer med høj temperatur eller høj friktion. Dette kræver imidlertid også meget høje temperaturer under temperering for at opnå en reduktion i hårdhed. Hvis stålet indeholder store mængder af disse elementer, kan hærdning medføre en stigning i hårdhed, indtil en bestemt temperatur er nået, på hvilket tidspunkt hårdheden begynder at falde. For eksempel vil molybdænstål typisk nå deres højeste hårdhed omkring 315 ° C (599 ° F), mens vanadiumstål hærder fuldt ud, når det hærdes til omkring 371 ° C (700 ° F). Når der tilsættes meget store mængder opløste stoffer, kan legeret stål opføre sig som nedbørshærdende legeringer, som slet ikke blødgør under hærdning.
Støbejern
Støbejern findes i mange typer, afhængigt af kulstofindholdet. Imidlertid er de normalt opdelt i grå og hvidt støbejern afhængigt af den form, som karbiderne har. I grå støbejern er kulstof hovedsageligt i form af grafit , men i hvidt støbejern er kulstof normalt i form af cementit . Gråt støbejern består hovedsageligt af mikrostrukturen kaldet perlit , blandet med grafit og undertiden ferrit. Gråt støbejern bruges normalt som støbt, idet dets egenskaber bestemmes af dets sammensætning.
Hvidt støbejern består hovedsagelig af en mikrostruktur kaldet ledeburit blandet med perlit. Ledeburite er meget hårdt, hvilket gør støbejernet meget skørt. Hvis det hvide støbejern har en hypoeutektisk sammensætning , er det normalt hærdet til at producere formbart eller duktilt støbejern. To metoder til hærdning anvendes, kaldet "hvid temperering" og "sort temperering." Formålet med begge hærdningsmetoder er at få cementitten i ledeburiten til at nedbrydes, hvilket øger duktiliteten.
Hvid hærdning
Formbart (porøst) støbejern er fremstillet ved hvid hærdning. Hvid hærdning bruges til at forbrænde overskydende kulstof ved at opvarme det i længere tid i et oxiderende miljø. Støbejernet holdes normalt ved temperaturer så høje som 1.000 ° C i så længe som 60 timer. Opvarmningen efterfølges af en langsom kølehastighed på omkring 10 ° C (18 ° F) i timen. Hele processen kan vare 160 timer eller mere. Dette får cementitten til at nedbrydes fra ledeburiten, og derefter brændes kulstoffet ud gennem metaloverfladen, hvilket øger støbejernets smidbarhed.
Sort hærdning
Duktilt (ikke-porøst) støbejern (ofte kaldet "sort jern") produceres ved sort hærdning. I modsætning til hvid hærdning sker sort hærdning i et inert gasmiljø , så det nedbrydende kulstof ikke brænder af. I stedet bliver det nedbrydende kulstof til en type grafit kaldet "temper grafit" eller "flaky graphite", hvilket øger metalets smidighed. Hærdning udføres normalt ved temperaturer så høje som 950 ° C (1.740 ° F) i op til 20 timer. Hærdningen efterfølges af langsom afkøling gennem den lavere kritiske temperatur over en periode, der kan vare fra 50 til over 100 timer.
Nedbørshærdende legeringer
Nedbørshærdende legeringer kom først i brug i begyndelsen af 1900'erne. De fleste varmebehandlingsbare legeringer falder ind i kategorien af nedbørshærdende legeringer, herunder legeringer af aluminium , magnesium , titanium og nikkel . Flere højlegerede stål er også nedbørshærdende legeringer. Disse legeringer bliver blødere end normalt, når de slukkes, og hærder derefter over tid. Af denne grund kaldes nedbørshærdning ofte som "ældning".
Selvom de fleste nedbørshærdende legeringer hærder ved stuetemperatur, vil nogle kun hærde ved forhøjede temperaturer, og i andre kan processen fremskyndes ved ældning ved forhøjede temperaturer. Aldring ved temperaturer højere end stuetemperatur kaldes "kunstig ældning". Selvom metoden ligner hærdning, anvendes udtrykket "hærdning" normalt ikke til at beskrive kunstig ældning, fordi de fysiske processer (dvs. udfældning af intermetalliske faser fra en overmættet legering) de ønskede resultater (dvs. forstærkning snarere end blødgøring ), og hvor lang tid der holdes ved en bestemt temperatur er meget forskellig fra hærdning som anvendt i kulstofstål.
Se også
Referencer
Yderligere læsning
- Referencevejledning til fremstillingsprocesser af Robert H. Todd, Dell K. Allen og Leo Alting s. 410