Härdning (metallurgi) - Tempering (metallurgy)
Temperering är en process för värmebehandling, som används för att öka segheten av järn -baserade legeringar . Härdning utförs vanligtvis efter härdning för att minska en del av överflödig hårdhet och görs genom att värma metallen till en temperatur under den kritiska punkten under en viss tidsperiod och sedan låta den svalna i stillastående luft. Den exakta temperaturen bestämmer mängden hårdhet som avlägsnats och beror både på legeringens specifika sammansättning och på önskade egenskaper i den färdiga produkten. Till exempel är mycket hårda verktyg ofta tempererade vid låga temperaturer, medan fjädrar härdas vid mycket högre temperaturer.
Introduktion
Härdning är en värmebehandlingsteknik som appliceras på järnlegeringar , såsom stål eller gjutjärn , för att uppnå större seghet genom att minska legeringens hårdhet . Minskningen av hårdhet åtföljs vanligtvis av en ökning av duktiliteten , vilket minskar metallens sprödhet . Härdning utförs vanligtvis efter släckning , vilket är snabb kylning av metallen för att sätta den i sitt hårdaste tillstånd. Härdning åstadkommes genom kontrollerad uppvärmning av den kylda arbetsstycket till en temperatur under dess "lägre kritiska temperatur ". Detta kallas också den nedre omvandlingstemperaturen eller lägre stillestånd (A 1 ) temperatur; den temperatur vid vilken de kristallina faserna i legeringen, kallad ferrit och cementit , börjar kombineras för att bilda en enfas fast lösning benämnd austenit . Uppvärmning över denna temperatur undviks för att inte förstöra den mycket hårda, kylda mikrostrukturen, kallad martensit .
Exakt kontroll av tid och temperatur under anlöpningsprocessen är avgörande för att uppnå önskad balans mellan fysiska egenskaper. Låga tempereringstemperaturer kan bara lindra de inre spänningarna, vilket minskar sprödheten samtidigt som en majoritet av hårdheten bibehålls. Högre tempereringstemperaturer tenderar att producera en större minskning av hårdheten, vilket offrar viss sträckgräns och draghållfasthet för en ökning av elasticitet och plasticitet . I vissa låglegerade stål , som innehåller andra element som krom och molybden , kan härdning vid låga temperaturer dock leda till en ökning av hårdheten, medan hårdheten minskar vid högre temperaturer. Många stål med höga koncentrationer av dessa legeringselement beter sig som utfällningshärdande legeringar , vilket ger motsatta effekter under de förhållanden som finns i släckning och anlöpning och kallas maraging stål .
I kolstål förändrar härdningen storleken och fördelningen av karbider i martensiten och bildar en mikrostruktur som kallas "härdat martensit". Härdning utförs också på normaliserade stål och gjutjärn för att öka seghet, bearbetbarhet och slaghållfasthet. Stål härdas vanligtvis jämnt, kallas "genom härdning", vilket ger en nästan jämn hårdhet, men det värms ibland ojämnt, kallat "differentiell härdning", vilket ger en variation i hårdhet.
Historia
Tempering är en gammal värmebehandlingsteknik. Det äldsta kända exemplet på härdat martensit är en plocköxa som hittades i Galileen , från omkring 1200 till 1100 f.Kr. Processen användes i hela den antika världen, från Asien till Europa och Afrika. Många olika metoder och kylbad för kylning har försökt under antiken, från att släcka i urin, blod eller metaller som kvicksilver eller bly, men härdningsprocessen har varit relativt oförändrad genom åren. Temperering förväxlades ofta med släckning och ofta användes termen för att beskriva båda teknikerna. År 1889 skrev Sir William Chandler Roberts-Austen , "Det finns fortfarande så mycket förvirring mellan orden" temperament "," tempering "och" härdning ", i till och med framstående myndigheters skrifter, att det är bra att behålla dessa gamla definitioner noga i åtanke. Jag ska använda ordet tempering i samma mening som mjukgörande. "
Terminologi
I metallurgi kan man stöta på många termer som har mycket specifika betydelser inom fältet, men kan verka ganska vaga när de ses utifrån. Termer som "hårdhet", "slaghållfasthet", "seghet" och "styrka" kan bära många olika konnotationer, vilket gör det ibland svårt att urskilja den specifika innebörden. Några av de termer som påträffas och deras specifika definitioner är:
- Styrka : Motstånd mot permanent deformation och rivning. Styrka, i metallurgi, är fortfarande en ganska vag term, så är vanligtvis uppdelad i sträckgräns (styrka utöver vilken deformation blir permanent), draghållfasthet (den ultimata rivstyrkan), skjuvhållfasthet (motstånd mot tvär- eller skärkrafter) och tryckhållfasthet (motstånd mot elastisk förkortning under belastning).
- Seghet : Motstånd mot fraktur , mätt med Charpy-testet . Seghet ökar ofta när styrkan minskar, eftersom ett material som böjer är mindre benägna att bryta.
- Hårdhet : Ytans motståndskraft mot repor, nötning eller fördjupning. I konventionella metalllegeringar finns det ett linjärt samband mellan indragningshårdhet och draghållfasthet, vilket underlättar mätningen av den senare.
- Skörhet : Skörhet beskriver materialets tendens att bryta innan det böjs eller deformeras antingen elastiskt eller plastiskt. Skörhet ökar med minskad seghet, men påverkas också kraftigt av inre spänningar.
- Plasticitet : Förmågan att forma, böja eller deformera på ett sätt som inte spontant återgår till sin ursprungliga form. Detta är proportionellt med ämnets duktilitet eller smidighet .
- Elasticitet : Även kallad flexibilitet, detta är förmågan att deformera, böja, komprimera eller sträcka och återgå till den ursprungliga formen när den yttre spänningen har tagits bort. Elasticitet är omvänt relaterad till Youngs modul för materialet.
- Slagmotstånd : Vanligtvis också med seghet med hög hållfasthet, det är förmågan att motstå stötdämpning med minimal deformation.
- Slitstyrka : Vanligtvis synonymt med hårdhet, detta är motstånd mot erosion , ablation , spalling eller gallning .
- Strukturell integritet : Förmågan att motstå en maximal belastning samtidigt som den motstår fraktur, motstår trötthet och producerar en minimal mängd böjning eller avböjning för att ge maximal livslängd .
Kolstål
Mycket få metaller reagerar på värmebehandling på samma sätt eller i samma utsträckning som kolstål gör, och kolståls värmebehandlingsbeteende kan variera radikalt beroende på legeringselement. Stål kan mjukas till ett mycket smidbart tillstånd genom glödgning , eller det kan härdas till ett tillstånd som är så hårt och sprött som glas genom att släcka . I sitt härdade tillstånd är emellertid stål vanligtvis alldeles för sprött och saknar sprickhårdhet för att vara användbart för de flesta applikationer. Härdning är en metod som används för att minska hårdheten och därigenom öka det släckta stålets duktilitet för att ge metall en viss fjädring och smidighet. Detta gör att metallen kan böjas innan den går sönder. Beroende på hur mycket temperament som tillförs stålet kan det böjas elastiskt (stålet återgår till sin ursprungliga form när lasten har avlägsnats), eller det kan böjas plastiskt (stålet återgår inte till sin ursprungliga form, vilket resulterar i permanent deformation ) innan sprickor . Härdning används för att exakt balansera de mekaniska egenskaperna hos metallen, såsom skjuvhållfasthet , sträckgräns , hårdhet , duktilitet och draghållfasthet , för att uppnå valfritt antal kombinationer av egenskaper, vilket gör stålet användbart för en mängd olika applikationer. Verktyg som hammare och skiftnycklar kräver bra motståndskraft mot nötning, slagtålighet och motståndskraft mot deformation. Fjädrar kräver inte så mycket slitstyrka, men måste deformeras elastiskt utan att gå sönder. Bildelar tenderar att vara lite mindre starka, men måste deformeras plastiskt innan de går sönder.
Förutom i sällsynta fall där maximal hårdhet eller slitstyrka behövs, såsom det ohärdade stålet som används för filer , härdas stål nästan alltid till en viss grad. Stål härdas emellertid ibland genom en process som kallas normalisering , vilket gör att stålet endast delvis mjuknar. Härdning används ibland på normaliserade stål för att ytterligare mjuka upp det, vilket ökar smidigheten och bearbetbarheten för enklare metallbearbetning . Härdning kan också användas på svetsat stål för att lindra en del av påkänningarna och överskotthårdheten som skapas i den värmepåverkade zonen runt svetsen.
Släckt stål
Temperering är oftast utförs på stål som har upphettats över dess övre kritiska (A 3 ) temperatur och därefter snabbt kyls, i en process som kallas härdning , med användning av metoder såsom att nedsänka det heta stålet i vatten, olja, eller forcerad luft. Det härdade stålet, som placeras i eller mycket nära sitt hårdast möjliga tillstånd, härdas sedan för att stegvis minska hårdheten till en punkt som är mer lämplig för den önskade applikationen. Det härdade stålets hårdhet beror på både kylhastighet och legeringens sammansättning. Stål med högt kolinnehåll når ett mycket hårdare tillstånd än stål med lågt kolinnehåll. På samma sätt kommer temperering av högkolstål till en viss temperatur att producera stål som är betydligt hårdare än lågkolstål som härdat vid samma temperatur. Den tid som hålls vid anlöpningstemperaturen har också en effekt. Anlöpning vid en något förhöjd temperatur under en kortare tid kan ge samma effekt som anlöpning vid en lägre temperatur under en längre tid. Härdningstiderna varierar beroende på kolinnehåll, storlek och önskad applicering av stålet, men varierar vanligtvis från några minuter till några timmar.
Att härda kylat stål vid mycket låga temperaturer, mellan 66 och 148 ° C (151 och 298 ° F), har vanligtvis inte mycket effekt förutom en lätt avlastning av några av de inre spänningarna och en minskning av sprödheten. Temperering vid högre temperaturer, från 148 till 205 ° C (298 till 401 ° F), kommer att ge en lätt minskning av hårdheten, men kommer främst att lindra mycket av de inre spänningarna. I vissa stål med lågt legeringsinnehåll orsakar anlöpning i området 260 och 340 ° C (500 och 644 ° F) en minskning av duktilitet och en ökning av sprödhet, och kallas "den härdade martensitkrossningen" (TME) räckvidd. Förutom i fall av smed, undviks detta intervall vanligtvis. Stål som kräver mer hållfasthet än seghet, såsom verktyg, härdas vanligtvis inte över 205 ° C (401 ° F). Istället produceras en variation i hårdhet vanligtvis genom att bara variera tempereringstiden. När ökad seghet önskas på bekostnad av hållfasthet används högre tempereringstemperaturer, från 370 till 540 ° C (698 till 1004 ° F). Att temperera vid ännu högre temperaturer, mellan 540 och 600 ° C (1 004 och 1112 ° F), kommer att ge utmärkt seghet, men med en allvarlig minskning av styrka och hårdhet. Vid 600 ° C (1112 ° F) kan stålet uppleva ett annat sprödningssteg, kallat "temperförbrutning" (TE), vilket uppstår om stålet hålls inom temperaturområdet för tempereringsförstörning för länge. Vid uppvärmning över denna temperatur hålls stålet vanligtvis inte under någon tid och kyls snabbt för att undvika temperamentförstörning.
Normaliserat stål
Stål som har värmts upp över sin övre kritiska temperatur och sedan kylts i stående luft kallas normaliserat stål. Normaliserat stål består av pärl- , martensit- och ibland bainitkorn , blandade i mikrostrukturen. Detta producerar stål som är mycket starkare än helglödgat stål och mycket hårdare än härdat kyld stål. Ibland behövs dock extra seghet vid en minskning av styrkan. Härdning ger ett sätt att försiktigt minska stålets hårdhet och därigenom öka segheten till en mer önskvärd punkt. Gjutstål normaliseras ofta snarare än glödgas för att minska mängden förvrängning som kan uppstå. Härdning kan ytterligare minska hårdheten och öka duktiliteten till en punkt mer som glödgat stål. Härdning används ofta på kolstål, vilket ger ungefär samma resultat. Processen, som kallas "normalisera och temperera", används ofta på stål såsom 1045 kolstål eller de flesta andra stål som innehåller 0,35 till 0,55% kol. Dessa stål härdas vanligtvis efter normalisering för att öka segheten och lindra inre spänningar. Detta kan göra metallen mer lämplig för dess avsedda användning och lättare att bearbeta .
Svetsat stål
Stål som har bågsvetsats , gassvetsats eller svetsats på annat sätt än smidesvetsat påverkas i ett lokaliserat område av värmen från svetsprocessen. Detta lokaliserade område, kallat den värmepåverkade zonen (HAZ), består av stål som varierar avsevärt i hårdhet, från normaliserat stål till stål nästan lika hårt som kyld stål nära kanten av denna värmepåverkade zon. Värmekontraktion från ojämn uppvärmning, stelning och kylning skapar inre spänningar i metallen, både inom och runt svetsen. Härdning används ibland istället för spänningsavlastande (jämn uppvärmning och kylning av hela objektet till strax under A 1- temperaturen) för att både minska de inre spänningarna och minska sprödheten runt svetsen. Lokaliserad härdning används ofta på svetsar när konstruktionen är för stor, invecklad eller på annat sätt för obekväm för att värma hela objektet jämnt. Tempereringstemperaturerna för detta ändamål är i allmänhet runt 205 ° C (401 ° F) och 343 ° C (649 ° F).
Släckning och självbehärskning
Modern armeringsstång med 500 MPa styrka kan tillverkas av dyrt mikrolegerat stål eller genom en QST-process (quench and self-tempering). Efter att stången lämnar det slutliga valspasset, där stångens slutliga form appliceras, sprutas stången sedan med vatten som släcker stångens yttre yta. Stånghastigheten och mängden vatten kontrolleras noggrant för att lämna stångens kärna okyld. Den heta kärnan dämpar sedan den redan kylda yttre delen och lämnar en stång med hög hållfasthet men med en viss grad av seghet också.
Smed
Härdning var ursprungligen en process som användes och utvecklades av smeder (järnförfalskare). Processen utvecklades med största sannolikhet av hettiterna i Anatolien (dagens Turkiet) under det tolfte eller elfte århundradet f.Kr. Utan kunskap om metallurgi utvecklades härdning ursprungligen genom en försök-och-fel-metod.
Eftersom få metoder för exakt mätning av temperatur existerade fram till modern tid bedömdes temperaturen vanligtvis genom att titta på metallens härdningsfärger. Anlöpning bestod ofta av uppvärmning över en kol- eller kolsmide eller genom eld, så det var vanligtvis inte möjligt att hålla arbetet vid exakt rätt temperatur under rätt tid. Anlöpningen utfördes vanligtvis genom att metall sakta, jämnt överhettas, enligt färgens bedömning, och sedan omedelbart kyla, antingen i friluft eller genom nedsänkning i vatten. Detta gav ungefär samma effekt som uppvärmning till rätt temperatur under rätt tid och undvikde sprödhet genom att temperera inom en kort tidsperiod. Även om härdningsfärgguider finns, kräver denna härdningsmetod vanligtvis en hel del övning för att perfekta, eftersom det slutliga resultatet beror på många faktorer, inklusive stålets sammansättning, den hastighet med vilken det värmdes, typen av värmekälla ( oxiderande eller karburerande ), kylhastighet, oljefilmer eller föroreningar på ytan och många andra omständigheter som varierar från smed till smed eller till och med från jobb till jobb. Ståltjockleken spelar också en roll. Med tjockare föremål blir det lättare att bara värma ytan till rätt temperatur innan värmen kan tränga igenom. Men mycket tjocka föremål kanske inte kan härda hela vägen under släckning.
Härdande färger
Om stål har nyslipats, slipats eller polerats, kommer det att bilda ett oxidskikt på ytan vid uppvärmning. När stålets temperatur ökas kommer tjockleken på järnoxiden också att öka. Även om järnoxid normalt inte är transparent, tillåter sådana tunna skikt ljus att passera genom, vilket reflekterar från både den övre och nedre ytan av skiktet. Detta orsakar ett fenomen som kallas tunnfilmstörning , vilket ger färger på ytan. Eftersom tjockleken på detta skikt ökar med temperaturen får det färgerna att ändras från mycket ljusgul till brun, sedan lila och sedan blå. Dessa färger visas vid mycket exakta temperaturer och ger smeden en mycket exakt mätare för temperaturmätning. De olika färgerna, deras motsvarande temperaturer och några av användningarna är:
- Svagt gul - 176 ° C (349 ° F) - gravörer, rakhyvlar, skrapor
- Ljusstrå - 205 ° C (401 ° F) - bergborrar, bromsar, metallskärsågar
- Mörkstrå - 226 ° C (439 ° F) - skrivare, hyvelblad
- Brun - 260 ° C (500 ° F) - kranar, matriser, borr, hammare, kalla mejslar
- Lila - 282 ° C (540 ° F) - kirurgiska verktyg, stansar, stenhuggningsverktyg
- Mörkblå - 310 ° C (590 ° F) - skruvmejslar, skiftnycklar
- Ljusblå - 337 ° C (639 ° F) - fjädrar, virksågar
- Gråblå - 371 ° C (700 ° F) och högre - konstruktionsstål
Utöver den gråblå färgen tappar järnoxiden sin genomskinlighet och temperaturen kan inte längre bedömas på detta sätt. Skiktet kommer också att öka i tjocklek när tiden går, vilket är en annan anledning till överhettning och omedelbar kylning används. Stål i en härdningsugn, hållen vid 205 ° C (401 ° F) under lång tid, börjar bli brun, lila eller blå, även om temperaturen inte översteg den som behövs för att ge en ljusstrå färg. Oxiderande eller karburiserande värmekällor kan också påverka slutresultatet. Till skillnad från rost skyddar järnoxidskiktet också stålet från korrosion genom passivering .
Differentiell härdning
Differentialhärdning är en metod för att tillföra olika mängder av temperering till olika delar av stålet. Metoden används ofta vid knäppning , för att tillverka knivar och svärd , för att ge en mycket hård kant medan du mjukgör ryggraden eller bladets mitt. Detta ökade segheten samtidigt som den bibehåller en mycket hård, skarp, slagtålig kant, vilket hjälper till att förhindra brott. Denna teknik hittades oftare i Europa, i motsats till de differentiella härdningstekniker som är vanligare i Asien, till exempel i japansk svärdsmidning .
Differentialhärdning består i att applicera värme på endast en del av bladet, vanligtvis ryggraden, eller mitten av tvåkantiga blad. För ensidiga blad appliceras värmen, ofta i form av en låga eller en glödhet, endast på bladets ryggrad. Bladet följs sedan noga upp när de härdande färgerna bildas och kryper långsamt mot kanten. Värmen avlägsnas sedan innan ljusstråfärgen når kanten. Färgerna fortsätter att röra sig mot kanten en kort stund efter att värmen har avlägsnats, så smeden tar vanligtvis bort värmen lite tidigt, så att den ljusgula bara når kanten och reser inte längre. En liknande metod används för dubbelkantade blad, men värmekällan appliceras på bladets mitt så att färgerna kryper ut mot varje kant.
Avbruten släckning
Avbrutna släckningsmetoder kallas ofta härdning, även om processerna skiljer sig mycket från traditionell härdning. Dessa metoder består av snabbkylning till en specifik temperatur som ligger över martensit start (M s temperatur), och sedan hålla vid denna temperatur under längre tidsperioder. Beroende på temperaturen och tiden tillåter detta antingen ren bainit att bildas, eller avbryter bildandet av martensiten tills mycket av de inre spänningarna slappnar av. Dessa metoder är kända som austempering och martempering.
Austempering
Austempering är en teknik som används för att bilda ren bainit, en övergångsmikrostruktur som finns mellan perlit och martensit. Vid normalisering finns vanligtvis både övre och nedre bainit blandade med pearlite. För att undvika bildandet av perlit eller martensit släcks stålet i ett bad av smälta metaller eller salter. Detta kyler snabbt stålet förbi den punkt där perlit kan bildas och in i bainitformningsområdet. Stålet hålls sedan vid den bainitbildande temperaturen, bortom den punkt där temperaturen når en jämvikt tills bainiten bildas helt. Stålet avlägsnas sedan från badet och får svalna, utan att det bildas varken perlit eller martensit.
Beroende på hålltemperaturen kan austempering ge antingen övre eller nedre bainit. Övre bainit är en laminatstruktur bildad vid temperaturer typiskt över 350 ° C (662 ° F) och är en mycket hårdare mikrostruktur. Nedre bainit är en nålliknande struktur, producerad vid temperaturer under 350 ° C och är starkare men mycket sprött. I båda fallen producerar austempering större hållfasthet och seghet för en given hårdhet, som bestäms mestadels av komposition snarare än kylhastighet, och minskade inre spänningar som kan leda till brott. Detta producerar stål med överlägsen slaghållfasthet. Moderna stansar och mejslar tappas ofta. Eftersom austempering inte producerar martensit kräver stålet inte ytterligare härdning.
Martempering
Martempering liknar austempering genom att stålet släcks i ett bad av smält metall eller salter för att snabbt kyla det förbi det perlitformande området. Men vid martempering är målet att skapa martensit snarare än bainit. Stålet släcks till en mycket lägre temperatur än vad som används vid temperaturhantering; till strax ovanför martensitens starttemperatur. Metallen hålls sedan vid denna temperatur tills stålets temperatur når en jämvikt. Stålet avlägsnas sedan från badet innan någon bainit kan bildas och får sedan svalna och förvandlas till martensit. Avbrottet i kylning gör att mycket av de inre spänningarna kan slappna av innan martensiten bildas, vilket minskar stålets sprödhet. Emellertid kommer det martempererade stålet vanligtvis att behöva genomgå ytterligare härdning för att justera hårdheten och segheten, förutom i sällsynta fall där maximal hårdhet behövs men den medföljande spröheten inte är det. Moderna filer släcks ofta.
Fysiska processer
Anlöpning innefattar en trestegsprocess där instabil martensit sönderdelas i ferrit och instabila karbider, och slutligen till stabil cementit och bildar olika steg i en mikrostruktur som kallas härdat martensit. Martensiten består vanligtvis av svarvar (remsor) eller plattor, som ibland verkar akikulär (nålliknande) eller linsformad (linsformad). Beroende på kolhalten innehåller den också en viss mängd "kvarhållen austenit." Bibehållen austenit är kristaller som inte kan omvandlas till martensit, även efter att ha släckt under martensitens ( Mf ) temperatur. En ökning av legeringsmedel eller kolinnehåll orsakar en ökning av kvarhållen austenit. Austenit har mycket högre stapelfelsenergi än martensit eller pearlite, vilket minskar slitstyrkan och ökar risken för gallning , även om en del eller de flesta av den kvarhållna austeniten kan omvandlas till martensit genom kalla och kryogena behandlingar före anlöpning.
Martensiten bildas under en diffusionsfri transformation , där transformationen sker på grund av skjuvspänningar som skapas i kristallgitteren snarare än genom kemiska förändringar som inträffar under nederbörd. Skjuvspänningarna skapar många defekter eller " förskjutningar " mellan kristallerna, vilket ger mindre stressande områden för kolatomerna att flytta om. Vid upphettning migrerar kolatomerna först till dessa defekter och börjar sedan bilda instabila karbider. Detta minskar mängden total martensit genom att ändra en del av den till ferrit. Ytterligare uppvärmning minskar martensiten ännu mer och förvandlar de instabila karbiderna till stabil cementit.
Det första steget av anlöpning sker mellan rumstemperatur och 200 ° C (392 ° F). I det första steget fälls kol ut i ε-kol (Fe 2,4 C). I det andra steget, som inträffar mellan 150 ° C (302 ° F) och 300 ° C (572 ° F), förvandlas den kvarhållna austeniten till en form av lägre bainit innehållande ε-kol snarare än cementit (arkaiskt benämnt "troostit "). Det tredje steget inträffar vid 200 ° C (392 ° F) och högre. I det tredje steget fälls ε-kol ut i cementit och kolhalten i martensiten minskar. Om det tempereras vid högre temperaturer, mellan 650 ° C (1202 ° F) och 700 ° C (1292 ° F), eller under längre tid kan martensiten bli helt ferritisk och cementiten kan bli grovare eller sfäroidiserad. I sfäroidiserat stål bryts cementitnätet sönder och drar sig tillbaka till stavar eller sfäriska formade kulor, och stålet blir mjukare än glödgat stål; nästan lika mjuk som rent järn, vilket gör det mycket enkelt att forma eller bearbeta .
Krossning
Krossning sker under anlöpning när stålet genom ett specifikt temperaturintervall upplever en ökning av hårdheten och en minskning av duktiliteten, i motsats till den normala minskningen av hårdheten som uppstår på vardera sidan av detta område. Den första typen kallas härdat martensitskrotning (TME) eller ettstegsskrotning. Den andra kallas för temperamentförstörning (TE) eller tvåstegsförstörning.
Ett-stegs sprödhet förekommer vanligtvis i kolstål vid temperaturer mellan 230 ° C (446 ° F) och 290 ° C (554 ° F), och kallades historiskt som "500 grader [Fahrenheit] -förkrossning." Denna sprödhet inträffar på grund av utfällningen av Widmanstatten-nålar eller plattor , gjorda av cementit, i martensitens mellanliggande gränser. Föroreningar såsom fosfor eller legeringsmedel som mangan kan öka sprödheten eller ändra temperaturen vid vilken den uppstår. Denna typ av sprödhet är permanent och kan endast lindras genom att värmas upp över den övre kritiska temperaturen och sedan släcka igen. Emellertid kräver dessa mikrostrukturer vanligtvis en timme eller mer för att bildas, så det är vanligtvis inte ett problem i smedmetoden att härda.
Tvåstegsförkrossning sker typiskt genom att åldra metallen inom ett kritiskt temperaturområde, eller genom att långsamt kyla den genom det intervallet. För kolstål ligger detta vanligtvis mellan 370 ° C (698 ° F) och 560 ° C (1040 ° F) , även om föroreningar som fosfor och svavel ökar effekten dramatiskt. Detta inträffar vanligtvis eftersom föroreningarna kan migrera till korngränserna och skapa svaga punkter i strukturen. Förkrossningen kan ofta undvikas genom att snabbt kyla metallen efter anlöpning. Tvåstegsförskrotning är dock reversibel. Förstörningen kan elimineras genom att värma stålet över 600 ° C (1112 ° F) och sedan snabbt kyla.
Legerat stål
Många element legeras ofta med stål. Huvudsyftet med att legera de flesta element med stål är att öka härdbarheten och minska mjukningen under temperatur. Verktygsstål kan till exempel ha element som krom eller vanadin tillsatta för att öka både seghet och styrka, vilket är nödvändigt för saker som skiftnycklar och skruvmejslar . Å andra sidan måste borrkronor och roterande filer behålla sin hårdhet vid höga temperaturer. Tillsats av kobolt eller molybden kan få stålet att behålla sin hårdhet, även vid glödheta temperaturer och bilda höghastighetsstål. Ofta tillsätts små mängder av många olika element i stålet för att ge önskade egenskaper snarare än att bara lägga till en eller två.
De flesta legeringselement (lösta ämnen) har fördelen att de inte bara ökar hårdheten utan också sänker både martensitens starttemperatur och den temperatur vid vilken austenit omvandlas till ferrit och cementit. Under kylning möjliggör detta en lägre kylhastighet, vilket gör att föremål med tjockare tvärsnitt härdas till större djup än vad som är möjligt i vanligt kolstål, vilket ger mer enhetlighet i hållfasthet.
Härdningsmetoder för legerade stål kan variera avsevärt beroende på typen och mängden tillsatta element. I allmänhet kommer element som mangan , nickel , kisel och aluminium att förbli upplösta i ferrit under härdning medan kolet fälls ut. När de släcks kommer dessa lösta ämnen vanligtvis att öka hårdheten jämfört med vanligt kolstål med samma kolhalt. När härdade legeringsstål, som innehåller måttliga mängder av dessa element, härdas, kommer legeringen vanligtvis att mjukna något proportionellt mot kolstål.
Under anlöpning fälls emellertid element som krom, vanadin och molybden ut med kolet. Om stålet innehåller relativt låga koncentrationer av dessa element, kan mjukningen av stålet fördröjas tills mycket högre temperaturer uppnås, jämfört med de som behövs för härdning av kolstål. Detta gör att stålet kan bibehålla sin hårdhet i applikationer med hög temperatur eller hög friktion. Detta kräver emellertid också mycket höga temperaturer under anlöpning för att uppnå en minskning av hårdheten. Om stålet innehåller stora mängder av dessa element kan anlöpning ge en ökad hårdhet tills en specifik temperatur uppnås, vid vilken tidpunkt hårdheten börjar minska. Till exempel kommer molybdenstål vanligtvis att uppnå sin högsta hårdhet runt 315 ° C (599 ° F) medan vanadinstål härdar helt när det härdat till cirka 371 ° C (700 ° F). När mycket stora mängder lösta ämnen tillsätts kan legeringsstål fungera som utfällningshärdande legeringar som inte mjuknar alls under härdningen.
Gjutjärn
Gjutjärn finns i många typer, beroende på kolinnehållet. De är emellertid vanligtvis uppdelade i grått och vitt gjutjärn, beroende på vilken form karbiderna har. I grått gjutjärn är kolet huvudsakligen i form av grafit , men i vitt gjutjärn är kolet vanligtvis i form av cementit . Grått gjutjärn består huvudsakligen av mikrostrukturen som kallas pearlite , blandad med grafit och ibland ferrit. Grått gjutjärn används vanligtvis som gjutet, och dess egenskaper bestäms av dess sammansättning.
Vitt gjutjärn består mestadels av en mikrostruktur som kallas ledburit blandat med perlit. Ledeburite är mycket hårt, vilket gör gjutjärnet mycket sprött. Om det vita gjutjärnet har en hypoeutektisk komposition , är det vanligtvis härdat för att producera formbart eller duktilt gjutjärn. Två tempereringsmetoder används, kallade "vit temperering" och "svart temperering." Syftet med båda härdningsmetoderna är att få cementit i ledburen att sönderdelas, vilket ökar duktiliteten.
Vit anlöpning
Formbart (poröst) gjutjärn tillverkas genom vit härdning. Vit anlöpning används för att bränna bort överflödigt kol genom att värma det under längre tid i en oxiderande miljö. Gjutjärnet hålls vanligtvis vid temperaturer så höga som 1000 ° C (1830 ° F) så länge som 60 timmar. Uppvärmningen följs av en långsam kylhastighet på cirka 10 ° C (18 ° F) per timme. Hela processen kan ta 160 timmar eller mer. Detta gör att cementiten sönderdelas från ledburiten, och sedan brinner kolet genom metallens yta, vilket ökar gjutjärns smidbarhet.
Svart anlöpning
Duktilt (icke-poröst) gjutjärn (ofta kallat "svart järn") produceras genom svart härdning. Till skillnad från vit anlöpning sker svart anlöpning i en inert gasmiljö så att det sönderdelande kolet inte brinner av. I stället förvandlas det sönderdelande kolet till en typ av grafit som kallas "tempereringsgrafit" eller "fläckig grafit", vilket ökar metallens smidighet. Temperering utförs vanligtvis vid temperaturer så höga som 950 ° C (1740 ° F) i upp till 20 timmar. Tempereringen följs av långsam kylning genom den lägre kritiska temperaturen under en period som kan vara från 50 till över 100 timmar.
Nederbörd härdande legeringar
Nedbörningshärdningslegeringar togs först i bruk under början av 1900-talet. De flesta värmebehandlingsbara legeringar faller inom kategorin legeringar av nederbördshärdning, inklusive legeringar av aluminium , magnesium , titan och nickel . Flera höglegerade stål är också fällningshärdande legeringar. Dessa legeringar blir mjukare än normalt när de släcks och hårdnar sedan över tiden. Av denna anledning kallas nederbördshärdning ofta för "åldrande".
Även om de flesta utfällningshärdande legeringar härdar vid rumstemperatur, kommer vissa endast att härda vid förhöjda temperaturer, och i andra kan processen påskyndas genom åldring vid förhöjda temperaturer. Åldrande vid temperaturer högre än rumstemperatur kallas "artificiell åldrande". Även om metoden liknar härdning används vanligtvis inte termen "anlöpning" för att beskriva artificiell åldring, eftersom de fysiska processerna (dvs. utfällning av intermetalliska faser från en övermättad legering) önskade resultat, (dvs: förstärkning snarare än mjukgörande och den tid som hålls vid en viss temperatur skiljer sig mycket från anlöpning som används i kolstål.
Se även
Referenser
Vidare läsning
- Referenshandbok för tillverkningsprocesser av Robert H. Todd, Dell K. Allen och Leo Alting s. 410