Stålhærdning og varmebehandling – proces, temperatur, mikrostruktur og egenskaber

Stålhærdning og varmebehandling er blandt de vigtigste varmebehandlingsmetoder, der anvendes til at forme de mekaniske egenskaber af stålkomponenter. Hærdning fører primært til en struktur med høj hårdhed, oftest indeholdende martensit, mens varmebehandling involverer hærdning efterfulgt af høj anløbning, hvilket giver mulighed for at opnå en gunstig kombination af styrke, duktilitet og sejhed.
Begge processer udnytter de transformationer, der sker under opvarmning af stål til det austenitiske område og dets efterfølgende afkøling. Det endelige resultat afhænger dog ikke kun af temperaturen, men også af stålets kemiske sammensætning, hærdbarhed, komponentstørrelse, austenitiseringstid, afkølingshastighed og efterfølgende anløbningsparametre.
Der findes ingen enkelt hærdningstemperatur eller hårdhed, der kan opnås for alle stålkvaliteter. Varmebehandlingsparametre bør altid være relateret til det specifikke materiale, dets oprindelige tilstand, komponentdimensioner og de nødvendige slutegenskaber.

Hvad er hærdning af stål?

Hærdning er en varmebehandlingsproces, der involverer opvarmning af stål til en passende valgt austenitiseringstemperatur, opvarmning for at opnå den ønskede austenittilstand og derefter afkøling med en hastighed, der er tilstrækkelig til at opnå den ønskede mikrostruktur.
Ved klassisk hærdning af konstruktionsstål, værktøjsstål og martensitisk rustfrit stål er hovedformålet at begrænse diffusionstransformationerne af austenit under afkøling og at opnå en struktur, der indeholder martensit.
Martensit er karakteriseret ved høj hårdhed og styrke, men umiddelbart efter hærdning kan den udvise lav plasticitet og betydelige indre spændinger. Derfor efterfølges hærdning i industriel praksis ofte af hærdningsstål.

Hvad er hærdning?

Den klassiske hærdningsproces kan opdeles i tre grundlæggende faser:

1. Opvarmning til austenitiseringstemperaturen – materialet opvarmes til det temperaturområde, der er passende for en given stålkvalitet.
2. Austenitisering og udglødning – materialet forbliver ved en temperatur, der gør det muligt at opnå den ønskede austenittilstand og opløse de strukturelle komponenter korrekt.
3. Hærdning af køling – stålet afkøles med en hastighed, der gør det muligt at opnå den ønskede struktur, oftest indeholdende martensit.

Hvert af disse trin påvirker den endelige hårdhed, styrke, slagstyrke, dimensionsstabilitet og risikoen for deformation eller revner.

Austenisering – den første fase af hærdning

Austenitisering involverer opvarmning af stål til et temperaturområde, hvor austenit dannes. Det nøjagtige temperaturområde afhænger af stålets kemiske sammensætning og type.
For hypoeutektoidstål er temperaturen et vigtigt referencepunkt Ac3, som er den temperatur, hvor strukturen omdannes til austenit under opvarmning. For andre stålgrupper kan temperaturvalget også være relateret til Ac1- og Acm-temperaturen samt opførslen af ​​karbider, der er til stede i mikrostrukturen.
Hærdningstemperaturen bør ikke identificeres med en enkelt universel værdi, f.eks. 800-900 °C. Afhængigt af kvaliteten kan den være betydeligt lavere eller højere, især i tilfælde af højtlegerede værktøjsstål og hurtigstål.
For eksempel viser data fra producenter af højtlegerede værktøjsstål, at nogle kvaliteter kræver austenitisering over 1000 °C. Derfor bør parametre altid være baseret på det specifikke materiales dokumentation.

Hvad sker der under austenisering?

Under opvarmning sker der mikrostrukturelle transformationer, hvilket fører til dannelsen af ​​austenit. Samtidig kan cementit og andre karbider opløses, og kulstof og legeringselementer kan gå i fast opløsning.
Graden af ​​karbidopløsning påvirker efterfølgende austenittens kemiske sammensætning, den temperatur, hvorved den martensitiske omdannelse begynder, mængden af ​​tilbageholdt austenit og de egenskaber af martensit, der dannes under afkøling.
Af denne grund, begge temperatur og tid for austenitisering er af stor teknologisk betydning.

Hvorfor er en for høj hærdningstemperatur ugunstig?

Forøgelse af austenitiseringstemperaturen fører ikke nødvendigvis til forbedrede egenskaber. For høj temperatur eller for lang opvarmning kan blandt andet forårsage:

• overdreven austenitkornvækst,
• for intens opløsning af karbider,
• øger mængden af ​​tilbageholdt austenit i nogle ståltyper,
• reduktion af slagstyrke,
• øget modtagelighed for deformation,
• øget risiko for revner under afkøling,
• oxidation og afkulning af overfladen på grund af upassende ovnatmosfære.

Derfor bør austenitiseringstemperaturen vælges i henhold til den specifikke stålkvalitet og de nødvendige egenskaber, og ikke maksimeres.

Afkøling under hærdning

Når austenitiseringen er fuldført, skal materialet afkøles for at opnå den nødvendige mikrostruktur. kølehastighed.
Hvis afkølingen er for langsom, kan austenitten undergå diffusionstransformationer, der fører til dannelsen af ​​ferrit, perlit eller andre strukturelle komponenter i stedet for den nødvendige mængde martensit.
På den anden side øger for intens afkøling temperaturgradienten mellem overfladen og elementets kerne, hvilket kan føre til dannelse af høje spændinger, deformationer og i ekstreme tilfælde hærdningsrevner.

Kølemedier anvendt under hærdning

Valget af hærdningsmedium afhænger af stålets hærdbarhed, elementets dimensioner, dets geometri og den nødvendige kølehastighed.

Hærdbarhed og hårdhed – de er ikke det samme

Hårdhed og hærdbarhed er forskellige egenskaber.
Hårdhed beskriver materialets modstandsdygtighed over for lokal plastisk deformation, mens hærdbarhed beskriver stålets evne til at opnå en hærdnende struktur til en specifik tværsnitsdybde under afkøling.
Stål kan derfor opnå en meget høj overfladehårdhed efter hærdning, samtidig med at den stadig har en relativt lav hærdbarhed. I en stor komponent kan overfladen derefter hærdes, mens kernen har en anden mikrostruktur.

Hvad påvirker stålets hærdbarhed?

Hærdbarheden påvirkes primært af:

• kulstofindhold,
• type og indhold af legeringselementer,
• austenit kornstørrelse,
• austenitiseringstemperatur og -tid,
• mikrostrukturens tilstand før hærdning.

Legeringselementer som krom , molybdæn , mangan eller nikkel kan ændre kinetikken af ​​austenittransformationer og øge hærdbarheden i passende stål.

Martensitisk transformation

Når superafkølet austenit afkøles hurtigt nok, kan den omdannes til martensitI modsætning til de transformationer, der fører til dannelsen af ​​perlit, er den martensitiske transformation diffusionsløs.
Atomer bevæger sig ikke over lange afstande ved diffusion. Der sker en koordineret omorganisering af krystalgitteret, og kulstoffet forbliver i en overmættet opløsning.
Den resulterende struktur er karakteriseret ved høj hårdhed, hvis niveau primært afhænger af kulstofindholdet og det specifikke ståls sammensætning og tilstand.

Temperaturer Ms og Mf

Omdannelsen af ​​austenit til martensit begynder ikke umiddelbart efter, at afkølingen begynder.

• Ms (Martensit-start) – den temperatur, hvor den martensitiske transformation begynder.
• Mf (Martensit-finish) – temperatur, hvor den martensitiske transformation i det væsentlige er fuldført.

Placeringen af ​​Ms- og Mf-temperaturerne afhænger af austenittens kemiske sammensætning. I nogle ståltyper kan Mf-temperaturen være under stuetemperatur, så tilbageholdt austenit kan forblive i mikrostrukturen efter bratkøling.

Beholdt austenit efter hærdning

Beholdt austenit er den del af austenitten, der ikke er omdannet til martensit under afkøling. Mængden afhænger blandt andet af austenittens indhold af kulstof og legeringselementer samt den anvendte austenitiseringstemperatur.
Tilstedeværelsen af ​​​​tilbageholdt austenit kan påvirke materialets hårdhed, dimensionsstabilitet, slidstyrke og opførsel under efterfølgende anløbning.
Nogle værktøjsstål bruger yderligere teknologiske operationer og flere anløbninger for at opnå den nødvendige mikrostrukturelle stabilitet.

Hærdningsspændinger og revner

Hærdning er en proces forbundet med udvikling af betydelige spændinger. Disse skyldes både ujævn afkøling af individuelle dele af tværsnittet og volumenændringer, der ledsager fasetransformationer.

Risikoen for deformation og revner øges blandt andet af:

• store forskelle i tværsnitstykkelse,
• skarpe hjørner og hak,
• for aggressivt kølemedium,
• ujævn opvarmning,
• forkert austenitiseringstemperatur,
• ugunstige stressfaktorer fra tidligere bearbejdning.

I tilfælde af komponenter med kompleks geometri skal hærdningsteknologien ikke kun tage højde for den nødvendige hårdhed, men også processikkerhed og dimensionsstabilitet.

Hvorfor hærdes stål efter hærdning?

Tilstanden umiddelbart efter hærdning er ofte ikke optimal til brug. Martensits høje hårdhed kan være forbundet med lav duktilitet, begrænset slagstyrke og betydelige indre spændinger.

Derfor udføres anløbning efter hærdning . Dette involverer genopvarmning af det hærdede stål til en temperatur under Ac1-temperaturen, udglødning og passende afkøling.

Under anløbning forekommer der ændringer i den overmættede martensit og udfældningsprocesser. Deres natur afhænger af temperatur, tid og stålets sammensætning.

Lav, medium og høj temperering

I praksis anvendes forskellige anløbningstemperaturområder. Deres nøjagtige grænser er dog ikke absolutte og bør relateres til den specifikke stålkvalitet.

Hvad er termisk forbedring?

Varmebehandling af stål er en behandling bestående af hærdning og efterfølgende høj anløbning.
Dens mål er ikke at opnå maksimal mulig hårdhed. Det vigtigste er at opnå et gunstigt sæt af mekaniske egenskaber, især høj styrke kombineret med passende plasticitet, duktilitet og modstandsdygtighed over for dynamiske belastninger.
Termisk hærdning anvendes derfor blandt andet til strukturelle elementer, der opererer under høje og variable belastninger.

Hærdning og varmebehandling – den grundlæggende forskel

Hærdning er et enkelt varmebehandlingstrin, der producerer en hærdet struktur. Varmebehandling er ikke en anden metode til hærdning – det er en rækkefølge af to processer:

HÆRDNING → HØJ ANLØBNING → ANLØBNING

Mikrostruktur efter varmebehandling

I forenklede beskrivelser omtales strukturen efter varmebehandling ofte som hærdet martensitDen faktiske mikrostruktur involverer imidlertid komplekse processer med nedbrydning af overmættet martensit og udfældning af karbider, og dens natur afhænger af stålets sammensætning samt anløbningstemperaturen og -tiden.
Derfor bør det ikke antages, at alt stål efter varmebehandling har en identisk struktur eller en forudbestemt hårdhed.

Stål til varmebehandling

Egnede kulstof- og legeringsstål er blandt andet beregnet til varmebehandling, hvis kemiske sammensætning og hærdbarhed muliggør opnåelse af de nødvendige egenskaber i elementets tværsnit.

De hyppigst forekommende grupper omfatter:

• kulstof til termisk forbedring,
• krom,
• krom-molybdæn,
• nikkel-krom,
• nikkel-krom-molybdæn.

Et eksempel på en udbredt kvalitet er 42CrMo4 (1.7225) , et varmebehandleligt legeret stål. Valget af hærdnings- og anløbningsparametre bør dog tage højde for standardens krav, leveringsbetingelserne, tværsnitsstørrelsen og de nødvendige mekaniske egenskaber.

Hærdning af kulstofstål

I kulstofstål afhænger evnen til at opnå høj hårdhed i høj grad af indholdet kulSamtidig betyder manglen på tilstrækkelige mængder af elementer, der øger hærdbarheden, at det kan kræve intensiv afkøling at opnå en martensitisk struktur i et stort tværsnit.
Et godt eksempel på stål med højt kulstofindhold er C75S (1.1248), klassificeret som kulstofstål til fjederapplikationer. C75S-kvaliteten er blandt andet inkluderet i EN 10132. Dette betyder dog ikke, at en enkelt endelig hårdhed kan tildeles hver C75S-komponent – ​​det afhænger af materialets tilstand, tykkelse, hærdnings- og anløbningsparametre samt produktkrav.

Hærdning af martensitisk rustfrit stål

Nogle rustfrie ståltyper har en struktur, der tillader martensitisk hærdning. Disse omfatter kvaliteter som f.eks. 1.4034, 1.4057 i 1.4122.
Disse ståltyper kombinerer evnen til at øge hårdheden gennem bratkøling med korrosionsbestandighed som følge af deres høje kromindhold. Hærdnings- og anløbningsparametrene varierer dog mellem kvaliteterne.
For eksempel er 1.4057 klassificeret som et martensitisk rustfrit stål, der omtrent svarer til AISI 431, mens 1.4034 tilhører ståltypen 420. Varmebehandlingsparametre for én kvalitet bør ikke overføres direkte til en anden.

1.4310 – vigtig undtagelse: den er ikke klassisk varmehærdet

1.4310 (X10CrNi18-8, AISI 301) er et austenitisk rustfrit stål. Derfor bør det ikke medtages i tabellen sammen med martensitiske ståltyper som et eksempel på klassisk hærdning og bratkøling.
Den høje styrke og elastiske egenskaber ved 1.4310 opnås primært ved deformationshærdning under koldbearbejdningDen højtemperaturopvarmning og efterfølgende afkøling, der anvendes til austenitisk rustfrit stål, er forbundet med udglødning og blødgøringsbehandling snarere end med klassisk martensitisk hærdning.
Dette er den grundlæggende forskel mellem austenitisk rustfrit stål og hærdbart martensitisk rustfrit stål.

Overfladehærdning

Det er ikke altid nødvendigt at hærde hele tværsnittet af en komponent. Mange anvendelser kræver en meget hård og slidstærk overflade, samtidig med at en mere duktil kerne bevares.
I sådanne tilfælde anvendes overfladehærdningsmetoder, herunder:

• induktionshærdning – overfladen opvarmes hurtigt af et elektromagnetisk felt,
• flammehærdning – overfladen opvarmes af en flamme og afkøles derefter hurtigt.

I begge tilfælde forbliver materialets kemiske sammensætning stort set uændret. Dette er en betydelig forskel fra termokemiske processer som karburering eller nitrering.

Volumetrisk og overfladehærdning

CTP-diagrammer – hvorfor er de vigtige ved design af hærdning?

Fasetransformationsdiagrammer bruges til at analysere austenittransformationer, herunder CTPc-diagrammer, der beskriver transformationer under kontinuerlig afkøling. Disse diagrammer viser forholdet mellem temperatur, tid og den dannede mikrostrukturtype.
Takket være sådanne grafer er det muligt at bestemme, hvor hurtigt materialet skal afkøles for at begrænse dannelsen af ​​perlitiske eller bainitiske strukturer og opnå det nødvendige martensitindhold.
CTP-diagrammet er specifikt for en specifik sammensætning og austenitiseringsforhold, derfor findes der ikke et enkelt universelt diagram, der gælder for alle ståltyper.

De mest almindelige fejl ved hærdning

• Austenitiseringstemperaturen er for høj – mulighed for kornvækst og forringelse af duktiliteten.
• Temperaturen er for lav – ufuldstændig austenitisering eller ukorrekt tilstand af karbider.
• For lang opvarmningstid – mulighed for kornvækst, oxidation og afkulning.
• Afkøling for langsom – mulighed for at opnå utilstrækkelig mængde martensit.
• Afkøling for hurtig – øget risiko for deformation og revner.
• Upassende medie – forkert kølehastighed for en given art og tværsnit.
• Mangel på korrekt temperering – efterlader materialet i en ugunstig tilstand af belastning og sprødhed.

Hvad påvirker hærdningseffekten?

Påføring af hærdning

Hærdning anvendes i produktionen af ​​komponenter, der kræver høj hårdhed, slidstyrke eller en specifik styrke efter efterfølgende anløbning. Typiske anvendelser omfatter:

• skære- og formværktøjer,
• dyser og slag,
• industrielle knive,
• gear,
• aksler og aksler,
• lejeelementer,
• fjedre,
• maskindele udsat for slid og tung belastning.

Anvendelse af termisk forbedring

Varmebehandling er særligt vigtig for maskindele, hvor maksimal hårdhed alene ikke er den vigtigste parameter. Komponenten skal også kunne modstå store belastninger og opretholde tilstrækkelig modstandsdygtighed over for revner og variable belastninger.

Typiske anvendelser omfatter:

• aksler og aksler,
• skruer med høj styrke,
• forbindelsesstænger,
• transmissionskomponenter,
• gear,
• elementer af maskiner og apparater, der opererer under tung belastning,
• udvalgte elementer fra bil- og maskinindustrien.

Fordele ved hærdning

• mulighed for at opnå høj hårdhed,
• øget slidstyrke i passende stål,
• muligheden for at forme egenskaber gennem efterfølgende hærdning,
• mulighed for at hærde hele tværsnittet eller kun overfladen,
• Udbredt anvendt i konstruktions-, værktøjs- og martensitisk rustfrit stål.

Hærdningsbegrænsninger

• risiko for elementdeformation,
• risiko for hærdningsrevner,
• dannelse af restspændinger,
• begrænset plasticitet af tilstanden umiddelbart efter hærdning,
• behovet for at vælge det passende kølemedium,
• hyppigt behov for efterfølgende hærdning,
• stærk afhængighed af resultatet af den kemiske sammensætning og tværsnitsstørrelsen.

Hærdning og varmebehandling – de vigtigste oplysninger

Stålhærdning er en proces, der anvender austenitisering og hurtig afkøling for at opnå en struktur med høj hårdhed, oftest indeholdende martensit. Resultatet afhænger af den kemiske sammensætning, hærdbarhed, austenitiseringstemperatur og -tid, komponentdimensioner og afkølingsforhold.

Varmebehandling involverer hærdning og efterfølgende højtemperaturanløbning. Målet er ikke at maksimere hårdheden, men at opnå et gunstigt sæt af egenskaber: høj styrke med passende duktilitet, duktilitet og sejhed.

Valget af parametre for begge processer bør foretages for en specifik stålkvalitet. Universelle temperatur-, hårdheds- og tidsintervaller bør ikke overføres mellem forskellige materialer uden at tage hensyn til deres sammensætning, mikrostruktur, hærdbarhed og kravene til den færdige komponent.

Metoder til varme- og termokemisk behandling af stål

Metoder til varmebehandling af stål

• Normalisering af stål – kornforfinelse og mikrostrukturforening.
• Udskiftning af forbrugsvarer – reduktion af restspændinger.
• Blødgøring af stål – reducerer hårdheden og forbedrer modtageligheden for yderligere forarbejdning.
• Fuld udglødning – austenitisering og langsom afkøling.
• Isotermisk udglødning – transformation udført under opbevaring ved en korrekt valgt temperatur.
• Kugleglødning – sfæroidisering – ændring i morfologien af ​​cementit eller andre karbider.
• Omkrystallisationsglødning – fjernelse af virkningerne af knusning og genoprettelse af plasticitet.
• Homogeniserende udglødning – reduktion af segregation og homogenisering af materialesammensætningen.
• Hærdning og varmebehandling – formning af mikrostrukturen og egenskaberne ved hærdning og anløbning.
• Hærdet stål – kontrolleret modifikation af stålegenskaber efter hærdning.
• Induktionshærdning – overfladeinduktionsopvarmning og hurtig afkøling.
• Flammehærdning – overfladehærdning efter lokal opvarmning med flamme.
• Overmætning – opnåelse af en overmættet fast opløsning ved en passende termisk cyklus.
• Aldring – kontrolleret faseseparation, der fører til materialeforstærkning.

Metoder til termokemisk behandling af stål

• Nitrering af stål – diffusionsberigelse af overfladelaget med nitrogen.
• Karburerende stål – diffusionsberigelse af overflader med kulstof.
• Karbonitrering – samtidig berigelse af overfladelaget med kulstof og nitrogen.
• Nitrokarburisering / nitrokarburisering – berigelse af laget primært med nitrogen og kulstof.
• Boring – diffusionsmætning af overfladen med bor.
• Diffusionsforkromning – diffusionsberigelse af laget med krom.
• Diffusionsaluminisering – diffusionsberigelse af laget i aluminium.