Hardbaarheid van staal

Veel staalsoorten reageren gunstig op een methode van warmtebehandeling die bekend staat als afschrikken. Een van de belangrijkste criteria in het selectieproces van een werkstukmateriaal is de hardbaarheid. Hardbaarheid beschrijft hoe diep een metaal kan worden gehard bij afschrikken van hoge temperatuur, en kan ook worden aangeduid als de diepte van verharding.

Staal op microscopische schaal:

Het eerste niveau van classificatie van staal op microscopisch niveau is hun kristalstructuur, de manier waarop atomen in de ruimte zijn gerangschikt. Body-Centered Cubic (BCC) en Face Centered Cubic (FCC) configuraties zijn voorbeelden van metalen kristalstructuren. Voorbeelden van BCC- en FCC-kristalstructuren zijn hieronder te zien in figuur 1. Houd er rekening mee dat de afbeeldingen in figuur 1 bedoeld zijn om de atomaire positie weer te geven en dat de afstand tussen de atomen overdreven is.

Het volgende classificatieniveau is een fase. Een fase is een uniform deel van een materiaal dat dezelfde fysische en chemische eigenschappen heeft. Staal heeft 3 verschillende fasen:

1. Austenite:op het gezicht gecentreerd kubisch ijzer; ook ijzer- en staallegeringen die de FCC-kristalstructuur hebben.
2. Ferriet:lichaamsgecentreerde kubische ijzer- en staallegeringen met een BCC-kristalstructuur.
3. Cementiet:IJzercarbide (Fe₃ C)

Het laatste classificatieniveau dat in dit artikel wordt besproken, is de microstructuur. De drie bovenstaande fasen kunnen worden gecombineerd om verschillende microstructuren van staal te vormen. Voorbeelden van deze microstructuren en hun algemene mechanische eigenschappen worden hieronder weergegeven:

• Martensite:de hardste en sterkste microstructuur, maar toch de meest broze
• Pearliet:hard, sterk en kneedbaar maar niet bijzonder taai
• Bainiet:heeft een gewenste sterkte-ductiliteitscombinatie, harder dan perliet maar niet zo hard als martensiet

Verharding op microscopische schaal:

De hardbaarheid van staal is een functie van het koolstofgehalte van het materiaal, andere legeringselementen en de korrelgrootte van theausteniet. Austeniet is een gammafase-ijzer en bij hoge temperaturen ondergaat de atomaire structuur een overgang van een BCC-configuratie naar een FCC-configuratie.

Hoge hardbaarheid verwijst naar het vermogen van de legering om bij afschrikken een hoog martensietpercentage door het lichaam van het materiaal te produceren. Gehard staal ontstaat door het materiaal snel af te koelen van een hoge temperatuur. Hierbij gaat het om een ​​snelle overgang van een toestand van 100% austeniet naar een hoog percentage martensiet. Als het staal meer dan 0,15% koolstof bevat, wordt het martensiet een zeer gespannen, op het lichaam gecentreerde kubische vorm en is het oververzadigd met koolstof. De koolstof sluit effectief de meeste glijvlakken in de microstructuur af, waardoor een zeer hard en bros materiaal ontstaat. Als de afschriksnelheid niet snel genoeg is, zal koolstof uit de austenitische fase diffunderen. Het staal wordt dan perliet, bainiet of, als het lang genoeg warm wordt gehouden, ferriet. Geen van de zojuist genoemde microstructuren heeft na ontlaten dezelfde sterkte als martensiet en wordt voor de meeste toepassingen algemeen als ongunstig beschouwd.

De succesvolle warmtebehandeling van staal hangt af van drie factoren:

1. De grootte en vorm van het exemplaar
2. De samenstelling van het staal
3. De methode van blussen

1. De grootte en vorm van het exemplaar

Tijdens het afschrikproces moet warmte worden overgedragen naar het oppervlak van het monster voordat het kan worden afgevoerd naar het afschrikmedium. Dientengevolge is de snelheid waarmee het inwendige van het monster afkoelt afhankelijk van de verhouding tussen oppervlakte en volume. Hoe groter de verhouding, hoe sneller het monster zal afkoelen en dus hoe dieper het uithardende effect. Een cilindrische staaf van 3 inch met een diameter van 1 inch zal bijvoorbeeld een hogere hardbaarheid hebben dan een staaf van 3 inch met een diameter van 1,5 inch. Vanwege dit effect zijn onderdelen met meer hoeken en randen beter geschikt voor uitharding door afschrikken dan normale en ronde vormen. Figuur 2 is een voorbeeld van een tijd-temperatuurtransformatie (TTT)-diagram van de koelkrommen van een met olie afgeschrikte staaf van 95 mm. Het oppervlak zal transformeren in 100% martensiet terwijl de kern wat bainiet zal bevatten en dus een lagere hardheid zal hebben.

2. De samenstelling van het staal

Het is belangrijk om te onthouden dat verschillende staallegeringen verschillende elementaire samenstellingen bevatten. De verhouding van deze elementen ten opzichte van de hoeveelheid ijzer in het staal levert een grote verscheidenheid aan mechanische eigenschappen op. Door het koolstofgehalte te verhogen, wordt staal harder en sterker, maar niet ductiel. Het overheersende legeringselement van roestvrij staal in chroom, dat het metaal zijn sterke weerstand tegen corrosie geeft. Aangezien mensen al meer dan een millennium aan de samenstelling van staal sleutelen, is het aantal combinaties eindeloos.

Omdat er zoveel combinaties zijn die zoveel verschillende mechanische eigenschappen opleveren, worden gestandaardiseerde tests gebruikt om verschillende soorten staal te categoriseren. Een veelgebruikte test voor hardbaarheid is de Jominy-test, weergegeven in figuur 3 hieronder. Tijdens deze test wordt een standaard blok materiaal verhit tot het 100% austeniet is. Het blok wordt dan snel verplaatst naar een apparaat waar het water wordt geblust. Het oppervlak, of het gebied dat in contact staat met het water, wordt onmiddellijk afgekoeld en de afkoelsnelheid neemt af als functie van de afstand tot het oppervlak. Een vlak wordt dan langs de lengte van het monster op het blok geslepen. Langs dit vlak wordt de hardheid op verschillende punten gemeten. Deze gegevens worden vervolgens uitgezet in een hardbaarheidsgrafiek met hardheid als de y-as en afstand als de x-as.

Hardbaarheidscurves zijn geconstrueerd op basis van de resultaten van Jominy-tests. Voorbeelden van enkele krommen van staallegeringen worden getoond in figuur 4. Bij een afnemende afkoelsnelheid (stevigere hardheidsdaling over een korte afstand), wordt meer tijd gegeven voor koolstofdiffusie en de vorming van een groter aandeel zachter perliet. Dit betekent minder martensiet en een lagere hardbaarheid. Een materiaal dat over relatief lange afstanden hogere hardheidswaarden behoudt, wordt als zeer hardbaar beschouwd. Ook hoe groter het verschil in hardheid tussen de twee uiteinden, hoe lager de hardbaarheid. Het is typerend voor hardbaarheidscurven dat naarmate de afstand tot het afgeschrikte uiteinde groter wordt, de afkoelsnelheid afneemt. 1040-staal heeft aanvankelijk dezelfde hardheid als 4140 en 4340, maar koelt extreem snel af over de lengte van het monster. 4140 en 4340 staal koelen geleidelijker af en hebben daardoor een hogere hardbaarheid. 4340 heeft een minder extreme koelsnelheid ten opzichte van 4140 en heeft dus de hoogste hardbaarheid van het trio.

De hardbaarheidscurves zijn afhankelijk van het koolstofgehalte. Een groter percentage koolstof in staal zal de hardheid verhogen. Opgemerkt moet worden dat alle drie de legeringen in figuur 4 dezelfde hoeveelheid koolstof bevatten (0,40% C). Koolstof is niet het enige legeringselement dat de hardbaarheid kan beïnvloeden. Het verschil in hardbaarheidsgedrag tussen deze drie staalsoorten kan worden verklaard in termen van hun legeringselementen. Tabel 1 hieronder toont een vergelijking van het legeringsgehalte in elk van de staalsoorten. 1040 is een gewoon koolstofstaal en heeft daarom de laagste hardbaarheid omdat er naast ijzer geen andere elementen zijn om te voorkomen dat de koolstofatomen uit de matrix ontsnappen. Het nikkel dat aan 4340 wordt toegevoegd, zorgt voor een iets grotere hoeveelheid martensiet in vergelijking met 4140, waardoor het de hoogste hardbaarheid van deze drie legeringen heeft. De meeste metallische legeringselementen vertragen de vorming van perliet, ferriet en bainiet en verhogen daarom de hardbaarheid van staal.

Tabel1:Toont de legeringsinhoud van 4340, 4140 en 1040steel

Staalsoort:	Nikkel (gew%):	Molybdeen (gew%):	Chroom (gew%):
4340	1.85%	0,25%	0,80%
4140	0,00%	0,20%	1.00%
1040	0,00%	0,00%	0,00%

Er kan een variatie in hardbaarheid zijn binnen één materiaalgroep. Tijdens de industriële productie van staal zijn er altijd kleine onvermijdelijke variaties in de elementaire samenstelling en gemiddelde korrelgrootte van de ene batch naar de andere. Meestal wordt de hardbaarheid van een materiaal weergegeven door maximum- en minimumcurves die als limieten zijn ingesteld.

De hardbaarheid neemt ook toe met toenemende austenitische korrelgrootte. Een korrel is een afzonderlijk kristal in een polykristallijn metaal. Denk aan een glas-in-loodraam (zoals hieronder te zien), het gekleurde glas zou de korrels zijn, terwijl het soldeermateriaal dat het geheel vasthoudt de korrelgrenzen zou zijn. Austeniet, ferriet en cementiet zijn allemaal verschillende soorten korrels die de verschillende microstructuren van staal vormen. Het is bij de korrelgrenzen dat het perliet en het bainiet zich vormen. Dit is nadelig voor het uithardingsproces omdat martensiet de gewenste microstructuur is, de andere soorten belemmeren de groei ervan. Martensiet wordt gevormd door de snelle afkoeling van austenietkorrels en het transformatieproces ervan is nog steeds niet goed begrepen. Bij toenemende korrelgrootte zijn er meer austenietkorrels en minder korrelgrenzen. Daarom zijn er minder kansen voor microstructuren zoals perliet en bainiet om zich te vormen en meer kansen voor martensiet om te vormen.

3. De methode van blussen

Zoals eerder vermeld, is het type quench van invloed op de afkoelsnelheid. Het gebruik van olie, water, waterige polymere blusmiddelen of lucht zal een verschillende hardheid opleveren door het inwendige van het werkstuk. Dit verschuift ook de hardbaarheidscurven. Water produceert de meest ernstige blussing, gevolgd door olie en dan lucht. Waterige polymeerafschrikmiddelen bieden afschriksnelheden tussen die van water en olie en kunnen worden aangepast aan specifieke toepassingen door de polymeerconcentratie en temperatuur te veranderen. De mate van agitatie beïnvloedt ook de snelheid van warmteafvoer. Hoe sneller het afschrikmedium over het monster beweegt, hoe groter de afschrikeffectiviteit. Olie-quenchs worden over het algemeen gebruikt wanneer een waterquench te zwaar kan zijn voor een staalsoort, omdat het kan barsten of kromtrekken bij behandeling.

Bewerking van gehard staal

Het type frees dat moet worden gekozen voor het bewerken van gereedschappen die worden gekozen voor het bewerken van een werkstuk na het uitharden, hangt af van een paar verschillende variabelen. Afgezien van de geometrische vereisten die specifiek zijn voor de toepassing, zijn twee van de belangrijkste variabelen de materiaalhardheid en de hardbaarheid ervan. Sommige toepassingen met relatief hoge spanning vereisen dat minimaal 80% martensiet wordt geproduceerd door het hele binnenste van het werkstuk. Gewoonlijk hebben matig belaste onderdelen slechts ongeveer 50% martensiet in het hele werkstuk nodig. Bij het bewerken van een afgeschrikt metaal met een zeer lage hardbaarheid kan een standaard gecoat volhardmetaal gereedschap probleemloos werken. Dit komt omdat het hardste deel van het werkstuk zich beperkt tot het oppervlak. Bij het bewerken van staal met een hoge hardbaarheid is het aan te raden een frees te gebruiken met een gespecialiseerde geometrie voor die specifieke toepassing. Hoge hardbaarheid resulteert in een werkstuk dat over het hele volume hard is. Harvey Tool heeft een aantal verschillende frezen voor gehard staal in de catalogus, waaronder boren, vingerfrezen, zaagtandfrezen en graveurs.

Bekijk het aanbod van volledig gevulde vingerfrezen van Harvey Tool voor gehard staal

Gehard staal, samengevat

De hardbaarheid is een maat voor de diepte tot waar een ijzerhoudende legering kan worden uitgehard door de vorming van martensiet over het gehele volume, van oppervlak tot kern. Het is een belangrijke materiaaleigenschap waarmee u rekening moet houden bij het kiezen van staal en snijgereedschappen voor een bepaalde toepassing. De harding van elk staal hangt af van de grootte en vorm van het onderdeel, de moleculaire samenstelling van het staal en het type afschrikmethode dat wordt gebruikt.