Verhardbaarheid van staal: diepgang van verharding en warmtebehandeling

Veel typen staal hebben een gunstige reactie op een methode van warmtebehandeling bekend als afschrikken (quenching). Een van de meest belangrijke criteria in het selectieproces van een werkstukmateriaal is verhardbaarheid. Verhardbaarheid beschrijft hoe diep een metaal verhard kan worden bij afschrikken vanaf hoge temperatuur, en kan ook aangeduid worden als de verdieping van verharding.

Staal op microscopische schaal

Het eerste klassificatieniveau van stalen op microscopisch niveau is hun kristalstructuur, de manier waarop atomen in de ruimte gerangschikt zijn. Body-Centered Cubic (BCC) en Face Centered Cubic (FCC) configuraties zijn voorbeelden van metallische 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 atoompositie te tonen en dat de afstand tussen de atomen geëxagereerd is.

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

1. Austeniet: Face-Centered cubisch ijzer; ook ijzer en staallegeringen die de FCC kristalstructuur hebben.
2. Ferriet: Body-centered cubisch ijzer en staallegeringen die een BCC kristalstructuur hebben.
3. Cementiet: IJzer carbide (Fe₃C)

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

• Martensiet: de hardest en sterkste microstructuur, maar de meest broos
• Perliet: Hard, sterk, en duktil maar niet bijzonder zacht
• Bainiet: heeft een gewenste sterkte-duktiliteit combinatie, harder dan perliet maar niet zo hard als martensiet

Verharding op microscopische schaal

De verhardbaarheid van staal is een functie van de koolstofinhoud van het materiaal, andere legeringselementen, en de korrelgrootte van de austeniet. Austeniet is een gamma fase ijzer en bij hoge temperaturen ondergaat zijn atooms structuur een overgang van een BCC configuratie naar een FCC configuratie.

Hoge verhardbaarheid verwijst naar de capaciteit van het legering om een hoog martensiet percentage doorheen de massa van het materiaal te produceren bij afschrikken. Verharde stalen worden gecreëerd door het materiaal snel af te schrikken vanaf een hoge temperatuur. Dit betreft een snelle overgang van een toestand van 100% austeniet naar een hoog percentage martensiet. Als het staal meer dan 0,15% koolstof is, wordt de martensiet een hoog gespannen body-centered cubische vorm en is supersatureerd met koolstof. De koolstof schakelt effectief de meeste glijvlakken binnen de microstructuur uit, wat een zeer hard en broos materiaal creëert. Als de afschriksnelheid niet voldoende snel is, zal koolstof uit de austenitische fase diffunderen. Het staal wordt dan perliet, bainiet, of als het lang genoeg heet gehouden wordt, ferriet. Geen van de net genoemde microstructuren hebben dezelfde sterkte als martensiet na aanlaten en worden over het algemeen als ongunstig gezien voor de meeste toepassingen.

Drie factoren voor succesvolle warmtebehandeling

De succesvolle warmtebehandeling van een staal hangt af van drie factoren:

1. De grootte en vorm van het monster
2. De samenstelling van het staal
3. De methode van afschrikken

1. De grootte en vorm van het monster

Tijdens het afschrikproces moet warmte overgedragen worden aan het oppervlak van het monster voordat het gedissipeerd kan worden in het afschrikmedium. Gevolgelijk is de snelheid waarmee het interieur van het monster afkoelt afhankelijk van zijn oppervlakte-tot-volume verhouding. Hoe groter de verhouding, hoe sneller het monster zal afkoelen en daarmee de diepere verhardingseffect. Bijvoorbeeld, een 3-inch cilindrische staaf met een 1-inch diameter zal een hogere verhardbaarheid hebben dan een 3-inch staaf met een 1,5-inch diameter. Vanwege dit effect zijn delen met meer hoeken en randen meer vatbaar voor verharding door afschrikken dan regelmatige en afgeronde vormen. Figuur 2 is een voorbeeld time-temperatuur transformatie (TTT) diagram van de afkoelcurven van een olie-geafschrikte 95 mm staaf. Het oppervlak zal transformeren in 100% martensiet terwijl de kern enige bainiet zal bevatten en dus een lagere hardheid hebben.

2. De samenstelling van het staal

Het is belangrijk om te onthouden dat verschillende legeringen van staal verschillende elementaire samenstellingen bevatten. De verhouding van deze elementen ten opzichte van de hoeveelheid ijzer binnen het staal leveren een wijd scala aan mechanische eigenschappen. Het verhogen van de koolstofinhoud maakt staal harder en sterker maar minder duktil. Het overwegende legeringselement van roestvrije stalen is chroom, wat het metaal zijn sterke weerstand tegen corrosie geeft. Aangezien mensen al meer dan een millennium knoeien met de samenstelling van staal, is het aantal combinaties oneindig.

Omdat er zoveel combinaties zijn die zoveel verschillende mechanische eigenschappen opleveren, worden gestandaardiseerde tests gebruikt om verschillende typen staal te helpen categoriseren. Een veelvoorkomende test voor verhardbaarheid is de Jominy Test, getoond in Figuur 3 hieronder. Tijdens deze test wordt een standaard blok materiaal verhit tot het 100% austeniet is. Het blok wordt vervolgens snel verplaatst naar een apparaat waar het water geafschrikt wordt. Het oppervlak, of het gebied in contact met het water, wordt onmiddellijk afgekoeld en de afkoelsnelheid daalt als een functie van de afstand van het oppervlak. Een vlak wordt dan geschuurd op het blok langs de lengte van het monster. De hardheid op verschillende punten wordt gemeten langs dit vlak. Deze data wordt dan geplot in een verhardbaarheidsgrafiek met hardheid als de y-as en afstand als de x-as.

Verhardbaarheidscurven worden geconstrueerd uit de resultaten van Jominy Tests. Voorbeelden van een paar staallegering curves zijn getoond in Figuur 4. Met een afnemende afkoelsnelheid (stekere daling in hardheid over een korte afstand), wordt meer tijd toegestaan voor koolstofdiffusie en de vorming van een groter aandeel zachter perliet. Dit betekent minder martensiet en een lagere verhardbaarheid. Een materiaal dat hogere hardheidswaarden behoudt over relatief lange afstanden wordt beschouwd als hoog verhardbaar. Ook, hoe groter het verschil in hardheid tussen de twee uiteinden, hoe lager de verhardbaarheid. Het is typisch voor verhardbaarheidscurven dat naarmate de afstand van het geafschrikte uiteinde toeneemt, de afkoelsnelheid afneemt. 1040 staal heeft initieel dezelfde hardheid als zowel 4140 als 4340 maar koelt extreem snel af over de lengte van het monster. 4140 en 4340 staal koelen op een meer graduele snelheid en hebben daarom een hogere verhardbaarheid. 4340 heeft een minder extreme afkoelsnelheid ten opzichte van 4140 en heeft dus de hoogste verhardbaarheid van de drie.

Verhardbaarheidscurven zijn afhankelijk van koolstofinhoud. Een groter percentage koolstof aanwezig in staal zal de hardheid verhogen. Het moet worden opgemerkt dat alle drie legeringen in Figuur 4 dezelfde hoeveelheid koolstof bevatten (0,40% C). Koolstof is niet het enige legeringselement dat een effect kan hebben op verhardbaarheid. Het verschil in verhardbaarheidsgedrag tussen deze drie stalen kan worden verklaard in termen van hun legeringselementen. Tabel 1 hieronder toont een vergelijking van de legeringsinhoud in elk van de stalen. 1040 is een gewoon koolstofstaal en heeft daarom de laagste verhardbaarheid omdat er geen andere elementen naast ijzer zijn om de koolstofatomen te blokkeren van het ontsnappen aan de matrix. Het nikkel toegevoegd aan 4340 stelt een iets groter aantal martensiet in staat te vormen vergeleken met 4140, wat het de hoogste verhardbaarheid van deze drie legeringen geeft. De meeste metallische legeringselementen vertragen de vorming van perliet, ferriet en bainiet, daarom verhogen ze de verhardbaarheid van een staal.

Tabel 1: Legeringsinhoud van 4340, 4140, en 1040 staal

Er kan een variatie in verhardbaarheid zijn binnen één materiaalgroep. Tijdens de industriële productie van staal zijn er altijd lichte onvermijdelijke variaties in de elementaire samenstelling en gemiddelde korrelgrootte van de ene batch naar de andere. Meestal wordt de verhardbaarheid van een materiaal vertegenwoordigd door maximum en minimum curves ingesteld als limieten.

Verhardbaarheid neemt ook toe met toenemende austenitische korrelgrootte. Een korrel is een individueel kristal in een polykristallijn metaal. Denk aan een glas-in-lood raam (zoals hieronder te zien), het gekleurde glas zou de korrels zijn terwijl het soldeermateriaal dat het allemaal bij elkaar houdt de korrelgrenzen zou zijn. Austeniet, ferriet, en cementiet zijn allemaal verschillende typen korrels die de verschillende microstructuren van staal vormen. Het is aan de korrelgrenzen dat perliet en bainiet zullen vormen. Dit is nadelig voor het verhardingsproces aangezien martensiet de gewenste microstructuur is, de andere typen komen in de weg van de groei ervan. Martensiet vormt uit de snelle afkoeling van austeniet korrels en het transformatieproces is nog steeds niet goed begrepen. Met toenemende korrelgrootte, zijn er meer austeniet korrels en minder korrelgrenzen. Daarom zijn er minder kansen voor microstructuren zoals perliet en bainiet te vormen en meer kansen voor martensiet te vormen.

3. De methode van afschrikken

Zoals eerder vermeld, beïnvloedt het type afschrikken de afkoelsnelheid. Het gebruik van olie, water, aqueous polymer afschrikmiddelen, of lucht zal een andere hardheid doorheen het interieur van het werkstuk opleveren. Dit verschuift ook de verhardbaarheidscurven. Water produceert de meest severe afschrikking gevolgd door olie en dan lucht. Aqueous polymer afschrikmiddelen leveren afschriksnelheden tussen die van water en olie en kunnen aangepast worden aan specifieke toepassingen door de polymere concentratie en temperatuur te veranderen. De mate van roeren beïnvloedt ook de snelheid van warmteverwijdering. Hoe sneller het afschrikmedium over het monster beweegt, hoe groter de afschrikkende effectiviteit. Olie afschrikking wordt over het algemeen gebruikt wanneer een waterafschrikking te severe kan zijn voor een type staal omdat het kan kraken of vervormen bij behandeling.

Bewerken van verharde stalen

Het type snijgereedschap dat gekozen moet worden voor het verwerken van gereedschappen gekozen voor het bewerken van een werkstuk na verharding hangt af van een paar verschillende variabelen. Niet rekening houdend met de geometrische eisen specifiek voor de applicatie, zijn twee van de meest belangrijke variabelen de materiaalhardheid en zijn verhardbaarheid. Sommige relatief hoge-spanning applicaties vereisen een minimum van 80% martensiet te produceren doorheen het interieur van het werkstuk. Normaal gesproken vereisen matig gespande onderdelen slechts ongeveer 50% martensiet doorheen het werkstuk. Bij het bewerken van een geafschrikt metaal met zeer lage verhardbaarheid kan een standaard gecoate solid carbide tool werken zonder probleem. Dit is omdat het hardste deel van het werkstuk beperkt is tot zijn oppervlak. Bij het bewerken van een staal met een hoge verhardbaarheid wordt aanbevolen dat u een snijgereedschap gebruikt met gespecialiseerde geometrie die voor die specifieke applicatie is. Hoge verhardbaarheid zal resulteren in een werkstuk dat hard is doorheen zijn hele volume. Harvey Tool heeft een aantal verschillende snijgereedschappen voor verharde staal doorheen de catalogus, inclusief booren, frezen, sleutelzager snijgereedschappen, en graveerstiften.

Verhard staal samengevat

Verhardbaarheid is een maat voor de diepte waarin een ferro legering verhard kan worden door de vorming van martensiet doorheen zijn hele volume, oppervlak tot kern. Het is een belangrijke materiaaleigenschap die u moet overwegen bij het kiezen van een staal alsook snijgereedschappen voor een bepaalde applicatie. De verharding van elk staal hangt af van de grootte en vorm van het deel, de moleculaire samenstelling van het staal, en het type afschrikmethode gebruikt.