Vraag het een metallurg:wat is gehard staal?

Hoe ontlaten belangrijk is voor functioneel staal.

Metaallegeringen zijn gemaakt van een precieze combinatie van elementen, zoals ingrediënten in een recept. De manier waarop deze elementen onder hitte worden samengevoegd, verandert de eigenschappen van de legering, net zoals verschillende kooktechnieken de smaak van voedsel veranderen.

Gehard staal verandert de mechanische eigenschappen van het metaal om het sterker en resistenter te maken. Dit maakt het een goed materiaal voor gereedschap, veren, constructiestaal en zelfs zwaarden.

Laten we eens kijken naar de basisprincipes van getemperd staal... en hoe staal met een tempering flexibeler is en geeft meer dan staal zonder een tempering.

Metallurgie 101

Metallurgie is zowel de wetenschap (zoals die wordt toegepast op de metaalproductie) als de technologie van metalen. Het heeft betrekking op de chemische samenstelling van metalen en de fysieke en mechanische eigenschappen ervan.

Hier zijn enkele veelvoorkomende termen die u zult horen over metallurgie en gehard staal:

• Kracht :hoe goed is het staal bestand tegen blijvende vervorming of scheuren
• Taaiheid :hoe goed het staal bestand is tegen breuk (vaak als de sterkte toeneemt, zal de taaiheid dat ook doen)
• Hardheid :hoe goed zal het metaal krassen of inkepingen maken
• Slagvastheid :hoe goed het staal schokbelasting zal weerstaan ​​met minimale vervorming (vaak ook bekend als hoge sterkte taaiheid)
• Slijtvastheid :hoe goed het staal bestand is tegen erosie, ablatie, spatten en vreten (vaak ook wel hardheid genoemd)
• Structurele integriteit :hoe goed is het staal bestand tegen een belasting zonder te breken

Staal is een populair materiaal voor de bouw. De twee vereiste elementen van staal zijn ijzer en koolstof, en legeringen bevatten vaak ook kleine hoeveelheden andere metalen. Staal bevat minder dan 2,14% koolstof:legeringen met een hoger koolstofgehalte zijn meestal een vorm van gietijzer. Legeringen bevatten vaak mangaan en sporen van siliconen, fosfor, zwavel en zuurstof. Staal is zo duurzaam en sterk dat het tientallen jaren of langer kan worden gebruikt, daarna kan het keer op keer worden gerecycled zonder zijn eigenschappen te verliezen. Veel van de nieuwe staalproductie omvat hoeveelheden gerecycled staal.

Microstructuren van staal

Voordat we kunnen leren hoe we de eigenschappen van staal kunnen veranderen, moeten we eerst de microstructuur ervan begrijpen. Nauwkeurige verwarming en koeling van het staal zal de microstructuur veranderen:

Ferriet - lichaam-gecentreerde kubische (BCC) kristalstructuur

Dit is puur ijzer op kamertemperatuur. Het kan ook staal beschrijven met een zeer laag koolstofgehalte.

Stel je een kubus voor met één molecuul op elke hoek en één in het midden van de kubus. De moleculen zijn losjes verpakt en bevatten minder moleculen in elke kubus. Bij kamertemperatuur kun je slechts 0,006% koolstof aan de structuur toevoegen.

Austenite - Face-centered cubic (FCC) kristalstructuur

Deze vorm treedt op wanneer de op ijzer gebaseerde legeringen worden verwarmd tussen 1500F en 1800F.

Stel je de kubus voor met een molecuul op elke hoek en een molecuul in het midden van elke kant van de kubus. Deze moleculen zijn dichter op elkaar gepakt dan ferriet en kunnen tot 2% koolstof bevatten.

Cementiet

Wanneer koolstofstaal wordt verwarmd tot het austenietbereik en vervolgens wordt afgekoeld zonder dat er een legering aanwezig is, verandert het weer in ferrietvorm. Cementiet vormt zich wanneer het koolstofgehalte groter is dan 0,006% en de koolstofatomen combineren met ijzer om ijzercarbide (Fe3C) te vormen. Je krijgt nooit een stuk metaal dat puur cementiet is, omdat een deel van het materiaal in ferrietvorm blijft.

Pearliet

Afwisselende lagen ferriet en cementiet vormen een nieuwe structuur die perliet wordt genoemd. Dit gebeurt wanneer staal langzaam wordt afgekoeld, waardoor een eutectisch mengsel wordt gevormd (een waarin twee gesmolten materialen gelijktijdig kristalliseren). Het vormt tegelijkertijd ferriet en cementiet, in een afwisselend patroon.

Martensiet - lichaam-gecentreerde tetragonale (BCT) kristallijne structuur

Deze stalen microstructuur wordt gevormd door het staal zeer snel af te koelen, waardoor de koolstofatomen vast komen te zitten in het ijzeren rooster. Het resultaat is een zeer harde, naaldachtige structuur van ijzer en staal.

Deze microstructuren zijn belangrijk om de mechanische eigenschappen van staal te begrijpen. Koolstofgehalte, legeringsconcentraties en afwerkingsmethoden dragen allemaal bij aan de microstructuur van het staal. Als je dit eenmaal weet, kun je leren hoe je de eigenschappen ervan kunt manipuleren door middel van nauwkeurige warmtebehandelingen zoals het temperen van staal.

Overzicht warmtebehandelingen

Het thermisch behandelen van metalen zal de fysieke eigenschappen ervan veranderen. Het kan zijn sterkte, taaiheid, taaiheid, hardheid en weerstand tegen corrosie verhogen.

Er zijn 3 veelvoorkomende warmtebehandelingen:

• Uitgloeien :Het metaal wordt verwarmd om het zacht te maken en vervolgens langzaam afgekoeld. Het langzaam invriezen van de microstructuren zorgt voor grote, ronde korrels metaal. Dit bevrijdt het metaal van interne spanning en maakt het waarschijnlijker dat het alleen deukt of buigt wanneer het wordt geraakt.
• Blussen :Hierbij wordt het metaal snel afgekoeld (vaak in een water- of oliebad). Hierdoor bevriezen de moleculen snel. Door de plotselinge temperatuurdaling ontstaan ​​er veel kleine, gekartelde korrels op het oppervlak. De gekartelde randen van de korrels verstrengelen zich, waardoor het metaal minder snel buigt wanneer het wordt geraakt:het oppervlak is harder.
• Temping :Om overtollige hardheid die door productie of afschrikken ontstaat te verminderen, kan metaal worden getemperd door het metaal gedurende een bepaalde tijd tot een specifieke temperatuur te verwarmen, afhankelijk van de eigenschappen die u probeert te veranderen.

Waarom staal temperen?

Staal wordt getemperd om het de juiste materiaaleigenschappen te geven voor de toepassing. Dit kunnen zijn:

• Het verminderen van de hardheid en het verhogen van de taaiheid (een taai materiaal is bestand tegen afbrokkelen bij impact, terwijl een hard materiaal bestand is tegen indeuken en zal breken voordat het wordt gebogen)
• Verhoogde taaiheid (waardoor het van vorm kan veranderen zonder te breken)
• Verhoogde weerstand tegen slijtage
• Verhoogde bewerkbaarheid als het staal verder moet worden bewerkt

Proces van gehard staal

Voordat u staal gaat temperen, zult u het staal vaak eerst afschrikken om het te harden. Vervolgens bepaalt de tempertemperatuur hoeveel hardheid je uit het metaal haalt. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer hardheid wordt verwijderd. Zo worden harde gereedschappen bij lagere temperaturen getemperd, terwijl flexibele veren bij hogere temperaturen worden getemperd.

Staal wordt vaak verwarmd in een gas-, elektrische weerstand- of inductieoven met een vacuüm of inert gas om oxidatie te voorkomen. Zodra het staal is verwarmd tot de opgegeven temperatuur, houdt u de temperatuur gedurende een bepaalde tijd vast, afhankelijk van het type staal en de mechanische eigenschappen die u wilt bereiken.

Je hebt geen thermometer of temperatuurpistool nodig om te weten wanneer het op de juiste temperatuur is verwarmd. Gehard staal verandert in een transparante kleur afhankelijk van de temperatuur van het temperen. Deze kleur wordt gevormd door een oxidelaag die zich op het oppervlak vormt. Hogere temperaturen creëren dikkere lagen ijzeroxide, evenals langere tijdframes die in die temperatuurzone worden doorgebracht. Deze laag helpt voorkomen dat het staal gaat roesten.

De bovenstaande afbeelding toont de verschillende kleuren die gehard staal op het metaal maakt:

• Aan de linkerkant begint Genormaliseerd staal . Dit is staal dat is verwarmd tot boven de hoogste kritische temperatuur en is afgekoeld in staande lucht.
• 2e van links is Quenched Steel . Dat is staal dat snel afgekoeld was.
• De volgende acht tonen de kleuren van gehard staal op basis van de temperatuur - 130F (176C) tot 730F (388C)

Voorbeelden van gehard staal (op temperatuur/kleur):

Wat is het verschil tussen temperen van staal en harden?

Gehard staal en gehard staal geven dezelfde legering verschillende mogelijkheden.

Gehard staal maakt het stijver en heeft minder kans op krassen of deuken. Dit hardere oppervlak is echter brozer. Het zal niet inspringen als het wordt geraakt, maar als de impactkracht te sterk is, zal het breken of afbrokkelen. Bij het ontlaten gaat wat hardheid verloren voor een grotere taaiheid. Taaiheid is het vermogen om breuken of afbrokkelen te weerstaan, maar de handel is dat het meer kans heeft om te krassen of te deuken.

Vaak hardt u het staal eerst uit en daarna tempert u het staal om een ​​specifieke hardheid tot taaiheidsverhouding te bereiken.

Warmtebehandelingen van zwaarden en messen

Temperen is een belangrijk onderdeel van het smeden van messen. Enkele van de beste zwaarden worden gemaakt door middel van een proces dat differentieel temperen wordt genoemd. Met een differentieel temperament kan een smid een mes met zeer harde randen maken met een zachtere, veerkrachtigere kern in het midden van het mes. Dit verhoogt de taaiheid van het mes en voorkomt breuk.

In Japan werden katana's vaak verschillend gehard of getemperd door gebruik te maken van klei om de snelheid van verandering tijdens afschrikken en temperen te helpen beheersen. Verschillende diktes van klei kunnen helpen de veranderingssnelheid te beheersen.

Bij andere differentiële temperingsprocessen wordt slechts een deel van het mes (vaak de ruggengraat) verwarmd. De zwaardmakers zouden de kleur van het blad zien veranderen terwijl het uitstraalt naar de scherpe rand. Zodra het bijna de lichte strokleur aan de rand bereikt, verwijderen ze het vuur.

Warmtebehandelingen en gehard staal in "moderne" toepassingen

Gehard staal is niet alleen voor messen en zwaarden. Het heeft toepassingen in de echte wereld in moderne productie. Gereedschappen worden vaak getemperd om heel erg hard te zijn:afschrikken maakt deel uit van het gereedschapsstaalproces om een ​​harde werkrand te creëren die bestand is tegen slijtage en inkepingen. Precisiegereedschappen moeten deze harde rand vaak behouden om binnen de werktolerantie te blijven. Voor de integriteit van het algehele gereedschap kan naderhand echter ontlaten nodig zijn, om het minder bros te maken. Veren, constructiestaal en andere metalen onderdelen die specifieke materiaaleigenschappen vereisen, kunnen ook een warmtebehandeling ondergaan, waardoor een consistente of differentiële temperatuur ontstaat, afhankelijk van de materiaalbehoeften van de toepassing.

Metaal, als een kristal met een kneedbare microstructuur, biedt de materiaalwetenschapper vele manieren om een ​​probleem op te lossen met een slimme combinatie van legeringsselectie en warmtebehandeling.