Wat is angelopen staal? Expert inzichten in het versterken van staal voor gereedschappen en constructies

Hoe aanlaten belangrijk is voor functioneel staal.

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

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

Laten we eens kijken naar de basis van angelopen staal… en hoe staal met een aanlating flexibeler en gevend is dan staal zonder aanlating.

Metallurgie 101

Metallurgie is zowel de wetenschap (zoals toegepast op metaalproductie) als de technologie van metalen. Het betreft de chemische samenstelling van metalen en zijn fysieke en mechanische attributen.

Hier zijn enkele veelvoorkomende termen die u hoort rondom metallurgie en aanlaten van staal:

• Sterkte: hoe goed het staal permanente vervorming of scheuren weerstaat
• Zachtheid: hoe goed het staal breuk weerstaat (vaak neemt zachtheid toe als sterkte toeneemt)
• Hardheid: hoe goed het metaal krabben of indrukken weerstaat
• Slagweerstand: hoe goed het staal schokbelasting weerstaat met minimale vervorming (vaak ook bekend als hoge-sterkte zachtheid)
• Slijtweerstand: hoe goed het staal erosie, afvlakking, afschilfering en klemmen weerstaat (vaak ook aangeduid als de hardheid)
• Structurele Integriteit: hoe goed het staal een belasting weerstaat zonder te breken

Staal is een populair materiaal voor bouw. Staals twee vereiste elementen zijn ijzer en koolstof, en legeringen zullen vaak ook kleine hoeveelheden andere metalen bevatten. Staal bevat minder dan 2,14% koolstof: hogere koolstoflegeringen zijn meestal een vorm van gietijzer. Legeringen mogen ook mangaan en sporaanhoeveelheden silicium, fosfor, zwavel en zuurstof bevatten. Staal is zo duurzaam en sterk dat het decennialang gebruikt kan worden, daarna kan het herhaaldelijk gerecycled worden zonder eigenschappen te verliezen. Veel van de nieuwe staalproductie bevat hoeveelheden gerecycled staal.

Microstructuren van staal

Voordat we leren hoe de eigenschappen van staal te veranderen, moeten we eerst de microstructuur ervan begrijpen. Precieze verhit en afkoeling van het staal verandert de microstructuur:

Ferriet - lichaam-gecentreerd kubieke (BCC) kristalstructuur

Dit is zuiver ijzer bij kamertemperatuur. Het kan ook staal met zeer lage koolstofinhoud beschrijven.

Stel u een kubus voor met één molecuul in elke hoek en één in het midden van de kubus. De moleculen zijn los gepakt en bevatten minder moleculen binnen elke kubus. Bij kamertemperatuur kunt u slechts 0,006% koolstof aan de structuur toevoegen.

Austeniet - vlak-gecentreerd kubieke (FCC) kristalstructuur

Deze vorm treedt op wanneer ijzer-gebaseerde legeringen verhit worden tussen 1500°F en 1800°F.

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

Cementiet

Wanneer koolstofstaal verhit wordt tot het austenietbereik, dan afgekoeld zonder enig legeringselement aanwezig, transformeert het terug naar ferrietvorm. Cementiet vormt wanneer de koolstofinhoud groter is dan 0,006% en de koolstofatomen combineren met ijzer om ijzerkarbied (Fe3C) te vormen. U zult nooit een stuk metaal krijgen dat zuiver cementiet is, omdat een deel van het materiaal in ferrietvorm blijft.

Parelstaal

Afwisselende lagen van ferriet en cementiet vormen een nieuwe structuur genaamd parelstaal. Dit gebeurt wanneer staal langzaam afgekoeld wordt, wat een eutectische mengsel vormt (één waarin twee vloeibare materialen gelijktijdig kristalliseren). Het vormt ferriet en cementiet tegelijkertijd, in een afwisselend patroon.

Martensiet - lichaam-gecentreerd tetragonale (BCT) kristallijne structuur

Deze staalmicrostructuur wordt gevormd door het staal heel snel af te koelen, wat de koolstofatomen dwingt in het ijzerrooster te vervallen. Het resultaat is een zeer harde, naaldachtige structuur van ijzer en staal.

Deze microstructuren zijn belangrijk om de mechanische eigenschappen van staal te begrijpen. Koolstofinhoud, legeringsconcentraties en afwerkingsmethoden dragen allemaal bij aan de microstructuur van het staal. Zodra u dit weet, kunt u leren hoe de eigenschappen te manipuleren door middel van precieze warmtebehandelingen zoals het aanlaten van staal.

Overzicht warmtebehandelingen

Warmtebehandeling van metalen zal de fysieke eigenschappen veranderen. Het kan de sterkte, duktiliteit, zachtheid, hardheid en corrosiebestendigheid verhogen.

Er zijn 3 veelvoorkomende warmtebehandelingen:

• Anlaten: Het metaal wordt verhit om het zacht te maken, dan langzaam afgekoeld. Langzame bevriezing van de microstructuren maakt grote, ronde korrels van metaal. Dit ontdoet het metaal van interne spanning en maakt het waarschijnlijker dat het alleen deuk of buigt wanneer het geslagen wordt.
• Quenchen: In dit proces wordt het metaal snel afgekoeld (vaak in een water- of oliebad). Dit bevriest de moleculen snel. Veel kleine, getande korrels van metaal beginnen allemaal tegelijk te bevriezen, met veel verplaatsing in elke korrel en ertussen. Vergelijk dit met een heel langzame afkoeling, waar korrels langzaam over tijd in grote, cirkelvormige bloemen afkoelen. Langzaam afgekoelde metaalkorrels kunnen aan elkaar voorbijglijden wanneer het metaal geslagen wordt, het metaal deukend maar niet brekend. Schokbevriezing geeft de moleculaire structuur minder ruimte om te bewegen wanneer geslagen, wat het harder maakt, minder geneigd te deuken. Het metaalrooster in deze structuren heet martensiet, en het is martensiets geschokte, getande moleculaire structuur die gequenchde metalen hun kenmerkende hardheid geeft.
• Aanlaten: Om eventuele overmatige hardheid die door productie of quenchen is gecreëerd te verminderen, kan metaal angelopen worden door het metaal te verhit tot een specifieke temperatuur voor een specifieke tijd, afhankelijk van de eigenschappen die u probeert te veranderen.

Waarom staal aanlaten?

Staal wordt angelopen om het de juiste materiaaleigenschappen voor de toepassing te geven. Deze kunnen zijn:

• Hardheid verminderen terwijl zachtheid toeneemt (een zacht materiaal weerstaat afscheuring bij impact, waar een hard materiaal weerstaat tegen indrukken en zal breken voordat het buigt)
• Verhoogde duktiliteit (toelatend om vorm te veranderen zonder te breken)
• Verhoogde weerstand tegen slijtage
• Verhoogde bewerkbaarheid als het staal verder bewerkt moet worden

Angelopen staal proces

Voordat u staal aanlaat, zult u het staal vaak eerst quenchen, om het te harden. Dan bepaalt de aanlaattemperatuur hoeveel hardheid u uit het metaal haalt. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer hardheid wordt verwijderd. Bijvoorbeeld, harde gereedschappen worden angelopen bij lagere temperaturen, terwijl flexibele veren angelopen worden bij hogere temperaturen.

Staal wordt vaak verhit in een gas-, elektrische weerstands- of inductieoven met vacuüm of inert gas om oxidatie te voorkomen. Eenmaal het staal verhit is tot de gespecificeerde temperatuur, houdt u de temperatuur voor een ingestelde hoeveelheid tijd, afhankelijk van het type staal en de mechanische eigenschappen die u wilt bereiken.

U hebt geen thermometer of temperatuurpistool nodig om te weten wanneer het de juiste temperatuur bereikt heeft. Angelopen staal verandert in een transparante kleur afhankelijk van de temperatuur van de aanlating. Deze kleur wordt gevormd door een oxidatielaag die zich op het oppervlak vormt. Hogere temperaturen creëren dikker lagen ijzeroxide, evenals langere tijdsperiodes in die temperatuurzone. Deze laag helpt het staal beschermen tegen corrosie.

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

• Linker begin is Genormaliseerd Staal. Dit is staal dat boven de bovenste kritische temperatuur verhit is en in stilstaande lucht afgekoeld.
• 2e van links is Gequenchd Staal. Dat is staal dat snel afgekoeld werd.
• De volgende acht tonen de kleuren van angelopen staal gebaseerd op temperatuur - 130°F (176°C) tot 730°F (388°C)

Voorbeelden van angelopen staal (per temperatuur/kleur):

Wat is het verschil tussen aanlaten van staal en harden?

Aanlaten van staal en harden van staal geven dezelfde legering verschillende mogelijkheden.

Harden van staal maakt het rigider, en minder geneigd om te krabbelen of in te drukken. Echter, dit harder oppervlak is brosser. Het zal niet indrukken als het geslagen wordt, maar als de impactkracht te sterk is, zal het breken of afscheuren. Met aanlaten wordt enige hardheid ingeruild voor verhoogde zachtheid. Zachtheid is de capaciteit om breuk of afscheuring te weerstaan, maar de ruil is dat het meer geneigd is om te krabbelen of in te drukken.

Vaak zult u het staal eerst harden, dan het staal aanlaten om een specifieke hardheid-naar-zachtheid verhouding te bereiken.

Warmtebehandelingen van zwaarden en messen

Aanlaten is een belangrijk deel van bladsmithing. Sommige van de beste zwaarden worden gecreëerd door een proces genaamd differentieel aanlaten. Met een differentieel aanlaten kan een smid een zeer hard geslepen mes creëren met een zachtere, verenderige kern in het midden van het mes. Dit verhoogt de zachtheid van het mes en voorkomt breuk.

In Japan werden katana's vaak differentieel gehard of angelopen door toepassingen van klei te gebruiken om de snelheid van verandering tijdens quench en aanlaten te controleren. Verschillende diktes van klei konden helpen de snelheid van verandering te controleren.

In andere differentiële aanlatingsprocessen wordt hitte alleen toegepast op een deel van het mes (vaak de rug). De zwaardmakers zouden de kleur van het mes zien veranderen als het uitstraalt naar de scherpe rand. Zolang het bijna de licht-stro kleur aan de rand bereikt, verwijderen ze de hitte.

Warmtebehandelingen en angelopen staal in 'moderne' toepassingen

Angelopen staal is niet alleen voor messen en zwaarden. Het heeft echte toepassingen in moderne productie. Gereedschappen worden vaak angelopen om zeer hard te zijn: quenchen is onderdeel van het tool steel proces voor het creëren van een harde werkkant die slijtage en indrukken weerstaat. Precisie gereedschappen moeten vaak deze harde rand behouden om binnen werktolerantie te blijven. Echter, aanlaten kan daarna nodig zijn voor de integriteit van het hele gereedschap, om het minder bros te maken. Veren, constructiestaal, en andere metalen stukken die specifieke materiaaleigenschappen vereisen, kunnen ook warmtebehandeling ondergaan, hetzij een consistente of differentiële aanlating creërend, afhankelijk van de materiaalbehoeftes van de toepassing.

Metaal, als een kristal met een buigbare microstructuur, biedt de materialenwetenschapper veel manieren om een probleem aan te pakken met een slimme combinatie van legeringsselectie en warmtebehandeling.