Varmebehandling af stål

Varmebehandling af stål Stålets varmebehandling Når stål bliver udsat for plastisk deformation, spåntagende bearbejdning, støbning og svejsning, ændrer stålets struktur sig ofte på en sådan måde, at stålet får øget hårdhed og skørhed, hvilket i mange tilfælde virker uheldigt. I andre tilfælde, når stål skal anvendes til formgivende og skærende bearbejdning, er det nødvendigt at øge stålets hårdhed enten ved gennemhærdning eller overfladehærdning. Varmebehandling omfatter følgende processer eller glødninger: Rekrystallisation (udglødning) Normalisering Blødglødning Afspændingsglødning Hærdning og anløbning Carbonisering (indsætning) Nitrering Andre overfladebehandlingsprocesser For at kunne forstå varmebehandlingen er det nødvendigt at se på tilstandsdiagrammet jernkulstof. ma182-01.cdr Jern-kulstofdiagram Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 1

Jern-kulstofdiagram (ståldelen) Jern-kulstofdiagrammet er et tilstandsdiagram, der fortæller om jern-kulstofståls forskellige faser, strukturer, fra ca. 1.600 til 0 C. På den lodrette akse er temperaturen afsat og på den vandrette akse kulstofindholdet. Diagrammet, vi her vil beskæftige os med, omhandler kun ståldelen (Fe), kulstofindhold (C) 0 til 2,1%. Ved et givet kulstofindhold og en given temperatur kan den pågældende ståltypes tilstand aflæses af diagrammet. Afkøles stålet tilstrækkeligt langsomt, kan strukturomdannelserne følges ved et konstant kulstofindhold. De strukturformer, der dannes, er afhængige af bl.a. kulstofindholdet og temperaturen. Ferrit Fe Rent jern er blødt og sejt ved lave temperaturer og har kubisk rumcentreret gitteropbygning. Cementit Fe 3 C Cementit, som også kaldes jernkarbid, er en kemisk forbindelse mellem jern, Fe, og kulstof, C. Den kemiske forbindelse Fe 3 C vil give tre Fe atomer og et C atom. Den samlede atommasse bliver derved tre stk. Fe af 55,8u og et C af 12u, hvilket samlet vil blive 179,4u. Ved almindelig procentregning vil vi se, at kulstoffet maks. kun udgør Perlit Ferritkrystaller, hvori der ligger parallelle lameller af cementit, og det totale kulstofindhold i krystallet er 0,83%, kaldes perlit. Krystallet kan ikke indeholde yderligere kulstof. Kulstofstål med 0,83% C vil udelukkende have perlitstruktur. Perlit er en hård og sej struktur. Korngrænsecementit Et perlitkrystal kan maksimalt indeholde 0,83% kulstof. Yderligere kulstof vil udskilles som cementit i korngrænserne. Jern med 6,67% C vil udelukkende bestå af cementit. Eutektoid stål Eutektoid stål er stål, hvis normale struktur udelukkende består af perlit, i afkølet tilstand er kulstofindholdet 0,83%. Undereutektoide stål Undereutektoide stål er stål, hvis normale struktur i afkølet tilstand består af perlit og ferrit. Kulstofindholdet er fra 0 til 0,83%. Overeutektoide stål Overeutektoide stål er stål, hvis normale struktur i afkølet tilstand består af perlit og cementit. 12 100 ------------------------ 179, 4 = 6,688% Kulstofindholdet er 0,83% og derover. Cementit er hård og skør. Austenit En tilstand, hvor kulstoffet er opløst i jernet. Den maksimale opløselighed af kulstof i austenit er ca. 2,0%. Austenitstrukturen er ustabil i kulstofstål ved almindelig stuetemperatur. I dette tilfælde kaldes austenit for restaustenit. Austenit er blød og sej og har kubisk fladecentreret gitteropbygning og er umagnetisk. 2 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Jern-kulstofdiagram, ståldelen Temperatur i Temperatur i C 0 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 C 1.600 1.600 A Smelte + δ (delta) 1.539 C 1.539 1.493 C B 1.500 H δ I Smelte 1.500 δ + γ 1.400 1.400 1.392 C N Kubisk rumcentreret Smelte + δ 1.300 1.300 1.200 1.200 Austenit = γ (gamma) E 1.100 1.100 Kubisk fladecentreret Maks. smedetemperatur 1.000 1.000 911 C G Austenit + 900 900 cementit A 3 Ferrit + 800 M A 800 769 C 2 Austenit O Normalisering + hærdning P A S K 723 C 1 700 Sfæroidisering 700 Ferrit = α (alfa) Rekrystallisationsglødning 600 Afspændingsglødning 600 Rekrystallisationsglødning 500 500 Kubisk rumcentreret A cm 400 400 300 300 Perlit 200 200 100 Ferrit + perlit Perlit + cementit 100 Undereutektoid Overeutektoid 0 Kulstofindhold i % C 0,5 0,8 1,0 1,5 2,0 ma101-02.cdr Det lille jern-kulstofdiagram Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 3

Jern-kulstofstål 0% C Afkølingsforløb Ved 1.528 C Jernet størkner, krystaller dannes med kubisk rumcentreret gitter. Delta-jern (δ-jern) ~ Jern (Fe) Ved 1.401 C Forandres gitteropbygning til kubisk fladecentreret gitter. Gamma-jern (γ-jern) ~ Austenit. Ved 906 C Forandres gitteropbygning til kubisk rumcentreret gitter. Alfa-jern (α-jern) ~ Ferrit. Ferritstruktur. Ferrit Jern-kulstofstål 0,5% C Afkølingsforløb Ved 1.495 C Likviduslinien overskæres, størkningen begynder, tilstanden smeltet jern og austenit. Ved 1.430 C Soliduslinien overskæres, materialet fuldstændigt størknet, kubisk fladecentreret gitter. Gamma-jern. Austenitstruktur. Ved 770 C G-S linien overskæres, udskillelse af rene ferritkrystaller. Kulstof ophobes i resterende austenit. Ved 721 C Resterende austenit indeholder 0,83% C. Udskillelse af perlitkrystaller. Perlit-ferritstruktur. Kubisk rumcentreret gitter. ma020-01.tif Struktur ved stuetemperatur, ferritkrystaller Ferrit Perlit ma020-02.tif Struktur ved stuetemperatur, ferrit- og perlitkrystaller 4 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Jern-kulstofstål 0,9% C Afkølingsforløb Ved 1.475 C Likviduslinien overskæres, størkningen begynder, tilstanden smeltet jern og austenit. Ved 1.375 C Soliduslinien overskæres, materialet fuldstændigt størknet, kubisk fladecentreret gitter. Gamma-jern. Austenitstruktur. Ved 723 C P-K linien overskæres, udskillelser af perlit og begyndende korngrænsecementit. Gitteropbygning skifter til kubisk rumcentreret. Perlitstruktur. Perlit Jern-kulstofstål 1,5% C Afkølingsforløb Ved 1.425 C Likviduslinien overskæres, størkningen begynder, tilstanden smeltet jern og austenit. Ved 1.245 C Soliduslinien overskæres, materialet fuldstændigt størknet, kubisk fladecentreret gitter. Gamma-jern. Austenitstruktur. Ved 975 C S-E linien overskæres, begyndende udskillelse af rent cementit. Ved 721 C Resterende austenit indeholder 0,83% C, udskilles som perlitkrystaller. Perlit- og cementitstruktur. Kubisk rumcentreret gitter. ma020-03.tif Struktur ved stuetemperatur, perlitkrystaller Perlit Cementit ma020-04.tif Struktur ved stuetemperatur, perlitkrystaller og korngrænsecementit Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 5

Rekrystallisationsglødning (udglødning) Generelt Ved koldbearbejdning af stål øges dettes hårdhed og flydegrænse, men mulighederne for at fortsætte koldbearbejdningen for at opnå en bestemt form mindskes efterhånden, idet der opstår brud ved tilstrækkelig stor koldbearbejdning. Ved glødning over ca. 600 C rekrystalliserer stålet imidlertid, idet der dannes nye spændingsfrie krystaller i den gamle deformerede krystalstruktur. Når denne proces er afsluttet, har stålet nået sin tidligere lave hårdhed, og fortsat koldbearbejdning kan finde sted. Trækstyrke N/mm 2 550 500 450 400 350 Trækstyrke Udglødningsområde 0 200 400 600 800 1000 Udglødningstemperatur C ma182-02.cdr Udglødningsdiagram, der viser, hvorledes stålets trækstyrke ændrer sig, når der sker en rekrystallisation (en times udglødning) Holdetiden ved rekrystallisationsglødning er normalt ½ til 1 time, men kan i automatiske anlæg gøres kortere. Deformationsgrad Kornstørrelsen i det rekrystalliserede materiale afhænger i høj grad af den deformationsgrad, der er opnået under koldbearbejdningen, især hos ulegerede stål med kulstofindhold under 0,2%. Hvis koldbearbejdningen har givet materialet en lille, såkaldt kritisk reduktionsgrad, dvs. tværsnitsdimensionerne kun er formindsket med mellem 6 og 15%, får materialet efter rekrystallisationsglødningen meget grovkornet struktur. Anvendelse af rekrystallisationsglødning Rekrystallisationsglødning anvendes ofte til koldtvalset tyndplade eller bånd eller efter optrækningsoperationer. Ved fremstilling af husholdningsredskaber af 18/8-stål eller ved fremstilling af patronhylstre af messing og ved mange andre plastiske formgivningsprocesser må man rekrystallisationsgløde adskillige gange for at give materialet den endelige form. Ifølge jern-kulstofdiagrammet vil stål med kulstofindhold under ca. 1% udglødes ved ca. 600 C og stål med kulstofindhold over ca. 1% ved ca. 500 C. ma182-03.cdr Diagram, der viser forandringerne af egenskaberne ved et kolddeformeret materiale ved opvarmning til forskellige temperaturer i samme tid Udglødningstemperaturer Zink 70 C Aluminium 150 C Kobber 220 C Guld 200 C Sølv 200 C Jern 450 C Nikkel 600 C Wolfram 1.200 C 6 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Normalisering Generelt Normalisering er en varmebehandling, der anvendes for at frembringe en finkornet struktur i materialet. Normalisering foretages ved opvarmning til temperaturer lidt over A 3 -linien (det lille jern-kulstofdiagram). Herved omdannes ferrit, perlit og alle andre strukturer til finkornet austenit, der ved den efterfølgende afkøling i luft delvis omdannes til finkornet ferrit mellem A 3 - og A 1 -linien, hvorefter resten af austenitten omdannes til finkornet perlit ved temperaturer lidt under 721 C. Dette gælder for de almindelige stål og i hvert fald delvist for de vand- eller oliehærdende stål. Hvorimod man ved forsøg på normalisering af et lufthærdende stål vil få hærdestruktur. Under normaliseringen fjernes alle de oprindelige spændinger i materialet. Der er dog risiko for indførelse af nye spændinger under afkølingen afhængigt af, hvordan denne udføres. Man kan derfor ikke være sikker på, at et normaliseret emne er helt spændingsfrit. Blødglødning Blødglødningsprocessen Formålet med denne glødning er at gøre et hårdt stål blødt og lettere bearbejdeligt. For ulegerede stål er det almindelige temperaturområde vist på jern-kulstofdiagrammet. Undereutektoide, ulegerede stål, glødes mellem 700 og 725 C, mens overeutektoide, ulegerede stål glødes i temperaturområdet omkring 750 C. Årsagen til at gløde stål med lavt kulstofindhold ved lav temperatur er, at de ville blive blødere end ønskeligt ved højere temperatur. Den højere temperatur, man anvender til overeutektoide stål, skyldes, at disse stål kan indeholde karbidnetværk, som skal opløses, og dette kan kun ske ved temperatur på over 723 C. Holdetiden er afhængig af emnedimensioneringen og ståltypen, normalt 2 til 10 timer. Afkølingshastigheden er af mindre betydning, når det gælder ulegerede stål. Afkøling ned til ca. 600 C og derefter luftkøling er almindeligt. For legerede stål er afkølingshastigheden af større betydning og angives ofte til ca. 15 C pr. time. Under blødglødning omformes den forhåndenværende cementit således, at den optræder som små kugler i stålets struktur. Strukturen kaldes for sfæroidiseret cementit eller kugleperlit. ma182-04.cdr Principdiagram: Normalisering ma182-05.cdr Principdiagram: Blødglødning Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 7

Afspændingsglødning Ved afspændingsglødning forstås en varmebehandling, der tilsigter at fjerne eller at formindske spændingerne i materialet, uden at materialets egenskaber i øvrigt ændres væsentligt. Efter svejsning, plastisk bearbejdning eller kraftigt skærende bearbejdning bør afspændingsglødning udføres før færdigbearbejdning og eventuel hærdning. Forstørrelse 800 gange ma182-06.tif Lamellær perlit. Kulstofindhold 0,9% (før blødglødning) Forstørrelse 800 gange ma182-07.tif Sfæroidiseret perlit. Kulstofindhold 0,9% (efter blødglødning) Afspændingsglødning kaldes fejlagtigt i daglig tale ofte spændingsudglødning eller spændingsfriglødning. Afspændingsglødningsproces Afspændingsglødning foretages ved opvarmning til temperaturer lidt under A 1 -linien fra 15 min til 4 timer, afhængigt af emnets størrelse, godstykkelsen og materialets sammensætning, og bør efterfølges af en langsom og ensartet afkøling, bedst ovnkøling. Det er vigtigt, specielt ved udglødning af legerede materialer, at A 1 -linien ikke overskrides, idet materialet da delvist omdannes til austenit, der senere kan hærde under afkøling. Denne fare er størst ved udglødning på montagepladsen, idet temperaturkontrollen her ofte er ret primitiv, og afkølingshastigheden ikke er så langsom som ved ovnkøling. De lavt- og højtlegerede stål leveres normalt blødglødet fra værket. ma182-08.cdr Principdiagram: Afspændingsglødning 8 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Hærdning Hærdning er en varmebehandling af stål, der foretages for at give større hårdhed og bedre styrkeegenskaber. Hærdning udføres ved en opvarmning med efterfølgende bratkøling og anløbning. For at opnå en hærdning skal stålet bratkøles, f.eks. i vand. Ved hurtig afkøling vil austenitten forblive uforandret ned til lave temperaturer, og først ved ca. 210 C omdannes austenitten pludseligt til en ny, ejendommelig nålet struktur, der kaldes martensit. En betingelse for, at kulstofstål kan opnå en hårdhed, så det kan siges at være hærdet, er et kulstofindhold på min. 0,3%. Hærdetemperaturen for jern-kulstofstål er afhængig af kulstofindholdet. Temperaturen fremgår af jern-kulstofdiagrammet og er ca. 50 til 80 C over G-S-linien. For høj hærdetemperatur vil gøre emnet grovkornet og skørt. For lav hærdetemperatur giver mindre hårdhed i emnet. Hærdning af mejselstål Ved hærdning af mejselstål med 0,7% C skal materialet først opvarmes til ca. 800 C. Stålet er nu omdannet til austenit, og alt kulstoffet er opløst. Hvis man nu lader temperaturen falde langsomt, vil austenitten omdannes til de samme bestanddele som før opvarmningen, nemlig ferrit og perlit, og stålet vil ikke blive hårdt. ma021-02.tif Martensitstruktur Da der ikke er udskilt den mindste smule cementit under den hurtige afkøling, må alt kulstoffet befinde sig i martensitten. Det giver anledning til voldsomme indre spændinger i materialet og er grunden til, at martensitten er meget hård, men desværre også skør. Trækbrudspændingen kan i visse tilfælde nå helt op til ca. 3.000 N/mm 2. Hærdning af stål med mere end 0,9% kulstof Såfremt stålet, der skal hærdes, har mere end 0,9% kulstof, f.eks. 1,2%, som det ofte bruges til stanseværktøj, skal stålet kun opvarmes til ca. 770 C. Ved denne temperatur findes der endnu noget af den hårde cementit, der ikke er opløst i austenitten. Ved hærdningen omdannes austenitten til den hårde martensit, mens cementitten forbliver uforandret. Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 9

Den atomare ændring ved hærdning kan forklares på følgende måde: 1 Å, Ångstrøm = 0,0001 µ (m). Ved almindelig hærdning opvarmes stålet til en temperatur, der medfører, at strukturen omdannes til austenit, og derefter foretages en hurtig afkøling. Kulstoffet i udgangsmaterialet er i overvejende grad bundet i jernkarbider. Disse karbider opløses ved den høje temperatur, og da austenittens krystalstruktur formår at optage betydeligt mere kulstof end udgangsmaterialets ferrit, får man en nogenlunde jævn fordeling af kulstoffet. Ved bratkøling når kulstoffet ikke at gå tilbage til det tidligere leje, men man får et deformeret atomgitter, martensit. 3,57 Å ma18211.cdr Kulstofatomernes mulige beliggenhed i austenitkrystal (enhedscelle) 2,98 Å ma182-09.cdr Principdiagram: Hærdning 2,85 Å ma182-12.cdr Kulstofatomernes mulige beliggenhed i martensitkrystal (enhedscelle) 2,86 Å ma182-10.cdr Atomernes beliggenhed i ferritkrystal (enhedscelle) ma182-13.cdr Martensitkrystallets forvrængede beliggenhed i restaustenittens gitterstruktur 10 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Mange af ståls varmebehandlinger medfører hurtige temperaturændringer, og da jernkulstofdiagrammet er et tilstandsdiagram, kan det ikke på rimelig måde benyttes til at vise strukturændringerne under sådanne forhold. Derimod kan man benytte sig af afkølingsdiagrammet, som kaldes for TTT-diagrammet. TTT-diagram De tre T er står for Tid, Temperatur og Transformation, og diagrammerne gælder for omdannelser ved konstante temperaturer. Endvidere gælder et TTT-diagram kun til en bestemt legering. Et TTT-diagram kan bl.a. opbygges på den måde, at mange små prøveemner af et bestemt materiale opvarmes til austenitområdet, hvorefter de et ad gangen afkøles i et bad i en forud bestemt temperatur og tid. Man ser på mange TTT-diagrammer, at kurver er indlagt, også for delvis omdannelse. T o 800 700 600 500 400 300 Ms 200 t C S-kurve 100 Mf Tid 1 4 15 60 sekunder 1 4 15 60 minutter 1 4 15 timer ma142-02.cdr TTT-diagram for kulstofstål med 0,9% C Når holdetiden er nået, tages emnet op og bratkøles i koldt vand og til slut bestemmes ved mikroskopi, hvad austenitten er omdannet til, og hvor stor en del der er omdannet. Der går en vis tid, inkubationstiden, inden omdannelsen er målelig, og ligeledes er det vanskeligt at konstatere en 100% omdannelse, derfor vælges det at indtegne linier for 1% og 99% omdannelse. T o C t C Holdetid % omdannelse Struktur Kurve nr. 850 750 ~ 0 Austenit 1 850 650 4 s 1 Perlit 2 850 650 8 min 99 Perlit 3 850 350 15 s 1 Bainit 4 850 350 7 min 99 Bainit 5 850 220 ~ 1 Martensit 6 850 30 ~ 99 Martensit 7 Temperaturtid og omdannelsesforløb for et 0,95% kulstofstål ma182-14.tif TTT-diagram for højtlegeret stål Sverker 21 (SS 2310) Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 11

Anvendelse TTT-diagrammer anvendes for stål, som skal anvendes i hærdet tilstand, og sådanne er ofte legerede. Desuden gælder, at TTT-diagrammer kun har gyldighed, hvis man starter med sit emne som homogent austenit (over A 3 eller A m temperaturen) og derefter afkøler sit emne på en sådan måde, at man i diagrammet passerer vandret ind i området mellem de indtegnede kurver, dvs. den eutektoide omdannelse foregår ved konstant temperatur. Næsten alle legeringselementer, på nær kobolt, vil flytte S-kurven mod højre, hvorved det bliver lettere at gennemføre afkølingsforløbet selv med større materialetykkelser, således at afkølingskurven ikke skærer ind i perlitnæsen, og al austenitten kan bevares til martensitdannelse. Trinhærdning Værktøjer kan ofte være kompliceret udformet. For at mindske risikoen for revnedannelse ved hærdning kan det være nødvendigt at fremkalde en vis temperaturudjævning i detaljen, før den tager hærdning. Således kan man afkøle værktøjet så at sige i trin ved at bratkøle det i for eksempel et saltbad med en temperatur, som ligger omkring M s -temperaturen for det aktuelle stål i TTT-diagrammet. Stålet bør være noget legeret for, at man kan udføre trinhærdning, også kaldet termalhærdning. Det er nemlig en betingelse for 100% omdannelse til en bestemt struktur, at ingen af de andre omdannelseskurver overskrides. Perlitnæsen Hvis man betragter TTT-diagrammet over kulstofstålet med 0,9% C, vil man se, at S-kurven på 1% perlit (også kaldet perlitnæsen) ved ca. 550 C anviser en afkølingstid på ca. 0,8 s. For at opnå den ekstremt høje afkølingstid er det nødvendigt at anvende vand eller saltvand som kølemedium. ma182-15.cdr Principdiagram: Trinhærdning Hvis man derefter betragter TTT-diagrammet over det højtlegerede stål SVERKER 21 på samme måde, vil man konstatere en køletid på ca. 6 min ved ca. 700 C. Her kan man anvende olie, luft eller saltbad som kølemedium. Man kan herefter som tommelfingerregel konkludere, at: Kulstofstål med 0,3 til ca. 1,2% C vandhærdes Lavtlegeret stål oliehærdes Højtlegeret stål oliehærdes eller lufthærdes Jo flere legeringselementer i form af Cr-, Mo-, W- og V-karbider samt Mn, jo lavere afkølingshastighed og jo større gennemhærdningsevne har stålet. 12 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Hærdetemperatur Austenitiseringstemperaturens (hærdetemperaturens) indvirkning på hårdhed, kornstørrelse og restaustenitten En for høj og lav austenitiseringstemperatur vil formindske hårdheden i stålet. Bemærk: Højeste kornstørrelsestal er lig med mindste kornstørrelse efter ASTM (American Society for Testing Materials). Ved en for høj austenitiseringstemperatur vil kornene i austenitten begynde at vokse i makrostrukturen. Denne kornvækst vil efter hærdningen give en grovkornet martensit med øget skørhed og faldende brudstyrke. Derved vil stålet svækkes afgørende. Holdes stålet i for lang tid i austenitiseringstemperaturen, vil kornene i austenitten også begynde at vokse. Ved stigende austenitiseringstemperatur vil vægtprocenten af restaustenitten efter kølingen stige, hvilket yderligere vil svække stålet. Restaustenitten, dvs. den austenit, der bliver tilbage efter afkølingen, har en mindre volumen end martensitten. Restaustenitindholdet vokser i takt med legeringselementernes størrelse. Restaustenitten, som ved stuetemperatur er blød og ustabil, kan med tiden ændre sig til uanløben martensit og derved skabe dimensionsændringer og i værste fald revnedannelser i stålet. Holdetiden er den tid, stålet skal holdes på austenitiseringstemperaturen. Holdetiden ligger på 30 til 60 min. Opvarmningstiden, som er dimensionsafhængig, er den tid, det tager at varme stålet op til austenitiseringstemperatur. Hærdetiden er summen af opvarmningstid og holdetid. ma182-16.cdr Hårdheden, kornstørrelsen og restaustenitten som en funktion af austenitiseringstemperaturen ved RIGOR (SS 2260) Anløbning Umiddelbart efter hærdningen skal emnet anløbes. Ved hærdningen er stålet blevet hårdt, men samtidigt også skørt, så der er stor fare for, at det revner ved brugen. Skørheden skyldes de store indre spændinger, der er opstået ved den hurtige afkøling. For at gøre stålet anvendeligt må man fjerne en del af disse spændinger. Det sker ved genopvarmning af hærdeemnet til en temperatur, der sædvanligvis ligger mellem 100 og 300 C, hvis emnet skal være hårdt, eller mellem 500 og 700 C for emner, der skal sejhærdes. Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 13

Anløbningstiden bør være så lang (se principdiagram), at man opnår en ordentlig udligning af spændingerne og en omdannelse af strukturen fra uanløben martensit til en gradvis sønderdelt anløben martensit. Ved HS-stål anløbes der mindst tre gange på grund af stålets meget høje legeringsindhold. Materialets hårdhed falder med stigende anløbningstemperatur. ma182-17.cdr Principdiagram: Anløbning Ved kulstofstål anløbes der kun en gang. Dette skyldes, at der praktisk talt ikke findes restaustenit i den uanløbne martensit på grund af manglende legeringselementer i stålet ud over kulstoffet. ma182-18.cdr Anløbningsdiagram over SS 2260 RIGOR. Bedste anløbningstemperatur 215 til 225 C Ved legeret stål anløbes der, som diagrammet viser, mindst to gange. Dette skyldes, at der her er tale om legeret stål med en vis mængde restaustenit på grund af en større mængde legeringselementer, f.eks. karbiddanneren chrom. Ved første anløbning omdannes den uanløbne martensit til anløben martensit og restaustenitten til uanløben martensit. Ved anden anløbning omdannes den fra restaustenitten tilbageværende uanløbne martensit til anløben martensit. Derfor de to anløbninger. ma182-19.cdr Anløbningsdiagram over hurtigstål SS 2722 KM2 Diagrammet viser, at stålet får en hårdhedsforøgelse, også kaldet en sekundærhærdning, ved ca. 530 C. 14 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Dette skyldes, at de tunge metalkarbider af Cr, Mo, W og V ved stigende anløbningstemperatur søger ud i krystallernes korngrænser, og derved øges stålets hårdhed samtidig med, at brudsejheden falder. Med andre ord, stålet bliver skørt og svækkes. For at undgå dette anløbes hurtigstål altid et stykke over den kritiske temperatur, f.eks. fra 550 til 560 C. Målændringer ved hærdning Eksempel Prøveplatte 100 100 25 mm. SS 2260 RIGOR. Hærdning Oliehærdning fra 960 C Trinhærdning fra 960 C Lufthærdning fra 960 C min. maks. min. maks. min. maks. Bredde % 0,10 0,05 +0,04 +0,05 +0,08 +0,14 Målændringer ved anløbning Målændring % Længde % Tykkelse % 0,02 +0,06 0,05 +0,06 +0,08 +0,04 +0,13 +0,15 +0,04 +0,20 +0,16 +0,12 +0,08 +0,04 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 100 200 300 400 500 600 700 Anløbningstemperatur C ma182-20.cdr Bemærk: Målændingerne ved hærdning og anløbning skal lægges sammen Indsatshærdning Opkulning En metode til opnåelse af stor hårdhed i overfladen af et sejt stål med lavt C-indhold er at opkulle overfladen. Opkulning kan foregå på mange måder, der kan deles i tre grupper: Opkulning i faste materialer Opkulning i saltbad Opkulning i gasfase Opkulningsmidler Faste opkulningsmidler er gerne blandinger af trækulspulver og bariumkarbonat (BaCO 3 ). Bariumkarbonat afgiver ved ophedning kulmonoxid (CO). Denne gasart spaltes på en varm, ren ståloverflade til rent kul og kuldioxid (2CO C + CO 2 ). Det C, der frigøres på ståloverfladen, vil have stor tilbøjelighed til at trænge ind i stålets overflade, og såfremt temperaturen er så høj, at stålet er austenitiseret, vil C trænge dybere ind i stålet, jo længere temperaturen vedligeholdes. Den dannede kuldioxid vil på trækullets overflade igen blive til kulmonoxid, idet den tidligere spaltningsproces går tilbage (C + CO 2 2CO), således kan indsætningsprocessen fortsætte i lang tid. Indsætningsprocessen Indsætningen foregår teknisk derved, at man pakker de ståldele, der ønskes indsat, med indsætningsmidlet i kasser fremstillet af højtemperaturbestandigt stål. Kasserne sættes ind i en ovn, og indsætningdybden kan bestemmes af indsætningstemperaturen og tiden. Er der visse overflader, man ønsker bibeholdt uden opkulning, kan de forkobres inden behandlingen, idet et kobberlag hindrer reaktion mellem CO og ståloverfladen. Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 15

Mere simpelt, men ikke særligt effektivt, er det at smøre ildfast ler på de flader, der ikke ønskes opkullet. Hærdning efter indsætning Hvis man bratkøler emnerne i vand eller olie direkte fra indsætningstemperaturen, får man naturligvis hærdet emnet indtil en dybde, der afhænger af summen af legeringselementer. Hvis grundmaterialet har et lavt C-indhold, som det normalt er tilfældet, vil kun det opkullede lag blive hårdt. Egenskaberne af det hærdede lag, man på denne måde får dannet, er imidlertid ikke fremragende, da indsætningstemperaturen normalt er væsentligt højere end en gunstig hærdetemperatur. Dette gælder både for den kulstoffattige kerne og den opkullede overflade, hvori C-indholdet normalt er omkring det eutektoide. Man opnår derfor et bedre resultat ved at lade emnerne køle af i luft fra indsætningen og derefter opvarme emnerne til en egnet hærdetemperatur. ma021-03.cdr Indsætningsdybdens afhængighed af temperatur og tid Man bruger oftest dobbelt hærdning, idet kernen med det lavere C-indhold har en højere hærdetemperatur end overfladen med det høje C-indhold. Saltbade til opkulning Saltbade til opkulning indeholder store cyanidmængder, der reagerer med rene ståloverflader under afgivelsen af C, der ligesom ved indsætning i faste midler trænger ind i stålet. Da man af økonomiske grunde ikke bruger lange opkulningstider i saltbad, bliver indsætningsdybden mindre. Man hærder derfor først fra kernens hærdetemperatur og derefter fra overfladens hærdetemperatur, der oftest er omkring 800 C. Ved denne sidste hærdning vil kernen naturligvis blive kraftigt anløben, men det vil normalt ikke være nogen mangel. Opkulning i gas Opkulning i gas sker derved, at man tilvejebringer en atmosfære med højt indhold af kulmonoxid ved forbrænding af materiale med højt C- indhold som olie eller propan. Kulmonoxiden vil da i en ovn reagere med frie ståloverflader, akkurat som under opkulning med faste midler. Ved opkulning i gas er opkulningstiden som regel kortere end i saltbad og opkulningsdybden derfor mindre. 16 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10

Anløbning Efter hærdningen anløbes, men normalt ikke med højere temperatur end 150 C, da man som regel er mere interesseret i slidbestandighed end i sejhed i den opkullede overflade. Nitrerdybden er meget lille, sjældent over 0,25 mm, men de dannede nitrider giver stålet en meget stor overfladehårdhed, op til 1.200 HV, men ofte er hårdheden omkring 900 HV svarende til 67 HRC, og denne overflade er meget slidstærk. Gasnitrering kræver relativt lange holdetider og benyttes, hvor der kræves fine overflader og store nitreringsdybder. ma182-21.cdr Principdiagram: Indsætning Nitrering Endnu en metode til tilvejebringelse af en hård og slidstærk overflade på et i øvrigt sejt stålmateriale er at lade nitrogen (N) trænge ind i stålets overflade. Herved dannes hårde nitrider. Gasnitrering Dette kan foregå i en ovn med ammoniak-atmosfære (NH 3 ). Ved temperaturer mellem 500 og 550 C spaltes ammoniak på en ståloverflade i nitrogen og hydrogen, i spaltningsøjeblikket kan nitrogen trænge ind i ståloverfladen. ma182-2.cdr Holdetidens indvirkning på nitreringslagets tykkelse for UHB ORVAR 2, gasnitreret ved 525 C Overfladehårdhed Overfladehårdheden er til stede umiddelbart efter nitreringen, og hvis man varmebehandler, spaltes nitriderne ved højere temperaturer end 550 C. Et forsøg på hærdning vil derfor fuldstændigt ødelægge resultatet. Saltbadsnitrering Nitrering kan også foregå i saltbad. Denne form for nitrering giver mindre holdetider end gasnitrering, men dårligere overflader på grund af ætsning. Derimod findes der mange processer, hvorunder man, dels i saltbad, og dels i gas, kan fremstille forskellige former for blandingsprocesser af indsætning og nitrering. Flader, der ikke ønskes nitreret under behandlingen, kan fortinnes. Nitrering giver ingen forandring i materialets form. Industriens Forlag Ma182.fm5-00 05 10 17

Tenifering Der er udarbejdet en speciel saltbadsnitrering, hvor man bl.a. ved luftindblæsning har opnået en forbedring af de egenskaber, der opnås ved almindelig badnitrering. Denne metode kaldes for tenifering. På grund af dette er denne metode på kort tid blevet meget populær. ma182-23.cdr Principdiagram: Tenifering Metoden giver: Et mindre sprødt overfladelag end normal nitrering Mulighed for nitrering af praktisk taget alle jernlegeringer Et jævnt resultat Den er hurtig Behandlingen er forholdsvis billig ma182-24.cdr Hårdhedsdiagram for nogle forskellige værktøjsstål efter to timers tenifering ved 570 C. Prøverne er hærdet og anløbet ved 600 C 18 Industriens Forlag - Ma182.fm5-00 05 10