Kolstål

syftet med värmebehandling kolstål är att ändra de mekaniska egenskaperna hos stål, vanligtvis duktilitet, hårdhet, sträckgräns eller slagtålighet. Observera att den elektriska och värmeledningsförmågan endast ändras något. Som med de flesta förstärkningstekniker för stål är Youngs modul (elasticitet) opåverkad., Alla behandlingar av stål handel duktilitet för ökad styrka och vice versa. Järn har en högre löslighet för kol i austenitfasen; därför börjar alla värmebehandlingar, förutom sfäroidiserande och processglödgning, genom att värma stålet till en temperatur vid vilken den austenitiska fasen kan existera. Stålet släckes sedan (värme dras ut) med en måttlig till låg hastighet så att KOL kan diffundera ut ur austeniten som bildar järnkarbid (cementit) och lämnar ferrit, eller i hög takt, fånga kolet i järnet och därigenom bilda martensit., Den hastighet vid vilken stålet kyls genom eutektoidtemperaturen (ca 727 °C) påverkar den hastighet vid vilken kol diffunderar ut ur austenit och bildar cementit. Generellt sett kommer kylning snabbt att lämna järnkarbid finfördelad och producera en finkornig pearlit och kylning långsamt ger en grovare pearlit. Kylning av ett hypoeutectoidstål (mindre än 0,77 wt% C) resulterar i en lamellärpärlitisk struktur av järnkarbidskikt med α-ferrit (nästan rent järn) mellan. Om det är hypereutectoid stål (mer än 0.,77 wt% C) då är strukturen full pearlit med små korn (större än pearlite lamella) av cementit bildad på korngränserna. Ett eutectoidstål (0,77% kol) kommer att ha en pärlitstruktur genom kornen utan cementit vid gränserna. De relativa mängderna av beståndsdelar hittas med hjälp av hävarmregeln. Följande är en lista över möjliga typer av värmebehandlingar:

Sfäroidiserande Sfäroidit bildas när kolstål upphettas till ca 700 ° C i över 30 timmar., Spheroidit kan bildas vid lägre temperaturer men den tid som behövs ökar drastiskt, eftersom detta är en diffusionsstyrd process. Resultatet är en struktur av stavar eller sfärer av cementit inom primär struktur (ferrit eller pearlit, beroende på vilken sida av eutectoiden du är på). Syftet är att mildra högre kolstål och tillåta mer formbarhet. Detta är den mjukaste och mest formbara formen av stål. Full glödgning kolstål upphettas till ca 40 °C över Ac3? eller Acm?, för 1 timme; Detta säkerställer att alla ferrit omvandlas till austenit (även om cementit fortfarande kan finnas om kolhalten är större än eutectoid). Stålet måste sedan kylas långsamt, i sfären av 20 ° C (36 °F) per timme. Vanligtvis är det bara ugnen kyls, där ugnen är avstängd med stålet fortfarande inuti. Detta resulterar i en grov pearlitisk struktur, vilket betyder att ”banden” av pearlit är tjocka. Helt glödgat stål är mjukt och duktilt, utan inre påfrestningar, vilket ofta är nödvändigt för kostnadseffektiv formning. Endast sfäroidiserat stål är mjukare och mer segjärnigt., Process glödgning en process som används för att lindra stress i ett kallarbetat kolstål med mindre än 0,3% C. stålet upphettas vanligen till 550-650 ° C i 1 timme, men ibland temperaturer så höga som 700 ° C. bilden höger visar det område där processen glödgning sker. Isotermisk glödgning det är en process där hypoeutectoidstål upphettas över den övre kritiska temperaturen. Denna temperatur bibehålls under en tid och reduceras sedan till under den lägre kritiska temperaturen och upprätthålls igen. Det kyls sedan till rumstemperatur. Denna metod eliminerar eventuell temperaturgradient., Normalisering av kolstål upphettas till ca 55 ° C över Ac3 eller Acm i 1 timme; Detta säkerställer att stålet helt omvandlas till austenit. Stålet sedan luftkyld, vilket är en kylhastighet av ca 38 °C (100 ° f) per minut. Detta resulterar i en fin pearlitisk struktur och en mer enhetlig struktur. Normaliserat stål har en högre styrka än glödgat stål; det har en relativt hög hållfasthet och hårdhet. Släckning av kolstål med minst 0,4 wt% C upphettas till normaliserande temperaturer och kyls sedan snabbt (släckt) i vatten, saltlösning eller olja till den kritiska temperaturen., Den kritiska temperaturen är beroende av kolhalten, men som en allmän regel är lägre när kolhalten ökar. Detta resulterar i en martensitisk struktur; en form av stål som har en supermättad kolhalt i en deformerad kroppscentrerad kubisk (BCC) kristallin struktur, korrekt benämnd kroppscentrerad tetragonal (BCT), med mycket inre stress. Således släckt stål är extremt hårt men sprött, vanligtvis för sprött för praktiska ändamål. Dessa inre spänningar kan orsaka spänningssprickor på ytan., Släckt stål är ungefär tre gånger hårdare (fyra med mer kol) än normaliserat stål. Martempering (marquenching) Martempering är egentligen inte en anlöpning förfarande, därav termen marquenching. Det är en form av isotermisk värmebehandling applicerad efter en initial släckning, typiskt i ett smält saltbad, vid en temperatur strax över ”martensit starttemperatur”. Vid denna temperatur lindras restspänningar i materialet och vissa bainit kan bildas från den behållna austeniten som inte hade tid att omvandla till något annat., I industrin är detta en process som används för att styra duktiliteten och hårdheten hos ett material. Med längre marquenching ökar duktiliteten med en minimal förlust i styrka; stålet hålls i denna lösning tills delens inre och yttre temperaturer utjämnar. Därefter kyls stålet med en måttlig hastighet för att hålla temperaturgradienten minimal. Inte bara minskar denna process inre påfrestningar och stresssprickor, men det ökar också slagmotståndet., Härdning detta är den vanligaste värmebehandlingen som uppstår, eftersom de slutliga egenskaperna kan exakt bestämmas av temperaturen och tiden för härdningen. Anlöpning innebär återuppvärmning släckt stål till en temperatur under eutectoid temperatur sedan kylning. Den förhöjda temperaturen tillåter att mycket små mängder sfäroidit bildas, vilket återställer duktilitet, men minskar hårdheten. Faktiska temperaturer och tider väljs noggrant för varje komposition., Austempering av åtstramningsprocessen är densamma som martempering, förutom att släckningen avbryts och stålet hålls i det smälta saltbadet vid temperaturer mellan 205 °C och 540 °C och kyls sedan i måttlig takt. Det resulterande stålet, kallat bainit, producerar en acikulär mikrostruktur i stålet som har stor styrka (men mindre än martensit), större duktilitet, högre slagmotstånd och mindre distorsion än martensitstål. Nackdelen med åtstramning är att den endast kan användas på några stål, och det kräver ett speciellt saltbad.