Austempering

Tid-temperatur transformation (TTT) diagram. Den röda linjen visar kylkurvan för austempering.

Austempering är värmebehandling som appliceras på järnhaltiga metaller , framför allt stål och segjärn. I stål producerar den en bainitmikrostruktur medan den i gjutjärn producerar en struktur av nålformad ferrit och stabiliserad austenit med hög kolhalt, känd som ausferrit . Den används främst för att förbättra mekaniska egenskaper eller minska/eliminera distorsion. Austempering definieras av både processen och den resulterande mikrostrukturen. Typiska austempereringsprocessparametrar som tillämpas på ett olämpligt material kommer inte att resultera i bildning av bainit eller ausferrit och därför kommer slutprodukten inte att kallas austempererad. Båda mikrostrukturerna kan också framställas via andra metoder. Till exempel kan de tillverkas som gjutna eller luftkylda med rätt legeringsinnehåll. Dessa material betecknas inte heller som austempererade.

Historia

Begränsningen av stål var först pionjärer på 1930-talet av Edgar C. Bain och Edmund S. Davenport, som arbetade för United States Steel Corporation vid den tiden. Bainit måste ha funnits i stål långt före dess erkända upptäcktsdatum, men identifierades inte på grund av de begränsade metallografiska tekniker som finns tillgängliga och de blandade mikrostrukturerna som bildades av den tidens värmebehandlingsmetoder. Tillfälliga omständigheter inspirerade Bain att studera isotermiska fastransformationer. Austenit och stålets högre temperaturfaser blev mer och mer förstådda och det var redan känt att austenit kunde hållas kvar i rumstemperatur. Genom sina kontakter på American Steel and Wire Company var Bain medveten om isotermiska transformationer som användes inom industrin och han började tänka ut nya experiment

Ytterligare forskning om den isotermiska omvandlingen av stål var ett resultat av Bain och Davenports upptäckt av en ny mikrostruktur bestående av ett "nålformigt, mörkt etsningsaggregat." Denna mikrostruktur visade sig vara "tuffare för samma hårdhet än härdad martensit". Kommersiell exploatering av bainitiskt stål var inte snabb. Vanliga värmebehandlingsmetoder vid den tiden innehöll kontinuerliga kylningsmetoder och kunde i praktiken inte producera helt bainitiska mikrostrukturer. Utbudet av tillgängliga legeringar producerade antingen blandade mikrostrukturer eller för stora mängder martensit. Tillkomsten av lågkolhaltiga stål innehållande bor och molybden 1958 gjorde att helt bainitiskt stål kunde tillverkas genom kontinuerlig kylning. Kommersiell användning av bainitiskt stål kom alltså till stånd som ett resultat av utvecklingen av nya värmebehandlingsmetoder, där de som innebär ett steg där arbetsstycket hålls vid en fast temperatur under en tillräckligt lång tid för att möjliggöra omvandling blir gemensamt känd som austempering.

En av de första användningarna av härdat stål var i gevärsbultar under andra världskriget. Den höga slaghållfastheten som är möjlig vid höga hårdheter och den relativt lilla sektionsstorleken på komponenterna gjorde aushärdat stål idealiskt för denna applikation. Under efterföljande decennier revolutionerade austempering fjäderindustrin följt av klämmor och klämmor. Dessa komponenter, som vanligtvis är tunna, formade delar, kräver inga dyra legeringar och har i allmänhet bättre elastiska egenskaper än sina motsvarigheter i härdat martensit. Så småningom tog sig det härdade stålet in i bilindustrin, där en av dess första användningsområden var i säkerhetskritiska komponenter. Majoriteten av bilstolsfästen och säkerhetsbälteskomponenter är gjorda av härdat stål på grund av dess höga hållfasthet och duktilitet. Dessa egenskaper gör att den absorberar mer energi under en krasch utan risk för spröda fel. För närvarande används aushärdat stål även i lager, gräsklipparblad, transmissionsredskap, vågplattor och luftningspinnar för gräs. Under andra hälften av 1900-talet började austemperingsprocessen tillämpas kommersiellt på gjutjärn. Austempererat segjärn (ADI) kommersialiserades först i början av 1970-talet och har sedan dess blivit en stor industri.

Bearbeta

Den mest anmärkningsvärda skillnaden mellan austempering och konventionell härdning och härdning är att det innebär att arbetsstycket hålls vid härdningstemperaturen under en längre tid. De grundläggande stegen är desamma oavsett om de tillämpas på gjutjärn eller stål och är följande:

Austenitiserande

För att någon transformation ska kunna ske måste metallens mikrostruktur vara austenitstruktur. De exakta gränserna för austenitfasområdet beror på kemin hos legeringen som värmebehandlas. Austenitiseringstemperaturer är emellertid vanligtvis mellan 790 och 915°C (1455 till 1680°F). Mängden tid som spenderas vid denna temperatur kommer att variera med legeringen och processspecifikationerna för en genomhärdad del. De bästa resultaten uppnås när austenitiseringen är tillräckligt lång för att producera en helt austenitisk metallmikrostruktur (det kommer fortfarande att finnas grafit i gjutjärn) med en konsekvent kolhalt. I stål kan detta ta bara några minuter efter att austenitiseringstemperaturen har uppnåtts i hela detaljsektionen, men i gjutjärn tar det längre tid. Detta beror på att kol måste diffundera ut ur grafiten tills det har nått den jämviktskoncentration som dikteras av temperaturen och fasdiagrammet. Detta steg kan göras i många typer av ugnar, i ett högtemperatursaltbad eller via direkt låga eller induktionsuppvärmning. Ett flertal patent beskriver specifika metoder och variationer.

Släckning

Som med konventionell härdning och härdning måste materialet som värmebehandlas kylas från austenitiseringstemperaturen tillräckligt snabbt för att undvika bildning av perlit . Den specifika kylningshastighet som är nödvändig för att undvika bildning av perlit är en produkt av austenitfasens kemi och därmed legeringen som bearbetas. Den faktiska kylningshastigheten är en produkt av både härdningsgraden, som påverkas av kylmedier, omrörning, belastning (kylningsförhållande, etc.), och delens tjocklek och geometri. Som ett resultat krävde tyngre sektionskomponenter större härdbarhet. Vid austempering släcks värmebehandlingsbelastningen till en temperatur som typiskt ligger över austenitens martensitstart och hålls. I vissa patenterade processer kyls delarna strax under martensitstarten så att den resulterande mikrostrukturen är en kontrollerad blandning av martensit och bainit.

De två viktiga aspekterna av härdning är kylhastigheten och hålltiden. Den vanligaste metoden är att kyla ner i ett bad med flytande nitrit-nitratsalt och hålla i badet. På grund av det begränsade temperaturintervallet för bearbetning är det vanligtvis inte möjligt att kyla i vatten eller saltlösning, men högtemperaturoljor används för ett smalt temperaturintervall. Vissa processer har släckning och sedan avlägsnande från kylmediet, och håll sedan i en ugn. Släcknings- och hålltemperaturen är primära bearbetningsparametrar som styr den slutliga hårdheten och därmed materialets egenskaper.

Kyl

Efter släckning och hållning finns det ingen risk för sprickbildning; delar är vanligtvis luftkylda eller placeras direkt i ett rumstempererat tvättsystem.

Härdning

Ingen anlöpning krävs efter austempering om delen är genomhärdad och helt omvandlad till antingen bainit eller ausferrit. Tempering lägger till ytterligare ett steg och därmed kostnaden för processen; det ger inte samma egenskapsmodifiering och stressavlastning i bainit eller ausferrit som det gör för jungfrulig martensit.

Fördelar

Austempering erbjuder många tillverknings- och prestandafördelar jämfört med konventionella material/processkombinationer. Den kan appliceras på många material, och varje kombination har sina egna fördelar, som listas nedan. En av fördelarna som är gemensamma för alla austempererade material är en lägre förvrängningshastighet än för härdning och härdning. Detta kan översättas till kostnadsbesparingar genom anpassning av hela tillverkningsprocessen. De mest omedelbara kostnadsbesparingarna uppnås genom bearbetning före värmebehandling. Det finns många sådana besparingar möjliga i det specifika fallet att konvertera en härdnings- och härdad stålkomponent till austempererat segjärn (ADI). Segjärn har 10 % mindre täthet än stål och kan gjutas nära nätformen, båda egenskaper som minskar gjutvikten. Gjutning i nästan nätform minskar också bearbetningskostnaden ytterligare, som redan reduceras genom att bearbeta mjukt segjärn istället för härdat stål. En lättare färdig del minskar fraktkostnaderna och det strömlinjeformade produktionsflödet minskar ofta ledtiden. I många fall kan även styrka och slitstyrka förbättras.

Process/materialkombinationer inkluderar:

• Aushärdat stål
• Carbo-aushärdat stål
• Marbain stål
• Aushärdat segjärn (ADI)
• Lokalt härdat segjärn (LADI)
• Aushärdat gråjärn (AGI)
• Carbidic austempered segjärn (CADI)
• Interkritiskt aushärdat stål
• Interkritiskt austempererat segjärn

När det gäller prestandaförbättringar jämförs austempererade material vanligtvis med konventionellt härdade och härdade material med en härdad martensitmikrostruktur.

I stål över 40 Rc inkluderar dessa förbättringar:

• Högre duktilitet, slaghållfasthet och slitstyrka för en given hårdhet,
• Ett repeterbart dimensionellt svar med låg distorsion,
• Ökad utmattningsstyrka,
• Motståndskraft mot väte och miljöförsprödning.

I gjutjärn (från 250-550 HBW ) inkluderar dessa förbättringar:

• Högre duktilitet och slaghållfasthet för en given hårdhet,
• Ett repeterbart dimensionellt svar med låg distorsion,
• Ökad utmattningsstyrka,
• Ökat slitstyrka för en given hårdhet.