Wat is het doel van het temperen van koolstofconstructiestaal?
Bij het temperen van koolstofconstructiestaal wordt het afgeschrikte staal opnieuw verwarmd tot een temperatuur onder Ac1 (typisch 150-650 graden, waarbij de kritische ontledingszone van het afgeschrikte martensiet wordt vermeden), het gedurende een bepaalde periode vastgehouden en vervolgens langzaam afgekoeld. De kernfunctie ervan is het corrigeren van prestatiefouten na het blussen en het "aanpassen" van de mechanische eigenschappen van staal aan de eisen, waardoor uiteindelijk een evenwicht tussen sterkte, hardheid, taaiheid en ductiliteit wordt bereikt. Dit kan worden onderverdeeld in de volgende vijf sleutelfuncties:
1. Het elimineren van interne spanningen om scheuren of vervorming in onderdelen te voorkomen
Het snelle afkoelingsproces tijdens het afschrikken kan ernstige interne spanningen in het staal veroorzaken. Dit komt voornamelijk door twee bronnen:
Tektonische spanning: Wanneer austeniet snel verandert in martensiet, neemt het volume ervan toe (martensiet is qua volume groter dan austeniet). De ongelijkmatige afkoelsnelheden van verschillende delen van het onderdeel (zoals het oppervlak en de kern van dik- onderdelen met dikke wanden, of de randen en groeven van complexe- gevormde onderdelen) veroorzaken echter asynchrone microstructurele transformaties en genereren interne spanningen.
Thermische spanning: Tijdens snelle afkoeling is het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de kern van het onderdeel aanzienlijk, waardoor het oppervlak sneller krimpt dan de kern, wat resulteert in trek- en drukspanningen.
Als deze interne spanningen niet worden geëlimineerd, kunnen ze in het beste geval vervorming van het onderdeel veroorzaken tijdens opslag of verwerking (zoals het buigen van assen of het kromtrekken van platen), of in het slechtste geval direct scheuren veroorzaken (vooral in constructiestaal met een hoog -koolstofgehalte of onderdelen met een grote- dwarsdoorsnede-). Tijdens het temperen winnen atomen energie tijdens het verwarmen, wat roostervervorming door diffusie en dislocatiebeweging kan verminderen, waardoor interne spanning geleidelijk wordt opgeheven.
Na het blussen kan de interne spanning van 45 staal bijvoorbeeld honderden MPa bereiken. Na tempereren bij lage-temperaturen bij 200 graden kan deze spanning met 50%-60% worden verlicht. Na ontlaten bij hoge temperaturen bij 500 graden kan het spanningsverminderingspercentage meer dan 80% bereiken, waardoor defecten aan componenten fundamenteel worden voorkomen.
2. Verminder de broosheid en verbeter de taaiheid en plasticiteit van staal
Hoewel constructiestaal met gehard koolstof een extreem hoge hardheid en sterkte heeft, is de martensietstructuur ervan een "oververzadigde vaste oplossing", resulterend in ernstige roostervervorming en extreem hoge dislocatiedichtheid. Dit resulteert in een extreem slechte taaiheid en lage plasticiteit. (De impactenergie die wordt geabsorbeerd door gehard 45-staal bedraagt bijvoorbeeld slechts 5-10J, waardoor het gevoelig is voor brosse breuken wanneer het wordt gebogen en niet in staat is schokbelastingen te weerstaan.) Dit maakt het vrijwel ongeschikt voor direct gebruik als afgewerkte onderdelen. Een van de kernfuncties van temperen is het verminderen van broosheid. Tijdens het verwarmen slaat oververzadigde koolstof uit het martensiet neer (waarbij carbiden zoals cementiet worden gevormd), waardoor de vervorming van het martensietrooster geleidelijk wordt verminderd en de weerstand tegen dislocatiebeweging wordt verminderd, waardoor de taaiheid en ductiliteit aanzienlijk worden verbeterd.
45-staal heeft bijvoorbeeld een impactenergie-absorptie van ongeveer 8J na het blussen (ongetemperd). Deze energie neemt toe tot 15-20 J na tempereren bij lage- temperatuur bij 200 graden (nog steeds enigszins bros, maar voldoende voor toepassingen met lage- impact). Na tempereren bij hoge temperatuur bij 550 graden bereikt de absorptie van impactenergie meer dan 50J (waardoor de taaiheid aanzienlijk wordt verbeterd en het mogelijk wordt gemaakt om gematigde impact te weerstaan).
Voor constructiestaal met een hoog-koolstofgehalte (zoals 65-staal) is de verbetering van de plasticiteit na ontlaten zelfs nog uitgesprokener, waarbij de rek toeneemt van 1%-2% na afschrikken tot 10%-15%, waardoor wordt voorkomen dat onderdelen gemakkelijk breken wanneer ze worden blootgesteld aan externe krachten.
3. Hardheid en sterkte aanpassen om aan verschillende toepassingsvereisten te voldoen
Na het afschrikken bereikt staal de maximale hardheid en sterkte (bijvoorbeeld 45 staal bereikt na het afschrikken een hardheid van HRC55-60 en een treksterkte van meer dan 1000 MPa). Niet alle toepassingen vereisen echter extreme hardheid. De prestatie-eisen voor verschillende onderdelen variëren sterk (gereedschappen vereisen bijvoorbeeld een hoge hardheid, assen vereisen een evenwicht tussen sterkte en taaiheid, en connectoren vereisen plasticiteit). Temperen maakt een nauwkeurige aanpassing van de hardheid en sterkte mogelijk door de verwarmingstemperatuur te regelen:
Temperen bij lage- temperatuur (150-250 graden): Er slaat slechts een kleine hoeveelheid fijne carbiden neer, waardoor de martensietstructuur behouden blijft en het verlies aan hardheid en sterkte wordt geminimaliseerd (45 staal bereikt na het temperen een hardheid van HRC50-55 en een treksterkte van meer dan 900 MPa). Dit wordt voornamelijk gebruikt in toepassingen die zowel een hoge hardheid als een bepaalde mate van taaiheid vereisen (bijvoorbeeld snijgereedschappen en slijtvaste bussen).
Temperen op gemiddelde-temperatuur (350-500 graden): Martensiet ontleedt aanzienlijk in getemperd troostiet (fijnkorrelig cementiet + ferriet), waardoor de hardheid tot 100% wordt verminderd. Bij HRC 35-45 blijft de sterkte 700-800 MPa, terwijl de elasticiteit aanzienlijk wordt verbeterd (de elastische limiet bereikt 300-400 MPa). Het is geschikt voor veren en elastische componenten (zoals schokdemperveren voor auto's en klauwplaten voor werktuigmachines).
Temperen op hoge-temperatuur (500-650 graden): het martensiet wordt volledig ontleed tot "getemperd troostiet" (grof-korrelig cementiet + ferriet), waardoor de hardheid verder wordt verlaagd tot HRC 25-35. De sterkte blijft gehandhaafd op 600-800 MPa en de taaiheid en ductiliteit zijn aanzienlijk verbeterd. Het is geschikt voor kernonderdelen die een evenwicht tussen sterkte en taaiheid vereisen (zoals assen, drijfstangen en tandwielen).. 4. Stabiliseer de microstructuur en afmetingen om de precisie en betrouwbaarheid van onderdelen op lange termijn te garanderen.
Gedoofd martensiet is een niet-evenwichtsstructuur en heeft nog steeds de neiging spontaan te ontleden bij kamertemperatuur (koolstof slaat langzaam neer, waardoor de structuur geleidelijk naar evenwicht verschuift). Dit 'verouderingseffect' kan bij langdurig gebruik of opslag op de -lange termijn tot het volgende leiden:
Microstructurele instabiliteit: Martensiet valt langzaam uiteen in perliet of cementiet, wat resulteert in een geleidelijke afname van eigenschappen (zoals hardheid en elasticiteit);
Dimensionale instabiliteit: Microstructurele transformatie gaat gepaard met volumeveranderingen, wat leidt tot kleine maar aanhoudende afwijkingen in de afmetingen van onderdelen (bijv. verlies van maatnauwkeurigheid bij precisielagers en meetinstrumenten).
Temperen versnelt de ontleding van martensiet en carbideprecipitatie door middel van "actieve verwarming", waardoor de structuur eerder een relatief stabiele toestand kan bereiken (getemperd bainiet gevormd na tempering op hoge -temperatuur ondergaat bijvoorbeeld vrijwel geen verdere microstructurele transformatie bij kamertemperatuur). Dit resulteert in:
Vergrendelen van de microstructuur: voorkomen van prestatieschommelingen tijdens later gebruik;
Vaststellen van de afmetingen: elimineert het risico van 'vervorming door veroudering', waardoor de maatnauwkeurigheid op de lange termijn- van precisieonderdelen (zoals machinespindels en precisiebouten) wordt gewaarborgd. 5. Vergemakkelijkt de daaropvolgende verwerking (verbetert de bewerkbaarheid)
De hardheid van afgeschrikt staal is extreem hoog (staal 45 bereikt bijvoorbeeld HRC 55-60 na afschrikken). Directe snijbewerkingen (zoals draaien en frezen) hebben te maken met twee grote problemen:
Snelle slijtage van gereedschap: Staal met een hoge-hardheid verslijt snel-snelstaal of hardmetalen snijgereedschappen, wat resulteert in hoge bewerkingskosten;
Lage bewerkingsprecisie: Overmatige hardheid kan gemakkelijk leiden tot afbrokkeling en klappersporen tijdens het snijden van onderdelen, waardoor het moeilijk wordt om de oppervlakteruwheid te behouden (bijvoorbeeld het bereiken van een Ra-waarde van minder dan 3,2 μm).
Door het geharde staal te temperen op een middelhoge-hoge temperatuur kan de hardheid worden verlaagd tot HRC 25-40 (in het bereik van "gemakkelijk-te snijden").
Op dit punt is de microstructuur van het staal getemperd troostiet of getemperd troostiet, wat resulteert in een matige hardheid. De gereedschapskrachten worden tijdens het snijden gelijkmatig verdeeld, wat resulteert in langzame slijtage.
De verhoogde plasticiteit vergemakkelijkt het breken van de spaan (waardoor gereedschapswikkeling wordt voorkomen), waardoor de kwaliteit van de oppervlakteafwerking aanzienlijk wordt verbeterd (Ra-waarden kunnen worden verlaagd tot minder dan 1,6 μm), waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor daaropvolgende precisiebewerkingen (bijvoorbeeld het afwerken van tandwielen en assen).