Tempering er en varmebehandlingsproces, hvor et bratkølet emne genopvarmes til en temperatur under A1, holdes i et bestemt tidsrum og derefter afkøles til stuetemperatur. Afkølet stål bør ikke anvendes direkte; det skal gennemgå anløbning, hvilket bestemmer stålets mikrostruktur og egenskaber og er et afgørende varmebehandlingstrin.
3.1 Formål med temperering
For at opnå de ønskede mekaniske egenskaber
Efter bratkøling har emnet høj hårdhed, men lav duktilitet og sejhed. For at imødekomme forskellige ydeevnekrav for forskellige dele, anvendes temperering til at modificere den bratkølede mikrostruktur, justere hårdhed og reducere skørhed, hvilket resulterer i de ønskede mekaniske egenskaber for emnet.
For at stabilisere emnets dimensioner
Martensitten og tilbageholdt austenit dannet under bratkøling er ustabile strukturer, der kan nedbrydes over tid, hvilket forårsager dimensions- og formændringer. Tempering forvandler den bratkølede mikrostruktur til en stabil, hvilket sikrer, at emnet bevarer sine dimensioner og form under brug.
For at reducere eller eliminere indre spændinger fra quenching
Slukning inducerer betydelig indre stress. Hvis disse spændinger ikke straks aflastes gennem anløbning, kan disse spændinger forårsage, at emnet deformeres eller endda revner.
3.2 Transformationer under hærdning af bratkølet stål
Kølet martensit og tilbageholdt austenit er metastabile faser, der nedbrydes til ferrit og karbider, når de tempereres fra stuetemperatur til under A1. De specifikke transformationer afhænger af tempereringstemperaturen:
Nedbrydning af martensit (mindre end eller lig med 200 grader)
Ved temperering under 80 grader sker der ingen signifikant mikrostrukturel ændring, bortset fra klynging af carbonatomer i martensit. Mellem 80 grader og 200 grader begynder martensit at nedbrydes, hvor kulstofatomer udfældes som ε-carbider (Fe2.4C), hvilket reducerer kulstofovermætningen i martensit og mindsker tetragonalitet. Da tempereringstemperaturen er lav, udfælder kun en del af det overskydende kulstof, hvilket efterlader martensitten som en overmættet fast opløsning af kulstof i -Fe. De fine e-carbider er spredt langs grænsefladerne af den overmættede faste opløsning og opretholder et sammenhængende forhold (hvor atomerne ved fasegrænserne deles af de to krystalgitre). Denne mikrostruktur, der består af en mindre overmættet fast opløsning og ε-carbider, kaldes tempereret martensit. På grund af ε-carbidernes fine og stærkt dispergerede natur falder stålets hårdhed ikke væsentligt, når det anløbes under 200 grader. Imidlertid reducerer udfældningen af ε-carbider gitterforvrængning, sænker bratkølingsspændingen og øger stålets plasticitet og sejhed en smule.
Nedbrydning af tilbageholdt austenit (200 grader -300 grader)
Tilbageholdt austenit ligner underkølet austenit, så dets tempereringstransformationsprodukter er de samme som dem for underkølet austenit under lignende temperaturforhold, og danner martensit, bainit eller perlit afhængigt af temperaturen.
Når stål er hærdet mellem 200 grader og 300 grader, fortsætter martensit med at nedbrydes, og tilbageholdt austenit begynder at omdannes til lavere bainit (200 grader -300 grader er det nedre bainit transformationsområde). Ved dette temperaturområde falder bratkølingsspændingen yderligere, men hårdheden falder ikke væsentligt.
Transformation af karbider (250 grader -450 grader)
Når tempereret over 250 grader, forårsager den øgede diffusionsevne af carbonatomer, at ε-carbider gradvist omdannes til stabil cementit. Ved 450 grader omdannes alle ε-carbider til stærkt dispergeret cementit. Den kontinuerlige udfældning af kulstof sænker kulstofindholdet i den faste opløsning til dets ligevægtsniveau, hvilket gør det til ferrit, selvom det forbliver nålelignende i form. Denne struktur, der består af nålelignende ferrit og stærkt spredt cementit, kaldes hærdet troostit. Den hærdede troostit-struktur af 45 stål er vist i figuren nedenfor. På dette tidspunkt falder stålets hårdhed, og dets sejhed og plasticitet øges yderligere, med bratkølingsspænding næsten elimineret.
Aggregation og vækst af cementit og omkrystallisation af ferrit (450 grader -700 grader)
Over 450 grader sfæroidiserer den stærkt dispergerede cementit gradvist til fine partikler, og når temperaturen stiger, vokser disse partikler. Samtidig begynder ferrit at omkrystallisere mellem 500 grader og 600 grader og omdannes fra lægte- eller nålelignende former til polygonale korn.
Denne struktur, der består af granulær cementit fordelt på en polygonal ferritmatrix, kaldes hærdet sorbit. Den hærdede sorbitstruktur af 45 stål er vist i figuren nedenfor. Hvis temperaturen øges yderligere til 650 grader -A1, bliver den granulære cementit grov og danner en mikrostruktur af polygonal ferrit og større granulær cementit, kendt som hærdet perlit.
Omdannelsen af afkølet stål under anløbning sker over forskellige temperaturområder. Selv ved den samme tempereringstemperatur kan der forekomme flere typer transformationer. Egenskaberne af hærdet stål afhænger af disse mikrostrukturelle ændringer, som igen påvirker dets mekaniske ydeevne. Generelt, når tempereringstemperaturen stiger, falder styrke og hårdhed, mens duktilitet og sejhed forbedres, hvor disse ændringer bliver mere udtalte ved højere temperaturer.
3.3 Typer og anvendelser af hærdning
Den primære faktor, der bestemmer stålets mikrostruktur og egenskaber, er hærdningstemperaturen. Tempering er kategoriseret i tre typer baseret på temperatur og resulterende mikrostruktur:
Lavtemperaturtempering (150 grader –250 grader)
Anløbning ved lav temperatur giver hærdet martensit. Målet er at bibeholde den høje hårdhed og slidstyrke af bratkølet stål, samtidig med at intern spænding og skørhed reduceres, og duktilitet og sejhed forbedres. Denne metode bruges hovedsageligt til stål med højt kulstofindhold og legeret stål i skærende værktøjer, måleværktøjer, koldstemplingsmatricer, rullelejer, karburerede dele og overfladeafkølede dele. Hårdheden efter anløbning er typisk mellem 58-64 HRC.
Mellemtemperaturtempering (350 grader –500 grader)
Denne metode giver hærdet troostit. Dens formål er at opnå høj flydespænding, elastisk grænse og betydelig sejhed. Mellemtemperaturtemperering anvendes primært til forskellige elastiske komponenter og varmbearbejdende matricer. Hårdheden efter anløbning varierer generelt fra 35-50 HRC.
Højtemperaturtempering (500 grader –650 grader)
Denne metode producerer hærdet sorbit. Målet er at opnå en balance mellem styrke, hårdhed, duktilitet og sejhed. Når bratkøling og højtemperatur-tempering kombineres, omtales processen almindeligvis som "quenching og temperering". Det bruges i vid udstrækning til kritiske strukturelle komponenter i produktionen af biler, traktorer og værktøjsmaskiner (såsom plejlstænger, stifter, gear og transmissionsaksler). Hårdheden efter anløbning varierer generelt fra 200–330 HBW.
Selvom hårdhedsværdierne for stål efter normalisering og bratkøling-tempering er ret ens, gennemgår kritiske strukturelle komponenter i produktionen normalt bratkøling-temperering snarere end normalisering. Dette skyldes, at mikrostrukturen af hærdet sorbit har granulær cementit, hvorimod sorbit opnået ved normalisering har lamellær cementit. Derfor udviser bratkølet og hærdet stål ikke kun højere styrke, men har også bedre duktilitet og sejhed sammenlignet med den normaliserede tilstand.
Bratkøling og temperering kan tjene som den afsluttende varmebehandlingsproces eller som en indledende behandling før overfladehærdning og kemisk varmebehandling. Da hårdheden af hærdet stål ikke er høj, giver det mulighed for nem bearbejdning og lave overfladeruhedsværdier.
Ud over disse tre almindelige hærdningsmetoder gennemgår nogle højlegerede stål højtemperatur blødgørende anløbning ved 20 grader -40 grader under A1 for at opnå hærdet perlit som et alternativ til sfæroidiserende udglødning.
For at sikre en grundig mikrostrukturel transformation under hærdning skal emnet holdes ved hærdningstemperaturen i tilstrækkelig tid, normalt mellem 1 og 3 timer, afhængigt af materiale, temperatur, tykkelse, belastning og opvarmningsmetode. Kølemetoden efter anløbning har ringe effekt på kulstofståls ydeevne, men for at undgå at inducere nye spændinger afkøles emner generelt langsomt i luft efter anløbning.
