Basisprincipes van warmtebehandeling van staal en gietijzer
Inhoudsopgave
Warmtebehandeling is een reeks activiteiten die gericht zijn op het veranderen van de structuur van een legering in een vaste toestand, waardoor gewenste mechanische, fysische of chemische eigenschappen worden verkregen. In de praktijk betekent dit dat we het metaal niet ‘verbeteren’ door het simpelweg te verwarmen, maar door ervoor te zorgen dat een goed geplande temperatuurcurve in de loop van de tijd structurele veranderingen teweegbrengt: de vorming van nieuwe fasen, de afbraak van onstabiele fasen, veranderingen in korrelgrootte, evenals de scheiding van carbiden of het verwijderen van interne spanningen. Warmtebehandeling omvat zowel eenvoudige processen waarbij verhitting en afkoeling plaatsvinden, als complexere processen in combinatie met chemische interactie met de omgeving, plastische vervorming of een magnetisch veld.
Het belang van warmtebehandeling is vooral duidelijk in het geval van staal en gietijzer. IJzer is een veelgebruikt, goedkoop en gemakkelijk te verwerken basismateriaal, maar het is de mogelijkheid om de structuur ervan te beïnvloeden die ervoor zorgt dat staal zo veelzijdig toepasbaar is. Het bestaan van allotrope varianten van ijzer speelt hierbij een belangrijke rol: verschillende varianten van kristalstructuur zijn stabiel bij verschillende temperaturen, waardoor het mogelijk is om verschillende microstructuren te produceren en te ‘bevriezen’, afhankelijk van hoe snel we het materiaal afkoelen en of we extra gloeien uitvoeren. Daarom kan staal worden gebruikt als materiaal voor veren, snijgereedschappen, machineonderdelen en dragende constructies – en de verschillen in gedrag zijn niet zozeer het gevolg van de ‘samenstelling zelf’ als wel van de microstructuur die tijdens de warmtebehandeling wordt verkregen.
De moderne industrie stelt steeds hogere eisen aan materialen, wat leidt tot de ontwikkeling van warmtebehandelingsmethoden en strengere kwaliteitscontroles. Zelfs kleine fouten – een te hoge temperatuur, een te korte verwarmingstijd, onvoldoende koeling – kunnen ongewenste structuren veroorzaken (bijvoorbeeld een te grove korrel) en daardoor de functionele eigenschappen van het product aantasten. Warmtebehandeling is dus geen ’toevoeging’ aan de productietechnologie, maar een van de cruciale fasen ervan.
De relatie tussen fase-evenwichtssystemen en warmtebehandeling
Fase-evenwichtssystemen beschrijven welke fasen stabiel zijn onder bepaalde temperatuur- en samenstellingsomstandigheden, maar doen dit op basis van de veronderstelling dat er sprake is van zeer langzame transformaties, d.w.z. transformaties waarbij de tijd geen beperking vormt voor diffusie en het systeem de kans heeft om een evenwicht te bereiken. Om deze reden houdt het evenwichtsdiagram zelf geen rekening met het effect van verwarmings- en afkoelsnelheden. Niettemin vormen evenwichtssystemen de basis voor het plannen van warmtebehandelingen, omdat ze aangeven welke transformaties mogelijk zijn en in welke temperatuurbereiken deze kunnen worden verwacht.
Dit onderscheid is zeer praktisch. Als een legering geen transformaties in vaste toestand vertoont (er zijn geen gebieden op het diagram waar een andere fase of mengsel van fasen in vaste toestand verschijnt), dan is een dergelijke legering in wezen niet warmtebehandelbaar in de klassieke zin, omdat deze geen ‘mechanisme’ heeft om zijn structuur te veranderen. De situatie is anders in systemen waar de oplosbaarheid van een component in vaste toestand afhankelijk is van de temperatuur. In dit geval is het mogelijk om een oververzadigde oplossing te verkrijgen door snelle afkoeling vanaf een temperatuur waarbij de oplosbaarheid hoog is, en vervolgens precipitatie te forceren tijdens het opnieuw verwarmen. Dit schema leidt tot een opzettelijke verandering in structuur en eigenschappen.
Nog een andere situatie doet zich voor bij legeringen die in vaste toestand allotrope transformaties ondergaan: bij hoge temperaturen is één fase stabiel (bijvoorbeeld een vaste oplossing met een ander rooster), en na het overschrijden van kritische temperaturen neigt het systeem ertoe een mengsel van andere fasen te vormen. Dan is juist de snelheid waarmee we door het transformatiebereik gaan van fundamenteel belang, omdat bij langzame afkoeling de diffusie gelijke tred houdt en evenwichtsstructuren worden gevormd, terwijl bij snelle afkoeling niet-evenwichtsstructuren zoals martensiet mogelijk zijn.
Voor staal is het belangrijkste onderdeel van het evenwichtssysteem ijzer-cementiet (Fe–Fe₃C) tot ongeveer 2,11% koolstof, wat het bereik is dat relevant is voor staal. Dit geeft betekenis aan austenitisatie (verhitting tot het austenietbereik) en het feit dat austeniet tijdens afkoeling kan transformeren in verschillende structuren, afhankelijk van de afkoelsnelheid. Het evenwichtssysteem vertelt ons ‘wat mogelijk is’ en ‘waar de kritische temperaturen liggen’, terwijl de kinetica van de transformaties (tijd en afkoeling) bepaalt ‘wat we daadwerkelijk krijgen’.
Verwarmen, weken en koelen
Elk warmtebehandelingsproces kan worden beschouwd als een scenario van temperatuurveranderingen in de loop van de tijd, waarin drie hoofdfasen kunnen worden onderscheiden: verwarmen, inweken en afkoelen. Verwarmen houdt in dat de temperatuur wordt verhoogd tot de voor een bepaald proces gespecificeerde waarde. Vaak wordt gebruikgemaakt van geleidelijke verwarming: eerst verwarming tot een lagere temperatuur en pas daarna verdere verwarming tot de juiste temperatuur. Deze indeling is niet kunstmatig, maar technologisch belangrijk omdat hierdoor de temperatuurgradiënten over de dwarsdoorsnede van het element worden beperkt en het risico op scheuren of overmatige spanningen wordt verminderd.
Veroudering is het handhaven van de temperatuur op het beoogde niveau gedurende de tijd die nodig is om de temperatuur over de dwarsdoorsnede gelijk te maken en om de beoogde veranderingen te laten plaatsvinden. In de praktijk heeft gloeien een tweeledig doel: enerzijds moet het element de temperatuur thermisch ‘bereiken’ (anders zullen het oppervlak en de kern zich in verschillende toestanden bevinden), en anderzijds vereisen veel transformaties – met name diffusie – tijd om de fasesamenstelling te homogeniseren of bepaalde componenten (bijv. carbiden) op te lossen.
Koeling is het verlagen van de temperatuur tot omgevingstemperatuur of tot een specifieke tussenliggende waarde. Langzame koeling, bijvoorbeeld in een oven of in stilstaande lucht, wordt gloeien genoemd, terwijl snelle koeling in water of olie blussen wordt genoemd. Geleidelijke koeling komt ook vaak voor, waarbij onderkoeling tot een temperatuur die hoger is dan de eindtemperatuur en overkoeling tot de eindtemperatuur plaatsvinden. Deze controlemethode is soms nodig wanneer we bepaalde temperatuurbereiken langzamer (om diffusie mogelijk te maken) of sneller (om perlitische diffusietransformaties te vermijden en martensiet te verkrijgen) willen doorlopen.
Aangezien de essentie van warmtebehandeling de relatie tussen temperatuur en tijd is, wordt deze beschreven door de curve t = f(τ). In de praktijk hebben we het over de gemiddelde verwarmings- en koelsnelheden, maar de werkelijke momentane snelheid is even belangrijk, omdat deze bepaalt hoe snel we door kritieke temperatuurbereiken gaan. Om deze reden kunnen twee processen met ‘vergelijkbare totale tijden’ verschillende resultaten opleveren als ze verschillen in het afkoelingsproces in kritische bereiken.
Classificatie van warmtebehandeling
De indeling van warmtebehandeling is niet puur ‘encyclopedisch’ – ze vloeit voort uit de gereedschappen die we gebruiken om eigenschappen te veranderen. Bij conventionele warmtebehandeling worden de gewenste eigenschappen verkregen door de structuur te veranderen zonder de chemische samenstelling te wijzigen. Dit omvat klassieke processen zoals gloeien, harden en ontlaten, maar ook oververzadiging en veroudering, waarbij het mechanisme bestaat uit het verkrijgen van een oververzadigde oplossing en daaropvolgende neerslag.
Bij chemische warmtebehandeling wordt naast temperatuur ook een chemische omgeving gebruikt om het oppervlak te verzadigen met elementen zoals koolstof of stikstof. Het resultaat is een verandering in de samenstelling van de oppervlaktelaag en dus een verandering in structuur en eigenschappen, met name slijtvastheid of vermoeiingsweerstand. Dit is een belangrijk verschil: bij gewone warmtebehandeling ‘bewerken’ we wat al in de legering aanwezig is, terwijl we bij thermochemische behandeling bovendien een component toevoegen.
Thermoplastische behandeling daarentegen combineert temperatuur met plastische vervorming, waardoor de structuur op een complexere manier kan worden beïnvloed, bijvoorbeeld door korrelverfijning en mechanische versterking. Bij thermomagnetische behandeling wordt een magnetisch veld gebruikt om specifieke fysische eigenschappen te verkrijgen. In de context van staal en de basisprincipes van warmtebehandeling blijft de focus echter liggen op conventionele warmtebehandeling, aangezien deze rechtstreeks verband houdt met de transformatie van austeniet en de afbraakproducten daarvan.
Transformaties tijdens verhitting
Bij de warmtebehandeling van staal beperkt de verwarmingsfase zich niet tot het ‘verwarmen van het element’. Het doel ervan is om een austenitische structuur te verkrijgen, omdat austeniet het uitgangspunt is voor veel latere structuren na afkoeling. Na het bereiken van de kritische temperatuur A₁ (ongeveer 727 °C) vindt een fundamentele transformatie plaats: perliet verandert in austeniet. Het daaropvolgende verwarmingsproces hangt af van het feit of het staal hypo-eutectoïd, eutectoïd of hypereutectoïd is. In hypo-eutectoïde staalsoorten verandert, na de vorming van austeniet uit perliet, bij voortzetting van de verwarming ook het resterende ferriet in austeniet, en eindigt het proces bij de Ac₃-temperatuur. In hypereutectoïde staalsoorten lost, na de transformatie van perliet in austeniet, secundaire cementiet op in austeniet en gaat het proces door tot de Ac_cm-temperatuur. In beide gevallen is het doel om austeniet te verkrijgen dat zo homogeen mogelijk is.
De omzetting van perliet in austeniet heeft zelf een duidelijke ‘interne’ processtructuur. Het begint met de vorming van austenietkernen aan de grenzen van ferriet en cementiet, waarna de kernen groeien en de perlietkorrels vullen. Tegelijkertijd lost cementiet op in austeniet. Belangrijk is dat de allotrope transformatie van ijzer sneller verloopt dan de volledige oplossing van carbiden, zodat we op een gegeven moment austeniet kunnen hebben dat nog carbideresten bevat en ook chemisch heterogeen is. Pas na verloop van tijd vindt homogenisatie plaats door koolstofdiffusie. Als gevolg daarvan onderscheidt het materiaal verschillende stadia: de vorming van heterogeen austeniet, de oplossing van carbideresten en pas daarna volledige homogenisatie.
De verwarmingssnelheid is ook van groot belang. Bij zeer langzame verwarming begint de transformatie bij ongeveer 727 °C, maar bij snellere verwarming verschuift deze naar hogere temperaturen. Dit betekent dat het in de praktijk niet voldoende is om de ’theoretische’ kritische temperaturen te kennen – er moet rekening worden gehouden met het feit dat het werkelijke transformatiebereik afhankelijk is van de kinetica en de initiële microstructuur. De snelheid van austenitisatie wordt ook beïnvloed door de dispersie van perliet en de vorm van cementiet, evenals door de chemische samenstelling van het staal, inclusief legeringsadditieven.
Korrelgrootte in staal
Bij staal wordt een onderscheid gemaakt tussen primaire korrel (na stolling) en secundaire korrel, d.w.z. de werkelijke korrel – de laatste austenietkorrel die is gevormd als gevolg van warmte- en plastische behandeling. Deze werkelijke korrel is cruciaal voor eigenschappen, met name slagvastheid. Een materiaal met een grove korrelstructuur na afkoeling is vaak broos en heeft een lage slagvastheid. Daarom is de technologie erop gericht om fijne austenietkorrels te verkrijgen en deze fijne korrelgrootte na afkoeling naar de structuur over te brengen.
Het is de moeite waard om het mechanisme van korrelveranderingen tijdens het verwarmen te vermelden. De omzetting van perliet in austeniet bevordert op zich al fragmentatie, maar verder gloeien bij hoge temperaturen veroorzaakt korrelgroei van austeniet, omdat het metaal de neiging heeft om de energie van de korrelgrenzen te verminderen. Hoe hoger de verwarmingstemperatuur en hoe langer de gloeitijd, hoe groter de korrelgroei. Dit verklaart waarom ’te heet en te lang’ destructief kan zijn: zelfs als we volledig austeniet verkrijgen, kan het grofkorrelig worden, wat de breukweerstand aantast.
In deze context ontstaat het concept van oververhitting, d.w.z. de neiging van austenietkorrels om onder invloed van temperatuur en tijd te groeien. In de praktijk wordt bij fijnkorrelig en grofkorrelig staal niet gekeken naar ‘welke korrel het toevallig heeft’, maar naar ‘hoe gemakkelijk die korrel groeit tijdens austenitisatie’. Nominaal fijnkorrelig staal kan een grove korrel hebben als het oververhit is geraakt; omgekeerd kan staal met een grotere neiging tot groei bij de juiste temperatuur een fijne korrel produceren. Dit is belangrijk omdat het voorzichtigheid geboden is: de naam van het staal ontslaat u niet van de plicht om de temperatuur en de tijd te controleren.
Het materiaal geeft ook de rol aan van additieven zoals aluminium, die de korrelgroei kunnen remmen door oxiden of nitriden te vormen. Vanuit technologisch oogpunt vertaalt zich dit in een grotere procestolerantie: staalsoorten die minder gevoelig zijn voor oververhitting hebben een groter veilig hardingstemperatuurbereik en een lager risico op verslechtering van de slagvastheid als gevolg van onbedoelde oververhitting.
Austeniettransformatiekinetiek
Na austenitisatie is de hamvraag: wat gebeurt er met austeniet tijdens het afkoelen? Onder 727 °C wordt austeniet een onstabiele fase en heeft het de neiging om te transformeren in structuren met een lagere vrije energie, zoals perliet. Het verloop van de transformatie hangt echter af van twee tegengestelde factoren. Enerzijds verhoogt een grotere onderkoeling de thermodynamische ‘aandrijving’ van de transformatie, terwijl anderzijds een lagere temperatuur de diffusie vertraagt, zonder welke perlitische transformaties niet efficiënt kunnen verlopen. Als gevolg hiervan neemt de transformatiesnelheid toe tot een bepaald maximum (ongeveer 550 °C) en neemt vervolgens af bij een verdere temperatuurdaling, tot een bereik waar diffusie praktisch ‘bevroren’ is en niet-diffusieve transformaties plaatsvinden.
Om dit kwantitatief en duidelijk te beschrijven, worden austeniet-transformatiediagrammen gebruikt. Onder isothermische omstandigheden, wanneer austeniet snel afkoelt tot een constante temperatuur en daar blijft, wordt een karakteristieke periode waargenomen waarin niets gebeurt – dit is de incubatieperiode (austenietstabiliteit). Pas na deze periode begint de transformatie en wordt deze voltooid. Als we dergelijke experimenten uitvoeren voor verschillende temperaturen en de begin- en eindtijden van de transformatie in een grafiek weergeven, verkrijgen we een CTPi-diagram (tijd-temperatuur-isothermische transformatie) met C-vormige curven. De afstand tussen de begin- en eindcurven geeft de transformatiesnelheid in een bepaald temperatuurbereik aan.
Met behulp van isothermische grafieken kunnen we drie belangrijke bereiken onderscheiden: bij temperaturen dicht bij A₁ vindt een perlitische transformatie plaats met een hoge austenietstabiliteit; in het gemiddelde temperatuurbereik (ongeveer 550-200 °C) verschijnt bainiet; en onder de Ms-lijn verdwijnen de diffusiecurves omdat een martensitische transformatie met een ander mechanisme begint. Dit beeld is fundamenteel omdat het laat zien dat ‘austeniet’ niet één enkel transformatiepad is, maar een startpunt van waaruit verschillende structuren kunnen worden bereikt, afhankelijk van het afkoelingspad.
Perlitische transformatie
Perlitische transformatie is een diffusieproces. Het begint meestal met het verschijnen van cementietkernen aan de randen van austenietkorrels, waarna, dankzij koolstofdiffusie, cementiet uitgroeit tot platen en koolstofarme austeniet omgezet wordt in ferriet. Herhaling van dit mechanisme leidt tot de vorming van afwisselende banden van ferriet en cementiet, d.w.z. een perlitische structuur. Meestal vormen zich meerdere perlitische kolonies in een enkele austenietkorrel, en hun geometrie en fijnheid zijn afhankelijk van de transformatietemperatuur.
Een belangrijk gevolg van de kinetica is dat naarmate de onderkoeling toeneemt, het aantal kernen en de snelheid van kristallisatie van de transformatieproducten toenemen, maar tegelijkertijd de mogelijkheid van diffusie over lange afstanden afneemt. Als gevolg hiervan wordt perliet gevormd met een steeds kleinere tussenplaatafstand – van grofkorrelig perliet bij temperaturen dicht bij A₁ tot zeer fijn perliet bij lagere transformatietemperaturen. Deze verandering in microstructuur heeft een directe invloed op de eigenschappen: hoe fijner het perliet, hoe hoger de hardheid en sterkte, maar meestal ten koste van de plasticiteit. Het materiaal geeft aan dat perliet dat bij ongeveer 700 °C wordt gevormd een hardheid van ~220 HB kan hebben, terwijl bij ongeveer 500 °C zeer fijn perliet met een aanzienlijk hogere hardheid wordt gevormd.
Voor hypo-eutectoïde en hypereutectoïde staalsoorten is het belangrijk dat onder bepaalde omstandigheden ferriet (hypo-eutectoïde) of secundaire cementiet (hypereutectoïde) kan worden afgescheiden vóór de perlitische transformatie. Naarmate de onderkoeling toeneemt, kan deze fase echter verdwijnen en kan de transformatie ‘directer’ verlopen, wat gepaard gaat met de waargenomen verbreding van de bereiken waarin perlitische structuren worden gevormd zonder een duidelijk ferriet- of cementietnetwerk.
Martensitische transformatie
Onder de Ms-temperatuur verloopt de transformatie van austeniet op een heel andere manier, omdat koolstofdiffusie vrijwel wordt geremd. In dit geval worden er geen producten gevormd waarvoor koolstof moet worden gescheiden in ferriet en cementiet, maar vindt er een niet-diffusieve herstructurering van het ijzerkristalrooster plaats. Austeniet transformeert in martensiet zonder het gemiddelde koolstofgehalte in de vaste oplossing te veranderen, wat betekent dat martensiet een oververzadigde oplossing van koolstof in α-ijzer is. Deze oververzadiging vervormt het rooster tot een tetragonale vorm, en het is deze vervorming die verantwoordelijk is voor de zeer hoge hardheid van martensiet, maar ook voor de broosheid ervan.
Een belangrijk, vaak over het hoofd gezien gevolg van martensitische transformatie is een volumeverandering. Van de producten van austeniet-transformatie heeft martensiet het hoogste specifieke volume. In de praktijk betekent dit dat harding gepaard gaat met het risico van aanzienlijke spanningen, vervormingen en zelfs scheuren, vooral in componenten met complexe geometrieën. Het materiaal verwijst naar dilatometrische waarnemingen, die karakteristieke volumeveranderingen laten zien die verband houden met transformaties tijdens verhitting en afkoeling.
Martensiet wordt gevormd zonder incubatieperiode: zodra Ms wordt overschreden, begint de transformatie onmiddellijk en neemt de hoeveelheid martensiet toe door de vorming van nieuwe platen (naalden) in plaats van door de groei van bestaande platen. Het is ook erg belangrijk dat de transformatie eindigt bij de Mf-temperatuur, maar ondanks dit kan een deel van het austeniet ongetransformeerd blijven als remanent austeniet. De hoeveelheid hiervan is sterk afhankelijk van het koolstofgehalte – bij een hoger koolstofgehalte neemt het aandeel remanent austeniet na het harden toe, wat van invloed is op de hardheid en dimensionale stabiliteit.
Bainitische transformatie
In het tussenliggende temperatuurbereik (voor koolstofstaal ongeveer tussen 550 °C en 200 °C) vindt een bainitische transformatie plaats, die de kenmerken van diffusieve en niet-diffusieve transformaties combineert. Bij deze temperaturen is de koolstofdiffusie in austeniet al zeer laag, maar niet nul. Uit austeniet worden met koolstof verzadigde ferrietplaten gevormd en omdat de koolstofdiffusie in ferriet groter is dan in austeniet, komen er carbiden (cementiet) vrij uit het verzadigde ferriet. Als gevolg daarvan is bainiet een mengsel van ferriet en carbiden, waarbij de fragmentatie toeneemt naarmate de transformatietemperatuur daalt.
Er wordt onderscheid gemaakt tussen bovenbainiet (gevormd bij hogere temperaturen in dit bereik) en onderbainiet (bij lagere temperaturen), die verschillen in morfologie en hardheid. Het materiaal geeft geschatte waarden aan die aangeven dat bovenbainiet een hardheid van ongeveer 45 HRC kan hebben en onderbainiet ongeveer 55 HRC, wat de ‘positie’ ervan tussen typisch perliet en martensiet aangeeft. Bovendien wordt aangegeven dat in koolstofstaal de perlitische en bainitische bereiken elkaar gedeeltelijk kunnen overlappen, wat leidt tot gemengde structuren.
Austeniettransformatie tijdens continue afkoeling
Hoewel isothermische diagrammen zeer informatief zijn, vinden de meeste technologische processen plaats onder continue koeling in plaats van isothermische koeling. Daarom worden CTPc-diagrammen (tijd-temperatuur-transformatie voor continue koeling) opgesteld, waarbij rekening wordt gehouden met het feit dat de temperatuur in de loop van de tijd daalt en het materiaal verschillende transformatiebereiken ‘doorkruist’. Dergelijke diagrammen zijn bijzonder nuttig omdat ze een directe vergelijking van koelcurves met transformatielijnen mogelijk maken en voorspellen welke structuur in een specifiek proces zal worden gevormd.
Bij zeer langzame afkoeling zijn de transformaties vergelijkbaar met evenwichtstransformaties: in hypo-eutectoïde staalsoorten wordt eerst ferriet afgescheiden (uit Ar₃) en vervolgens vindt een perlitische transformatie plaats in Ar₁. Naarmate de afkoelsnelheid toeneemt, nemen de transformatietemperaturen af en kunnen sommige stadia verdwijnen, bijvoorbeeld de eerdere precipitatie van ferriet vóór perliet kan geleidelijk verdwijnen, wat leidt tot een meer homogene perlitische structuur. Een verdere toename van de afkoelsnelheid verschuift het systeem naar bainiet, en bij nog hogere snelheden verschijnen bainiet-martensietstructuren, totdat uiteindelijk, bij een voldoende hoge snelheid, bijna uitsluitend martensiet kan worden verkregen.
Hier komt het concept van kritische afkoelsnelheid om de hoek kijken – de minimale snelheid waarmee een homogene martensitische structuur wordt verkregen (uiteraard met wat rest-austeniet). Dit concept is praktisch: het vertelt ons of een bepaald onderdeel ‘door en door’ kan worden gehard in een bepaald koelmedium en met bepaalde afmetingen. CTPc-diagrammen, vooral wanneer ze koelcurves en bijbehorende hardheidswaarden bevatten, stellen ons in staat om direct af te lezen welk aandeel fasen (bijv. ferriet, bainiet, martensiet) we zullen verkrijgen voor een specifiek koelproces.
Tempereren
Martensiet is een onstabiele fase en gehard staal is weliswaar zeer hard, maar kan ook te broos zijn en vol interne spanningen zitten. Temperen is daarom een proces waarbij gehard staal op gecontroleerde wijze tot hogere temperaturen wordt verwarmd om veranderingen in martensiet op gang te brengen. Het belangrijkste punt is dat temperen geen enkelvoudig verschijnsel is, maar een reeks temperatuurafhankelijke fasen. Het materiaal onderscheidt vier hoofdfasen, die verschillen in termen van de carbiden die worden afgescheiden, hoe het koolstofgehalte in martensiet verandert en wanneer de transformaties van het resterende austeniet plaatsvinden.
Bij lage tempertemperaturen (rond 80-200 °C) vindt de eerste fase plaats, waarbij ε-carbide neerslaat. Dit kan zelfs tijdelijk de hardheid van koolstofrijke staalsoorten verhogen, wat een belangrijke, contra-intuïtieve observatie is: temperen betekent niet altijd dat het materiaal vanaf het eerste moment zachter wordt. Vervolgens vindt in het bereik van ongeveer 200-300 °C verdere precipitatie van ε-carbide en diffusietransformatie van rest-austeniet naar een bainitische structuur plaats. In het bereik van ongeveer 300-400 °C transformeert ε-carbide in cementiet en wordt een toestand bereikt die dichter bij het evenwicht ligt; vervolgens wordt getemperd martensiet gevormd. Bij hogere temperaturen (ongeveer 400-650 °C) coaguleert cementiet, worden spanningen verwijderd en wordt een structuur gevormd die sorbiet wordt genoemd en een gunstiger compromis van eigenschappen biedt.
Vanuit technologisch oogpunt is het doel van ontlaten dat bij afnemende hardheid de plasticiteit en slagvastheid toenemen. Het materiaal benadrukt dat optimale mechanische eigenschappen vaak worden bereikt bij ontlaten in het bereik van ongeveer 600-650 °C, en dat daarboven de toename in plasticiteit niet meer zo uitgesproken is. Bovendien is het belangrijk om onderscheid te maken tussen structuren met een vergelijkbare hardheid maar een verschillende cementietmorfologie: fijne perliet en de structuur na martensietontlaten kunnen er vergelijkbaar uitzien en een vergelijkbare hardheid hebben, maar ze verschillen in de vorm van de carbiden en dus in bepaalde eigenschappen, zoals vloeigrens of insnoering.
Het effect van warmtebehandeling op de eigenschappen van staal
Harding leidt tot de vorming van martensiet en dus tot een hoge hardheid, waarvan de toename verband houdt met de toename van het koolstofgehalte. Het materiaal geeft aan dat tot een bepaald koolstofgehalte (ongeveer 0,7%) de toename van de martensiethardheid bijzonder sterk is, waarna de toename kleiner wordt. Tegelijkertijd kan in hypereutectoïde staalsoorten die vanaf zeer hoge temperaturen zijn gehard, een hoger aandeel rest-austeniet voorkomen, wat de waargenomen hardheid en het gedrag van het staal kan veranderen.
Door temperen verandert dit beeld: lage temperaturen kunnen een licht versterkend effect hebben op koolstofrijke staalsoorten, maar over het algemeen leidt een hogere temperatuurtemperatuur tot een afname van de hardheid en sterkte en een toename van de plasticiteit en slagvastheid. Belangrijk is dat dit geen kwestie is van het ‘magische effect van temperatuur’, maar van zeer specifieke transformaties: de neerslag van carbiden uit martensiet, een afname van de tetragonale structuur, de transformatie van carbiden in cementiet en hun coagulatie. Het is de microstructuur – meer bepaald de vorm en verdeling van carbiden en de toestand van de vaste oplossing – die verantwoordelijk is voor de waargenomen eigenschappen.
Een vergelijking tussen perlitische structuren en structuren die worden verkregen door martensiet te temperen, is bijzonder leerzaam. Hoewel ze een vergelijkbare hardheid en een vergelijkbaar ‘algemeen’ uiterlijk kunnen hebben, heeft cementiet in perliet een gestreepte vorm, terwijl het in structuren na martensiet-temperen vaker een meer korrelige (bolvormige) vorm heeft. Het materiaal wijst erop dat bij dezelfde hardheid de treksterkte en rek vergelijkbaar kunnen zijn, maar dat de vloeigrens en de oppervlaktevermindering soms gunstiger zijn voor structuren na temperen. Dit verklaart waarom warmtebehandeling (harding + temperen) zo populair is: het levert een reeks eigenschappen op die moeilijk te verkrijgen zijn door alleen afkoeling tot perliet.
Basisprincipes van warmtebehandeling van staal en gietijzer – samenvatting
De theoretische basis van warmtebehandeling van staal komt neer op het begrijpen dat het proces wordt bepaald door de transformatie van austeniet. Het Fe–Fe₃C-evenwichtssysteem geeft de kritische fase- en temperatuurgebieden aan, en de kinetica vertelt ons welke transformaties bij een bepaalde afkoelsnelheid zullen plaatsvinden. De CTPi- en CTPc-diagrammen laten zien waar austeniet stabiel is, waar het uiteenvalt in perliet of bainiet, en waar het zonder diffusie transformeert in martensiet. Temperen daarentegen stabiliseert de geharde toestand: het verwijdert spanningen en verandert de vorm van carbiden, wat leidt tot de functionele eigenschappen die in de praktijk nodig zijn.
In die zin is warmtebehandeling geen verzameling ‘recepten’, maar een logisch gevolg van de relatie: temperatuur + tijd + afkoelsnelheid → microstructuur → eigenschappen. Hoe beter we deze relatie begrijpen, hoe zekerder we technologische parameters kunnen selecteren, het risico op defecten kunnen minimaliseren en het materiaal bewust kunnen vormgeven om aan de ontwerpvereisten te voldoen.
