Teräksen ja valuraudan lämpökäsittelyn perusteet
Sisällysluettelo
Lämpökäsittely on toimenpiteitä, joiden tarkoituksena on muuttaa seoksen rakennetta kiinteässä tilassa ja siten saada halutut mekaaniset, fysikaaliset tai kemialliset ominaisuudet. Käytännössä tämä tarkoittaa, että metallia ei ”paranneta” pelkästään kuumentamalla sitä, vaan varmistamalla, että oikein suunniteltu lämpötilakäyrä ajan kuluessa laukaisee rakenteellisia muutoksia. Näitä ovat uusien faasien muodostuminen, epästabiilien faasien hajoaminen, raekoon muutokset sekä karbidien erottuminen tai sisäisten jännitysten poistuminen. Lämpökäsittely sisältää sekä yksinkertaisia prosesseja, joihin liittyy kuumentaminen ja jäähdyttäminen, että monimutkaisempia prosesseja, joihin liittyy kemiallinen vuorovaikutus ympäristön, plastisen muodonmuutoksen tai magneettikentän kanssa.
Lämpökäsittelyn merkitys on erityisen tärkeä teräksen ja valuraudan tapauksessa. Rauta on yleinen, edullinen ja helposti käsiteltävä perusmateriaali, mutta teräksen sovellusalueen laajuus johtuu nimenomaan sen rakenteen hallittavuudesta. Raudan allotrooppisten munnelmien on tässä avainasemassa: erilaiset kiteiset rakenteet ovat stabiileja eri lämpötiloissa, minkä ansiosta on mahdollista tuottaa ja ”jäädyttää” erilaisia mikrorakenteita riippuen siitä, kuinka nopeasti materiaali jäähdytetään ja suoritetaanko lisähehkutus. Siksi terästä voidaan käyttää jousien, leikkaustyökalujen, koneenosien ja kantavien rakenteiden materiaalina ja käyttäytymisen erot johtuvat enemmänkin lämpökäsittelyn aikana saadusta mikrorakenteesta kuin koostumuksesta itsessään.
Nykyaikainen teollisuus asettaa materiaaleille yhä suurempia vaatimuksia, mikä edistää lämpökäsittelymenetelmien kehittämistä ja laadunvalvonnan tehostamista. Pienetkin virheet, kuten liian korkea karkaisulämpötila, liian lyhyt kuumennusaika, riittämätön jäähdytys, voivat aiheuttaa epätoivottuja rakenteita (esim. liian karkea rakeisuus) ja heikentää siten tuotteen toiminnallisia ominaisuuksia. Siksi lämpökäsittely ei ole valmistustekniikan ”lisäosa”, vaan yksi sen kriittisistä vaiheista.
Faasitasapainojärjestelmien ja lämpökäsittelyn yhteys
Faasitasapainojärjestelmät kuvaavat, mitkä faasit ovat stabiileja tietyissä lämpötila- ja koostumusehdoissa, mutta ne tekevät sen olettaen, että muutokset ovat hyvin hitaita, eli sellaisia, joissa aika ei rajoita diffuusiota ja järjestelmällä on mahdollisuus saavuttaa tasapaino. Tästä syystä tasapainokaavio itsessään ei ota huomioon lämmitys- ja jäähdytysnopeuksien vaikutusta. Tasapainojärjestelmät muodostavat kuitenkin lämpökäsittelyn suunnittelun perustan, koska ne osoittavat, mitkä muutokset ovat mahdollisia ja missä lämpötila-alueilla niitä voidaan odottaa.
Tämä ero on hyvin käytännöllinen. Jos seos ei näytä muutoksia kiinteässä tilassa (kaaviossa ei ole alueita, joissa kiinteässä tilassa esiintyy eri faasi tai faasien seos), tällainen seos ei ole klassisessa mielessä lämpökäsiteltävissä, koska sillä ei ole ”mekanismia” rakenteensa muuttamiseksi. Tilanne on erilainen järjestelmissä, joissa komponentin liukoisuus kiinteässä tilassa riippuu lämpötilasta. Tällöin on mahdollista saada ylikyllästetty liuos jäähdyttämällä nopeasti lämpötilasta, jossa liukoisuus on suuri, ja pakottamalla sitten saostuminen uudelleenlämmityksen aikana. Tämä menetelmä johtaa rakenteen ja ominaisuuksien tarkoitukselliseen muutokseen.
Vastaava tilanne esiintyy myös seoksissa, jotka käyvät läpi allotrooppisia muutoksia kiinteässä tilassa: korkeissa lämpötiloissa yksi faasi on vakaa (esim. kiinteä liuos, jolla on erilainen hilarakenne), ja kriittisen lämpötilan ylittyessä järjestelmä pyrkii muodostamaan muiden faasien seoksen. Tällöin on ratkaisevan tärkeää, kuinka nopeasti muutostila-alue läpäistään, sillä hitaassa jäähdytyksessä diffuusio pysyy mukana ja muodostuu tasapainorakenteita, kun taas nopeassa jäähdytyksessä on mahdollista, että muodostuu epätasapainorakenteita, kuten martensiitti.
Teräksen osalta tasapainojärjestelmän keskeinen osa on rauta–sementiitti (Fe–Fe₃C) noin 2,11 %:n hiilipitoisuuteen asti, mikä on teräksen kannalta merkityksellinen alue. Tämä antaa merkityksen austeniittisoinnille (lämmitys austeniittialueelle) ja sille, että jäähtymisen aikana austeniitti voi muuttua eri rakenteiksi jäähtymisnopeudesta riippuen. Tasapainojärjestelmä kertoo meille, ”mitä on mahdollista” ja ”missä kriittiset lämpötilat ovat”, kun taas muutosten kinetiikka (aika ja jäähdytys) määrää, ”mitä todella saamme”.
Lämmitys, liotus ja jäähdytys
Jokainen lämpökäsittelyprosessi voidaan käsitellä lämpötilan muutosten skenaarioina ajan kuluessa, jossa voidaan erottaa kolme päävaihetta: lämmitys, liotus ja jäähdytys. Kuumennus tarkoittaa lämpötilan nostamista tietylle prosessille määritettyyn arvoon. Usein käytetään asteittaista kuumennusta: ensin kuumennetaan alempaan lämpötilaan ja vasta sitten kuumennetaan edelleen oikeaan lämpötilaan. Tämä jako ei ole keinotekoinen, se on teknisesti merkittävä, koska se rajoittaa lämpötilagradientteja elementin poikkileikkauksessa ja vähentää halkeamien tai liiallisten jännitysten riskiä.
Vanheneminen tarkoittaa lämpötilan pitämistä tavoitetasolla niin kauan, että lämpötila tasaantuu poikkileikkauksen koko alueella ja halutut muutokset tapahtuvat. Käytännössä hehkutuksella on kaksi tarkoitusta: toisaalta elementin on ”saavutettava” lämpötila termisesti (muuten pinta ja ydin ovat eri tiloissa) ja toisaalta monet muutokset, erityisesti diffuusio, vaativat aikaa faasikoostumuksen homogenisoimiseksi tai tiettyjen komponenttien (esim. karbidien) liuottamiseksi.
Jäähdytys tarkoittaa lämpötilan laskemista ympäristön lämpötilaan tai tiettyyn välilämpötilaan. Hidasta jäähdytystä, esimerkiksi uunissa tai liikkumattomassa ilmassa, kutsutaan hehkutukseksi, kun taas nopeaa jäähdytystä vedessä tai öljyssä kutsutaan karkaisuksi. Myös asteittainen jäähdytys on yleistä, jolloin tapahtuu ali-jäähdytys lopullista lämpötilaa korkeampaan lämpötilaan ja yli-jäähdytys lopulliseen lämpötilaan. Tämä säätömenetelmä on joskus tarpeen, kun halutaan kulkea tietyt lämpötila-alueet hitaammin (diffuusion mahdollistamiseksi) tai nopeammin (perliittisen diffuusiomuutoksen välttämiseksi ja martensiitin saamiseksi).
Koska lämpökäsittelyn ydin on lämpötilan ja ajan välinen suhde, sitä kuvataan käyrällä t = f(τ). Käytännössä puhutaan keskimääräisistä lämmitys- ja jäähdytysnopeuksista, mutta todellinen hetkellinen nopeus on yhtä tärkeä, koska se määrää, kuinka nopeasti kriittiset lämpötila-alueet läpäistään. Tästä syystä kaksi prosessia, joiden kokonaiskesto on sama, voivat tuottaa erilaisia tuloksia, jos niiden jäähdytysprosessi kriittisillä alueilla eroaa toisistaan.
Lämpökäsittelyn luokittelu
Lämpökäsittelyn jakautuminen ei ole puhtaasti ”tietosanakirjallinen”, vaan se johtuu työkaluista, joita käytämme ominaisuuksien muuttamiseen. Perinteisessä lämpökäsittelyssä halutut ominaisuudet saavutetaan muuttamalla rakennetta muuttamatta kemiallista koostumusta. Tähän kuuluvat klassiset prosessit, kuten hehkutus, karkaisu ja karkaisukäsittely, mutta myös ylikyllästys ja vanhentaminen, joissa mekanismi liittyy ylikyllästetyn liuoksen saamiseen ja sen jälkeiseen saostumiseen.
Kemiallisessa lämpökäsittelyssä lämpötilan lisäksi käytetään kemiallista ympäristöä, joka kyllästää pinnan hiilellä tai typellä. Tuloksena on pintakerroksen koostumuksen muutos ja siten rakenteen ja ominaisuuksien muutos, erityisesti kulutuskestävyyden tai väsymiskestävyyden muutos. Tämä on tärkeä ero: tavallisessa lämpökäsittelyssä ”työstämme” sitä, mitä seoksessa jo on, kun taas termokemiallisessa käsittelyssä lisätään komponentti.
Termoplastinen käsittely puolestaan yhdistää lämpötilan ja plastisen muodonmuutoksen, mikä mahdollistaa rakenteen vaikuttamisen monimutkaisemmalla tavalla, esimerkiksi rakeiden hienontamisella ja mekaanisella vahvistamisella. Termomagneettisessa käsittelyssä käytetään magneettikenttää tiettyjen fysikaalisten ominaisuuksien saavuttamiseksi. Teräksen ja lämpökäsittelyn perusteiden yhteydessä keskitytään kuitenkin edelleen perinteiseen lämpökäsittelyyn, koska se liittyy suoraan austeniitin ja sen hajoamistuotteiden muutokseen.
Muutokset kuumennuksen aikana
Teräksen lämpökäsittelyssä kuumennusvaihe ei rajoitu pelkästään elementin kuumentamiseen. Sen tarkoituksena on saada aikaan austeniittinen rakenne, koska austeniitti on lähtökohta monille jäähdytyksen jälkeisille rakenteille. Kriittisen lämpötilan A₁ (noin 727 °C) saavuttamisen jälkeen tapahtuu perustavanlaatuinen muutos: perliitti muuttuu austeniitiksi. Tämän jälkeinen kuumennusprosessi riippuu siitä, onko teräs hypoeutektoidinen, eutektoidinen vai hypereutektoidinen. Hypoeutektoidisissa teräksissä, kun austenitti on muodostunut perliitistä, lämpenemisen jatkuessa myös jäljellä oleva ferriitti muuttuu austenitiksi, ja prosessi päättyy Ac₃-lämpötilaan. Hypereutektoidisissa teräksissä perliitin muuttumisen austeniitiksi jälkeen sekundaarinen sementiitti liukenee austeniittiin, ja prosessi jatkuu Ac_cm-lämpötilaan asti. Molemmissa tapauksissa tavoitteena on saada mahdollisimman homogeenista austeniittia.
Perliitin muuntuminen austeniitiksi itsessään on selvä ”sisäinen” prosessi. Se alkaa austeniitin ytimien muodostumisella ferriitin ja sementiitin rajapinnoilla, minkä jälkeen ytimet kasvavat ja täyttävät perliittirakeet. Samalla sementiitti liukenee austeniittiin.Tärkeää on, että raudan allotrooppinen muuntuminen tapahtuu nopeammin kuin karbidien täydellinen liukeneminen, joten jossain vaiheessa austenitissa voi olla vielä karbidijäämiä ja se voi olla myös kemiallisesti heterogeeninen. Vasta ajan myötä hiilen diffuusion kautta tapahtuu homogenisaatio. Tuloksena materiaalissa voidaan erottaa eri vaiheet: heterogeenisen austenitin muodostuminen, karbidijäämien liukeneminen ja vasta sitten täydellinen homogenisaatio.
Lämmitysnopeudella on myös merkittävä vaikutus. Erittäin hitaissa lämmitysolosuhteissa muutostila alkaa noin 727 °C:ssa, mutta nopeammassa lämmityksessä se siirtyy korkeampiin lämpötiloihin. Tämä tarkoittaa käytännössä, että ei riitä, että tiedetään ”oppikirjan” mukaiset kriittiset lämpötilat, vaan on otettava huomioon, että todellinen muutostilan alue riippuu kinetiikasta ja alkuperäisestä mikrorakenteesta. Austeniittisoitumisen nopeuteen vaikuttavat myös perliitin dispersio ja sementiitin muoto sekä teräksen kemiallinen koostumus, mukaan lukien seosaineet.
Teräksen raekoko
Teräksessä erotetaan ensisijainen rakeisuus (jähmettymisen jälkeen) ja toissijainen rae, eli todellinen rae, joka on viimeinen austeniittirae, joka muodostuu lämmön ja plastisen käsittelyn seurauksena. Tämä todellinen rae on ratkaiseva ominaisuuksien, erityisesti iskulujuuden, kannalta. Jäähtymisen jälkeen karkeakuvioinen materiaali on yleensä hauras ja sen iskulujuus on heikko, minkä vuoksi tekniikan tavoitteena on saada aikaan hieno austeniittirae ja sitten ”siirtää” tämä hieno raekoko rakenteeseen jäähtymisen jälkeen.
On syytä huomata, miten rakeiden rakenne muuttuu kuumennuksen aikana. Perliitin muuttuminen austeniitiksi itsessään edistää fragmentaatiota, mutta jatkokäsittely korkeissa lämpötiloissa aiheuttaa austeniitin rakeiden kasvua, koska metalli pyrkii vähentämään raerajojen energiaa. Mitä korkeampi kuumennustemperatuuri ja mitä pidempi hehkutusaika, sitä suurempi on rakeiden kasvu. Tämä selittää, miksi liian kuuma ja liian pitkä kuumennus voi olla tuhoisaa: vaikka vaikka saataisiin aikaan täysi austeniitti, se voi muuttua karkeaksi, mikä heikentää murtumiskestävyyttä.
Tässä yhteydessä nousee esiin ylikuumenemisen käsite, eli austeniittirakeiden taipumus kasvaa lämpötilan ja ajan vaikutuksesta. Käytännössä hienorakeisia ja karkeorakeisia teräksiä ei nimetä sen perusteella, millaisia rakeita niissä sattuu olemaan, vaan sen perusteella, kuinka helposti rakeet kasvavat austeniittisoitumisen aikana. Nimellisesti hienorakeinen teräs voi olla karkearakeinen, jos se on ylikuumentunut; päinvastoin, teräs, jolla on suurempi taipumus kasvaa, voi tuottaa hienorakeisen rakenteen oikeassa lämpötilassa. Tämä on tärkeää varovaisuuden kannalta, sillä teräksen nimi ei poista tarvetta valvoa lämpötilaa ja aikaa.
Materiaalissa mainitaan myös lisäaineiden, kuten alumiinin, rooli, jotka voivat estää rakeiden kasvua muodostamalla oksideja tai nitridejä. Teknologisesta näkökulmasta tämä tarkoittaa suurempaa prosessinsietokykyä: teräkset, jotka eivät ole niin alttiita ylikuumenemiselle, ovat turvallisempia kovettamisen lämpötila-alueella ja niissä on pienempi riski iskulujuuden heikkenemisestä vahingossa tapahtuvan ylikuumenemisen vuoksi.
Austeniitin muunnoskinetiikka
Austeniittisoinnin jälkeen olellinen kysymys on: mitä austeniitille tapahtuu jäähtymisen aikana? Alle 727 °C:n lämpötilassa austeniitti muuttuu epävakaaksi faasiksi ja pyrkii muuttumaan rakenteiksi, joiden vapaa energia on pienempi, kuten perliitti. Muutosprosessi riippuu kuitenkin kahdesta vastakkaisesta tekijästä. Yhtäältä suurempi ylikuumeneminen lisää muutoksen termodynaamista ”voimaa”, kun taas toisaalta lämpötilan lasku hidastaa diffuusiota, jota ilman perliittimuutokset eivät voi edetä tehokkaasti. Tämän seurauksena muutoksen nopeus kasvaa tiettyyn maksimiarvoon (noin 550 °C) ja laskee sitten lämpötilan laskiessa edelleen alueelle, jossa diffuusio on käytännössä ”jäätynyt” ja tapahtuu ei-diffuusiivisia muutoksia.
Tämän kuvaamiseksi kvantitatiivisesti ja selkeästi käytetään austeniitin muutosta kuvaavia kaavioita. Isotermisissä olosuhteissa, kun austeniitti jäähtyy nopeasti vakiolämpötilaan ja pysyy siinä, havaitaan tyypillinen jakso, jonka aikana mitään ei tapahdu. Tämä on inkubaatiojakso (austeniitin stabiilius). Vasta tämän jakson jälkeen muunnos alkaa ja etenee loppuun asti. Jos teemme tällaisia kokeita eri lämpötiloissa ja piirrämme muunnoksen alkamis- ja päättymisajat, saamme CTPi-kaavion (aika-lämpötila-isoterminen muunnos), jossa on C-muotoisia käyriä. Alkamis- ja päättymiskäyrien välinen etäisyys osoittaa muunnoksen nopeuden tietyllä lämpötila-alueella.
Isotermisten kaavioiden avulla voidaan erottaa kolme pääaluetta: lämpötiloissa lähellä A₁, tapahtuu perliittinen muutostila, jossa austeniitin stabiilius on korkea; keskilämpötila-alueella (noin 550–200 °C) esiintyy bainiittia; ja Ms-viivan alapuolella diffuusiokäyrät katoavat, koska alkaa martensiittinen muutostila, jossa mekanismi on erilainen. Tämä kuva on perustavanlaatuinen, koska se osoittaa, että ”austeniitti” ei ole yksi ainoa muutospolku, vaan lähtökohta, josta voidaan saavuttaa erilaisia rakenteita jäähdytyspolun mukaan.
Perliittinen muunnos
Perliittinen muunnos on diffuusioprosessi. Se alkaa yleensä sementiittisydämien ilmestymisellä austeniittirakeiden rajoille, minkä jälkeen sementiitti kasvaa hiilen diffuusion ansiosta levyiksi ja hiilestä köyhtynyt austeniitti muuttuu ferriitiksi. Tämän mekanismin toistuminen johtaa ferriitin ja sementiitin vuorottelevien kaistojen muodostumiseen, eli perliittirakenteeseen. Yksittäiseen austeniittirakeeseen muodostuu yleensä useita perliittikolonioita, joiden geometria ja hienous riippuvat muunnoslämpötilasta.
Kineettisen prosessin keskeinen seuraus on, että alijäähtymisen lisääntyessä ytimien lukumäärä ja kristallisoitumisnopeus muutos tuotteissa kasvaa, mutta samalla pitkän kantaman diffuusion mahdollisuus vähenee. Tuloksena muodostuu perliitti, jonka levyjen välinen etäisyys pienenee, karkeajyväisestä perliitistä lämpötiloissa lähellä A₁:tä hyvin hienojakoiseen perliittiin alemmissa muutostemperaturissa. Tämä mikrorakenteen muutos vaikuttaa suoraan ominaisuuksiin: mitä hienojakoisempi perliitti, sitä suurempi kovuus ja lujuus, mutta yleensä plastisuuden kustannuksella. Materiaali osoittaa, että noin 700 °C:ssa muodostuneen perliitin kovuus voi olla ~220 HB, kun taas noin 500 °C:ssa muodostuu erittäin hienojakoista perliittiä, jonka kovuus on huomattavasti suurempi.
Hypoeutektoidisille ja hypereutektoidisille teräksille on tärkeää, että tietyissä olosuhteissa ferriitti (hypoeutektoidi) tai sekundaarinen sementiitti (hypereutektoidi) voi erittyä ennen perliittimuutosta. Alijäähtymisen lisääntyessä tämä vaihe voi kuitenkin kadota, ja muunnos voi edetä ”suoremmin”, mikä liittyy havaittuun laajenemiseen alueilla, joilla perliittirakenteet muodostuvat ilman erillistä ferriitti- tai sementtiittiverkostoa.
Martensiittinen muunnos
Ms-lämpötilan alapuolella austeniitin muunnos tapahtuu täysin eri tavalla, koska hiilen diffuusio on käytännössä estynyt. Tällöin ei muodostu tuotteita, jotka edellyttävät hiilen erottumista ferriitiksi ja sementiitiksi, vaan tapahtuu rauta-kidehilan diffuusiota estävä uudelleenjärjestely. Austeniitti muuttuu martensiitiksi muuttamatta kiinteän liuoksen keskimääräistä hiilipitoisuutta, mikä tarkoittaa, että martensiitti on hiilen ylikyllästetty liuos α-rautassa. Tämä ylikyllästys vääristää hilan tetragonaaliseksi, ja juuri tämä vääristymä on vastuussa martensiitin erittäin suuresta kovuudesta, mutta myös sen hauraudesta.
Martensiittisen muunnosprosessin tärkeä, mutta usein huomiotta jäävä seuraus on tilavuuden muutos. Austeniitin muunnoksen tuotteista martensiitilla on suurin ominaisvolyymi. Käytännössä tämä tarkoittaa, että kovettuminen aiheuttaa merkittävien jännitysten, muodonmuutosten ja jopa halkeamien riskin, erityisesti geometrisesti monimutkaisissa komponenteissa. Materiaali viittaa dilatomisiin havaintoihin, jotka osoittavat tyypillisiä tilavuuden muutoksia, jotka liittyvät muunnoksiin kuumennuksen ja jäähdytyksen aikana.
Martensiitti muodostuu ilman inkubaatioaikaa: kun Ms ylitetään, muunnos alkaa välittömästi, ja martensiitin määrän kasvu tapahtuu uusien levyjen (neulojen) muodostumisen kautta eikä olemassa olevien kasvun kautta. On myös erittäin tärkeää, että muunnos päättyy Mf-lämpötilassa, mutta tästä huolimatta osa austeniitista voi jäädä muuntumattomaksi jäännös austeniitiksi. Sen määrä riippuu suuresti hiilipitoisuudesta: korkeammilla hiilipitoisuuksilla jäännös austeniitin osuus kasvaa karkaisun jälkeen, mikä vaikuttaa kovuuteen ja mittatarkkuuteen.
Bainiteinen muunnos
Keskilämpötila-alueella (hiiliteräksille noin 550 °C – 200 °C) tapahtuu bainitismin muunnos, jossa yhdistyvät diffuusiivisten ja ei-diffuusiivisten muunnoksien ominaisuudet. Näissä lämpötiloissa hiilen diffuusio austeniitissa on jo hyvin vähäistä, mutta ei nollaa. Austeniitista muodostuu hiilellä kyllästettyjä ferriittilevyjä, ja koska hiilen diffuusio ferriitissä on suurempi kuin austeniitissa, kyllästetystä ferriitistä vapautuu karbideja (sementiittiä). Tämän seurauksena bainiitti on ferriitin ja karbidien seos, jonka fragmentaatio lisääntyy muunnoslämpötilan laskiessa.
Erotetaan yläbainiitti (muodostuu tämän alueen korkeammissa lämpötiloissa) ja alabainiitti (muodostuu alemmissa lämpötiloissa), jotka eroavat toisistaan morfologian ja kovuuden suhteen. Materiaali antaa likimääräisiä arvoja, jotka osoittavat, että ylemmän bainitin kovuus voi olla noin 45 HRC ja alemman bainitin noin 55 HRC, mikä osoittaa sen ”sijainnin” tyypillisen perliitin ja martensiitin välillä. Lisäksi on osoitettu, että hiiliteräksissä perliittinen ja bainitinen alue voivat osittain olla päällekkäisiä, mikä johtaa sekarakenteisiin.
Austeniitin muuntnos jatkuvan jäähdytyksen aikana
Vaikka isotermiset kaaviot ovat erittäin informatiivisia, useimmat todelliset teknologiset prosessit tapahtuvat jatkuvassa jäähdytyksessä eikä isotermisessä jäähdytyksessä. Siksi on laadittu CTPc-diagrammit (aika-lämpötila-muutos jatkuvassa jäähdytyksessä), joissa otetaan huomioon se, että lämpötila laskee ajan myötä ja materiaali ”ylittää” eri muunnosalueet. Tällaiset kaaviot ovat erityisen hyödyllisiä, koska niiden avulla voidaan suoraan verrata jäähdytyskäyriä muunnosviivoihin ja ennustaa, millainen rakenne muodostuu tietyssä prosessissa.
Hyvin hitaassa jäähdytyksessä muunnokset ovat samanlaisia kuin tasapainomuutokset: hypoeutektoidisissa teräksissä ferriitti erittyy ensin (Ar₃:sta), ja sitten Ar₁:ssä tapahtuu perliittimuutos. Jäähdytysnopeuden kasvaessa muunnoslämpötilat laskevat, ja jotkut vaiheet voivat kadota, esim. ferriitin aikaisempi saostuminen ennen perliittiä voi vähitellen kadota, mikä johtaa homogeenisempaan perliittirakenteeseen. Jäähdytysnopeuden kasvaessa järjestelmä siirtyy kohti bainiittia, ja vieläkin suuremmilla nopeuksilla esiintyy bainiitti-martensiittirakenteita, kunnes lopulta riittävän suurella nopeudella on mahdollista saada lähes yksinomaan martensiittia.
Tässä tulee esiin käsite kriittinen jäähdytysnopeus, eli vähimmäisnopeus, jolla saadaan homogeeninen martensiittirakenne (tietysti jonkin verran jäännösausteniittia). Tämä käsite on käytännöllinen: se kertoo, voidaanko tietty komponentti karkaista ”läpikotaisin” tietyssä jäähdytysaineessa ja tietyillä mitoilla. CTPc-diagrammit, erityisesti kun ne sisältävät jäähdytyskäyriä ja vastaavia kovuusarvoja, antavat meille mahdollisuuden lukea suoraan, minkä osuuden faaseista (esim. ferriitti, bainiitti, martensiitti) saamme tietyssä jäähdytysprosessissa.
Karkaisu
Martensiitti on epästabiili faasi, ja karkaistu teräs, vaikka se onkin erittäin kovaa, voi olla liian hauras ja täynnä sisäisiä jännityksiä. Karkaisu on siis prosessi, jossa karkaistua terästä kuumennetaan hallitusti korkeampaan lämpötilaan martensiitin muunnoksien aikaansaamiseksi. Keskeistä on, että karkaisu ei ole yksittäinen ilmiö, vaan lämpötilasta riippuvien vaiheiden sarja. Materiaalissa erotetaan neljä päävaihetta, jotka eroavat toisistaan erittyvien karbidien, martensiitin hiilipitoisuuden muutosten ja jäännösausteniitin muunnoksen ajankohdan suhteen.
Alhaisissa karkaisulämpötiloissa (noin 80–200 °C) tapahtuu ensimmäinen vaihe, jossa ε-karbidi saostuu. Tämä voi jopa väliaikaisesti lisätä korkeahiilisten terästen kovuutta, mikä on tärkeä, vastoin intuitiota oleva havainto: karkaisu ei aina tarkoita pehmenemistä heti ensimmäisestä minuutista lähtien. Seuraavaksi noin 200–300 °C:n lämpötila-alueella tapahtuu lisää ε-karbidin saostumista ja jäännösaustenitin diffuusiomuutos bainiittirakenteeksi. Noin 300–400 °C:n lämpötila-alueella ε-karbidi muuttuu sementiitiksi, ja saavutetaan tasapainoa lähempänä oleva tila; tällöin muodostuu karkaistu martensiitti. Korkeammissa lämpötiloissa (noin 400–650 °C) sementiitti koaguloituu, jännitykset poistuvat ja muodostuu sorbiitti-niminen rakenne, joka tarjoaa suotuisamman kompromissin ominaisuuksien välillä.
Teknisestä näkökulmasta karkaisun tarkoituksena on kovuuden laskiessa plastisuuden ja iskulujuuden kasvaminen. Materiaalissa korostetaan, että optimaaliset mekaaniset ominaisuudet saavutetaan usein karkaisemalla noin 600–650 °C:n lämpötilassa, ja sen yläpuolella plastisuuden kasvu ei ole enää yhtä merkittävää. Lisäksi on tärkeää erottaa toisistaan rakenteet, joiden kovuus on samanlainen, mutta sementiitin morfologia erilainen: hieno perliitti ja martensiitin karkaisun jälkeinen rakenne voivat näyttää samanlaisilta ja olla kovuudeltaan samanlaisia, mutta ne eroavat karbidien muodosta ja siten tietyistä ominaisuuksista, kuten myötörajasta tai kaulanmuodostuksesta.
Lämpökäsittelyn vaikutus teräksen ominaisuuksiin
Kovettuminen johtaa martensiitin muodostumiseen ja siten suureen kovuuteen, jonka kasvu liittyy hiilipitoisuuden kasvuun. Materiaali osoittaa, että tiettyyn hiilipitoisuuteen asti (noin 0,7 %) martensiitin kovuuden kasvu on erityisen voimakasta, minkä jälkeen kasvu on pienempää. Samalla erittäin korkeista lämpötiloista karkaistuissa hypereutektoidisissa teräksissä voi esiintyä suurempi määrä jäännös austeniittia, mikä voi vaikuttaa teräksen kovuuteen ja käyttäytymiseen.
Karkaisu muuttaa tätä kuvaa: matalat lämpötilat voivat tuottaa vähäisiä vahvistavia vaikutuksia korkeahiilisissä teräksissä, mutta yleensä karkaisulämpötilan nousu johtaa kovuuden ja lujuuden vähenemiseen sekä plastisuuden ja iskulujuuden kasvuun. Tärkeää on, että kyse ei ole ”lämpötilan maagisesta vaikutuksesta”, vaan hyvin tarkasti määritellyistä muutoksista: karbidien saostumisesta martensiitista, tetragonaalisen rakenteen vähenemisestä sekä karbidien muuttumisesta sementiitiksi ja niiden koaguloitumisesta. Havaittujen ominaisuuksien taustalla on mikrorakenne – tarkemmin sanottuna karbidien muoto ja jakautuminen sekä kiinteän liuoksen tila.
Perliittisten rakenteiden ja karkaistusta ja päästetystä martensiitista saatujen rakenteiden vertailu on erityisen opettavaista. Vaikka niiden kovuus ja ”yleinen” ulkonäkö voivat olla samanlaisia, perliitin sementiitti on raidallista, kun taas martensiitin karkaisun jälkeisissä rakenteissa se on useammin rakeista (pallomaista). Materiaalissa huomautetaan, että samalla kovuudella vetolujuus ja venymä voivat olla samanlaisia, mutta myötölujuus ja pinta-alan pienentyminen ovat joskus edullisempia karkaisun jälkeisissä rakenteissa. Tämä selittää, miksi lämpökäsittely (karkaisu + karkaisun jälkeinen karkaisu) on yleisesti käytetty menetelmä: se tarjoaa joukon ominaisuuksia, joita on vaikea saada pelkästään perliittiin jäähdyttämällä.
Teräksen ja valuraudan lämpökäsittelyn perusteet – yhteenveto
Teräksen lämpökäsittelyn teoreettinen perusta perustuu ymmärrykseen siitä, että prosessia ohjaa austeniitin muuntuminen. Fe–Fe₃C-tasapainojärjestelmä osoittaa kriittiset faasi- ja lämpötila-alueet, ja kinetiikka kertoo, mitkä muunnokset tapahtuvat tietyllä jäähdytysnopeudella. CTPi- ja CTPc-diagrammit osoittavat, missä austeniitti on stabiili, missä se hajoaa perliitiksi tai bainiitiksi ja missä se muuttuu martensiitiksi ilman diffuusiota. Karkaisu puolestaan järjestää kovettuneen tilan: se poistaa jännitykset ja muuttaa karbidien muodon, mikä johtaa käytännössä tarvittaviin toiminnallisiin ominaisuuksiin.
Tässä mielessä lämpökäsittely ei ole joukko ”reseptejä”, vaan looginen seuraus seuraavasta suhteesta: lämpötila + aika + jäähdytysnopeus → mikrorakenne → ominaisuudet. Mitä paremmin ymmärrämme tämän suhteen, sitä varmemmin voimme valita teknologiset parametrit, minimoida vikojen riskin ja muokata materiaalia tietoisesti vastaamaan suunnitteluvaatimuksia.
