0.3 Litet teori om värmebehandling

Om stål upphettas till temperaturer över linjerna A₃ eller A_cm i diagrammet i Figur 4 ombildas de tidigare strukturerna helt till austenit. Till skillnad från ferrit så kan austenit, som tidigare nämnts, lösa kol, vid 1150°C ända upp till cirka 2 %, se Figur 3.

Austenit existerar alltså endast vid högre temperaturer. Om temperaturen sänks under linjerna A₃ respektive A_cm börjar austeniten att omvandlas, och beroende på kylningshastigheten kan olika strukturer uppstå.

Låt oss betrakta ett kolstål med 0,8 % C, som får svalna från 750°C. Strax under 725°C börjar omvandlingen, och enligt diagrammet ska ferrit och cementit bildas. De bildas i tunna skivor och formar ett slags lamellat av skivor, varannan ferrit och varannan cementit. Ett perlitkorn består av många skivor, alla i samma riktning, och syns tydligt i mikroskop.

Låter man stålet ligga länge vid en temperatur strax under 725°C blir cementiten nästan rund och ligger som små kulor i den rena ferriten. Detta utnyttjas vid mjukglödgning.

Ju snabbare omvandlingen sker desto tunnare blir skikttjockleken hos perliten. Detta beror på att ju snabbare kylningen genomförs desto mer underkyld blir austeniten innan den omvandlas. Vid lägre temperatur minskar kolets möjlighet att diffundera, och samtidigt bildas fler startpunkter för ferrit respektive cementitskivor, vilket leder till fler men tunnare skivor.

Ökas kylningshastigheten ytterligare bildas cementitskivorna mer ofullständigt, och man får en mycket finskiktad struktur, som kallas bainit.

En ytterligare ökning av kylningshastigheten, till exempel genom att kyla stålet i vatten eller olja, leder till att austeniten inte hinner omvandlas förrän den nått temperaturer omkring 300°C, och då bildas martensit som beskrivits i avsnittet om lösningshärdning.

Processen att framställa martensit eller bainit kallas härdning och är en av våra viktigaste värmebehandlingsmetoder. Efter martensithärdning återuppvärms stålet vanligen för att minska martensitens sprödhet och justera hårdheten till önskad nivå. Detta kallas som tidigare nämnts anlöpning.

Legeringsämnenas inverkan på härdning tas upp i kapitel 2.4.

Man har tagit fram särskilda diagram, som visar vilka strukturer man får vid olika svalningshastigheter. De kallas CCT-diagram och varje diagram gäller för en stålsammansättning och en austenitiseringstemperatur.

I Figur 6 visas ett sådant diagram för ett stål med C = 0,67, Si = 0,20 och Mn = 0,70 %. Austenitiseringen sker vid 850°C under 10 minuter. De böjda kurvorna, som utgår från övre vänstra hörnet markerar olika svalningsförlopp med olika svalningshastigheter. Tidsaxeln är logaritmisk, vilket innebär att varje kurva representerar en konstant svalningshastighet.

Luftsvalning motsvarar 0,2-2°C/s och beror på produktens dimension. Vill man öka hastigheten får man kyla, till exempel i olja eller i vatten. Även fördröjd svalning kan behöva tillgripas.

CTT-diagrammet visar vilka strukturer och hårdheter man förväntas få vid de olika svalningshastigheterna. Vid snabb kylning kommer givetvis ytan att kylas betydligt snabbare än kärnan.