Gaan na inhoud

Tempering (metallurgie)

in Wikipedia, die vrye ensiklopedie
Differensieel getemperde staal. Die verskillende kleure wat verkry word, dui die temperatuur aan waartoe die staal verhit is. Ligte strooi dui 204 °C (399 °F) aan en ligblou dui 337 °C (639 °F) aan.[1][2]

Tempering is 'n proses van hittebehandeling, wat gebruik word om die taaiheid van yster-gebaseerde legerings te verhoog. Tempering word gewoonlik na verharding uitgevoer om van die oortollige hardheid te verminder, en word gedoen deur die metaal vir 'n sekere tydperk tot 'n sekere temperatuur onder die kritieke punt te verhit en dit dan in stil lug te laat afkoel. Die presiese temperatuur bepaal die mate van hardheid wat verwyder word, en hang af van beide die samestelling van die legering en van die gewenste eienskappe in die finale produk. Baie harde gereedskap word byvoorbeeld dikwels by lae temperature getemper, terwyl vere by baie hoër temperature getemper word.

Inleiding[wysig | wysig bron]

Mikrofoto van martensiet, 'n baie harde mikrostruktuur wat gevorm word wanneer staal afgeblus word. Tempering verminder die hardheid in die martensiet deur dit in verskeie vorme van getemperde martensiet te omskep.

Tempering is 'n warmtebehandelingstegniek wat toegepas word op ysterhoudende legerings, soos staal of gietyster,om groter taaiheid te verkry deur die hardheid van die legering te verlaag. Die vermindering in hardheid gee gewoonlik aanleiding tot 'n toename in rekbaarheid, waardeur die brosheid van die metaal verminder word. Tempering word meestal uitgevoer na blussing, wat vinnige afkoeling van die metaal behels om dit tot onder sy "laer kritieke temperatuur" af te koel. Tempering word bewerkstellig deur beheerde verhitting van die gebluste werkstuk tot 'n temperatuur laer as sy "laer kritieke temperatuur ". Dit word ook die laer transformasietemperatuur of laer haltepunt- (A1) temperatuur genoem: die temperatuur waarby die kristallyne fases van die legering, genaamd ferriet en sementiet, begin kombineer om 'n enkelfase vaste oplossing te vorm, wat bekend staan as austeniet. Verhitting bo hierdie temperatuur word vermy om nie die baie harde, geblusde mikrostruktuur, bekend as martensiet, te vernietig nie.[3]

Akkurate beheer van tyd en temperatuur tydens die temperingproses is van die uiterste belang om die verlangde balans van fisiese eienskappe te bereik. Lae tempertemperature kan net die interne spanning verlig, wat brosheid verminder terwyl 'n meerderheid van die hardheid behou word. Hoër tempertemperature is geneig om 'n groter vermindering in die hardheid mee te bring, wat 'n mate van vloeisterkte en treksterkte prysgee vir 'n toename in elastisiteit en plastisiteit . In sommige lae-legeringsstale, wat ander elemente soos chroom en molibdeen bevat, kan tempering by lae temperature egter 'n toename in hardheid meebring, terwyl die hardheid by hoër temperature sal afneem. Baie staalsoorte met hoë konsentrasies van hierdie legeringselemente tree op soos presipitasie-verhardende legerings, wat die teengestelde effekte lewer onder die toestande wat in blus en tempering voorkom, en waarna verwys word as marverouderingstale.[3]

In koolstofstaal verander tempering die grootte en verspreiding van karbiede in die martensiet, wat 'n mikrostruktuur vorm wat as "getemperde martensiet" bekend staan. Temper word ook op genormaliseerde staal en gietyster uitgevoer om rekbaarheid, bewerkbaarheid en slagsterkte te verhoog.[3]> Staal word gewoonlik eweredig getemper, genoem "deur-tempering", wat 'n byna eenvormige hardheid lewer, maar staal word soms oneweredig verhit, na verwys as "differensiële tempering", wat 'n variasie in hardheid veroorsaak.[4]

Geskiedenis[wysig | wysig bron]

Tempering is 'n antieke hittebehandelingstegniek. Die oudste bekende voorbeeld van getemperde martensiet is 'n pikbyl wat in Galilea gevind is en wat uit ongeveer 1200 tot 1100 vC dateer .[5] Die tegniek is regdeur die antieke wêreld gebruik, van Asië tot Europa en Afrika. Baie verskillende metodes en verkoelingsvloeistowwe is vir afblusssing is gedurende antieke tye gebruik, van blus in urine of bloed tot metale soos kwik of lood, maar die proses van tempering het oor die eeue feitlik onveranderd gebly. Temper is dikwels verwar met blus en baie keer is die term gebruik om beide tegnieke te beskryf. In 1889 het sir William Chandler Roberts-Austen geskryf: "Daar is steeds soveel verwarring tussen die woorde "temper," "tempering," en "verharding," in die geskrifte van selfs vooraanstaande deskundiges, dat dit goed is om hierdie ou definisies noukeurig in gedagte te hou. Ek sal die woord tempering in dieselfde sin as versagting gebruik."[6]

Terminologie[wysig | wysig bron]

In metallurgie kom baie terme voor, wat baie spesifieke betekenisse binne die veld het, maar dalk taamlik vaag lyk as dit van buite beskou word. Terme soos "hardheid", "slagweerstand", "taaiheid" en "sterkte" kan baie verskillende bybetekenisse hê, wat dit soms moeilik maak om 'n spesifieke betekenis te onderskei. Sommige van die terme wat teëgekom word, en hul spesifieke definisies, is:

  • Sterkte – Weerstand teen permanente vervorming en skeuring. Sterkte is nog steeds 'n taamlik vae term in metallurgie en word dus gewoonlik verdeel in vloeisterkte (sterkte waarby vervorming permanent word), treksterkte (die uiteindelike skeursterkte), skuifsterkte (weerstand teen dwars- of snykragte), en druksterkte (weerstand teen elastiese verkorting onder 'n las).
  • Taaiheid – Weerstand teen breukvorming, soos gemeet met die Charpy-toets. Taaiheid neem dikwels toe namate sterkte afneem, want 'n materiaal wat buig is minder geneig om te breek.
  • Hardheid – 'n Oppervlak se weerstand teen skrape, afslyting of induiking. In konvensionele metaallegerings is daar 'n lineêre verband tussen induiking-hardheid en treksterkte, wat die meting van laasgenoemde vergemaklik.
  • Brosheid – Brosheid beskryf 'n materiaal se neiging om te breek voordat dit buig of vervorm, hetsy elasties of plasties. Brosheid neem toe met verminderde taaiheid, maar word ook grootliks deur interne spannings beïnvloed.
  • Plastisiteit – Die vermoë om te vorm, buig of vervorm op 'n manier wat nie spontaan na sy oorspronklike vorm terugkeer nie. Dit is eweredig aan die rekbaarheid of smeebaarheid van die stof.
  • Elastisiteit - Ook genoem buigsaamheid, dit is die vermoë om te vervorm, te buig, saam te druk of te rek en terug te keer na die oorspronklike vorm sodra die eksterne spanning verwyder is. Elastisiteit is omgekeerd eweredig aan die Young se modulus van die materiaal.
  • Slagweerstand – Gewoonlik sinoniem met hoë sterkte taaiheid, dit is die vermoë om skoklading met minimale vervorming te weerstaan.
  • Slytasieweerstand - Gewoonlik sinoniem met hardheid; dit is weerstand teen erosie, wegvreting, afsplintering of slytasie .
  • Strukturele integriteit - Die vermoë om 'n maksimum aangeslane las te weerstaan terwyl dit breukvoorming weerstaan, vermoeidheid weerstaan en 'n minimale hoeveelheid buiging of defleksie ondergaan, om 'n maksimum lewensduur te bied.

Koolstofstaal[wysig | wysig bron]

Baie min metale reageer op hittebehandeling op dieselfde manier, of in dieselfde mate, as wat koolstofstaal doen, en koolstofstaal-hittebehandelingsgedrag kan radikaal verskil, afhangende van legeringselemente. Staal kan versag word tot 'n baie smeebare toestand deur uitgloeiing, of dit kan verhard word tot 'n toestand so hard en bros soos glas deur blus . In sy geharde toestand is staal egter gewoonlik heeltemal te bros, en het nie die breuktaaiheid om bruikbaar vir die meeste toepassings te wees nie. Tempering is 'n metode wat gebruik word om die hardheid te verminder, en sodoende die rekbaarheid van die geblusde staal te verhoog, om 'n mate van veerkragtigheid en smeebaarheid aan die metaal te verleen. Dit laat die metaal toe om te buig voordat dit breek. Afhangende van hoeveel humeur aan die staal verleen word, kan dit elasties buig (die staal keer terug na sy oorspronklike vorm sodra die las verwyder is), of dit kan plasties buig (die staal keer nie terug na sy oorspronklike vorm nie, wat permanente vervorming tot gevolg het ), voor breking . Tempering word gebruik om die meganiese eienskappe van die metaal presies te balanseer, soos skuifsterkte, vloeisterkte, hardheid, rekbaarheid en treksterkte, om enige aantal van 'n kombinasie van eienskappe te bereik, wat die staal nuttig maak vir 'n wye verskeidenheid toepassings. Gereedskap soos hamers en moersleutels vereis goeie weerstand teen skuur, slagweerstand en weerstand teen vervorming. Vere vereis nie soveel slytasieweerstand nie, maar moet elasties vervorm sonder om te breek. Motoronderdele is geneig om 'n bietjie minder sterk te wees, maar moet plasties vervorm voordat dit breek.

Behalwe in seldsame gevalle waar maksimum hardheid of slytasieweerstand nodig is, soos die ongetemperde staal wat vir fyle gebruik word, word gebluste staal byna altyd tot 'n mate getemper. Staal word egter soms uitgegloei deur 'n proses wat normalisering genoem word, wat die staal slegs gedeeltelik versag. Tempering word soms op genormaliseerde staal gebruik om dit verder te versag, wat die smeebaarheid en bewerkbaarheid verhoog vir makliker metaalbewerking . Tempering kan ook op gesweiste staal gebruik word om sommige van die spanning en oortollige hardheid wat in die hitte-geaffekteerde sone rondom die sweislas geskep word, te verlig.[3]

Gebluste staal[wysig | wysig bron]

Tempering word meestal uitgevoer op staal wat bo sy boonste kritieke (A3) temperatuur verhit is en dan vinnig afgekoel is, in 'n proses wat blus (ook afskrik) genoem word, met behulp van metodes soos om die warm staal in water, olie of geforseerde lug te dompel. Die gebluste staal, wat in of baie naby sy hardste moontlike toestand verkeer, word dan getemper om die hardheid inkrementeel te verminder tot op 'n punt waar dit meer geskik is vir die verlangde toepassing. Die hardheid van die gebluste staal hang af van beide afkoeltempo en van die samestelling van die legering. Staal met 'n hoë koolstofinhoud sal 'n baie harder toestand bereik as staal met 'n lae koolstofinhoud. Net so sal die tempering van hoëkoolstofstaal tot 'n sekere temperatuur staal lewer wat aansienlik harder is as lae-koolstofstaal wat by dieselfde temperatuur getemper word. Die hoeveelheid tyd wat die voorwep by die tempertemperatuur gehou word, het ook 'n effek. Tempering by 'n effens verhoogde temperatuur vir 'n korter tyd kan dieselfde effek hê as temper by 'n laer temperatuur vir 'n langer tyd. Tempertye wissel, afhangende van die koolstofinhoud, grootte en bedoelde toepassing van die staal, maar wissel gewoonlik van 'n paar minute tot 'n paar uur.

Die tempering van gebluste staal by baie lae temperature, tussen 66 and 148 °C (151 and 298 °F), sal gewoonlik nie veel effek hê nie, behalwe 'n effense verligting van 'n deel van van die interne spannings en 'n afname in brosheid. Tempering by hoër temperature, van 148 to 205 °C (298 to 401 °F), sal 'n effense vermindering in hardheid veroorsaak, maar sal hoofsaaklik baie van die interne spanning verlig. In sommige staalsoorte met 'n lae legeringsinhoud, getemper in die bereik van 260 and 340 °C (500 and 644 °F) veroorsaak 'n afname in rekbaarheid en 'n toename in brosheid, en word na verwys as die "getemperde martensiet-brosheid" (TME) gebied. Behalwe in die geval van smedery, word hierdie reeks gewoonlik vermy. Staal wat meer sterkte as taaiheid vereis, soos gereedskapstaal, word gewoonlik nie bo 205 °C (401 °F) getemper nie. In plaas daarvan word 'n variasie in hardheid gewoonlik verkry deur slegs die temperingstyd te verander. Wanneer verhoogde taaiheid verlang word ten koste van sterkte, kan hoër tempertemperature, van 370 to 540 °C (698 to 1 004 °F), gebruik word. Tempering by selfs hoër temperature, tussen 540 and 600 °C (1 004 and 1 112 °F), sal uitstekende taaiheid lewer, maar teen 'n ernstige vermindering in sterkte en hardheid. Op 600 °C (1 112 °F), kan die staal nog 'n stadium van brosheid ervaar, genaamd "temperverbrossing" (TE), wat plaasvind as die staal te lank binne die temperatuurstrek van temperverbrossing gehou word. Wanneer dit bo hierdie temperatuur verhit word, sal die staal gewoonlik nie vir 'n lang tyd daar gehou word nie, en vinnig afgekoel word om temperverbrossing te voorkom.[3]

Genormaliseerde staal[wysig | wysig bron]

Staal wat bo sy boonste kritieke temperatuur verhit is en dan in stil lug afgekoel is, word genormaliseerde staal genoem. Genormaliseerde staal bestaan uit perliet-, martensiet- en soms bainietkorrels, gemeng binne die mikrostruktuur. Dit produseer staal wat baie sterker is as voluitgloeistaal, en baie taaier as verharde en gebluste staal. Bykomende taaiheid is egter soms nodig by 'n vermindering in sterkte. Tempering bied 'n manier om die hardheid van die staal versigtig te verminder en sodoende die taaiheid tot 'n meer wenslike punt te verhoog. Gegote staal word dikwels genormaliseer eerder as uitgegloei, om die hoeveelheid vervorming wat kan voorkom te verminder. Tempering kan die hardheid verder verlaag, wat die rekbaarheid verhoog tot op 'n punt waar dit meer soos uitgegloeide staal is.[7] Tempering word dikwels op koolstofstaal gebruik, wat baie dieselfde resultate lewer. Die proses, genaamd "normaliseer en temper", word gereeld gebruik op staal soos 1045 koolstofstaal, of die meeste ander staal wat 0,35 tot 0,55% koolstof bevat. Hierdie staal word gewoonlik na normalisering getemper om die taaiheid te verhoog en interne spanning te verlig. Dit kan die metaal meer geskik maak vir sy beoogde gebruik en makliker maak om te masjineer.[8]

Gesweiste staal[wysig | wysig bron]

Staal wat met boogsweis, gassweis of op enige ander manier gesweis is, behalwe smeesweis, word in 'n gelokaliseerde area deur die hitte van die sweisproses beïnvloed. Hierdie gelokaliseerde area, genoem die hitte-geaffekteerde sone (HAZ), bestaan uit staal wat aansienlik wissel in hardheid, van genormaliseerde staal tot staal amper so hard soos gebluste staal naby die rand van hierdie hitte-geaffekteerde sone. Termiese inkrimping as gevolg van die oneweredige verhitting, stolling en verkoeling skep interne spannings in die metaal, beide binne en rondom die sweislas. Tempering word soms gebruik in die plek van spanningsverligting (selfs verhitting en afkoeling van die hele voorwerp tot net onder die A1- temperatuur) om beide die interne spanning te verminder en om die brosheid rondom die sweislas te verminder. Gelokaliseerde tempering word dikwels op sweislasse gebruik wanneer die konstruksie te groot, ingewikkeld of andersins te ongerieflik is om die hele voorwerp eweredig te verhit. Temperatuurtemperature vir hierdie doel is gewoonlik rondom 205 °C (401 °F) en 343 °C (649 °F)[9]

Blus en self-temper[wysig | wysig bron]

Moderne bewapeningsstaaf van 500 MPa-sterkte kan gemaak word van duur mikro-legeerde staal of deur 'n blus- en selftemperproses (QST). Nadat die staaf die laaste walsstelling verlaat het, waar die finale vorm van die staaf verkry word, word die staaf met water bespuit wat die buitenste oppervlak van die staaf blus. Die staafspoed en die hoeveelheid water word noukeurig beheer om die kern van die staaf ongeblus te laat. Die warm kern temper dan die reeds geblusde buitenste deel en laat 'n staaf met 'n hoë sterkte, maar ook met 'n sekere mate van rekbaarheid.

Smidswerk[wysig | wysig bron]

Tempering was oorspronklik 'n proses wat deur grofsmede (ystersmede) gebruik en ontwikkel is. Die proses is heel waarskynlik ontwikkel deur die Hetiete van Anatolië (hedendaagse Turkye), in die twaalfde of elfde eeu vC. Sonder kennis van metallurgie, is tempering oorspronklik deur middel van 'n probeer-en-tref-metode ontwerp.

Omdat daar tot in die moderne tyd min metodes bestaan het om temperatuur presies te meet, is die temperatuur gewoonlik beoordeel deur na die temperkleure van die metaal te kyk. Tempering het dikwels bestaan uit verhitting bo 'n houtskool of steenkool smedery, of met vuur, dus was dit gewoonlik nie moontlik om die werk op presies die regte temperatuur vir die regte tyd te hou nie. Tempering is gewoonlik uitgevoer deur die metaal stadig, eweredig te oorverhit, soos beoordeel deur die kleur, en dan onmiddellik af te koel, hetsy in die buitelug of deur dit in water te dompel. Dit het baie dieselfde effek gehad as verhitting by die regte temperatuur vir die regte hoeveelheid tyd, en het brosheid vermy deur vir 'n kort tyd te temper. Alhoewel temperkleurgidse egter bestaan, verg hierdie metode van temperering gewoonlik 'n groot hoeveelheid oefening om te bemeester, want die finale uitkoms hang af van baie faktore, insluitend die samestelling van die staal, die spoed waarteen dit verhit is, die tipe hittebron (oksiderend of opkolend), die afkoeltempo, oliefilms of onsuiwerhede op die oppervlak, en baie ander omstandighede wat verskil van smid tot smid of selfs van werkstuk tot werkstuk. Die dikte van die staal speel ook 'n rol. Met dikker items word dit makliker om net die oppervlak tot die regte temperatuur te verhit, voordat die hitte kan deurdring. Baie dik items kan egter nie heeltemal verhard word tydens afblus nie.[10]

Temperkleure[wysig | wysig bron]

Stukke deur-getemperde staal platstaaf. Die eerste een, aan die linkerkant, is genormaliseerde staal. Die tweede is gebluste, ongetemperde martensiet. Die oorblywende stukke is vir 'n uur elk in 'n oond by hul ooreenstemmende temperatuur getemper. "Temperstandaarde" soos hierdie word soms deur smids gebruik vir vergelyking, om te verseker dat die werk tot die regte kleur getemper word.

As staal vars geskuur, geslyp of gepoleer is, sal dit 'n oksiedlaag op sy oppervlak vorm wanneer dit verhit word. Soos die temperatuur van die staal verhoog word, sal die dikte van die ysteroksied ook toeneem. Alhoewel ysteroksied nie normaalweg deursigtig is nie, laat sulke dun lae lig deur, wat beide die boonste en onderste oppervlaktes van die laag weerkaats. Dit veroorsaak 'n verskynsel wat dunfilminterferensie genoem word, wat kleure op die oppervlak produseer. Soos die dikte van hierdie laag met temperatuur toeneem, laat dit die kleure verander van 'n baie liggeel, na bruin, na pers en dan na blou. Hierdie kleure verskyn by baie presiese temperature en voorsien die smid 'n baie akkurate maatstaf om die temperatuur te meet. Die verskillende kleure, hul ooreenstemmende temperature en sommige van hul gebruike is:

  • Dowwe-geel – 176 °C (349 °F) – graveerders, skeermesse, skrapers
  • Ligte strooi – 205 °C (401 °F) – rotsbore, ruimers, metaalsnysae
  • Donker strooi – 226 °C (439 °F) – skrapers, skaaflemme
  • Bruin – 260 °C (500 °F) – krane, matryse, boorpunte, hamers, koue beitels
  • Pers – 282 °C (540 °F) – chirurgiese gereedskap, ponse, klipkerfwerktuie
  • Donkerblou – 310 °C (590 °F) – skroewedraaiers, moersleutels
  • Ligblou – 337 °C (639 °F) – vere, houtsnysae
  • Grys-blou – 371 °C (700 °F) en hoër – struktuurstaal

Na die grysblou kleur verloor die ysteroksied sy deursigtigheid, en die temperatuur kan nie meer so beoordeel word nie. Die laag sal ook in dikte toeneem soos die tyd verbygaan, wat nog 'n rede is dat oorverhitting en onmiddellike verkoeling gebruik word. Staal in 'n temperoond, gehou op 205 °C (401 °F) vir 'n lang tyd, sal begin om bruin, pers of blou te word, al het die temperatuur nie wat nodig is om 'n ligte strooikleur te lewer, oorskry nie. Oksiderende of opkolende hittebronne kan ook die finale resultaat beïnvloed. Die ysteroksiedlaag, anders as roes, beskerm ook die staal teen korrosie deur passivering.[11]

Differensiële tempering[wysig | wysig bron]

'n Differensieeel-verharde swaard. Die middel is getemper tot 'n veeragtige hardheid terwyl die rande effens harder as 'n hamer getemper word.

Differensiële tempering is 'n metode om verskillende hoeveelhede tempering op verskillende dele van die staal toe te pas. Die metode word dikwels gebruik in lemsmidswerk, vir die maak van messe en swaarde, om 'n baie harde rand te gee terwyl die ruggraat of middel van die lem sag bly. Dit verhoog die taaiheid , terwyl 'n baie harde, skerp, slagvaste rand gehandhaaf word, wat help om brekasie te voorkom. Hierdie tegniek is meer dikwels in Europa toegepas, in teenstelling met die differensiële verhardingstegnieke wat meer algemeen in Asië voorkom, soos in Japannese swaardsmedery .

Differensiële tempering bestaan uit die toepassing van hitte op slegs 'n gedeelte van die lem, gewoonlik die ruggraat, of die middel van tweesnydende lemme. Vir enkelsnydende lemme word die hitte, dikwels in die vorm van 'n vlam of 'n rooiwarm staaf, slegs op die ruggraat van die lem toegedien. Die lem word dan noukeurig dopgehou terwyl die temperkleure vorm en stadig na die rand kruip. Die hitte word dan verwyder voordat die ligte strooikleur die rand bereik. Die kleure sal vir 'n kort rukkie nadat die hitte verwyder is, voortgaan om na die rand toe te beweeg, dus die smid verwyder gewoonlik die hitte 'n bietjie vroeg; sodat die liggeel net die rand bereik en nie verder beweeg nie. ’n Soortgelyke metode word vir dubbelsnydende lemme gebruik, maar die hittebron word op die middel van die lem toegedien, sodat die kleure na elke rand kan uitkruip.[12]

Onderbroke blussing[wysig | wysig bron]

Onderbroke blusmetodes word dikwels na verwys as tempering, hoewel die prosesse baie verskil van tradisionele tempering. Hierdie metodes bestaan uit blus tot 'n spesifieke temperatuur wat bo die martensiet begin (Ms) temperatuur is, en dan by daardie temperatuur vir lang tye te hou. Afhangende van die temperatuur en die hoeveelheid tyd, laat dit óf suiwer bainiet vorm, óf hou die vorming van die martensiet terug totdat baie van die interne spanning ontspan. Hierdie metodes staan bekend as austempering en martempering.[13]

Austempering[wysig | wysig bron]

Tyd-temperatuur-transformasie (TTT) diagram. Die rooi lyn toon die afkoelkromme vir austempering.

Austempering is 'n tegniek wat gebruik word om suiwer bainiet te vorm, 'n oorgangsmikrostruktuur wat tussen perliet en martensiet gevind word. In normalisering word beide boonste en onderste bainiet gewoonlik gemeng met perliet aangetref. Om die vorming van perliet of martensiet te vermy, word die staal in 'n bad van gesmelte metale of soute geblus. Dit verkoel die staal vinnig verby die punt waar perliet kan vorm en tot in die bainietvormende bereik. Die staal word dan by die bainietvormende temperatuur gehou, verby die punt waar die temperatuur 'n ewewig bereik, totdat die bainiet ten volle vorm. Die staal word dan uit die bad verwyder en toegelaat om in die lug af te koel, sonder die vorming van óf perliet óf martensiet.

Afhangende van die houtemperatuur, kan austempering óf bo- óf laer-bainiet lewer. Bo-bainiet is 'n laminêre struktuur wat by temperature tipies bo 350 °C (662 °F) gevorm word en is 'n baie taaier mikrostruktuur. Laer bainiet is 'n naaldagtige struktuur wat by temperature onder 350°C gevorm word , en is sterker maar baie brosser.[14] In beide gevalle lewer austempering hoër sterkte en taaiheid vir 'n gegewe hardheid, wat meestal deur samestelling eerder as afkoelsnelheid bepaal word, en verminderde interne spanning wat tot breuke kan lei. Dit lewer staal met uitstekende slagweerstand. Moderne ponse en beitels is dikwels getemper. Omdat austempering nie martensiet lewer nie, benodig die staal nie verdere tempering nie.[13]

Martempering[wysig | wysig bron]

Martempering is soortgelyk aan austempering, deurdat die staal in 'n bad van gesmelte metaal of soute geblus word om dit vinnig verby die perlietvormende reeks af te koel. In martempering is die doel egter om martensiet eerder as bainiet te skep. Die staal word tot 'n baie laer temperatuur geblus as wat vir austempering gebruik word; tot net bokant die martensiet-begintemperatuur. Die metaal word dan by hierdie temperatuur gehou totdat die temperatuur van die staal ewewig bereik. Die staal word dan uit die bad verwyder voordat enige bainiet kan vorm, en word dan toegelaat om in die lug af afkoeling laat baie van die interne spannings ontspan voordat die martensiet vorm, wat die brosheid van die staal verminder. Die gemartemperde staal sal egter gewoonlik verdere tempering moet ondergaan om die hardheid en taaiheid aan te pas, behalwe in seldsame gevalle waar maksimum hardheid nodig is, maar nie die gepaardgaande brosheid nie. Moderne fyle word dikwels getemper.[13]

Fisiese prosesse[wysig | wysig bron]

Tempering behels 'n drie-stap proses waarin onstabiele martensiet ontbind in ferriet en onstabiele karbiede, en uiteindelik in stabiele sementiet, wat verskeie stadiums vorm van 'n mikrostruktuur genaamd getemperde martensiet. Die martensiet bestaan tipies uit latte (stroke) of plate, wat soms naaldvormig (naaldagtig) of lensvormig lyk. Afhangende van die koolstofinhoud, bevat dit ook 'n sekere hoeveelheid "behoue austeniet." Behoue austeniet is kristalle wat nie in martensiet kan omskakel nie, selfs nadat dit onder die martensiet-voltooingstemperatuur (Mf) geblus is. 'n Toename in legeringselemente of koolstofinhoud veroorsaak 'n toename in behoue austeniet. Austeniet het baie hoër stapelfout-energie as martensiet of perliet, wat die slytasieweerstand verlaag en die kanse op vasvreting verhoog, hoewel sommige, of die meeste van die behoue austeniet in martensiet omskep kan word deur koue en kriogene behandelings voor tempering.

Die martensiet vorm tydens 'n diffusielose transformasie, waarin die transformasie plaasvind as gevolg van skuifspannings wat in die kristalroosters geskep word eerder as deur chemiese veranderinge wat tydens neerslag plaasvind. Die skuifspannings skep baie defekte, of "ontwrigtings", in die kristalle, wat minder stresvolle areas bied vir die koolstofatome om te hervestig. By verhitting migreer die koolstofatome eers na hierdie defekte en begin dan onstabiele karbiede vorm. Dit verminder die hoeveelheid totale martensiet deur sommige daarvan in ferriet te verander. Verdere verhitting verminder die martensiet selfs meer, wat die onstabiele karbiede in stabiele sementiet omskep.

Die eerste fase van tempering vind plaas tussen kamertemperatuur en 200 °C (392 °F) . In die eerste stadium presipiteer koolstof in ε-koolstof (Fe2,4C). In die tweede fase, wat tussen 150 °C (302 °F) plaasvind en 300 °C (572 °F), verander die behoue austeniet in 'n vorm van laer-bainiet wat ε-koolstof bevat eerder as sementiet (argaïes na verwys as "troostiet").[15][16] Die derde fase vind plaas by 200 °C (392 °F) en hoër. In die derde stadium presipiteer ε-koolstof in sementiet, en die koolstofinhoud in die martensiet neem af. Indien getemper by hoër temperature, tussen 650 °C (1 202 °F) en 700 °C (1 292 °F), of vir langer tye, kan die martensiet heeltemal ferrities word en die sementiet kan growwer of meer sferies word. In gesferoïdiseerde staal breek die sementietnetwerk uitmekaar en trek terug in stawe of bolvormige globules, en die staal word sagter as uitgegloeide staal; amper so sag soos suiwer yster, wat dit baie maklik maak om te vorm of te masjineer.[17]

Verbrossing[wysig | wysig bron]

Verbrossing vind plaas tydens tempering wanneer, deur 'n spesifieke temperatuurreeks, die staal 'n toename in hardheid en 'n vermindering in rekbaarheid ervaar, in teenstelling met die normale afname in hardheid wat aan weerskante van hierdie bereik voorkom. Die eerste tipe word getemperde martensiet-brosheid (TME) of eenstap-verbrossing genoem. Die tweede word na verwys as temperbrosheid (TE) of twee-stap brosheid.

Eenstap-verbrossing kom gewoonlik in koolstofstaal voor by temperature tussen 230 °C (446 °F) en 290 °C (554 °F), en is histories na verwys as "500 grade [Fahrenheit] brosheid." Hierdie verbrossing vind plaas as gevolg van die neerslag van Widmanstätten-naalde of -plate, bestaande uit sementiet, in die interlat-grense van die martensiet. Onsuiwerhede soos fosfor, of legeringselemente soos mangaan, kan die brosheid verhoog, of die temperatuur waarby dit voorkom, verander. Hierdie tipe brosheid is permanent, en kan slegs verlig word deur bo die boonste kritieke temperatuur te verhit en dan weer te blus. Hierdie mikrostrukture benodig egter gewoonlik 'n uur of meer om te vorm, en is dus gewoonlik nie 'n probleem in die smidmetode van tempering nie.

Tweestap-verbrossing vind gewoonlik plaas deur die metaal binne 'n kritieke temperatuurreeks te verouder, of deur dit stadig deur daardie reeks af te koel. Vir koolstofstaal is dit tipies tussen 370 °C (698 °F) en 560 °C (1 040 °F), hoewel onsuiwerhede soos fosfor en swael die effek dramaties verhoog. Dit kom gewoonlik voor omdat die onsuiwerhede na die korrelgrense kan migreer, wat swak kolle in die struktuur skep. Die brosheid kan dikwels vermy word deur die metaal vinnig af te koel nadat dit getemper is. Twee-stap-verbrossing is egter omkeerbaar. Die brosheid kan uitgeskakel word deur die staal bo 600 °C (1 112 °F) te verhit en dan vinnig af te koel.[18]

Legeerde stale[wysig | wysig bron]

Baie elemente word dikwels met staal gelegeer. Die hoofdoel vir die legering van die meeste elemente met staal is om die verhardbaarheid daarvan te verhoog en om versagting by hoë temperatuur te verminder. Gereedskapstaal kan byvoorbeeld elemente soos chroom of vanadium bevat om beide taaiheid en sterkte te verhoog, wat nodig is vir gereedskap soos moersleutels en Skroewedraaiers. Aan die ander kant moet boorpunte en roterende fyle hul hardheid by hoë temperature behou. Die byvoeging van kobalt of molibdeen kan veroorsaak dat die staal sy hardheid behou, selfs by rooiwarm temperature, bekend as hoëspoedstaal. Dikwels word klein hoeveelhede van baie verskillende elemente by die staal gevoeg om die verlangde eienskappe te gee, eerder as om net een of twee by te voeg.

Die meeste legeringselemente (opgeloste stowwe) het die voordeel dat dit nie net hardheid verhoog nie, maar ook beide die martensiet-aanvangstemperatuur verlaag en die temperatuur waarby austeniet in ferriet en sementiet verander. Tydens blussing laat dit 'n stadiger afkoeltempo toe, wat items met groter deursnee toelaat om dieper gehard te word as wat moontlik is in gewone koolstofstaal, wat meer eenvormigheid in sterkte lewer.

Temperingsmetodes vir legeringstaal kan aansienlik verskil, afhangende van die tipe en hoeveelheid elemente wat bygevoeg word. Oor die algemeen sal elemente soos mangaan, nikkel, silikon en aluminium opgelos bly in die ferriet tydens tempering terwyl die koolstof neerslaan. Wanneer dit geblus word, sal hierdie opgeloste stowwe gewoonlik 'n toename in hardheid veroorsaak in vergelyking met gewone koolstofstaal met dieselfde koolstofinhoud. Wanneer verharde legeringstaal, wat matige hoeveelhede van hierdie elemente bevat, getemper word, sal die legering gewoonlik ietwat versag in vergelyking met koolstofstaal.

Tydens tempering presipiteer elemente soos chroom, vanadium en molibdeen egter saam met die koolstof. As die staal redelik lae konsentrasies van hierdie elemente bevat, kan die versagting van die staal vertraag word totdat baie hoër temperature bereik word, in vergelyking met dié wat nodig is om koolstofstaal te temper. Dit laat die staal toe om sy hardheid te behou in hoë-temperatuur of hoë wrywing-toepassings. Dit vereis egter ook baie hoë temperature tydens tempering, om 'n vermindering in hardheid te verkry. As die staal groot hoeveelhede van hierdie elemente bevat, kan tempering 'n toename in hardheid veroorsaak totdat 'n spesifieke temperatuur bereik word, op watter punt die hardheid sal begin afneem.[19][20] Byvoorbeeld, molibdeenstaal sal tipies hul hoogste hardheid rondom 315 °C (599 °F) bereik, terwyl vanadiumstaal heeltemal sal verhard wanneer dit tot ongeveer 371 °C (700 °F) gehard word. Wanneer baie groot hoeveelhede opgeloste stowwe bygevoeg word, kan legeringsstaal optree soos presipitaie-verhardende legerings, wat glad nie versag tydens tempering nie.[21]

Gietyster[wysig | wysig bron]

Gietyster kom in baie tipes voor, afhangende van die koolstofinhoud. Hulle word egter gewoonlik in grys en wit gietyster verdeel, afhangende van die vorm wat die karbiede aanneem. In grys gietyster is die koolstof hoofsaaklik in die vorm van grafiet, maar in wit gietyster is die koolstof gewoonlik in die vorm van sementiet . Grys gietyster bestaan hoofsaaklik uit die mikrostruktuur wat perliet genoem word, gemeng met grafiet en soms ferriet. Grys gietyster word gewoonlik as gietyster gebruik, met die eienskappe wat deur die samestelling daarvan bepaal word.

Wit gietyster bestaan meestal uit 'n mikrostruktuur genaamd ledeburiet gemeng met perliet. Ledeburiet is baie hard, wat gietyster baie bros maak. As die wit gietyster 'n hipo-eutektiese samestelling het, word dit gewoonlik getemper om smeebare of rekbare gietyster te produseer. Twee metodes van tempering word gebruik, genaamd "wit tempering" en "swart tempering." Die doel van beide tempereringsmetodes is om die sementiet binne die ledeburiet te laat ontbind, wat die rekbaarheid verhoog.[22]

Wit tempering[wysig | wysig bron]

Smeebare (poreuse) gietyster word vervaardig deur wit temperering. Wit temperering word gebruik om oortollige koolstof te verbrand deur dit vir lang tye in 'n oksiderende omgewing te verhit. Die gietyster sal gewoonlik by temperature so hoog as 1 000 °C (1 830 °F) gehou word vir so lank as 60 uur. Die verhitting word gevolg deur 'n stadige afkoeltempo van ongeveer 10 °C (18 °F) per uur. Die hele proses kan 160 uur of meer duur. Dit veroorsaak dat die sementiet uit die ledeburiet ontbind, en dan brand die koolstof deur die oppervlak van die metaal uit, wat die smeebaarheid van die gietyster verhoog.[22]

Swart tempering[wysig | wysig bron]

Smeebare (nie-poreuse) gietyster (dikwels genoem "swart yster") word verkry deur swart tempering. Anders as wit tempering word swart tempering in 'n inerte gas omgewing gedoen, sodat die ontbindende koolstof nie afbrand nie. In plaas daarvan verander die ontbindende koolstof in 'n tipe grafiet genaamd "tempergrafiet" of "vlokkerige grafiet", wat die smeebaarheid van die metaal verhoog. Tempering word gewoonlik by temperature so hoog as 950 °C (1 740 °F) uitgevoer vir tot 20 uur. Die tempering word gevolg deur stadige afkoeling deur die laer kritieke temperatuur, oor 'n tydperk wat van 50 tot meer as 100 uur kan duur.[22]

Presipitasie-verhardende legerings[wysig | wysig bron]

Presipitasie-verhardende legerings het die eerste keer in die vroeë 1900's in gebruik gekom. Die meeste hitte-behandelbare legerings val in die kategorie van presipitasie-verhardende legerings, insluitend legerings van aluminium, magnesium, titaan en nikkel . Verskeie hoëlegeringsstale is ook presipitasie-verhardende legerings. Hierdie legerings word sagter as normaal wanneer dit geblus word en verhard dan mettertyd. Om hierdie rede word neerslagverharding dikwels na verwys as "veroudering."

Alhoewel die meeste presipitasie-verhardende legerings by kamertemperatuur sal verhard, sal sommige net by verhoogde temperature verhard en in ander kan die proses versnel word deur veroudering by verhoogde temperature. Veroudering by temperature hoër as kamertemperatuur word "kunsmatige veroudering" genoem. Alhoewel die metode soortgelyk is aan tempering, word die term "tempering" gewoonlik nie gebruik om kunsmatige veroudering te beskryf nie, want die fisiese prosesse, (dws: neerslag van intermetaalfases van 'n oorversadigde legering) die gewenste resultate, (dws: versterking eerder as versagting) ), en die hoeveelheid tyd wat by 'n sekere temperatuur gehou word, verskil baie van tempering soos gebruik in koolstofstaal.

Sien ook[wysig | wysig bron]

Verwysings[wysig | wysig bron]

  1. Light, its interaction with art and antiquities By Thomas B. Brill - Plenum Publishing 1980 Page 55
  2. Andrews, Jack (1994). New Edge of the Anvil: a resource book for the blacksmith. pp. 98–99
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Steel metallurgy for the non-metallurgist By John D. Verhoeven - ASM International 2007 Page 99-105
  4. The Medieval Sword in the Modern World By Michael 'Tinker' Pearce - 2007 Page 39
  5. Tool steels By George Adam Roberts, George Krauss, Richard Kennedy, Richard L. Kennedy - ASM International 1998 Page 2
  6. Roberts-Austen By Sir William Chandler Roberts-Austen, Sydney W. Smith - Charles Griffin & Co. 1914 Page 155-156
  7. Steel castings handbook By Malcolm Blair, Thomas L. Stevens - Steel Founders' Society of America and ASM International Page 24-9
  8. Practical heat treating By Jon L. Dossett, Howard E. Boyer - ASM International 2006 Page 112
  9. How To Weld By Todd Bridigum - Motorbook 2008 Page 37
  10. Practical Blacksmithing and Metalworking By Percy W. Blandford - TAB Books 1988 Page 3, 74–75
  11. Practical Blacksmithing and Metalworking By Percy W. Blandford - TAB Books 1988 Page 74-75
  12. Knife Talk II: The High Performance Blade By Ed Fowler - Krause Publications 2003 Page 114
  13. 13,0 13,1 13,2 Elements of metallurgy and engineering alloys By Flake C. Campbell - ASM International 2008 Page 195-196
  14. Steel Heat Treatment Handbook By George E. Totten -- Marcel Dekker 1997 Page 659
  15. Phase Transformations in Steels, Volume 1: Fundamentals and Diffusion-Controlled Transformations by Elena Pereloma, David V Edmonds -- Woodhead Publishing 2012 Page 20--39
  16. Light Microscopy of Carbon Steels by Leonard Ernest Samuels ASM International 1999 Page 20--25
  17. Principles of Heat Treatment of Steel By Romesh C. Sharma - New Age International (P) Limited 2003 Page 101-110
  18. Elements of metallurgy and engineering alloys By Flake C. Campbell - ASM International 2008 Page 197
  19. "Hardenable Alloy Steels :: Total Materia Article". www.keytometals.com.
  20. Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies By George E. Totten -- CRC Press 2007 Page 6, 200--203
  21. Steels: Microstructure and Properties: Microstructure and Properties By Harry Bhadeshia, Robert Honeycombe -- Elsevier 2006Page 191--207
  22. 22,0 22,1 22,2 Physical metallurgy for engineers By Miklós Tisza - ASM International 2002 Page 348-350

Verdere leeswerk[wysig | wysig bron]

  • Manufacturing Processes Reference Guide by Robert H. Todd, Dell K. Allen, and Leo Alting pg. 410

Eksterne skakels[wysig | wysig bron]