Austenit

Varmebehandling af stål indebærer ofte opvarmning af en komponentdel til austenitområdet (også kendt som austenitfasen) for at udføre en termisk behandling som normalisering, hærdning, hærdning osv. Men hvad er austenit, hvordan dannes det, og hvilket temperaturområde er mest befordrende for den proces, vi kører? Lad os få mere at vide.

Hvad er austenit?

I 1901 foreslog Floris Osmund, en tidlig fransk pioner inden for metallografi, at navngive stålets krystalstruktur ved høje temperaturer efter Sir William Chandler Roberts-Austen, en metallurg, der var kendt for sin forskning i metallers og deres legeringers fysiske egenskaber.

Austenit (også kaldet gammajern, g-Fe) er en metallisk, umagnetisk allotrope (et materiale, der kan eksistere i mere end én krystalform afhængig af temperaturen) af jern. Austenit er en fast opløsning, der ofte kombinerer jern med forskellige legeringselementer (f.eks. kulstof). Man kan sige, at videnskaben om stålforarbejdning er baseret på forståelse af austenit-fasefeltet i fase-diagrammet jern-jernkarbid (fig. 1).

Som Krause bemærker, er “kontrolleret omdannelse af austenit til andre faser ved afkøling ansvarlig for en stor variation af mikrostrukturer og egenskaber, der kan opnås ved varmebehandling af stål.”

Austenitisk kornvækst

Austenitdannelse i mikrostrukturer (fig. 2) er blevet studeret indgående. For almindeligt kulstofstål kan austenit dannes fra perlit eller endog en stærkt sfæroidiseret struktur på meget kort tid – i intervallet 4-25 sekunder og være færdig efter 60 sekunder – men i legerede stål kan tiden blive hundrede gange længere eller mere (Fig. 3), da legeringselementerne og karbiderne kræver mere tid til diffusion.

Prior austenitisk kornstørrelse og mekaniske egenskaber

Austenitkornstørrelse er vigtig, fordi den har indflydelse på de omdannelsesprodukter, der dannes ved afkøling, og dermed på egenskaber relateret til hærdbarhed og mikrostruktur. Austenitkornstørrelsen betegnes almindeligvis som den forudgående austenitkornstørrelse, da tilbageholdt austenit, der er til stede ved stuetemperatur, ikke påvirker den oprindelige austenit. Den tidligere austenitiske kornstørrelse kan påvirke egenskaber som f.eks. sejhed betydeligt, idet den sænkes i takt med at kornstørrelsen øges. Det skal her bemærkes, at afsløring af denne struktur indebærer ret sofistikerede ætsningsteknikker (jf. “Kornstørrelse og dens indflydelse på materialeegenskaber”).

Små tilsætninger (i størrelsesordenen 0,1%) af visse legeringselementer (Nb, V, Ti) producerer carbider, carbonitrider eller nitrider, påvirker kornstørrelseskontrol og styrkelse og danner grundlaget for mikrolegeringsstål. Finfordelt spredte mikrolegeringspartikler forsinker austenitisk kornvækst, især ved højere temperaturer (ved såkaldt pinning af korngrænserne).

Austenitiserende temperatur – en praktisk tilgang

Praktisk set ønsker man at køre ved den laveste austenitiserende temperatur i kortest mulig tid for at begrænse kornvækst, minimere indflydelsen af krybning og uønskede overfladeeffekter (f.eks, oxidation, IGO/IGA), reducere vedligeholdelsen, forlænge levetiden for varmebehandlingsovne, reducere omkostningerne til legeringsfiksering og minimere forvrængning ved at reducere temperaturforskellen mellem emnets temperatur og nedkølingsmediet.

Valget af austenitiserende temperatur afhænger af både kulstof- og legeringsindholdet – et stål med lavere kulstofindhold kræver en højere temperatur end et stål med højt kulstofindhold. Legeringsindholdet spiller også en rolle ved at påvirke grænserne for austenitfeltet (jf. “Influence of Alloying Elements on the Austenite Phase Field”).

Dertil kommer, at legeringskarbider ofte kræver højere temperaturer for at opløses og spredes på grund af lavere diffusionshastigheder end kulstof. Desuden påvirker variationen af opvarmningshastigheden til austenitiserende temperatur hastigheden af omdannelse og opløsning af de forskellige tilstedeværende legeringsbestanddele (fig. 4). I fig. 4 repræsenterer f.eks. den tredje kurve fra højre en opvarmningshastighed på ca. 3˚C (5˚F) pr. minut.

Jern-kulstof-ligevægtsdiagrammet skitserer austenit-fasefeltet for jern og stål. Efterhånden som kulstofindholdet stiger, falder A3-temperaturen (den nedre grænse for austenitfeltet), indtil den eutektoide sammensætning nås – 725˚C (1340˚F) ved 0,80% C. For et stål med 0,40% kulstof begynder austenitfasefeltet ved 915˚C (1500˚F). I modsætning hertil begynder austenitfasefeltet i rent jern ved 912˚C (1674˚F) og slutter ved 1394˚C (2541˚F).

Varmbearbejdning

Sluttelig skal det bemærkes, at bearbejdeligheden af stål (f.eks, valsning, smedning) er forbedret i deres austenitiske tilstand, idet de reagerer på varmbearbejdning ved deformation, genopretning, rekrystallisering og kornvækst. Den austenitiske kornstørrelse falder, når varmbearbejdningstemperaturerne reduceres.

Slutning

Austenit spiller en unik rolle i varmebehandling af stål, og emnet kræver en dybere forståelse end den, der er præsenteret her. De anførte referencer indeholder et væld af gode oplysninger om austenit, og læseren opfordres til at studere dette emne mere indgående.