Austeniitti

Teräksen lämpökäsittelyyn liittyy usein komponentin lämmittäminen austeniittialueelle (eli austeniittiseen faasikenttään) lämpökäsittelyn, kuten normalisoinnin, karkaisun, kotelokarkaisun jne. suorittamiseksi. Mutta mitä on austeniitti, miten se muodostuu ja mikä lämpötila-alue on suotuisin käynnissä olevalle prosessille? Tutustutaanpa tarkemmin.

Mitä on austeniitti?

Floris Osmund, metallografian varhainen ranskalainen uranuurtaja, ehdotti vuonna 1901, että teräksen korkean lämpötilan kiderakenne nimettäisiin metallien ja niiden seosten fysikaalisia ominaisuuksia koskevista tutkimuksistaan tunnetun metallurgin Sir William Chandler Roberts-Austenin mukaan.

Austeniitti (eli gamma-rauta, g-Fe) on raudan metallinen, ei-magneettinen allotrooppi (materiaali, joka voi esiintyä useammassa kuin yhdessä kidemuodossa lämpötilasta riippuen). Austeniitti on kiinteä liuos, jossa usein yhdistyvät rauta ja erilaiset seosaineet (esim. hiili). Voidaan sanoa, että teräksen käsittelyn tiede perustuu raudan ja rautakarbidin faasidiagrammissa (kuva 1) olevan austeniitin faasikentän ymmärtämiseen.

Kuten Krause toteaa, ”austeniitin hallittu muuttuminen muiksi faaseiksi jäähdytyksen yhteydessä on vastuussa terästen lämpökäsittelyllä saavutettavien mikrorakenteiden ja ominaisuuksien suuresta moninaisuudesta.”

Austeniittinen raekasvu

Austeniitin muodostumista mikrorakenteissa (kuva 2) on tutkittu laajasti. Tavallisilla hiiliteräksillä austeniitti voi muodostua pearliitistä tai jopa erittäin pallomaisesta rakenteesta hyvin lyhyessä ajassa – välillä 4-25 sekuntia ja olla valmis 60 sekunnin kuluttua – mutta seostetuissa teräksissä aika voi pidentyä satakertaiseksi tai enemmänkin (Kuva. 3), koska seosaineet ja karbidit vaativat enemmän aikaa diffuusion tapahtumiseen.

Austeniittinen raekoko ja mekaaniset ominaisuudet

Austeniitin raekoko on tärkeä, koska se vaikuttaa jäähdytyksessä muodostuviin muunnostuotteisiin ja siten kovettuvuuteen ja mikrorakenteeseen liittyviin ominaisuuksiin. Austeniitin raekokoa kutsutaan yleisesti aikaisemmaksi austeniitin raekooksi, koska huoneenlämmössä esiintyvä pidättynyt austeniitti ei vaikuta kanta-austeniittiin. Austeniitin aiempi raekoko voi vaikuttaa merkittävästi ominaisuuksiin, kuten sitkeyteen, joka pienenee raekoon kasvaessa. Tässä yhteydessä on huomattava, että tämän rakenteen paljastaminen edellyttää melko kehittyneitä syövytystekniikoita (vrt. ”Raekoko ja sen vaikutus materiaaliominaisuuksiin”).

Tämän rakenteen paljastaminen edellyttää melko kehittyneitä syövytystekniikoita (vrt. ”Raekoko ja sen vaikutus materiaaliominaisuuksiin”).

Tietyistä seosaineista (Nb, V, Ti) tehdyt pienet lisäykset (0,1 %:n luokkaa) tuottavat karbideja, karbonitriittejä tai nitriittejä; ne vaikuttavat rakeiden hallintaan ja lujittumiseen; ja ne muodostavat perustan mikrolujitetuille teräksille. Hienojakoiset mikroseoshiukkaset hidastavat austeniittisten raekokojen kasvua erityisesti korkeammissa lämpötiloissa (ns. raerajojen pinning).

Austenitointilämpötila – Käytännön lähestymistapa

Käytännössä halutaan ajaa mahdollisimman alhaisessa austenitointilämpötilassa mahdollisimman lyhyen ajan, jotta raekokojen kasvua voidaan rajoittaa, minimoida virumisen ja ei-toivottujen pintailmiöiden vaikutus (esim, hapettuminen, IGO/IGA), vähentää kunnossapitoa, pidentää lämpökäsittelyuunien käyttöikää, alentaa seoksen kiinnityskustannuksia ja minimoida vääristymät pienentämällä kappaleen lämpötilan ja sammutusaineen välistä lämpötilaeroa.

Austenitisointilämpötilan valinta riippuu sekä hiili- että seosainesisällöstä – matalamman hiilipitoisuuden omaava teräs edellyttää korkeampaa lämpötilaa kuin korkean hiilipitoisuuden omaava teräs. Seosainepitoisuudella on myös merkitystä, sillä se vaikuttaa austeniittikentän rajoihin (vrt. ”Seosaineiden vaikutus austeniittiseen faasikenttään”).

Lisäksi seoskarbidit vaativat usein korkeampia lämpötiloja liuetakseen ja hajaantuakseen hiiltä alhaisemman diffuusionopeuden vuoksi. Lisäksi lämmitysnopeuden vaihtelu austenitointilämpötilaan vaikuttaa läsnä olevien eri seosaineiden muuntumis- ja liukenemisnopeuteen (kuva 4). Kuvassa 4 esimerkiksi kolmas käyrä oikealta edustaa lämmitysnopeutta, joka on noin 3˚C (5˚F) minuutissa.

Raudan ja hiilen tasapainokaavio hahmottaa rautojen ja terästen austeniittisen faasikentän. Hiilipitoisuuden kasvaessa A3-lämpötila (austeniittikentän alaraja) laskee, kunnes saavutetaan eutektoidinen koostumus – 725˚C (1340˚F) 0,80 %:n hiilipitoisuudella C. 0,40 %:n hiilipitoisella teräksellä austeniittinen faasikenttä alkaa 915˚C:ssa (1500˚F). Sitä vastoin puhtaan raudan austeniittinen faasikenttä alkaa 912˚C:ssa (1674˚F) ja päättyy 1394˚C:ssa (2541˚F).

Kuumamuokkaus

Loppujen lopuksi on huomattava, että terästen työstettävyys (esim, valssaus, takominen) paranee niiden austeniittisessa tilassa, ja ne reagoivat kuumamuokkaukseen muodonmuutoksella, palautumisella, uudelleenkiteytymisellä ja raekoon kasvulla. Austeniittinen raekoko pienenee, kun kuumamuokkauslämpötiloja alennetaan.

Johtopäätös

Austeniitilla on ainutlaatuinen rooli teräksen lämpökäsittelyssä, ja aihe vaatii tässä esitettyä syvällisempää ymmärrystä. Luetellut viitteet sisältävät runsaasti hyvää tietoa austeniitista, ja lukijaa kannustetaan perehtymään aiheeseen syvällisemmin.