Austeniet

Bij de warmtebehandeling van staal wordt een onderdeel vaak verwarmd tot in het austenietgebied (aka austenietfaseveld) om een thermische behandeling uit te voeren, zoals normaliseren, harden, case harden, enz. Maar wat is austeniet, hoe wordt het gevormd en welk temperatuurbereik is het meest bevorderlijk voor het proces dat we uitvoeren?

Wat is austeniet?

In 1901 stelde Floris Osmund, een vroege Franse pionier in de metallografie, voor om de hoge-temperatuur kristalstructuur van staal te noemen naar Sir William Chandler Roberts-Austen, een metallurg die bekend stond om zijn onderzoek naar de fysische eigenschappen van metalen en hun legeringen.

Austeniet (ook bekend als gamma-ijzer, g-Fe) is een metallische, niet-magnetische allotroop (een materiaal dat in meer dan één kristalvorm kan bestaan, afhankelijk van de temperatuur) van ijzer. Austeniet is een vaste oplossing die vaak ijzer combineert met verschillende legeringselementen (bv. koolstof). Men kan zeggen dat de wetenschap van de staalverwerking gebaseerd is op het begrijpen van het austeniet-fasenveld in het ijzer-ijzercarbide fasediagram (Fig. 1).

Zoals Krause opmerkt, “is gecontroleerde transformatie van austeniet naar andere fasen bij afkoeling verantwoordelijk voor een grote variëteit aan microstructuren en eigenschappen die door warmtebehandeling van staal bereikt kunnen worden.”

Austenitische korrelgroei

Austenietvorming in microstructuren (Fig. 2) is uitvoerig bestudeerd. Voor gewoon koolstofstaal kan austeniet zich vormen uit pearliet of zelfs een sterk sferoïde structuur in een zeer korte tijdspanne – in het bereik van 4-25 seconden en volledig zijn na 60 seconden – maar in gelegeerd staal kan de tijd honderdvoudig of meer toenemen (Fig. 3) omdat de legeringselementen en carbiden meer tijd nodig hebben om te diffunderen.

Prior Austenitische korrelgrootte en mechanische eigenschappen

Austenietkorrelgrootte is belangrijk omdat het de transformatieproducten beïnvloedt die bij afkoeling worden gevormd en, als zodanig, eigenschappen die verband houden met de hardbaarheid en microstructuur. De austenietkorrelgrootte wordt gewoonlijk de voorafgaande austenietkorrelgrootte genoemd omdat bij kamertemperatuur aanwezig behouden austeniet geen invloed heeft op het moeder-austeniet. De voorafgaande austenietkorrelgrootte kan eigenschappen zoals taaiheid aanzienlijk beïnvloeden, die afneemt naarmate de korrelgrootte toeneemt. Hierbij moet worden opgemerkt dat voor het blootleggen van deze structuur vrij geavanceerde etstechnieken nodig zijn (cf. “Grain Size and Its Influence on Material Properties”).

Kleine toevoegingen (in de orde van 0,1%) van bepaalde legeringselementen (Nb, V, Ti) produceren carbiden, carbonitriden of nitriden; beïnvloeden de korrelgroottebeheersing en de versteviging; en vormen de basis voor micro-legerend staal. Fijn verdeelde micro-legeringsdeeltjes vertragen de austenitische korrelgroei, vooral bij hogere temperaturen (door zogenaamde pinning van de korrelgrenzen).

Austenitizing Temperature – A Practical Approach

In praktische termen wil men bij de laagste austenitizing temperatuur werken gedurende de kortste tijd om korrelgroei te beperken, de invloed van kruip en ongewenste oppervlakte-effecten te minimaliseren (bijv, oxidatie, IGO/IGA), het onderhoud te beperken, de levensduur van warmtebehandelingsovens te verlengen, de kosten van legeringsopspanningen te beperken en vervorming te minimaliseren door het temperatuurverschil tussen de temperatuur van het onderdeel en het afschrikmiddel te verkleinen.

De keuze van de austenitiseertemperatuur hangt af van zowel het koolstofgehalte als het legeringgehalte – een staal met een lager koolstofgehalte vereist een hogere temperatuur dan een staal met een hoog koolstofgehalte. Het legeringgehalte speelt ook een rol door de grenzen van het austenietveld te beïnvloeden (zie “Invloed van legeringselementen op het austenietfaseveld”).

Bovendien hebben legeringscarbiden vaak hogere temperaturen nodig om op te lossen en te dispergeren wegens lagere diffusiesnelheden dan koolstof. Bovendien beïnvloedt het variëren van de verwarmingssnelheid tot de austenitisatie temperatuur de snelheid van transformatie en oplossing van de verschillende aanwezige legeringsbestanddelen (Fig. 4). In Fig. 4, bijvoorbeeld, vertegenwoordigt de derde kromme van rechts een verwarmingssnelheid van ongeveer 3˚C (5˚F) per minuut.

Het ijzer-koolstof evenwichtsdiagram schetst het austeniet faseveld voor ijzers en staalsoorten. Naarmate het koolstofgehalte toeneemt, daalt de A3-temperatuur (de ondergrens van het austenietveld) tot de eutectoïde samenstelling wordt bereikt – 725˚C (1340˚F) bij 0,80% C. Voor een staal met 0,40% koolstof begint het austenietfaseveld bij 915˚C (1500˚F). Daarentegen begint het austenietfaseveld in zuiver ijzer bij 912˚C en eindigt bij 1394˚C.

Hete Werken

Ten slotte dient te worden opgemerkt dat de verwerkbaarheid van staal (b.v, walsen, smeden) wordt verbeterd in hun austenitische toestand, reagerend op hete bewerking door vervorming, herstel, herkristallisatie en korrelgroei. De austenitische korrelgrootte neemt af naarmate de warmbewerkingstemperaturen worden verlaagd.

Conclusie

Austeniet speelt een unieke rol in de warmtebehandeling van staal, en het onderwerp vereist een diepgaander inzicht dan hier gepresenteerd. De vermelde referenties bevatten een schat aan goede informatie over austeniet, en de lezer wordt aangemoedigd om dit onderwerp verder uit te diepen.