Austenit

Värmebehandling av stål innebär ofta att en komponent värms upp till austenitregionen (även kallad austenitfasfältet) för att utföra en termisk behandling, t.ex. normalisering, härdning, fallhärdning osv. Men vad är austenit, hur bildas det och vilket temperaturområde är mest gynnsamt för den process vi genomför? Låt oss lära oss mer.

Vad är austenit?

År 1901 föreslog Floris Osmund, en tidig fransk pionjär inom metallografin, att man skulle ge stålets kristallstruktur vid höga temperaturer ett namn efter Sir William Chandler Roberts-Austen, en metallurg som var känd för sin forskning om de fysikaliska egenskaperna hos metaller och deras legeringar.

Austenit (även kallad gammajärn, g-Fe) är en metallisk, icke-magnetisk allotrope (ett material som kan existera i mer än en kristallform beroende på temperatur) av järn. Austenit är en fast lösning som ofta kombinerar järn med olika legeringselement (t.ex. kol). Man kan säga att vetenskapen om stålbearbetning bygger på förståelse av fasfältet austenit i fasdiagrammet järn-järnkarbid (fig. 1).

Som Krause påpekar är ”kontrollerad omvandling av austenit till andra faser vid avkylning ansvarig för en stor variation av mikrostrukturer och egenskaper som kan uppnås genom värmebehandling av stål.”

Austenitisk korntillväxt

Austenitbildning i mikrostrukturer (fig. 2) har studerats utförligt. För vanligt kolstål kan austenit bildas från perlit eller till och med en starkt sfäroidiserad struktur på mycket kort tid – i intervallet 4-25 sekunder och vara färdig efter 60 sekunder – men i legerade stål kan tiden öka hundrafalt eller mer (fig. 3) eftersom legeringselementen och karbiderna kräver mer tid för att diffusion ska ske.

Prior austenitisk kornstorlek och mekaniska egenskaper

Austenitkornstorlek är viktig eftersom den påverkar de omvandlingsprodukter som bildas vid avkylning och därmed egenskaper relaterade till härdbarhet och mikrostruktur. Austenitkornstorleken kallas vanligen för den tidigare austenitkornstorleken eftersom bibehållen austenit som finns vid rumstemperatur inte påverkar moderausteniten. Den tidigare austenitiska kornstorleken kan avsevärt påverka egenskaper som t.ex. seghet, som minskar när kornstorleken ökar. Det bör här noteras att det för att avslöja denna struktur krävs ganska sofistikerade etsningstekniker (se ”Kornstorlek och dess inverkan på materialegenskaper”).

Små tillsatser (i storleksordningen 0,1 %) av vissa legeringselement (Nb, V, Ti) ger upphov till karbider, karbonitrider eller nitrider, påverkar kontroll av kornstorlek och förstärkning och ligger till grund för mikrolegeringsstål. Finfördelade mikrolegeringspartiklar fördröjer austenitisk korntillväxt, särskilt vid högre temperaturer (genom s.k. pinning av korngränserna).

Austenitiserande temperatur – ett praktiskt tillvägagångssätt

Praktiskt sett vill man köra vid lägsta austenitiserande temperatur under kortast möjliga tid för att begränsa korntillväxten, minimera inflytandet av krypning och oönskade yteffekter (t.ex, oxidation, IGO/IGA), minska underhållet, förlänga livslängden på värmebehandlingsugnarna, minska kostnaderna för legeringsinfästning och minimera distorsion genom att minska temperaturskillnaden mellan delens temperatur och släckmediet.

Valet av austenitiseringstemperatur beror både på kol- och legeringsinnehållet – ett stål med lägre kolhalt kräver en högre temperatur än ett stål med hög kolhalt. Legeringsinnehållet spelar också en roll genom att påverka gränserna för austenitfältet (jfr ”Influence of Alloying Elements on the Austenite Phase Field”).

Det krävs dessutom ofta högre temperaturer för att legeringskarbider ska kunna lösas upp och spridas på grund av lägre diffusionshastigheter än kol. Att variera uppvärmningshastigheten till austenitiseringstemperaturen påverkar dessutom omvandlings- och upplösningshastigheten för de olika förekommande legeringsbeståndsdelarna (fig. 4). I fig. 4 representerar till exempel den tredje kurvan från höger en uppvärmningshastighet på cirka 3˚C (5˚F) per minut.

Järn-kol-jämviktsdiagrammet skisserar austenitfasfältet för järn och stål. När kolhalten ökar minskar A3-temperaturen (den nedre gränsen för austenitfältet) tills den eutektoida sammansättningen uppnås – 725˚C (1340˚F) vid 0,80 % C. För ett stål med 0,40 % kol börjar austenitfasfältet vid 915˚C (1500˚F). Däremot börjar austenitfasfältet i rent järn vid 912˚C (1674˚F) och slutar vid 1394˚C (2541˚F).

Varmbearbetning

Slutligt bör det noteras att bearbetbarheten hos stål (t.ex, valsning, smidning) förbättras i sitt austenitiska tillstånd och reagerar på varmbearbetning genom deformation, återhämtning, rekristallisering och korntillväxt. Den austenitiska kornstorleken minskar när temperaturen för varmbearbetning sänks.

Slutsats

Austenit spelar en unik roll vid värmebehandling av stål, och ämnet kräver en djupare förståelse än vad som presenterats här. De angivna referenserna innehåller en mängd bra information om austenit, och läsaren uppmuntras att studera detta ämne mer ingående.