Het doel van de warmtebehandeling van koolstofstaal is het veranderen van de mechanische eigenschappen van staal, meestal ductiliteit, hardheid, vloeigrens of slagvastheid. Merk op dat de elektrische en thermische geleidbaarheid slechts in geringe mate worden gewijzigd. Zoals bij de meeste verstevigingstechnieken voor staal wordt de Young-modulus (elasticiteit) niet beïnvloed. Alle behandelingen van de taaiheid van staal zorgen voor meer sterkte en vice versa. IJzer heeft een hogere oplosbaarheid voor koolstof in de austenietfase; daarom beginnen alle warmtebehandelingen, behalve sferoïdiseren en procesgloeien, met het verwarmen van het staal tot een temperatuur waarbij de austenitische fase kan bestaan. Het staal wordt vervolgens met een hoge snelheid afgeschrikt (warmte onttrokken), waardoor cementiet neerslaat en uiteindelijk het resterende zuivere ijzer stolt. De snelheid waarmee het staal wordt afgekoeld door de eutectoïde temperatuur beïnvloedt de snelheid waarmee koolstof uit austeniet diffundeert en cementiet vormt. Over het algemeen zal een snelle afkoeling het ijzercarbide fijn gedispergeerd achterlaten en een fijnkorrelig perliet produceren (totdat de kritische martensiettemperatuur is bereikt), terwijl langzaam afkoelen een grover perliet oplevert. Het afkoelen van een hypoeutectoïde staal (minder dan 0,77 gew.% C) resulteert in een lamellaire-perlitische structuur van ijzercarbidelagen metα-ferriet (puur ijzer) ertussen. Als het hypereutectoïde staal is (meer dan 0,77 gew.% C), dan is de structuur volledig perliet met overal kleine korrels (groter dan de perlietlamel) van cementiet. De relatieve hoeveelheden bestanddelen worden gevonden met behulp van de hefboomregel. Hieronder volgt een lijst met de mogelijke soorten warmtebehandelingen:
·Sferoïdiserend: Sferoïdiet ontstaat wanneer koolstofstaal wordt verwarmd tot ongeveer 700°C gedurende meer dan 30 uur. Sferoïdiet kan zich bij lagere temperaturen vormen, maar de benodigde tijd neemt drastisch toe, omdat dit een diffusiegecontroleerd proces is. Het resultaat is een structuur van staven of bollen cementiet binnen de primaire structuur (ferriet of perliet, afhankelijk van aan welke kant van de eutectoïde je je bevindt). Het doel is om staalsoorten met een hoger koolstofgehalte te verzachten en meer vervormbaarheid mogelijk te maken. Dit is de zachtste en meest ductiele vorm van staal. De afbeelding rechts laat zien waar sferoïdvorming gewoonlijk voorkomt.
Volledig gloeien: Koolstofstaal wordt verwarmd tot ongeveer 40°C°C boven Ac3? of Acm? gedurende 1 uur; dit zorgt ervoor dat al het ferriet in austeniet wordt omgezet (hoewel cementiet nog steeds kan bestaan als het koolstofgehalte groter is dan het eutectoïde). Het staal moet vervolgens langzaam worden afgekoeld, in de buurt van 20°C (36°F) per uur. Meestal wordt het gewoon in de oven gekoeld, waarbij de oven wordt uitgeschakeld terwijl het staal er nog in zit. Dit resulteert in een grove perlitische structuur, wat betekent dat de “banden” van perliet dik zijn. Volledig gegloeid staal is zacht en taai, zonder interne spanningen, wat vaak nodig is voor kosteneffectief vormen. Alleen bolvormig staal is zachter en taaier.
·Procesgloeien: een proces dat wordt gebruikt om spanning te verlichten in koudbewerkt koolstofstaal met minder dan 0,3 gew.% C. Het staal wordt gewoonlijk verwarmd tot 550 °C.–650°C gedurende 1 uur, maar soms temperaturen tot wel 700°C°C. De afbeelding rechts [verduidelijking nodig] toont het gebied waar procesgloeien plaatsvindt.
Isothermisch gloeien: het is een proces waarbij hypoeutectoïde staal wordt verwarmd tot boven de bovenste kritische temperatuur en deze temperatuur een tijdje wordt gehandhaafd, waarna de temperatuur tot onder de onderste kritische temperatuur wordt gebracht en opnieuw wordt gehandhaafd. Vervolgens wordt het uiteindelijk afgekoeld tot kamertemperatuur. Met deze methode wordt elke temperatuurgradiënt geëlimineerd.
Normaliseren: Koolstofstaal wordt verwarmd tot ongeveer 55°C boven Ac3 of Acm gedurende 1 uur; dit zorgt ervoor dat het staal volledig transformeert naar austeniet. Het staal wordt vervolgens luchtgekoeld, wat een koelsnelheid van ongeveer 38 is°C (100°F) per minuut. Dit resulteert in een fijne perlitische structuur en een meer uniforme structuur. Genormaliseerd staal heeft een hogere sterkte dan gegloeid staal; het heeft een relatief hoge sterkte en hardheid.
Afschrikken: Koolstofstaal met ten minste 0,4 gew.% C wordt verwarmd tot normaliserende temperaturen en vervolgens snel afgekoeld (afgeschrikt) in water, pekel of olie tot de kritische temperatuur. De kritische temperatuur is afhankelijk van het koolstofgehalte, maar is in de regel lager naarmate het koolstofgehalte toeneemt. Dit resulteert in een martensitische structuur; een vorm van staal met een superverzadigd koolstofgehalte in een vervormde lichaamsgecentreerde kubieke (BCC) kristallijne structuur, correct lichaamsgecentreerde tetragonaal (BCT) genoemd, met veel interne spanning. Aldus afgeschrikt staal is extreem hard maar bros, meestal te bros voor praktische doeleinden. Deze interne spanningen veroorzaken spanningsscheuren op het oppervlak. Gehard staal is ongeveer drie tot vier keer (met meer koolstof) harder dan genormaliseerd staal.
Martemperen (marquenchen): Martemperen is eigenlijk geen tempereerprocedure, vandaar de term “marquenchen”. Het is een vorm van isotherme warmtebehandeling die wordt toegepast na een eerste afschrikking, meestal in een gesmolten zoutbad bij een temperatuur vlak boven de “martensietstarttemperatuur”. Bij deze temperatuur worden de restspanningen in het materiaal opgeheven en kan er wat bainiet worden gevormd uit het achtergebleven austeniet dat geen tijd heeft gehad om in iets anders te transformeren. In de industrie is dit een proces dat wordt gebruikt om de taaiheid en hardheid van een materiaal te controleren. Bij langer afschrikken neemt de taaiheid toe met een minimaal verlies aan sterkte; het staal wordt in deze oplossing gehouden totdat de binnen- en buitentemperatuur gelijk zijn. Vervolgens wordt het staal met een gematigde snelheid gekoeld om de temperatuurgradiënt minimaal te houden. Dit proces vermindert niet alleen interne spanningen en spanningsscheuren, maar verhoogt ook de slagvastheid.
Afschrikken en temperen: Dit is de meest voorkomende warmtebehandeling, omdat de uiteindelijke eigenschappen nauwkeurig kunnen worden bepaald door de temperatuur en tijd van het temperen. Temperen omvat het opnieuw verwarmen van afgeschrikt staal tot een temperatuur onder de eutectoïdetemperatuur en vervolgens afkoelen. Door de verhoogde temperatuur kunnen zeer kleine hoeveelheden sferoïdiet worden gevormd, waardoor de taaiheid wordt hersteld, maar de hardheid wordt verminderd. Voor elke samenstelling worden de werkelijke temperaturen en tijden zorgvuldig gekozen.
Austempering: Het austemperingproces is hetzelfde als martempering, behalve dat het staal in het gesmolten zoutbad wordt gehouden via de bainiettransformatietemperaturen en vervolgens matig wordt afgekoeld. Het resulterende bainietstaal heeft een grotere ductiliteit, hogere slagvastheid en minder vervorming. Het nadeel van austemperen is dat het slechts op een paar staalsoorten kan worden gebruikt en dat er een speciaal zoutbad voor nodig is.
Posttijd: 01-nov-2019