1.5 Varmebehandling av metaller

Samme stål, helt nye egenskaper

Tenk deg at du kan ta én og samme stålbit og gjøre den knallhard som en kniv, eller myk og bøyelig som en spiker -- uten å bytte materiale og uten å endre formen. Det er nettopp det varmebehandling handler om: kontrollert oppvarming og avkjøling som endrer egenskapene innenfra.

Hvorfor gjøre dette? Fordi du kan øke hardhet og slitestyrke, øke styrken, forbedre seigheten, fjerne indre spenninger, gjøre materialet lettere å bearbeide, eller endre kornstørrelsen. Hemmeligheten ligger i at stål kan finnes i ulike faser -- ulike krystallstrukturer -- avhengig av temperaturen.

Under 727 °C er stålet i fasen ferritt ($\alpha$-jern), som har en kubisk romsentrert struktur, er mykt, duktilt og magnetisk. Varmer du forbi 727 °C, går det over til austenitt ($\gamma$-jern), en kubisk flatesentrert struktur som kan løse mye mer karbon og ikke er magnetisk. Den tredje, avgjørende fasen er martensitt, som ikke dannes ved langsom oppvarming, men oppstår når du kjøler austenitt veldig raskt ned. Martensitt har en karakteristisk nålestruktur og er meget hardt, men også sprøtt. Den kritiske temperaturen $A_1$ på 727 °C er grensa der austenitt og ferritt bytter plass, og den ligger til grunn for hele varmebehandlingen.

Herding: å fryse hardheten inne

Vil du ha et hardt stål, må du herde det -- og målet er å danne den harde martensitten. Det skjer i tre trinn. Først varmer du stålet til austenitiseringstemperatur, gjerne 50-80 °C over $A_3$, slik at det blir til austenitt og karbonet løses opp. Så holder du temperaturen en stund så hele emnet blir gjennomvarmt. Til slutt bråkjøler du -- quenching -- så raskt at karbonet ikke rekker å vandre ut igjen, og martensitten «fryses» fast.

Hvor godt et stål lar seg herde, herdbarheten, henger på karboninnholdet. Under 0,3 % karbon kan du knapt herde det, mellom 0,3 og 0,6 % får du god herdbarhet, og over 0,6 % blir herdbarheten meget god. Valg av kjølemedium styrer hvor hardt og hvor risikabelt det blir: vann kjøler raskest og gir hardest resultat, men størst fare for sprekker; olje er mildere og tryggere; luft er mildest og brukes for høylegerte stål. Går det galt, ender du med sprekker fra for rask kjøling, vridning, bløte flekker fra urene overflater eller avkarbonisering.

Ta en meisel av C80-stål som eksempel. Du varmer den til rundt 790 °C til den glør rødt, holder i femten minutter, og bråkjøler i olje mens du roterer den for jevn kjøling. Resultatet er en hardhet på cirka 65 HRC. Men nå er det et problem: meiselen er blitt så hard at den er sprø og lett kan knekke. Den må behandles videre.

Anløping og gløding: å temme stålet

Et herdet stål er hardt, men altfor sprøtt til praktisk bruk. Løsningen er anløping: du varmer det herdede stålet til en temperatur mellom 150 og 650 °C, holder det der i én til to timer, og kjøler det vanligvis i luft. Dette ofrer litt hardhet, men gir til gjengjeld mye mer seighet. Det fine er at du kan «lese» temperaturen på fargen: ved 220 °C blir overflaten lysegul, strågul ved 230 °C, gull ved 240 °C, brun ved 260 °C, purpur ved 280 °C og blå ved 300 °C. Anløper du til 150-200 °C, beholder du 60-65 HRC for skjæreverktøy; ved 400-500 °C får du 40-50 HRC for konstruksjonsdetaljer.

Tilbake til meiselen vår: du pusser spissen blank, varmer forsiktig fra skaftet, og stopper når spissen blir mørk gul, rundt 250 °C, og kjøler i vann. Resultatet er genialt -- en hard spiss som skjærer, men et seigere skaft som tåler hammerslagene.

Noen ganger vil du gå motsatt vei og myke opp stålet, og da bruker du gløding. Normalisering varmer til 30-50 °C over $A_3$ og kjøler i stillestående luft, noe som gir en finkornet, jevn struktur etter støping, smiing eller sveising. Mykgløding varmer til rett under $A_1$, holder i flere timer og kjøler sakte i ovn, slik at materialet blir mykt og lett å maskinere. Spenningsavlastende gløding ved 550-650 °C fjerner indre spenninger uten å endre strukturen -- nyttig etter sveising. Et sveiset stålrammeverk varmes da til 600 °C, holdes én time per 25 mm tykkelse og kjøles sakte med maks 50 °C i timen, så risikoen for sprekker og vridning faller.

Oppsummering

Varmebehandling endrer stålets egenskaper uten å endre formen, ved å spille på fasene ferritt, austenitt og den harde martensitten. Den kritiske temperaturen $A_1$ ligger på 727 °C. Herding varmer stålet til austenitt og bråkjøler det så martensitt fryses fast -- vann gir hardest resultat men mest sprekkfare, olje er mildere. Herdbarheten øker med karboninnholdet.

Fordi herdet stål er for sprøtt, følger anløping ved 150-650 °C, som bytter litt hardhet mot mye seighet, og som kan styres etter anløpingsfargene. Vil du i stedet myke opp eller stabilisere stålet, bruker du gløding: normalisering for finkornet struktur, mykgløding for bearbeidbarhet, og spenningsavlastende gløding for å fjerne spenninger etter sveising. Med ild og kontrollert kjøling skreddersyr du altså stålets egenskaper til oppgaven.