Αυστενίτωση του χάλυβα

Αρχή της αυστενίτωσης

• Αρχή μετασχηματισμού φάσης: Όταν ο χάλυβας θερμαίνεται, οι εσωτερικές δομές όπως η φερρίτη και η μαργαρίτης θα μετατραπούν σταδιακά σε αυστενίτη μέσω της ανακατανομής των ατόμων άνθρακα στο κρυσταλλικό πλέγμα σιδήρου.
• Επιρροή θερμοκρασίας: Η θερμοκρασία αυστενίτωσης είναι συνήθως μεταξύ ac₁ (κάτω κρίσιμο σημείο) και ac₃ (άνω κρίσιμο σημείο). Ωστόσο, η θερμοκρασία του κρίσιμου σημείου ποικίλλει ανάλογα με τη σύνθεση του χάλυβα. Για παράδειγμα, η περιεκτικότητα σε άνθρακα, οι τύποι και τα περιεχόμενα των στοιχείων κράματος επηρεάζουν όλα το κρίσιμο σημείο.

Διαδικασία αυστενίτωσης (Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τον ευτηκτοειδή χάλυβα)

• Σχηματισμός πυρήνων αυστενίτη: Οι πυρήνες αυστενίτη σχηματίζονται συνήθως κατά προτίμηση στη διεπαφή φάσης μεταξύ φερρίτη και τσιμεντίτη, επειδή η συγκέντρωση ατόμων άνθρακα στη διεπαφή φάσης είναι ανομοιόμορφη και η ενέργεια είναι υψηλή και η ατομική διάταξη είναι ακανόνιστη, η οποία πληροί εύκολα τις συνθήκες διακύμανσης συγκέντρωσης, διακύμανσης ενέργειας και διακύμανσης δομής που απαιτούνται για τον σχηματισμό πυρήνων. Επιπλέον, τα όρια των τομέων μαργαρίτη και των ψηφιδωτών μπλοκ φερρίτη μπορούν επίσης να είναι θέσεις σχηματισμού πυρήνων.
• Ανάπτυξη πυρήνων αυστενίτη: Μετά τη θέρμανση στην περιοχή φάσης αυστενίτη, ο ρυθμός διάχυσης των ατόμων άνθρακα επιταχύνεται σε υψηλή θερμοκρασία και τα άτομα σιδήρου και τα άτομα κράματος μπορούν επίσης να διαχυθούν πλήρως. Οι πυρήνες αυστενίτη συνεχίζουν να αναπτύσσονται προς τη φερρίτη και την τσιμεντίτη μέσω της διάχυσης των ατόμων άνθρακα.
• Διάλυση υπολειμματικής τσιμεντίτη: Επειδή η σύνθεση και η δομή της φερρίτη είναι πιο κοντά στον αυστενίτη, η φερρίτη εξαφανίζεται πρώτη κατά την ανάπτυξη των πυρήνων αυστενίτη, ενώ η υπολειμματική τσιμεντίτη συνεχίζει να διαλύεται με την επέκταση του χρόνου συγκράτησης μέχρι να εξαφανιστεί όλη.
• Ομογενοποίηση της σύνθεσης αυστενίτη: Αφού διαλυθεί όλη η τσιμεντίτη, η συγκέντρωση άνθρακα στον αυστενίτη δεν είναι ομοιόμορφη και η περιεκτικότητα σε άνθρακα στην αρχική περιοχή τσιμεντίτη είναι υψηλότερη. Αυτή τη στιγμή, είναι απαραίτητο να υποβληθεί σε μακροχρόνια συγκράτηση ή να συνεχιστεί η θέρμανση για να επιτραπεί στα άτομα άνθρακα να διαχυθούν πλήρως, ώστε να ληφθεί αυστενίτης με ομοιόμορφη σύνθεση.

Αυστενίτωση υποευτηκτοειδούς χάλυβα και υπερευτηκτοειδούς χάλυβα

• Υποευτηκτοειδής χάλυβας: Εκτός από τη βασική διαδικασία σχηματισμού αυστενίτη του ευτηκτοειδούς χάλυβα που αναφέρθηκε παραπάνω, όταν θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία ac₁, η προευτηκτοειδής φερρίτη πρέπει να διαλυθεί σταδιακά μέχρι να θερμανθεί πάνω από τη θερμοκρασία ac₃ για να μετατραπεί πλήρως σε αυστενίτη.
• Υπερευτηκτοειδής χάλυβας: Όταν θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία ac₁, η προευτηκτοειδής τσιμεντίτη (δευτερεύουσα τσιμεντίτη) πρέπει να διαλυθεί σταδιακά και μόνο όταν θερμανθεί πάνω από το Accm (άνω κρίσιμο σημείο του υπερευτηκτοειδούς χάλυβα) μπορεί να διαλυθεί όλη η τσιμεντίτη και να ληφθεί μια ενιαία δομή αυστενίτη.

Παράγοντες που επηρεάζουν την αυστενίτωση

• Θερμοκρασία και χρόνος θέρμανσης: Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία θέρμανσης, τόσο ταχύτερος είναι ο ρυθμός ατομικής διάχυσης, τόσο ταχύτερη είναι η ταχύτητα αυστενίτωσης και τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος που απαιτείται για το σχηματισμό. Σε μια ορισμένη θερμοκρασία, όσο μεγαλύτερος είναι ο χρόνος συγκράτησης, τόσο πιο ομοιόμορφη είναι η σύνθεση του αυστενίτη, αλλά η πολύ μεγάλη διάρκεια συγκράτησης θα οδηγήσει σε ανάπτυξη κόκκων.
• Ρυθμός θέρμανσης: Όσο ταχύτερος είναι ο ρυθμός θέρμανσης, τόσο μικρότερη είναι η περίοδος επώασης, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία στην οποία ο αυστενίτης αρχίζει να μετασχηματίζεται και τελειώνει να μετασχηματίζεται και τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος που απαιτείται για τον μετασχηματισμό. Κατά τη διάρκεια της ταχείας θέρμανσης, η αύξηση του ρυθμού σχηματισμού πυρήνων αυστενίτη είναι μεγαλύτερη από τον ρυθμό ανάπτυξης και μπορούν να ληφθούν λεπτοί κόκκοι αυστενίτη.
• Στοιχεία κράματος: Στοιχεία όπως το κοβάλτιο και το νικέλιο θα επιταχύνουν τη διαδικασία αυστενίτωσης. Στοιχεία όπως το χρώμιο, το μολυβδαίνιο και το βανάδιο επιβραδύνουν τη διαδικασία αυστενίτωσης. Στοιχεία όπως το πυρίτιο, το αλουμίνιο και το μαγγάνιο δεν έχουν ουσιαστικά καμία επίδραση στη διαδικασία αυστενίτωσης. Εφόσον ο ρυθμός διάχυσης των στοιχείων κράματος είναι πολύ πιο αργός από αυτόν του άνθρακα, η θερμοκρασία θέρμανσης θερμικής επεξεργασίας του χάλυβα κράματος είναι γενικά υψηλότερη και ο χρόνος συγκράτησης είναι μεγαλύτερος.
• Αρχική δομή: Όταν η τσιμεντίτη στην αρχική δομή είναι ελασματοειδής, ο ρυθμός σχηματισμού αυστενίτη είναι ταχύτερος από αυτόν της κοκκώδους τσιμεντίτη. Όσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ των ελασμάτων της τσιμεντίτη, τόσο περισσότερες είναι οι διεπαφές φάσης, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός σχηματισμού πυρήνων και τόσο ταχύτερος είναι ο ρυθμός μετασχηματισμού. Η κοκκώδης μαργαρίτης στην κατάσταση σφαιροειδούς ανόπτησης έχει λίγες διεπαφές φάσης, επομένως ο ρυθμός αυστενίτωσης είναι ο πιο αργός.

Πρακτική εφαρμογή της αυστενίτωσης

• Θερμική επεξεργασία: Η αυστενίτωση είναι ένα βασικό βήμα στη θερμική επεξεργασία χάλυβα. Διαφορετικές επακόλουθες μέθοδοι ψύξης (όπως σβέση, ομαλοποίηση, ανόπτηση, σκλήρυνση κ.λπ.) θα προκαλέσουν τον αυστενίτη να μετατραπεί σε διαφορετικές δομές, ώστε να ληφθούν οι απαιτούμενες μηχανικές ιδιότητες. Για παράδειγμα, η σβέση χάλυβα μετά την αυστενίτωση μπορεί να αποκτήσει δομή μαρτενσίτη και να βελτιώσει τη σκληρότητα και την αντοχή του χάλυβα. Η ομαλοποίηση μπορεί να βελτιώσει τους κόκκους και να βελτιώσει την μηχανική κατεργασία του χάλυβα κ.λπ.
• Επεξεργασία πίεσης: Οι χαλύβδινοι χυτοσίδηροι, τα χαλύβδινα τεμάχια και τα χαλύβδινα προϊόντα θερμαίνονται γενικά πάνω από 1100°C για αυστενίτωση. Αυτή τη στιγμή, ο αυστενίτης έχει καλή πλαστικότητα και χαμηλή αντοχή διαρροής, η οποία είναι βολική για πλαστική επεξεργασία όπως σφυρηλάτηση και έλαση για την κατασκευή εξαρτημάτων ή τελικών προϊόντων διαφόρων σχημάτων.