herdbarhet (metallurgi)

Herding gjør stålet hardt fordi det i løpet av avkjølingen dannes martensitt som er den hardeste strukturbestanddelen i stål. Generelt sett må stålet avkjøles raskt for at martensitt skal dannes. Den kritiske avkjølingshastigheten er ulik for ulike stål, og i stål med liten herdbarhet vil martensitt bare dannes under bråkjøling i et tynt overflatesjikt hvor avkjølingshastigheten er størst. Med økende herdbarhet øker herdedybden, og stål med stor herdbarhet kan bli gjennomherdet selv om avkjølingshastigheten er relativt lav. Herdbarheten øker med stålets innhold av karbon og andre legeringselementer og med kornstørrelsen før avkjøling. I hovedsak er det imidlertid slik at stålets hardhet etter herding er bestemt av karboninnholdet mens herdbarheten er bestemt av innholdet av de øvrige legeringselementene. De elementene som blir mest brukt for å øke herdbarheten, er mangan, krom, molybden og nikkel som alle er store atomer. I borstål økes herdbarheten ved små tilsetninger av bor som er små atomer.

Herdbarhet spiller en sentral rolle i forbindelse med produksjon av komponenter som skal tåle store mekaniske belastninger eller slitasje, og som derfor må være sterke og/eller harde. Dette gjelder særlig maskindeler og verktøy. Ei fil skal bare å ha en hard overflate og kan derfor produseres av et stål med liten herdbarhet. Et metallbor derimot skal kunne slipes gjentatte ganger, og må derfor lages av et stål med tilstrekkelig herdbarhet til å gi gjennomherding. I tillegg til stålets herdbarhet betyr kjølemediet mye for herdedybden. Vanlige kjølemedier er saltvann, ferskvann, vandige polymerer, olje og luft, med eller uten ‘omrøring’ (nevnt etter avtagende kjøleeffekt).

Herdbarheten til et stål er også en vesentlig parameter i forbindelse med sveising fordi stor herdbarhet øker faren for at sprø martensitt dannes under avkjøling etter sveising.

Herdbarheten kan estimeres på ulike måter. Den vanligste metoden er Jominytesten hvor en sylindrisk stav med diameter 25 mm og lengde 100 mm etter gløding ved herdetemperatur blir spylt med ferskvann i den ene enden. Etterpå måles hardheten langs stavens lengde og framstilles i en Jominykurve. Jo slakere kurven er, jo større er herdbarheten. En annen metode er Grossman-metoden hvor herdbarheten blir estimert ved å utføre en empirisk basert beregning på grunnlag av stålets kjemiske sammensetning og kornstørrelse før avkjøling.

Ved romtemperatur er den termodynamisk foretrukne mikrostrukturen i karbonstål en blanding av ferritt og sementitt, hvorav perlitt utgjør en vesentlig andel. De ulike legeringselementene har forskjellig løselighet i de to fasene. Nikkel løses i ferritten mens mangan, krom og molybden som er karbiddannende elementer, foretrekker sementitten. Herding skjer ved at stålet varmes opp til høy temperatur hvor det fullstendig omvandles til fasen austenitt, for deretter å bli avkjølt tilstrekkelig raskt til at austenitten omvandles til martensitt (som er en termodynamisk metastabil fase). For å oppnå herding må en transformasjon tilbake til ferritt og sementitt undertrykkes under avkjølingen. Legeringselementer bidrar til dette ved på forskjellig vis å forsinke omvandlingen av austenitten: (1) Mangan og nikkel gjør at austenitten holder seg stabil ned til lavere temperaturer. (2) I motsetning til små karbonatomer diffunderer store legeringsatomer sakte, og dette sinker fordelingen av elementer mellom ferritten og sementitten. (3) Bor seigrer til austenittkorngrenser og hindrer dannelse av ferritt på disse. Uansett dominerende årsak blir omvandlingen av austenitt til ferritt og perlitt forskjøvet mot lengre tider og lavere temperaturer. Omvandlingen kan forsinkes så mye at martensitt, som ikke forutsetter diffusjon, dannes når temperaturen blir tilstrekkelig lav.

Innover mot midten av godset vil mengden martensitt gradvis kunne avta på grunn av langsommere avkjøling som medfører at noe eller all austenitt får tid til å omvandles til ferritt, perlitt og/eller bainitt før martensitt dannes. I så fall vil hardheten synker innover i godset.

Som nevnt i første avsnitt minker herdbarheten med minkende austenittkornstørrelse før bråkjøling. Grunnen til dette er at små korn gir et stort korngrenseareal som kan gi utgangspunkt for dannelse av en betydelig mengde ferritt, perlitt og/eller bainitt før temperaturen for begynnende martensittdannelse nås. Grunnen til at høye herdetemperaturer likevel ikke nyttes for å øke herdbarheten gjennom austenittkornvekst er at store austenittkorn fører til at martensitten blir grov og sprø.

• herding – metallurgi
• martensitt