herding (metallurgi)

Martensittherding er den best kjente og mest effektive herdemetoden for stål. Stål er en legering av jern og opptil 1,7 prosent karbon, som avhengig av formålet tilsettes større eller mindre mengder legeringselementer som mangan, nikkel, krom og wolfram. I likhet med jern er stål med små tilsetninger allotrop, det vil si at det opptrer med flere krystallstrukturer i fast tilstand (se alfajern).

Ved gløding i temperaturområdet 720–930 grader celsius vil stål foreligge som austenitt (gammajern), en kubisk flatesentrert struktur, der karbonatomene er fordelt mellom jernatomene i oktaederposisjoner, som gir best plass. Ved bråkjøling i vann eller olje endres krystallstrukturen til martensitt, en tetragonal flatesentrert variant, der karbonatomene ligger mellom jernatomene og tvinger dem fra hverandre. Denne tilstanden av tvang i gitteret medfører at dislokasjoner blokkeres og at hardhet, flytegrense og strekkfasthet øker. Martensitten er derfor meget hard, men også sprø.

For å gjøre stålet mer duktilt (seigt, strekkbart) og egnet til praktiske formål, blir det anløpet, det vil si glødet, i temperaturområdet 250–650 °C. Karbonet danner da sammen med jern strukturbestanddelen sementitt, som utfelles i finfordelt form i martensitten. Dette fører til en delvis utløsning av gitterspenningene slik at tvangstilstanden dempes, hardheten faller og duktiliteten øker.

Praktisk herding av stål foregår således i tre trinn:

1. Gløding ved 770–850 °C avhengig av karboninnholdet. For legert stål er herdetemperaturen ofte høyere.
2. Bråkjøling i vann eller olje.
3. Anløping i ovn ved 250–650 °C avhengig av ønsket hardhet. Laveste anløpingstemperatur svarer til høyeste hardhet og laveste duktilitet.

Som første trinn i herdeprosessen er gløding ved 800 °C eller høyere nødvendig for at karbon og legeringselementer skal løses i austenitten. Bråkjølingen foregår deretter ved lavere temperatur, vanligvis i området 150–300 °C. Ved stegherding (marquenching) foregår bråkjølingen i to trinn, først i salt- eller blybad og så i vann eller olje. Ved bainittherding (austempering) er holdetiden i saltbadet vesentlig lengre, inntil austenitten kan omvandles til bainitt, en hard og relativt seig struktur bestående av finfordelte og overmettede faser av ferritt og sementitt.

Temperaturutjevningen i saltbadet mens stålet er austenittisk reduserer sprekkfaren sammenlignet med konvensjonell bråkjøling, og metodene brukes særlig ved varmebehandling av bil- og motordeler med komplisert form. Full utnyttelse forutsetter bruk av legert stål med god herdbarhet.

Utfellingsherding er en mye brukt herdemetode, der hardhetsøkningen skyldes en dispers utfelling av en hard fase. Herding av aluminium med 4–5 prosent kobber og mindre mengder av magnesium, mangan og silisium (tidligere betegnet duralumin) er et kjent eksempel. Ved 530 °C, mens legeringen fremdeles er i fast tilstand, er kobberet helt løst, nærmere bestemt har kobberatomene trådt inn i aluminiumgitteret og erstattet noen av dets atomer. Ved bråkjøling i vann blir denne strukturen fastlåst, men den er ustabil, siden kobber på det nærmeste er uløselig i aluminium ved værelsestemperatur. Oppvarmes legeringen derfor forsiktig til 150 °C, utfelles et nettverk av ganske små soner av Al₂Cu og Mg₂Si, som skaper den tidligere nevnte motstand mot dislokasjonsforskyvning.

Mange andre aluminiumlegeringer og legeringer av andre metaller kan herdes etter samme prinsipper. Det samme gjelder noen høyfaste konstruksjonsstål.

Oppløsningsherding (løsningsherding) er herding ved innlegering med andre metaller som danner blandkrystaller med grunnfasen. Kobber herdes for eksempel ved innlegering med tinn. Produktet kjennes som bronse og fremgangsmåten var kjent allerede år 3000 fvt. Når stål legeres med karbon blir det hardere, selv om herdeprosessen utelates. Fremmedatomene skaper indre spenninger i gitteret som motvirker dislokasjonsforskyvning.

Mekanisk herding, også kalt fastning, skjer ved kaldbearbeiding av metaller og legeringer, som valsing av plater og stenger og trekking av tråd. Bearbeidingen fører til øket tetthet av kryssende og delvis fastlåste dislokasjoner.

De fleste polykrystallinske metaller og legeringer kan herdes ved at man reduserer kornstørrelsen, idet det fortettede nettverket av korngrenser som oppstår, forsterker motstanden mot dislokasjonsforskyvning. Den tilsiktede strukturen kan vanligvis oppnås ved en kombinasjon av innlegering og termiske og mekaniske prosesser.