Temperen is een warmtebehandelingsproces waarbij een afgeschrikt werkstuk opnieuw wordt verwarmd tot een temperatuur onder A1, gedurende een bepaalde tijd wordt vastgehouden en vervolgens wordt afgekoeld tot kamertemperatuur. Gehard staal mag niet direct worden gebruikt; het moet getemperd worden, wat de microstructuur en eigenschappen van het staal bepaalt en een cruciale stap van de warmtebehandeling is.
3.1 Doel van temperen
Om de gewenste mechanische eigenschappen te bereiken
Na het afschrikken heeft het werkstuk een hoge hardheid maar een lage ductiliteit en taaiheid. Om aan verschillende prestatie-eisen voor verschillende onderdelen te voldoen, wordt temperen gebruikt om de uitgedoofde microstructuur te wijzigen, de hardheid aan te passen en de broosheid te verminderen, wat resulteert in de gewenste mechanische eigenschappen van het werkstuk.
Om werkstukafmetingen te stabiliseren
Het martensiet en het achtergebleven austeniet dat tijdens het blussen wordt gevormd, zijn onstabiele structuren die na verloop van tijd kunnen ontbinden, waardoor maat- en vormveranderingen ontstaan. Door het temperen wordt de uitgedoofde microstructuur omgezet in een stabiele microstructuur, waardoor het werkstuk tijdens gebruik zijn afmetingen en vorm behoudt.
Om interne spanningen door uitdoving te verminderen of te elimineren
Het blussen veroorzaakt aanzienlijke interne stress. Als deze spanningen niet onmiddellijk worden verlicht door middel van ontlaten, kunnen ze ervoor zorgen dat het werkstuk vervormt of zelfs barst.
3.2 Transformaties tijdens het temperen van gehard staal
Gedoofd martensiet en vastgehouden austeniet zijn metastabiele fasen die ontleden in ferriet en carbiden wanneer ze worden getemperd van kamertemperatuur tot onder A1. De specifieke transformaties zijn afhankelijk van de ontlaattemperatuur:
Ontleding van martensiet (minder dan of gelijk aan 200 graden)
Wanneer het onder de 80 graden wordt getemperd, treedt er geen significante microstructurele verandering op, behalve de clustering van koolstofatomen in martensiet. Tussen 80 en 200 graden begint martensiet te ontleden, waarbij koolstofatomen neerslaan als ε-carbiden (Fe2,4C), waardoor de oververzadiging van koolstof in martensiet wordt verminderd en de tetragonaliteit afneemt. Omdat de ontlaattemperatuur laag is, slaat slechts een deel van de overtollige koolstof neer, waardoor het martensiet achterblijft als een oververzadigde vaste oplossing van koolstof in -Fe. De fijne ε-carbiden zijn verspreid langs de grensvlakken van de oververzadigde vaste oplossing, waarbij een coherente relatie wordt gehandhaafd (waarbij de atomen aan de fasegrenzen worden gedeeld door de twee kristalroosters). Deze microstructuur, bestaande uit een minder oververzadigde vaste oplossing en ε-carbiden, wordt getemperd martensiet genoemd. Vanwege de fijne en sterk verspreide aard van de ε-carbiden neemt de hardheid van het staal niet significant af wanneer het onder de 200 graden wordt getemperd. De precipitatie van ε-carbiden vermindert echter de roostervervorming, waardoor de afschrikspanning afneemt en de plasticiteit en taaiheid van het staal enigszins toeneemt.
Ontleding van vastgehouden austeniet (200 graden –300 graden)
Vastgehouden austeniet is vergelijkbaar met onderkoeld austeniet, dus de tempereringstransformatieproducten zijn dezelfde als die van onderkoeld austeniet onder vergelijkbare temperatuuromstandigheden, waarbij afhankelijk van de temperatuur martensiet, bainiet of perliet worden gevormd.
Wanneer staal tussen 200 en 300 graden wordt getemperd, blijft martensiet ontleden en begint het vastgehouden austeniet te transformeren in lager bainiet (200 graden –300 graden is het transformatiebereik van het lagere bainiet). Bij dit temperatuurbereik neemt de afschrikspanning verder af, maar de hardheid neemt niet significant af.
Transformatie van carbiden (250 graden –450 graden)
Wanneer het boven de 250 graden wordt getemperd, zorgt het verhoogde diffusievermogen van koolstofatomen ervoor dat ε-carbiden geleidelijk worden omgezet in stabiel cementiet. Bij 450 graden worden alle ε-carbiden omgezet in sterk verspreid cementiet. De continue precipitatie van koolstof verlaagt het koolstofgehalte in de vaste oplossing tot het evenwichtsniveau, waardoor het in ferriet verandert, hoewel het een naaldachtige vorm behoudt. Deze structuur, samengesteld uit naaldachtig ferriet en sterk verspreid cementiet, wordt getemperd troostiet genoemd. De geharde troostietstructuur van 45 staal wordt weergegeven in de onderstaande figuur. Op dit punt neemt de hardheid van het staal af en nemen de taaiheid en plasticiteit verder toe, waarbij de afschrikspanning vrijwel geëlimineerd is.
Aggregatie en groei van cementiet en herkristallisatie van ferriet (450 graden –700 graden)
Boven de 450 graden wordt het sterk verspreide cementiet geleidelijk bolvormig tot fijne deeltjes, en naarmate de temperatuur stijgt, groeien deze deeltjes. Tegelijkertijd begint ferriet te herkristalliseren tussen 500 en 600 graden, waarbij het verandert van lat- of naaldachtige vormen in veelhoekige korrels.
Deze structuur, bestaande uit korrelig cementiet verdeeld over een veelhoekige ferrietmatrix, wordt getemperd sorbiet genoemd. De geharde sorbietstructuur van 45 staal wordt weergegeven in de onderstaande figuur. Als de temperatuur verder wordt verhoogd tot 650 graden –A1, wordt het korrelige cementiet ruwer en vormt een microstructuur van veelhoekig ferriet en groter korrelig cementiet, bekend als getemperd perliet.
De transformatie van gehard staal tijdens het temperen vindt plaats over verschillende temperatuurbereiken. Zelfs bij dezelfde tempertemperatuur kunnen meerdere soorten transformaties optreden. De eigenschappen van gehard staal zijn afhankelijk van deze microstructurele veranderingen, die op hun beurt de mechanische prestaties ervan beïnvloeden. Over het algemeen nemen de sterkte en hardheid af naarmate de ontlaattemperatuur toeneemt, terwijl de ductiliteit en taaiheid verbeteren, waarbij deze veranderingen duidelijker worden bij hogere temperaturen.
3.3 Soorten en toepassingen van tempereren
De belangrijkste factor die de microstructuur en eigenschappen van staal bepaalt, is de ontlaattemperatuur. Temperen is onderverdeeld in drie typen op basis van temperatuur en resulterende microstructuur:
Temperen bij lage temperaturen (150 graden –250 graden)
Bij lage temperatuur temperen ontstaat getemperd martensiet. Het doel is om de hoge hardheid en slijtvastheid van gehard staal te behouden, terwijl de interne spanning en broosheid wordt verminderd en de ductiliteit en taaiheid worden verbeterd. Deze methode wordt voornamelijk gebruikt voor koolstofrijke en gelegeerde staalsoorten in snijgereedschappen, meetgereedschappen, matrijzen voor koudstansen, wentellagers, gecarbureerde onderdelen en onderdelen met oppervlakteafgeschrikt materiaal. De hardheid na ontlaten ligt doorgaans tussen 58 en 64 HRC.
Temperen op gemiddelde temperatuur (350 graden –500 graden)
Deze methode levert getemperd troostiet op. Het doel is om een hoge vloeigrens, elastische limiet en aanzienlijke taaiheid te bereiken. Temperen op middelmatige temperatuur wordt voornamelijk gebruikt voor verschillende elastische componenten en warmwerkende matrijzen. De hardheid na ontlaten varieert doorgaans van 35–50 HRC.
Temperen op hoge temperatuur (500 graden –650 graden)
Deze methode produceert getemperd sorbiet. Het doel is om een evenwicht te bereiken tussen sterkte, hardheid, ductiliteit en taaiheid. Wanneer afschrikken en temperen bij hoge temperatuur worden gecombineerd, wordt het proces gewoonlijk "afschrikken en temperen" genoemd. Het wordt veel gebruikt voor kritische structurele componenten bij de productie van auto's, tractoren en werktuigmachines (zoals drijfstangen, tapeinden, tandwielen en transmissieassen). De hardheid na ontlaten varieert doorgaans van 200–330 HBW.
Hoewel de hardheidswaarden van staal na normaliseren en afschrikken-temperen vrij gelijkaardig zijn, ondergaan kritische structurele componenten bij de productie gewoonlijk een afschrik-temperen in plaats van normaliseren. Dit komt omdat de microstructuur van getemperd sorbiet korrelig cementiet heeft, terwijl sorbiet verkregen door normalisatie lamellair cementiet heeft. Daarom vertoont afgeschrikt en getemperd staal niet alleen een hogere sterkte, maar heeft het ook een betere ductiliteit en taaiheid in vergelijking met de genormaliseerde toestand.
Afschrikken en temperen kunnen dienen als laatste warmtebehandelingsproces of als voorbehandeling vóór oppervlakteharding en chemische warmtebehandeling. Omdat de hardheid van gehard staal niet hoog is, zorgt het voor een gemakkelijke bewerking en lage oppervlakteruwheidswaarden.
Naast deze drie gebruikelijke ontlaatmethoden ondergaan sommige hooggelegeerde staalsoorten een verzachtingsontharding bij hoge temperatuur bij 20 tot 40 graden onder A1 om getemperd perliet te verkrijgen als alternatief voor sferoïdiserend gloeien.
Om een grondige microstructurele transformatie tijdens het ontlaten te garanderen, moet het werkstuk voldoende tijd op de ontlaattemperatuur worden gehouden, meestal tussen 1 en 3 uur, afhankelijk van het materiaal, de temperatuur, de dikte, de belasting en de verwarmingsmethode. De koelmethode na het ontlaten heeft weinig effect op de prestaties van koolstofstaal, maar om nieuwe spanningen te voorkomen, worden werkstukken na het ontlaten over het algemeen langzaam aan de lucht gekoeld.
