Restausteniet en cryogene behandeling: wanneer sub-zero loont

Hoogkoolstof- en hooggelegeerde staalsoorten houden na afschrikken wat ongetransformeerd austeniet vast, en dat kan later maat en hardheid veranderen. Deze gids legt restausteniet uit, hoe sub-zero- en cryogene behandelingen het verwijderen, en wanneer de kosten gerechtvaardigd zijn.

Wat restausteniet is

Afschrikken transformeert austeniet naar martensiet tussen de martensietstart- (Ms) en martensietfinish- (Mf) temperaturen. In ongelegeerde laagkoolstofstaalsoorten ligt Mf boven kamertemperatuur en voltooit de transformatie zich. In hoogkoolstof- en hooggelegeerde staalsoorten — gereedschapsstaal, carboneerkwaliteiten, lagerstaal — drukken koolstof- en legeringsgehalte Ms en Mf omlaag, en transformeert een fractie van het austeniet eenvoudigweg nooit: restausteniet, een zachte fase gemengd in de geharde structuur.

Hoeveelheden variëren sterk met kwaliteit en austenitiseerpraktijk; cijfers van enkele procenten tot ongeveer 20–30% worden gemeld in hooggelegeerde gereedschapsstaalsoorten die vanaf de bovenkant van hun temperatuurbereik zijn gehard.

Waarom het ertoe doet

Hardheid en slijtage: restausteniet is zachter dan martensiet, dus overmatige hoeveelheden kosten hardheid en prestaties op het gebied van contactvermoeiing (lagerstaalsoorten worden om deze reden strak gespecificeerd).
Maatvastheid: restausteniet is metastabiel. Het kan later transformeren — onder spanning, slijpwarmte of temperatuurverandering — en de transformatie expandeert het onderdeel. Meters, precisiematrijzen en lagercomponenten die in dienst uit tolerantie driften, zijn het klassieke symptoom.
Het is niet allemaal slecht: een kleine, gecontroleerde hoeveelheid kan taaiheid en rolcontactgedrag ten goede komen, en ontlaten alleen zet er veel van om (zie hieronder).

De remedies, op volgorde

Ontlaten. Een goed gekozen ontlaten (en voor gereedschapsstaal een tweede ontlaten) ontleedt restausteniet en ontlaat het resulterende verse martensiet. Voor veel gereedschappen is dit voldoende en is geen koudebehandeling nodig.
Sub-zero-behandeling — het vers afgeschrikte onderdeel afkoelen tot ongeveer −70 tot −85 °C (bereik van droogijs of mechanische koeling) en kort houden, waardoor de transformatie dichter naar Mf wordt gedreven. Veelgebruikt voor lager- en gecarboneerde componenten.
Diepe cryogene behandeling — afkoelen tot vloeibare-stikstoftemperaturen, rond −196 °C, met langzame gecontroleerde afkoeling en opwarming, doorgaans vele uren gehouden en altijd gevolgd door ontlaten. Naast het voltooien van de austeniettransformatie wordt van diepe cryo beweerd dat het zeer fijne carbideprecipitatie in gereedschapsstaal bevordert; het voordeel voor maatvastheid is goed vastgesteld, terwijl de omvang van het voordeel voor slijtagelevensduur per kwaliteit en studie varieert.

Volgorderegels die succes bepalen

Behandel onmiddellijk na afschrikken — uitgestelde onderdelen kunnen het austeniet stabiliseren, en gespannen onderdelen kunnen scheuren als ze in afgeschrikte toestand blijven liggen.
Koel en warm geleidelijk; dunne doorsneden en complexe matrijzen zijn in beide richtingen gevoelig voor thermische schokken.
Altijd daarna ontlaten. Vers martensiet dat in de kou is gevormd, is ongetemperd en bros; een cryocyclus die eindigt bij kamertemperatuur zonder ontlaten heeft het onderdeel slechter gemaakt.

Wanneer het loont

Sub-zero- of cryobehandeling verdient haar kosten bij: precisiemeters en meesters, hoogwaardige snij- en vormgereedschappen, lagercomponenten met strikte restaustenietlimieten, en matrijzen waarvan de toleranties geen groei in dienst kunnen absorberen. Voor algemene machineonderdelen in middelkoolstofstaalsoorten — die om te beginnen weinig austeniet vasthouden — voegt het kosten toe zonder een mechanisme om die terug te verdienen.