Teräsrenki Oy:n etusivulle   lähetä sähköposti
           

Johdatus
superseosten
lämpökäsittelyyn

www.terasrenki.com
Parhaimmat puukkomateriaalit
ja paljon muuta!
Teräsrenki Oy logo
 
Muutama uusi asia...
 
           Perusasiat   Päästöalue   Sitkeys
           1. Esilämmitys   Karkaisulämpötila    
           2. Pitoaika   3. Sammutus   Liikuttelu  
           4. Jäännösausteniitin poisto   5. Päästö   Esimerkki  
 

Alla on vain lyhyt yhteenveto aiheesta. Alan oppikirjoista on saatavissa yk-
sityiskohtaisempi kuvaus ja syvempi johdatus alan termeihin. Asia voidaan
ymmärtää ilman erikoissanoja, ja tämä yhteenveto pyrkii siihen.

Lämpökäsittelyn perusta
Teräksen karkeneminen kovaksi edellyttää hiilen lisäämistä teräkseen.
Korkeassa kuumuudessa raudan kiderakenne löystyy, ja hiiltä pääsee
'uimaan' raudan kiderakenteen sekaan. Teknisemmin ilmaistuna, hiilikar-
bidit liukenevat ja joku määrä karbidin hiilimäärästä yhtyy raudan raken-
teeseen.

Jos kuuman raudan annetaan jäähtyä hitaasti, niin hiili poistuu raudan
rakenteesta ja se ryhmittyy uudelleen karbideiksi. Raudan kiderakenne
sulkeutuu, ja kuumennettu kappale palaa takaisin pehmeään tilaan.

Karkaisun juju on siinä, että hiilen ei anneta poistua raudan rakenteesta,
kun se on saatu sinne ujutettua. Rauta pakotetaan pitämään hiiltä kide-
rakenteensa sisällä. Tässä onnistutaan, kun kappale jäähdytetään hyvin
nopeasti (=sammutetaan). Rauta muuttuu teräkseksi.
Jos kappale mitataan karkaisun jälkeen, niin huomataan kappleen mitto-
jen (vähän) kasvaneen. Se on ymmärrettävää, sillä raudan kiderakenne
on 'pullistuneessa' tilassa koska sen sisälle on pakotettu hiiltä. Tätä ko-
vaa ja pakotettua raudan olomuotoa kutsutaan martensiittiseksi.

Raudan kiderakenne pystyy vastaanottaman vain rajallisen määrän hiiltä.
Tämä raja on noin 0.85% hiiltä. Jos hiiltä on enemmän, niin ylimenevä
osa pysyy yhdistyneenä rautakarbideissa (tai seosainekarbideissa).
Nämä karbidit ovat ympäröivää rautaa kovempia ja lisäävät terän kulutus-
kestävyyttä.

Mikä on alkutilanne, ennen karkaisua? Teräksen valmistusvaiheessa
pataan' sekoitettu hiili muodostaa yhdisteen raudan kanssa. Tämä tapah-
tuu, kun sula rauta jäähtyy. Siitä tulee rautakarbidi.
Karkaisun tavoite on ujuttaa karbidiin sitoutunut hiili takaisin raudan sisäl-
le ilman että kappale sulatetaan. Sulaneella puukonterällä ei tee mitään.

Seosaineiden vaikutus
Kun seosaineita lisätään 'pataan', tapahtuu ylläkuvattu hiilen yhdistymi-
nen seosaineisiin. Näin muodostuu esim. vanadiini- ja molybdeenikarbi-
deja. Ne ovat huomattavasti rautakarbideja kovempia, ja ne luovuttavat
niihin sitoutunutta hiiltä kitsaammin raudan kiderakenteeseen. Tarvitaan
korkea lämpötila ja pitkä pitoaika.

Tämä 'vaikeus' on käännetty materiaalin eduksi: lämpötilan korkeutta sää-
tämällä voidaan vaikuttaa siihen kuinka paljon hiiltä pääsee 'uimaan' rau-
dan kiderakenteen sisälle. Kun halutaan sitkeämpi kappale, käytetään
matalampaa lämpötilaa. Ja kun halutaan kovempaa ainetta, niin annetaan
enemmän hiiltä siirtyä karbideista raudan kiderakenteeseen.

Kun suurempi osa hiilestä siirtyy raudan kiderakenteeseen, niin kulutus-
kestävyyttä lisäävien karbidien määrä laskee - osa karbideista siis hajoaa.
Seostetuissa teräksissä tällä ei ole käytännön merkitystä, sillä seosaine-
ja hiilipitoisuudet ovat niin korkeita, että karbideja jää kappaleeseen yllin-
kyllin. Uusia karbideja syntyy vähän lisää teräksen päästössä.

Käytännön merkitystä karbidien määrällä on hiomisessa ja terän terävyy-
den kestossa. Pehmeässä tilassa superseoksessa on paljon kovia karbi-
deja, joten terän hiominen on vaikeampaa. Kun superseos karkaistaan,
materiaali kovien karbidien ympärillä muuttuu kovaksi ja hiominen vaikeu-
tuu edelleen. - Mutta sehän on puukonterän tarkoitus: kestää äärimmäistä
rasitusta kulumatta ja rikkoutumatta.

Päästöalue ja käyrän muoto
Tavallisilla hiiliteräksillä on melko suoraviivainen (lineaarinen) suhde pääs- tölämpötilan ja ja kappaleen HRC kovuuden välillä. Tämä sama suhde löy-
tyy myös monesta matalasti seostetusta teräksestä.

Alla olevassa kuviossa on vasemmalla tällainen teräs. Sen päästö sopi-
vaan kovuuteen tehdään A -kirjaimella merkityllä alueella - 'liukumäessä'.
Päästölämpötilat ovat melko matalia.

päästökäyrämmuoto

Uusi superseos on oikealla. Sen käyrä on 'satulan' muotoinen. Se on hy-
vin samankaltainen kuin pikaterästen käyrät. Lämpökäsittely tehdään joko
alueella B tai C - seoksesta riippuen.

Ruostumattomille seoksille suositellaan yleensä aluetta B, koska korkeat
lämpötilat vähentävät ruostumattomien terästen sitkeyttä ja ruostumatto-
muutta - ts. niiden korrosionkesto heikkenee. Poikkeuksia löytyy: jotkut
ruostumattomat seokset suositellaan päästettäväksi alueella C.

Kuviosta on pääteltävissä, että onnistunut lämpökäsittely alueella C edel-
lyttää tarkkaa lämpötilakontrollia. Teräsrengin arvio riittävästä tarkkuudes-
ta: lämpötilan olisi pysyttävä vakaana vähintään 20 C asteen tarkkuudella.

B -alueen alaraja on n. 150 C ja yläraja n. 420 Celsius asteessa. C -alu-
een alaraja on 510 - 540 C ja sen yläraja on 590 - 620 C astetta, seok-
sesta riippuen.

Teräksen sitkeys
Tavallisissa teräksissä teräksen sitkeys on käänteisessä suhteessa te-
räksen HRC kovuuteen: mitä matalampi kovuus, sitä sitkeämpi teräs.
'Teräs 1' on tällainen teräs alla olevassa kuviossa.

Teräksen seostamisella voidaan huomattavasti parantaa teräksen sitkeys-
ominaisuuksia. Tämä huomataan vertaamalla 'teräs 1:tä' ja 'teräs 2:ta'
keskenään. Sitkeys on yhä sidoksissa teräksen HRC kovuuteen -päästö-
lämpötilan kautta- mutta se ei kasva samalla tavalla suoralinjaisesti.
'Teräs 2:lla' on melko tasainen sitkeys: vaikka kappaleen kovuutta vaih-
detaan, se pysyy sitkeänä - toisin kuin 'teräs 1'. Seostetun teräksen sit-
keys vaihtelee seoksen mukaan. Niinpä käyriä on hyvin monen muo-
toisia.
sitkeyskäyrien muoto


Yllä olevassa kuviossa oikealla esitetään erään pikateräksen ominaisuu-
ksia: 'teräs 3'. Tämä teräslaatu on tarkoitettu kestämään rasitusta kor-
keissa lämpötiloissa. Sen päästölämpötila on siksi huomattavan kor-
kea: noin 590 C.

Edellisiin verrattuna sen ero on, että päästölämpötilat ylittävät 500 C as-
tetta. Kuvio kertoo myös sen, että noin 45 C asteen korotus karkaisuläm-
pötilassa muuttaa teräksen ominaisuuksia ratkaisevasti.
Korkeammassa karkaisulämpötilassa teräs tulee kovemmaksi ja sen ku-
lutuskestävyys kasvaa. Tämä johtuu siitä, että korkeammassa lämpöti-
lassa suurempi määrä seosaineiden karbideja sekoittuu tasaisemmin te-
räkseen. Teräksen sitkeys (punainen viiva) on tällöin huomattavasti saavu-
tettavissa olevaa maksimia huonompi.

Kun teräs karkaistaan matalammassa lämpötilassa (keltainen viiva), sen
sitkeys on hyvin korkea. Kun kappaleelta vaaditaan sitkeyttä, niin käyte-
tään matalan karkaisulämpötilan ja sopivan päästölämpötilan yhdistel-
mää. Tämä periaate pätee myös superseoksiin.

Mutta ennen kuin voidaan päästää terästä, on se lämmitettävä huolel-
lisesti.


1. vaihe: Superseoksen esilämmitys
Takomisen ja muun voimakkaan muotoilun jälkeen on kappaleesta pois-
tettava jännitteet. Samoin on tehtävä ennen ennen uudelleen karkaisua.
Se tehdään hehkutuksessa.
Hehkutuksessa kappale lämmitetään n. 790 - 1040 C lämpötilaan, seok-
sesta riippuen, ja annetaan jäähtyä hitaasti ohjeen mukaan. Sen jälkeen
aloitetaan kappaleen esilämmitys karkaisua varten.

Esilämmitys korjaa seuraavia terästen piirteitä:
- Korkeasti seostetut teräkset ovat herkkiä nopeille lämpötilan muutok-
   sille. Lämmetessään ne laajenevat.
- Teräksen mitat (=tilavuus) muuttuvat, kun se ylittää kriittisen lämpötilan.
   Teräs pienenee. Siitä seuraa jännityksiä kappaleeseen, jos kappale on
   lämmennyt epätasaisesti.
- Liian pitkä aika karkaisulämpötilassa kasvattaa kidekokoa. Jos esiläm-
   mitys tehdään lähelle karkaisulämpötilaa, voidaan vähän alentaa kappa-
   leen pitoaikaa itse karkaisulämpötilassa. Korkeissa lämpötiloissa teräs
   johtaa lämpöä nopeammin.

'Kriittinen lämpötila' on se lämpötila, jossa teräksen rakenne alkaa muut-
tua (ferrittisestä austeniittiseksi). Se on noin 800 - 870 C astetta seokses-
ta riippuen. Sen kirjainlyhenne on Ac1 tai A1. (Huom. Pehmeä ja kylmä
teräs -eli teräs hehkutuksen jälkeen- on ferriittisessä tilassa.)
Hyvin nopea lämmitys voi johtaa tilanteeseen, jossa kappaleen (kylmempi)
ydin laajenee ja kuumempi ulkopinta supistuu (kun teräs muuttuu ferritti-
sestä austeniittiseksi). Se voi johtaa kappaleen rikkoutumiseen.

Esilämmityksen yleisohje on, että kappale esilämmitetään juuri alle kriit-
tisen pisteen. Sopiva lämpötila on 660 - 770 C jollei materiaalin kriittistä
lämpötilaa tunneta tai ellei erityisiä ohjeita ole käytettävissä.
Toinen tapa on esilämmittää kappale juuri yli kriittisen pisteen lämpöti-
lassa. Silloin teräksen rakenteen (ensimmäinen) muutos tapahtuu hitaasti
pitkän esilämmitysajan takia. Sopiva lämpötila on 815 - 880 C astetta,
materiaalista riippuen. - Tätä menettelyä käytetään nopeutetussa esiläm-
mityksessä
. Silloin pitää huolehtia siitä, että esilämmityslämpötila ei ole
liian korkea vaan ainoastaan vähän yli teräksen kriittisen pisteen.

Erittäin vaativiin töihin käytetään edellä kuvattuja askelia yhdessä: Ensin
kappale esilämmitetään juuri alle kriittisen pisteen lämpötilaan. Sitten se
esilämmitetään juuri sen ylittävässä lämpötilassa. Vaikeissa tapauksissa
lämmön nousu saisi olla korkeintaan n. 230 C astetta tunnissa.

Kun kappaleen karkaisulämpötila lähestyy 1100 astetta tai ylittää sen,
suositellaan käytettäväksi toista (tai kolmatta) esilämmitystä. Se voidaan
tehdä n. 50 - 100 C astetta karkaisulämpötilaa alempana.

Karkaisulämpötilan valinta
Superseosten kohdalla on kiinnitettävä huomiota karkaisulämpötilaan.
Sillä voidaan säädellä kappaleen lopullista kovuutta. Säätäminen on niin
helppoa, että joskus kovuuden säätämistä päästössä ei käsitellä ollen-
kaan. Se yksinkertaistaa eräiden tuotteiden teollista valmistamista. Sille
on taloudelliset perusteet.
Toinen syy sille, että päästölämpötilalla säädetään vähemmän kappaleen
kovuutta johtuu jäädytyskäsittelyn vaikutuksesta. Joidenkin metallien
'päästökäyristä' tulee (jäädytyksen jälkeen) lähes vaakasuoria alle 500 C
asteen päästölämpötiloille.
Teräsrenki toimittaa huippumateriaaleja mestaripuukkosepille. Pidämme
tärkeänä, että puukontekijä pääsee säätämään materiaalia myös päästö-
vaiheessa. Kun mestari ottaa kaiken irti teräksestä, hänellä on kaksi (tai
kolme) säätömahdollisuutta:

1) Ensin asetetaan teräksen sitkeys oikeaan suhteeseen terän kulutus-
   kestävyyden kanssa. Tämä tehdään karkaisulämpötilaa korottamalla
   tai laskemalla. Korkeampi lämpötila tuottaa kovemman ja enemmän
   kulutusta kestävän terän.
2) Toinen säätäminen tapahtuu päästövaiheessa. Päästölämpötilalla ase-
   tetaan terän kovuus paikoilleen.
3) Mahdollinen kolmas säätäminen tehdään jäädyttämisellä. Sillä vakau-
   tetaan terä, ja lisätään terän kovuutta tarvittaessa 1-3 HRC yksikköä.
   Lue lisää. Käytännössä jäädyttäminen tapahtuu ennen päästöä.

Säätäminen karkaisussa ja päästössä
Onko kovuuden säätäminen karkaisulämpötilalla sama vai eri asia kuin
sen säätäminen päästölämpötilalla? Ne ovat eri asioita, vaikka johtavat
samaan lopputulokseen - eri kovuiseen terään.

Yllä olevassa kuviossa 'teräs 3' edustaa terästä, jonka kovuutta on sää-
detty karkaisulämpötilalla. Kuviosta nähdään, että kaikilla päästölämpö-
tiloilla kovaksi karkaistun teräksen (punainen viiva) sitkeys on paljon mata-
lampi kuin matalassa lämpötilassa karkaistun saman teräksen (keltainen
viiva). Teräkset ovat siis hyvin erilaisia jo karkaisun jälkeen - ennen kuin
ne menevät päästettäväksi. Eroja ei voi korjata päästössä.

Selitys on se, että korkeassa karkaisulämpötilassa suurempi määrä seos-
aineiden karbideja sekoittuu rautaan. Se tekee teräksen kovemmaksi, enemmän kulutusta kestäväksi mutta hauraammaksi. Puukkojen teräs
säädetään pääsääntöisesti sitkeäksi tai sitkeyden ja kovuuden kompro-
missiin. Päästössä asetetaan terän kovuus kohdalleen.


2. vaihe: Pitoaika ja korkea lämpötila
Hiiliteräksissä vain rautakarbidien hiilen tarvitsee siirtyä raudan kideraken-
teeseen. Se tapahtuu suhteellisen helposti, nopeasti ja matalassa lämpö-
tilassa. Tämän takia hiiliteräksen ja useiden matalasti seostettujen teräs-
ten pitoajat ovat suhteellisen lyhyitä - vain muutamia minuutteja.

Korkeasti seostetuissa teräksissä hiilen siirtyminen raudan osaksi on
vaikeampaa kuin hiiliteräksillä, koska seosainekarbidit vapauttavat hiiltä
korkeammissa lämpötiloissa. Tyypilliset pitoajat voivat olla 30 minuuttia.

Superseoksissa käytettävä vanadiini tarvitsee hyvin korkean lämpötilan
vapauttaakseen hiiltä raudan kiderakenteeseen. Tämän takia superseok-
sia karkaistaan lähinnä kahdella tavalla:
1) korkea lämpötila ja hyvin pitkä pitoaika (jopa yli 45 minuuttia) tai
2) vielä korkeampi lämpötila ja lyhyt pitoaika - n. 5 - 15 minuuttia.

Käytettiinpä pitkää tai lyhyttä pitoaikaa, on ensiarvoisen tärkeää kyetä
säätämään lämpötila juuri halutun suuruiseksi. Tasainen tuotantolaatu
edellyttää lämpötilan säätämistä alle 20 C asteen tarkkuudella.
Superseosten pitoaikoja ei voi lyhentää samalla tavoin kuin matalasti
seostettujen terästen kohdalla (vaikka kappale olisi pieni).Tämä asia vain
korostaa tarvetta tarkkaan lämpötilan hallintaan.

Yleensä superseokset käyttäytyvät siten, että korkeampi karkaisulämpö-
tila tuottaa kovemman, ja enemmän kulutusta kestävän terän. Tällöin
enemmän vanadiinikarbideihin sitoutunutta hiiltä vapautuu ja pääsee aset-
tumaan teräksen rakenteeseen. Tämä kovuus tulee esille vasta jäännös-
austeniitin
poistamisen jälkeen.

Seuraavassa joitakin karkaisulämpötiloja. Ne pitää suhteuttaa pitoaikaan:
alemmassa lämpötilassa pidetään pitkä aika (esim 45 min) ja korkeam-
massa lyhyt aika (esim. 5 min). 1060 - 1180 C; 1025 - 1180 C ja
1180 - 1230 C eräälle kobolttipitoiselle teräkselle. Melkein superseoksen,
ATS-34:n lämpötilaväli on alhainen: vain n. 1010 - 1090 C astetta.

Lämpötilan tärkeä merkitys

Onnistunut karkaisulämmitys koostuu lämpötilasta ja pitoajasta. Näistä
lämpötila on tärkeämpi. Sen ylittäminen aiheuttaa suuremmat vauriot kap-
paleelle kuin liian pitkä pitoaika. Seuraus on nopea kidekoon kasvami-
nen, jopa teräksen sulaminen.

Alla olevassa taulukossa esitetään erään korkeasti seostetun pikateräk-
sen kidekoon ja kovuuden muutoksen lämpötilan kasvaessa. Teräslaa-
dulle suositeltu lämpökäsittelyalue on merkitty vihreällä. Vaaleanvihreällä
esitetään karkaisulämpötila (1204 C) jota suositellaan käytettäväksi, kun
halutan sitkeä lopputulos.
Punaisella esitetään 28 C astetta korkeampi karkaisulämpötila (1232 C)
jota suositellaan käytettäväksi, kun halutan kova ja kulutuskestävä loppu-
tulos.

Taulukon mukaan vain 14 C asteen nostaminen yli suositellun lämpötilan
aiheuttaa merkittävän kidekoon kasvamisen. Kovaa lopputulosta tavoitel-
lessa on pientä eroa kidekoossa jo nähtävissä.

               
  Lämpötilan nostamisen vaikutus
(1093 - 1246 C, pitoaika 3 min)
lämpötila
C astetta
1093 1121 1149 1177 1204 1232 1246
kide-
koko
14 14.5 14 14.5 14 12 9.5
HRC
kovuus
60 61.5 63 64.5 65 65.5 65
huom. liian al-
hainen
lämpö-
tila
muita suositeltuja
karkaisulämpötiloja,
joilla saadaan sitkeä
kappale. (väli 28 C)
'sitkeä'
karkai-
suläm-
'kova'
karkai-
suläm-
vain 14
C as-
teen
lisäys
               


Pitoajan merkitys
Korkeammilla lämpötiloilla tarvitaan yleensä lyhyempää pitoaikaa. Mutta
kuinka herkkä teräs on liian pitkälle pitoajalle, jos lämpötila ei ole liian
korkea (ja on juuri sillä rajalla, että olisi haitallisen korkea). Alla oleva
taulukko kuvaa tällaista tilannetta. Siinä kappaletta pidetään pitkään kor-
keassa lämpötilassa, jossa ei (yllä olevan taulukon mukaan) tapahdu kui-
tenkaan kidekoon kasvua.

Taulukko kertoo, että oikeaa lämpötilaa käytettäessä suurempi epäonnis-
tumisen mahdollisuus tulee liian lyhyestä pitoajasta kuin liian pitkästä.

               
  Pitoajan lisäämisen vaikutus
(korkein sitkeyttä tavoitteleva lämpötila, 1204 C)
pitoaika
minuuttia
1 3 6 12 15 18 30
kide-
koko
17 14 14 13.5 14.5 13.5 13.5
HRC
kovuus
62.5 64.5 64.5 65 65 65.5 65
huom. liian
lyhyt
aika
pitoajat 3 - 30 minuuttia tuottavat
hyväksyttävän lopputuloksen.
vrt. yllä: 3 minuuttia oli 'oikea aika'.
               



3. vaihe: Sammutus
Superseoksesta valmistetun kappaleen sammuttaminen on tehtävä aluksi
nopeasti, ja sen jälkeen hitaammin.

Nopea alku
- lyhyt aika saa aikaan muutoksia
Sammutuksen tärkein vaihe on heti sen alussa: kappaleen lämpötila on
saatava laskemaan nopeasti noin 980 C ja n. 650 C asteen välisellä alu-
eella - seoksen mukaan. Kun tässä onnistutaan, kappale karkenee tar-
peeksi kovaksi ja sitkeäksi. Teräs on parhaimmillaan.

Nopea sammutus lisää monimuotoisten kappaleiden riskiä vaurioitua tai
muuttaa muotoa sammutuksessa. Sammutuksen toteutukseen on kiinni-
tettävä huomiota tai hidastettava jäähtymisnopeutta. - Nopea alku luo
oikeat olosuhteet teräksen seuraavalle sisäisen rakenteen muutokselle.
Se tapahtuu sammutuksen hitaassa vaiheessa.

Öljy: Yksittäiskappaleiden kohdalla on helpointa sammuttaa kappale
öljyyn. Kappale otetaan pois öljystä, kun sen lämpötila on laskenut noin
430 C asteeseen tai hiukan sen alle. Tätä kutsutaan 'mustaksi sammut-
tamiseksi', koska kappale ei ole enää mainitussa lämpötilassa punainen
vaan musta. Tämä on portaittainen sammutus öljyyn eli etappikarkaisu.
Öljyyn tehty etappikarkaisu on ympäristöystävällisempi kuin suolaan tehty etappikarkaisu.

Suola: Eräs tehokkaimmista tavoista on suolaan sammuttaminen, koska
suola johtaa lämpöä tehokkaasti. Kuuma suola lämmitetään n. 500 - 570 C
asteiseksi. Kappale upotetaan suolaan ja annetaan lämmön teräksessä
tasaantua. Puukon terälle sopiva aika on muutamia minuutteja. Sen jäl-
keen kappaleen annetaan jäähtyä hitaasti ilmassa.
Suolakarkaisu jättää kappaleen pintaan tahran, joka on poistettava.

Tyhjiöuuni pitää kappaleen pinnan puhtainpana. Jotkut superseokset tar-
vitsevat niin nopean alkusammutuksen, että typpikaasulla suoritettu sam-
mutus voi olla liian hidasta nykyisillä laitteilla.

Hidas jatko - lämpötila saa aikaan muutoksia
Teräs alkaa muuttaa rakennettaan vasta alle 370 C asteen lämpötilassa.
Teräs muuttuu kovaksi, kuten karkaisun tarkoitus oli. Teknisesti ilmais-
tuna se muuttuu austeniittisesta olomuodosta martensiittiseksi. Marten-
siittinen teräs on karkaistua terästä, ja austeniittinen teräs on 'välivaihe'
muoto, joka saatiin aikaan lämmittämällä terästä yli kriittisen lämpötilan.
Korkeasti seostetuissa -ja superseoksissa- austeniittinen 'välivaihe' teräs
ei häviä kokonaan sammutuksessa. Sen poistoon käytetään useita kei-
noja, joista alla lisää.

Suurimmalla osalla teräksiä teräksen muuttuminen kovaksi (=martensiit-
tiseksi rakenteeksi) tapahtuu 315 - 90 C asteen välillä. Tämän rakenne-
muutoksen aikana kappale laajenee. Se laajenee suuremmaksi kuin se
oli ennen lämmityksen aloittamista. - Lämpötilaa, jossa terässeos aloit-
taa muutoksen, merkitään kirjainlyhenteellä 'Ms', jossa s=start.

Tämä teräksen laajeneminen, eli sisäiset rakenteen muutokset tuovat jän-
nityksiä teräkseen. Niiden minimoimiseksi kappale jäähdytetään tässä
vaiheessa ilmassa. Ilmajäähdytys on hidas. Tämän varovaisen loppusam-
mutuksen takia sammutus keskeytettiin yllä kuvatuilla tavoilla 430 - 560 C
asteen lämmössä.

Liikuttelun- ja nesteen merkitys
Alla oleva taulukko kertoo, että suolaliuos jäähdyttää kappaletta tehok-
kaammin kuin vesi (luvut 2.0 ja 1.0 'ei sekoiteta' -rivillä). Hitaimmin kappa-
letta jäähdyttää paikallaan oleva ilma (0.02).

Sammutuksen nopeutta voidaan lisätä liikuttamalla kappaletta sammu-
tuksen aikana nesteessä tai ilmassa. Taulukon alemmilla riveillä esitetään, kuinka paljon liikuttelu nopeuttaa jäähtymistä.
Vedessä liikuttelu tehostaa jäähdytystä noin 4 kertaiseksi (luvut 1.0 ja 4),
saman verran kuin liikuttelu öljyssä (luvut 0.25 ja 1.1). Öljy jäähdyttää kui-
tenkin paljon hitaammin: vaikka kappaletta liikuteltaisiin agressiivisesti
öljyssä, niin se jäähtyisi vain samalla tavalla kuin veteen upotettu kappale
ilman liikuttelua (luvut 0.8 - 1.1 ja 1.0). Öljyllä on muita etuja kuin nopeus:
lyhyt höyrykerroksen kesto eri lämpötiloissa, ks. alla.

Suolaliuoksessa jäähtyminen tehostuu 2.5 kertaisesti, kun kappaletta liikutetaan sammutuksen aikana aggressiivisesti.

               
Liikuttelun merkitys
suhteellinen vaikutus eri nesteissä (vesi ei sekoiteta = 1.0)
  sekoittamisen
määrä:
suola-
liuos
lämmin
öljy
vesi ilma  
  ei sekoiteta 2.0 0.25-
0.3
1.0 0.02  
  vähäinen 2-
2.2
0.3-
0.35
1.1 -  
  voimakas - 0.5-
0.8
1.6-
2
-  
  agressiivinen 5 0.8-
1.1
4 0.25  
               
Suhteellisesti eniten liikuttelu vaikuttaa lopputulokseen silloin, kun kap-
pale jäähdytetään ilmassa. Paikallaan olevan ilman (0.02) ja tuulisen pai-
kan (0.25) ero kappaleen jäähtymiseen on merkittävä, noin 12 kertainen
(0.02 / 0.25).
Tällä on todella merkitystä. Kun tuulee, niin tuulen puoleinen kappaleen
puoli jäähtyy huomattavasti nopeammin kuin toinen (suojassa oleva) puoli.
Se aiheuttaa jännityksiä kappaleeseen.


Höyrykerroksen vähentäminen
Kun kuuma teräs upotetaan nesteeseen, muodostuu teräksen pintaan
höyrykerros. Höyrykerros toimii lämmöneristeenä teräksen ja nesteen
välissä. Nopean sammutuksen kannalta se on haitallista.

Höyrykerroksen vaikutusta voidaan vähentää liikuttamalla kappaletta nes-
teessä. Edellisessä taulukossa esitettiin liikuttelulla saatava hyöty. Alla
olevassa taulukossa kerrotaan, kuinka kauan höyrykerros kestää eri nes-
teissä eri lämpötilojen mukaan luokiteltuna.

Lyhimmän aikaa höyrykerros vaivaa suolaliuosta käytettäessä, mutta etu
katoaa kun nesteen lämpötilaa nostetaan. Yli 70 C asteen lämpötiloissa
öljy on paras karkaisuneste. Tilanne muuttuu jälleen yli 200 C asteessa,
jolloin suolakylpy on tehokkain (ei näy taulukossa). - Saippuaa lisäämällä
saadaan sammutusta hidastettua.
               
  Höyrykerroksen kesto
eri nesteissä, eri lämpötilossa: sekuntia
lämpötila
C astetta:
25 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C
suolaliuos, 24% 0.25 0.55 1 2 4 7
öljy 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5 5.5
vesi 2 3 4 6 8 12
saippua, 2% 10 12 14 16 20 -
               

Suolaliuoksella tarkoitetaan tässä kahta eri asiaa: alle 100 C asteinen
suolaliuos on tavallista suolaa sekoitettunen veteen. Se on esitetty yllä
olevassa taulukossa. Se ei ole myrkyllistä.
Korkeassa lämmössä käytettävällä karkaissusuolalla on eri koostumus.
Sitä ei sekoiteta veteen ja se on haitallista terveydelle.


4. vaihe: Jäännösausteniitin poistaminen
Superseoksissa jäännösausteniitin määrä on suuri. Tämä tarkoittaa, että
sammutuksen jälkeen teräksen sisäinen rakenne ei ole kokonaan muut-
tunut kovaan tilaan (martensiittiseksi). Osa siitä on vielä liian pehmeässä
tilassa.

Tämä ilmiö esiintyy kaikilla karkenevilla teräksillä. Sen esiintymistä lisää:
   - seosaineet ja koostumus,
   - hyvin korkea karkaisulämpötila,
   - pitkät pitoajat,
   - sammutuksen keskeytys ja
   - korkea hiilimäärä.
Nämä kaikki tekijät esiintyvät korostetusti juuri superseoksilla.

Jotkut superseokset ovat sammutuksen jälkeen sitä pehmeämpiä, mitä
korkeammassa lämpötilassa ne on karkaistu. Tämä voi vaikuttaa oudolta,
sillä yllä esitetyn yleisohjeen (ja tapahtumakuvauksen) mukaan super-
seoksesta tulee sitä kovempi, mitä korkeammassa lämpötilassa se kar-
kaistaan.
Asian yksinkertainen selitys on jäännösausteniitin määrä. Sen määrä
kasvaa korkeamman karkaisulämpötilan takia ja sammutuksen jälkeen
sitä on kappaleessa enemmän. Tämä näkyy alhaisempana HRC kovuu-
tena. Nyt on helppo ymmärtää, miksi jäännösausteniitin poistaminen on
niin tärkeä asia.

Perinteinen ratkaisu on 'nytkyttää' terästä yhä lähemmäs täysin kovaa
tilaa -jossa ei enää ole jäljellä austeniittista teräksen olomuotoa. Nytkyt-
täminen tehdään usealla peräkkäisellä päästöllä korkeassa lämpötilas-
sa: n. 400 - 600 C.
Päästölämpötila joudutaan valitsemaan siten, että se on riittävän korkea
'poistamaan' jäännösausteniittia. Samalla lämpötilan on oltava sellainen,
että terän kovuus asettuu halutulle tasolle. Tämä johtaa usein siihen,
että kerralla koko jäännösausteniitin 'poistavaa' korkeaa lämpötilaa ei
voida käyttää. Ensimmäinen päästö 'poistaa' siitä suurimman osan, seu-
raava 'poistaa' osan vielä jäljelle jääneestä jne. Jäännösausteniittia siis
'nytkytetään' pois. Päästämisessä käytetään pitkiä pitoaikoja.

Tarkemmin esitettynä: austeniitti ei 'poistu' teräksestä sen lämmitysvai-
heessa, vaan jäähdytysvaiheessa. Jokaisen päästön jälkeinen jäähtymis-
vaihe yllä kerrotulla lämpötilavälillä muuttaa osan jäännösausteniitista
kovaksi teräkseksi (martensiittiseksi). Tämä tieto on avannut mahdolli-
suuden lähestyä ongelmaa toisesta näkökulmasta, ja asialle on löydetty
toinen ratkaisutapa.

Jäädytyskäsittely
Näkemyksen keskeinen oivallus on, että lämpötila ei laske tarpeeksi alas.
Huoneen lämpötila (+ 20 C) on liian korkea teräkselle. Teräs ei asetu va-
kaaseen tilaan sammutuksen jälkeen eli se ei stabiloidu. Tämä epäva-
kaus tarkoittaa kesken jäänyttä muuttumista kuumasta tilasta (austenii-
tista) kovaan, kylmään ja vakaaseen tilaan (martensiittinen).
   Huom. teoreettisesta näkökulmasta katsottuna pidetään martensiittista
   olotilaa epävakaana. - Tässä katsotaan asiaa puukontekijän kannalta:
   martensiittinen tila on vakaa, kun muunnos pehmeästä tilasta on saatet-
   tu loppuun ja kovan tilan sisäiset jännitteet on purettu päästössä. Tuote
   toimitetaan asiakkaalle vakaassa tilassa.

Ratkaisu on helppo: jäädytetään teräs niin alhaiseen lämpötilaan, että
tämä muuttumisprosessi kulkee tiensä loppuun saakka. Lopputuloksena
on vakaa puukonterä, joka säilyttää ominaisuutensa erinomaisesti.

Tilanne tulee helposti eteen superseosten lämpökäsittelyssä: esimerkik-
si karkaisulämpötilan korkeudella on käänteinen yhteys siihen lämpöti-
laan, joka tarvitaan (ruostumattoman)teräksen saamiseksi vakaaseen eli
kovaan tilaan. Mitä korkeampi karkaisulämpötila, sitä matalampi lämpö-
tila tarvitaan. Tarvittava lämpötila vaihtelee seoksen mukaan.

Jäädytyksessä pätevät samat asiat kuin teräksen kuumentamisessa.
Superseokset ovat herkkiä nopeille (suurille) lämpötilan muutoksille.
Yleisin ohje jäädytyskäsittelylle on tehdä se välittömästi sammutuksen
jälkeen, kun kappale on jäähtynyt noin 50 - 65 C asteeseen. Suositeltava
kylmyys on noin miinus 75 C astetta ja pitoaika 1 tunti. Eräs valmistaja
suosittelee ajaksi 3 - 4 tuntia, mutta enemmistö on 1 tunnin kannalla.
Asiaa voi ajatella 'lämpökäsittelynä' pakkasessa.
Kappale otetaan pois jäädytyksestä ja annetaan lämmetä huoneenläm-
pöön. Välittömästi sen jälkeen se päästetään (kaksi tai kolme kertaa).
Tämä jäädytystapa on yleisin, mutta asettaa kappaleen suurimpaan
stressiin.

Pehmeämpiä jäähdytystapoja on useita.
1) Voidaan käyttää portaittaista jäädyttämistä: kappale jäädytetään ensin
   miinus 40 C asteeseen ja annetaan kylmyyden tasaantua. Sen jälkeen
   kappale jäädytetään miinus 120 C asteeseen tai kylmemmäksi.
2) Toinen pehmeä tapa on tehdä pieni jännitteenpoistopäästö ennen kap-
   paleen jäädyttämistä. Se poistaa kappaleesta sammutuksen jälkeisiä
   jännitteitä. Tämä pikkupäästö tehdään n. 150 C asteessa, jotta sillä ei
   olisi vaikutusta kovuuteen johon lopulta pyritään. Jäädytyksen jälkeen
   kappale päästetään ja voidaan vielä jäädyttää kerran ennen viimeistä
   päästöä.
3) Kolmas pehmeä tapa on käyttää vähempää kylmyyttä, esim. pakasti-
   men miinus 35 C astetta. Tämän tavan yhteydessä esitetään yleensä
   pitkiä jäädytysaikoja 6 - 8 tuntia tai 'yön yli'. Tämä menettely auttaa,
   mutta ei tuota samoja tuloksia kuin alhaisemmat lämpötilat. Tämä on
   lähinnä harrastelijakäytössä.
   Suomen oloihin sopiva muunnos on seuraava: odotetaan tuulta ja tuli-
   palopakkasia. Tuulen ja pakkasen yhteisvaikutus laskee lämpötilan hel-
   posti alle pakastimen lämpötilan.
Lue lisää jäädyttämisen käytöstä.

Jäädytys vai päästäminen vai kumpikin?
Korvaako jäädytys päästämisen? - Kyllä ja ei. Jäädytyksellä saadaan
teräkseen paremmat ominaisuudet kuin päästöillä 'nytkyttämällä'.

Kun teräksen rakenteen muutos tehdään jäädytyksen avulla, niin sen lo-
pullisessa (martensiittisessa) rakenteessa onenemmän hiiltä. Toiseksi,
osa jäädyttämisen aikana ('vapaana olevasta') hiilestä muuttuu takaisin
karbideiksi. Näin syntyvät karbidit ovat pienempiä kuin tavallisesti synty-
vät karbidit. Pienten karbidien muodostuminen suurempien joukkoon li-
sää teräksen tiiviyttä, tekee sen tasalaatuisemmaksi ja jopa sitkeäm-
mäksi. Vaikutus näkyy esim. parenpana kulutuskestävyytenä.
Parhaaseen lopputulokseen päästään tekemällä jäädytyksen jälkeen
yksi tai useampi päästö. Päästöjä siis tarvitaan.

Alla olevassa kuviossa esitetään jäädytyksen vaikutus erääseen moder-
niin seokseen. Tällä teräksellä toimenpiteen vaikutus on yli 3 HRC yksik-
köä. Yleensä jäädytyksellä saadaan 1 - 3 HRC yksikköä suurempi ko-
vuus. Myös teräksen muut ominaisuudet paranevat.

jäädytyskäsittelyn vaikutus


Kuviossa vihreä viiva kuvaa tavallisesti päästetyn teräksen kovuutta eri
päästölämpötiloja käytettäessä. Sininen viiva esittää saman teräksen ko-
vuuksia, kun se on jäädytetty tunniksi miinus 75 C asteeseen ennen
päästöjen tekemistä. - Huomaa superseoksen päästölämpötila: yli 515 C
astetta.

Jäädytyskäsittely parantaa ilmeisesti kaikkien karkenevien terästen omi-
naisuuksia. Valmistajat eivät julkaise vanhempia materiaaleja koskevaa
tutkimustietoa kovin hanakasti, joten tietoa on vanhemmista materiaa-
leista on saatavissa niukalti. Kun tietoja on, näyttää siltä, että jäädytys-
käsittelyn edut koskevat myös vanhempia teräksiä. Päästökäyrät olisi
piirrettävä uudelleen niiden osalta kun jäädytystä käytetään.


5. vaihe: Päästöt
Superseosten ominaisuudet tulevat esille vasta teräksen päästöjen jäl-
keen. Ne ovat siis samanlaisia kuin esimerkiksi korkeasti seostetut pika-
teräkset. Päästöjen jälkeen terästen kovuus voi kasvaa.

Päästö vähentää eniten kovan teräksen (martensiitin) jännityksiä, kun se
tehdään korkeimmassa lämpötilassa joka tuottaa halutun kovuuden.
Tämä tarkoittaa, että päästö tehdään satulamaisessa päästökäyrässä
yli 500 C asteessa. Se on alue C tässä kuviossa.

Superseoksille suositeltu päästöjen määrä on usein kolme, joskus jopa
neljä -jos jäädytyskäsittelyä ei käytetä. Se johtuu korkeasta seosaine-
määrästä ja korkeasta kovuudesta. Tavallisille korkeasti seostetuille te-
räksille sopiva päästöjen määrä on kaksi kertaa. Pitoaika on yleensä vä-
hintään 2 tuntia/ päästö.

Päästö lisää teräksen sitkeyttä. Korkeassa lämpötilassa (yli 480 C) tehty
päästö aiheuttaa päästön jäähtymisvaiheessa 'jälkikarkenemista'. Tällöin
osa jäännösausteniittia muuttuu martensiittiseksi.
Tämä on sama ilmiö kuin sammutuksen jälkeen. Se vaatii samanlaisen
käsittelyn: teräs on päästettävä uudelleen, jotta jälkikarkenemisessa syn-
tyneen kovan teräksen jännitteet häviävät. - Kuten sammututuksen jäl-
keen: teräkselle voidaan tehdä jäädytyskäsittely ennen seuraavaa pääs-
töä. Lue päästämisen yksityiskohdista lisää.


Esimerkki: Ruostumaton superseos
Alla olevassa kuviossa on erään erikoisen superseoksen päästökäyriä.
Esimerkki antaa viitteitä käytännön ratkaisuista, joita ruostumattoman
superseoksen käyttämisessä voidaan tehdä.

Kun verrataan öljyjäähdytyksen ja tyhjiöuunin typpikaasujäähdytystä (yli-
paine 4), niin huomataan eroja: 1120 C asteen lämpötilasta öljyyn sam-
mutettu kappale (vihreä viiva) on huomattavasti kovempi kuin uunissa ty-
pellä sammutettu kappale (1120 C harmaa). - Öljy sammuttaa nopeam-
min alussa, ja teräksestä tulee kovempaa.
Kun tyhjiöuunin lämpötilaa nostetaan 60 C astetta (1180 C harmaa), niin
ero öljyn hyväksi säilyy yhä.

Tämä superseos ei jäähdy tarpeeksi nopeasti tyhjiöuunissa. Tähän viittaa
alhaisempi kovuus ja erilainen käyrän muoto: vihreä käyrä on korostuneen
korkealla sammutuksen jälkeen (=0 C).

esimerkki superseoksesta


Ruostumaton teräs pyritään päästämään alhaisessa lämpötilassa, jotta
sen ruostumattomuus ei vähenisi. Tälle superseokselle esitetään korkeim-
maksi päästölämpötilaksi n. 420 C astetta. Sen ylittävissä lämpötiloissa
teräksen sitkeys laskee - ja ruostumattomuus myös.
Kun päästölämpötila lähenee 400 astetta, teräksen kovuus kasvaa. Se
johtuu jäännösausteniitin vähenemisestä. Kovuuden nousu on kuitenkin
rajallista.

Kun päästölämpötila halutaan pitää alhaisena, päästään jäännösauste-
niitista eroon jäädyttämisellä. Kuviossa on esitetty jäädytyksen vaikutus
tyhjiöuunin typpikaasusammutuksen jälkeen (1180 C, musta viiva) ja
öljyyn sammutuksen jälkeen (1150 C, sininen viiva). Ero sammutustapo-
jen välillä on vielä havaittavissa. Se on kuitenkin pienentynyt.

Tälle superseokselle jäädytys sopii hyvin. Se korjaa hienosti typpikaasu-
jäähdytyksen 'puutteet'. Se tuottaa terän, jonka kovuus säilyy hyvin.
Kun halutaan matalampia kovuuksia, valitaan matalampi karkaisulämpö-
tila - näitä käyriä ei ole piirretty yllä olevaan kuvioon.
Kun tämä materiaali jäädytetään, niin sen kovuutta voidaan säätää pääs-
tölämpötilan avulla korkeintaan 2 HRC yksikköä matalissa päästölämpö-
tiloissa. (Tämä on poikkeuksellista, yleensä säätövara on superseoksilla
suurempi.)

Lue lisää lämpökäsittelyn toteuttamiseen liittyvistä asioista.
.

Teksti ja kuviot: kaikki oikeudet   I.Arhi  2001 010306
www.terasrenki.com - Parhaimmat puukkomateriaalit ja paljon muuta!

           
Teräsrenki Oy:n etusivulle