Warmtebehandeling van metalen

Wat is warmtebehandeling van metalen?  

Hittebehandeling is een van de verschillende gecontroleerde verhittings- en koelbewerkingen die worden gebruikt om een gewenste verandering in de fysische eigenschappen van een metaal te veroorzaken.

Het doel is de structurele en fysische eigenschappen van het metaal te verbeteren voor een bepaald gebruik of voor toekomstig werk. Er zijn vijf basis warmtebehandelingsprocessen :

• de tempering
• de cementering
• de gloeien
• de normalisatie
• de terugkeer

Hoewel elk van deze processen verschillende resultaten oplevert voor het metaal, omvatten ze alle drie basisstappen:

• de verwarming
• de weken
• het koelen

Warmen – 1e stap in warmtebehandeling

Warmen is de eerste stap in een warmtebehandelingsproces. Veel legeringen veranderen van structuur bij verhitting tot specifieke temperaturen. De structuur van een legering bij kamertemperatuur kan zijn een mechanisch mengsel, een vaste oplossing, of een combinatie.

• Een mechanisch mengsel kan worden vergeleken met beton. Net zoals zand en grind zichtbaar zijn en op hun plaats worden gehouden door cement. De elementen en verbindingen van een mechanisch mengsel zijn duidelijk zichtbaar en worden bijeengehouden door een matrix van onedel metaal.
• Een vaste oplossing is wanneer twee of meer metalen in elkaar worden opgenomen en een oplossing vormen. Wanneer een legering in vaste oplossingsvorm is, worden de elementen en verbindingen die het metaal vormen in elkaar opgenomen, op dezelfde manier als zout wordt opgelost in een glas water. De afzonderlijke elementen die het metaal vormen kunnen niet worden geïdentificeerd, zelfs niet onder een microscoop.

Een metaal in de vorm van een mechanisch mengsel bij kamertemperatuur verandert bij verhitting vaak in een vaste of gedeeltelijke oplossing. Een dergelijke verandering in chemische samenstelling resulteert in een aantal voorspelbare veranderingen in korrelgrootte en structuur. Dit leidt tot de tweede stap in het warmtebehandelingsproces: inweken.

De quench – 2e fase van de warmtebehandeling

Als een metalen onderdeel verhit tot de temperatuur waarbij de gewenste veranderingen in de structuur zullen optreden, moet het op die temperatuur blijven totdat het gehele onderdeel over zijn gehele lengte gelijkmatig is verhit. Dit wordt weken genoemd.

Koelen – 3e stap van de warmtebehandeling

Als het onderdeel eenmaal goed is afgekoeld, is de derde stap het afkoelen. Ook hier kan de structuur veranderen van de ene chemische samenstelling naar de andere, hij kan hetzelfde blijven, of hij kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm. Bijvoorbeeld:

• een metaal dat na verhitting een vaste oplossing is kan tijdens het afkoelen hetzelfde blijven
• veranderen in een mechanisch mengsel
• veranderen in een combinatie van beide, afhankelijk van het soort metaal en de afkoelsnelheid.

Al deze veranderingen zijn voorspelbaar. Daarom kunnen veel metalen conform worden gemaakt met specifieke structuren om hun hardheid, dichtheid, geleidbaarheid, treksterkte, enz. te verhogen.

Warmtebehandeling van ferro-metalen

Alle warmtebehandelingen omvatten verhitting en afkoeling van metalen. De gemeenschappelijke vormen van warmtebehandeling van ferrometalen zijn afschrikken, ontlaten, gloeien, normaliseren en carboneren.

Koken

Een ferrometaal wordt gewoonlijk gehard

• door het metaal te verhitten tot de vereiste temperatuur

./strong>

• dan door het snel af te koelen door het hete metaal onder te dompelen in een afschrikmiddel, zoals olie, water of pekel.

De meeste staalsoorten moeten snel worden afgekoeld om te harden. Het hardingsproces verhoogt de hardheid en sterkte van het metaal, maar verhoogt ook de broosheid.

Het ontlaten

Staal is na het harden meestal harder dan nodig en te broos voor praktisch gebruik. Hoge interne spanningen ontstaan wanneer het metaal snel afkoelt. Na het afschrikken wordt het staal gehard om de interne spanningen op te heffen en de brosheid te verminderen.

Merching houdt in dat het metaal tot een bepaalde temperatuur wordt verhit en dan afkoelt.

De afkoelsnelheid heeft over het algemeen geen invloed op de structuur van het metaal tijdens het temperen. Daarom wordt het metaal gewoonlijk in de omgevingslucht gekoeld. De temperaturen die gebruikt worden voor het temperen zijn gewoonlijk veel lager dan de hardingstemperaturen. Hoe hoger de tempereertemperatuur, hoe zachter het metaal wordt. 

Annealing

Metalen worden gegloeid om de interne spanningen te verzachten, ze zachter te maken en de korrelstructuur te verfijnen. Het metaal wordt gegloeid:

1. door het te verwarmen tot een voorgeschreven temperatuur
2. door het op die temperatuur te houden gedurende de vereiste tijd

.

3. en dan afkoelen tot kamertemperatuur

De snelheid waarmee het metaal wordt afgekoeld vanaf de gloeitemperatuur varieert aanzienlijk. Staal moet zeer langzaam worden afgekoeld om maximale zachtheid te bereiken. Dit kan door het hete onderdeel te begraven in zand, as of een andere substantie die niet gemakkelijk warmte geleidt (bekleding), of door de oven te sluiten en de oven en het onderdeel samen te laten afkoelen (ovenkoeling).

Standaardisatie

Normale metalen worden genormaliseerd om de interne spanningen die ontstaan bij het bewerken, smeden of lassen te verminderen. Genormaliseerd staal is harder en sterker dan gegloeid staal. Staal is in genormaliseerde toestand veel harder dan in elke andere toestand. Onderdelen die aan schokken worden blootgesteld en onderdelen die een maximale taaiheid en weerstand tegen externe spanningen vereisen, worden gewoonlijk genormaliseerd. Normaliseren vóór het harden is gunstig voor het bereiken van de gewenste hardheid, mits het harden correct wordt uitgevoerd.

Laagkoolstofstaal hoeft over het algemeen niet te worden genormaliseerd, maar het normaliseren van deze staalsoorten heeft geen nadelige gevolgen. Normaliseren wordt bereikt

• door het metaal te verwarmen tot een bepaalde temperatuur (die hoger is dan de hardings- of gloeitemperatuur).
  /strong>

Case harden

Case harden is een ideale warmtebehandeling voor onderdelen die een slijtvast oppervlak en een harde kern vereisen, zoals tandwielen, nokken, cilindervoeringen, enz. De meest voorkomende case hardening processen zijn:

• de cementering
• de nitriding.

Tijdens het hardingsproces wordt een laag koolstofstaal (hetzij puur koolstofstaal of een koolstofarm gelegeerd staal) verhit tot een bepaalde temperatuur in aanwezigheid van een materiaal (vast, vloeibaar of gas) dat ontleedt en meer koolstof op het oppervlak van het staal afzet. Wanneer het onderdeel vervolgens snel wordt afgekoeld, wordt de buitenkant of de behuizing hard, waardoor de binnenkant van het onderdeel zacht maar zeer hard wordt.

 

 

THERMISCHE BEHANDELING VAN NIET-FERROUS METALEN

Twee soorten warmtebehandeling kunnen worden uitgevoerd op non-ferrometalen. Deze zijn:

• van gloeien
• van oplossingswarmtebehandeling.

Het gloeien

De meeste non-ferrometalen kunnen worden gegloeid. Het gloeiproces bestaat uit:

• het verwarmen van het metaal tot een bepaalde temperatuur
• het weken
• afkoelen tot kamertemperatuur

De temperatuur en methode van afkoelen hangt af van het soort metaal. Gloeien wordt vaak uitgevoerd na diverse koudbewerkingen, omdat veel non-ferrometalen na koudbewerking hard en bros worden. Gloeien wordt ook gebruikt om de effecten van een warmtebehandeling te verwijderen om de bewerkingskwaliteiten te verbeteren.

Warmtebehandeling in oplossing

De treksterkte van veel non-ferro legeringen kan worden verhoogd door de materialen in de legering in een vaste oplossing te brengen en dan de snelheid en mate van terugkeer naar een gewijzigd mechanisch mengsel te regelen. Deze bewerking wordt warmtebehandeling in oplossing genoemd. Nadat een legering tot een bepaalde temperatuur is verhit, wordt deze “geweekt” of snel afgekoeld, waarbij de materialen in de vaste oplossing die tijdens het verhittingsproces is bereikt, worden opgesloten. Vanaf dit punt varieert het proces sterk, afhankelijk van het metaal. Om ervoor te zorgen dat de legeringsmaterialen niet na enige tijd terugkeren naar hun oorspronkelijke vorm, moet een maturatie of precipitatieharding proces volgen. Tijdens dit proces kunnen de materialen van de legering veranderen of neerslaan uit de vaste oplossing.

Dit proces vindt plaats onder gecontroleerde omstandigheden, zodat de resulterende korrelstructuur een hogere treksterkte van het metaal oplevert dan in zijn oorspronkelijke toestand. Afhankelijk van de legering kan dit precipitatieproces ook simpelweg inhouden dat de legering gedurende een bepaalde tijd bij kamertemperatuur rijpt en vervolgens aan de lucht wordt afgekoeld; dit staat bekend als kunstmatige veroudering.