Twee doeleinden, één woordenschat
Warmtebehandeling bestaat om de mechanische eigenschappen van metaal te veranderen, restspanningen te verwijderen en de bewerkbaarheid te verbeteren. Omdat tekeningen en orders betrekking hebben op dezelfde bewerkingen, zijn de termen gestandaardiseerd: ISO 4885 definieert de woordenschat van warmtebehandeling, en werkplaatsspecificaties zoals AMS 2759 beschrijven hoe elke bewerking wordt uitgevoerd en vastgelegd voor stalen onderdelen. De bewerkingen bestaan uit een voorbereidende behandeling die wordt toegepast op een onbewerkt stuk materiaal vóór de bewerking en een eindbehandeling die wordt toegepast om de eigenschappen van het voltooide onderdeel in te stellen.
Gloeien en normaliseren: verzachten versus verfijnen
Beide behandelingen verwarmen het staal tot in het austenietgebied en koelen het vervolgens af, en het verschil is de afkoelsnelheid. Het gloeien koelt langzaam af in de oven, waardoor de zachtste, meest bewerkbare structuur ontstaat. Normaliseren koelt af in stilstaande lucht, wat sneller is en een fijnere perlitische structuur achterlaat met een hogere sterkte en hardheid.
De keuze volgt meestal het koolstofgehalte. Voor koolstofstaal en laaggelegeerd staal met meer dan ongeveer 0,5% koolstof wordt volledig gloeien gebruikt omdat het staal zacht genoeg moet zijn om te snijden. Beneden ongeveer 0,5% koolstof heeft normaliseren de voorkeur omdat uitgloeien het staal te zacht en gomachtig maakt, waardoor randophoping en een slechte oppervlakteafwerking ontstaan. Beide bewerkingen verfijnen de korrel en homogeniseren de structuur ter voorbereiding op de eindbehandeling, en beide worden normaal gesproken geplaatst na het maken van onbewerkte stukken en vóór de ruwe bewerking. Spheroidise-gloeien is een aparte variant die lamellair carbide omzet in sferoïden, waardoor de laagste hardheid en de beste vervormbaarheid worden verkregen voor daaropvolgende koude bewerking.
Veroudering en stressverlichting
Veroudering, ook wel spanningsverlichtend genoemd, verwijdert spanningen die zijn ontstaan door gieten, lassen, rechttrekken en machinaal bewerken. Dimensionale stabiliteit is het doel in plaats van kracht. Algemene precisieonderdelen ondergaan normaal gesproken één verouderingscyclus voordat ze worden afgewerkt; onderdelen met hoge precisie, zoals behuizingen van coördinatenboormachines, krijgen er twee of meer; slanke precisieonderdelen zoals lange schroeven verouderen herhaaldelijk tussen voorbewerken en semi{2}}nabewerken. Elke ontkrul- of correctieoperatie wordt gevolgd door een verdere verouderingscyclus, omdat de correctie zelf nieuwe spanningen met zich meebrengt. Bij gelegeerd staal kan de term veroudering in plaats daarvan neerslagharding na oplossingsbehandeling betekenen, waardoor de sterkte toeneemt in plaats van wordt verminderd. Daarom moet de specificatie in de context worden gelezen.
Afschrikken, temperen en carboneren
| Operatie | Verwarming | Koeling | Resultaat |
|---|---|---|---|
| Gloeien | boven het kritische bereik | oven, langzaam | zacht, bewerkbaar, stressvrij |
| Normaliseren | boven het kritische bereik | nog steeds lucht | fijner perliet, matige sterkte |
| Afschrikken | austenitiserende temperatuur | water, polymeer of olie | martensiet, hoge hardheid, hoge spanning |
| Temperen | onder het kritische bereik | lucht | gehard sorbiet, evenwichtige eigenschappen |
| Opkolen | ongeveer 900 – 930 graden in een koolstofrijke atmosfeer | diffusie en vervolgens uitdoven | harde behuizing op een stevige kern |
Het afschrikken kan doorgehard zijn of alleen op het oppervlak worden aangebracht. Oppervlakteharding door inductie of vlam verwarmt een ondiepe laag en dooft deze uit, waardoor kleine vervorming, beperkte oxidatie en ontkoling, een harde, slijtvaste behuizing en een taaie, slagvaste kern ontstaan; het wordt vaak voorafgegaan door normalisering of door uitdoving en tempering om de kern te conditioneren. Afschrikken en temperen als paar is de standaardroute voor onderdelen die sterkte en taaiheid nodig hebben: het afschrikken vormt martensiet en de hoge temperatuur zet het om in een uniform getemperd sorbiet, dat ook de vervorming vermindert voordat het oppervlak vervolgens wordt verhard of genitreerd.
Opkolen is van toepassing op koolstofarme en laaggelegeerde staalsoorten. Het oppervlak is verrijkt met koolstof door het onderdeel in een koolstofrijke atmosfeer van ongeveer 900 tot 930 graden te houden, en vervolgens afgeschrikt om een harde behuizing te verkrijgen van doorgaans 0,5 tot 2 mm diep over een harde kern. De gebruikelijke procesroute is materiaalbewerking, smeden, normaliseren, ruw- en semi{6}}afwerking, carboneren, afschrikken en afwerken. Plaatselijk gecarboneerde onderdelen worden elders beschermd met koperbeplating of een anti-carbonerende coating, en overtollige behuizing wordt verwijderd voordat het definitief wordt geslepen. Kastdiepte, oppervlaktekoolstof en hardheidsprofiel worden geverifieerd op een monstersectie.
Records, vervorming en veelvoorkomende fouten
De selectie van de tempertemperatuur bepaalt de uiteindelijke balans: tempereren bij lage temperaturen behoudt een hoge hardheid, en hogere tempertemperaturen ruilen hardheid in voor taaiheid.
Vervorming wordt gecontroleerd door het ontwerp van de armatuur, uniformiteit van de koeling en, waar nodig, door rechttrekken gevolgd door een spanningsontlastingscyclus.
Elke batch wordt geregistreerd met ovennummer, tijd, temperatuur, atmosfeer en blusmedium, en de resultaten zijn herleidbaar tot de verwerkte onderdelen.
Hardheid alleen bewijst geen succesvolle behandeling; kastdiepte, microstructuur en waar gespecificeerde impactresultaten zijn ook vereist.
De meest voorkomende fout is om staal met een hoog koolstofgehalte te normaliseren en te verwachten dat het net zo bewerkt wordt als gegloeid staal, wat de standtijd van het gereedschap kost, of om staal met een laag koolstofgehalte te gloeien en vervolgens de resulterende gomachtige snede te bestrijden. De tweede is om veroudering als optioneel te beschouwen, terwijl het overslaan ervan in de praktijk ervoor zorgt dat restspanning een voltooid onderdeel weken na de bewerking buiten de tolerantie kan brengen.
Veelgestelde vragen
Vraag: Wanneer moet normaliseren worden gekozen in plaats van gloeien?
A: Voor koolstofstaal en laaggelegeerd staal met minder dan ongeveer 0,5% koolstof, waarbij uitgloeien het materiaal te zacht zou maken om schoon te bewerken en normaliseren een betere afwerking oplevert.
Vraag: Is tempereren altijd nodig na het blussen?
A: Ja voor structurele onderdelen. Omdat-afgeschrikt martensiet hard maar bros is en intern onder spanning staat, wordt het door temperen omgezet in een hardere, getemperde structuur.
Vraag: Wat is het verschil tussen veroudering en gloeien?
A: Gloeitemperaturen boven het kritische bereik om de structuur te verzachten en te verfijnen. Veroudering is een lage temperatuur die restspanning verlicht en de afmetingen stabiliseert.
Vraag: Hoe diep is een gecarbureerde behuizing?
A: Typisch tussen 0,5 mm en 2 mm, ingesteld op basis van de diffusietijd en temperatuur, en bevestigd door hardheidsmeting op een deel van de batch.
Vraag: Hoe wordt de warmtebehandeling gedocumenteerd?
A: Elke lading registreert tijd, temperatuur, atmosfeer, blusmedium en de gemeten hardheid, en de gebruikte specificatie wordt gedefinieerd door normen zoals ISO 4885 en AMS 2759.
