Wat is warmtebehandeling? Methoden & Voordelen

Hittebehandeling is het proces van verhitten en afkoelen van metalen, gebruikmakend van specifieke vooraf bepaalde methodes om gewenste eigenschappen te verkrijgen. Zowel ferro- als non-ferrometalen ondergaan een warmtebehandeling alvorens ze in gebruik te nemen.

In de loop der tijd zijn er veel verschillende methoden ontwikkeld. Tot op de dag van vandaag zijn metaalbewerkers voortdurend bezig om de resultaten en de kostenefficiëntie van deze processen te verbeteren.

Daartoe ontwikkelen zij nieuwe schema’s of cycli om een verscheidenheid aan soorten te produceren. Elk schema verwijst naar een verschillende snelheid van verwarmen, vasthouden en afkoelen van het metaal.

Deze methoden, wanneer nauwgezet gevolgd, kunnen metalen van verschillende normen met opmerkelijk specifieke fysische en chemische eigenschappen produceren.

De voordelen

Er zijn verschillende redenen voor het uitvoeren van warmtebehandelingen. Sommige procedures maken het metaal zacht, terwijl andere de hardheid verhogen. Zij kunnen ook het elektrische en warmtegeleidingsvermogen van deze materialen beïnvloeden.

Sommige warmtebehandelingsmethoden verlichten spanningen die in vroegere koude werkingsprocessen worden veroorzaakt. Andere ontwikkelen gewenste chemische eigenschappen aan metalen. Het kiezen van de perfecte methode komt echt neer op het type metaal en de vereiste eigenschappen.

In sommige gevallen kan een metalen onderdeel meerdere warmtebehandelingsprocedures doorlopen. Zo kunnen sommige superlegeringen die in de vliegtuigbouw worden gebruikt, tot zes verschillende warmtebehandelingsstappen ondergaan om het voor de toepassing te optimaliseren.

Hittebehandelingsprocesstappen

In eenvoudige bewoordingen is warmtebehandeling het proces waarbij het metaal wordt verhit, op die temperatuur wordt gehouden en vervolgens weer wordt afgekoeld. Tijdens het proces, zal het metaaldeel veranderingen in zijn mechanische eigenschappen ondergaan. Dit komt doordat de hoge temperatuur de microstructuur van het metaal wijzigt. En microstructuur speelt een belangrijke rol in de mechanische eigenschappen van een materiaal.

Het eindresultaat hangt af van veel verschillende factoren. Daartoe behoren de tijd van verhitting, de tijd dat het metaaldeel op een bepaalde temperatuur wordt gehouden, de snelheid van afkoeling, de omgevingsomstandigheden, enz. De parameters zijn afhankelijk van de warmtebehandelingsmethode, het type metaal en de grootte van het onderdeel.

In de loop van dit proces zullen de eigenschappen van het metaal veranderen. Tot die eigenschappen behoren elektrische weerstand, magnetisme, hardheid, taaiheid, ductiliteit, brosheid en corrosiebestendigheid.

Verwarming

Zoals reeds besproken, zal de microstructuur van legeringen tijdens de warmtebehandeling veranderen. Het verhitten geschiedt volgens een voorgeschreven thermisch profiel.

Een legering kan zich bij verhitting in één van drie verschillende toestanden bevinden. Het kan een mechanisch mengsel zijn, een vaste oplossing, of een combinatie van beide.

Een mechanisch mengsel is analoog aan een betonmengsel waar cement zand en grind samenbindt. Zand en grind zijn nog steeds zichtbaar als afzonderlijke deeltjes. Bij metaallegeringen wordt het mechanische mengsel bijeengehouden door het basismetaal.

In een vaste oplossing daarentegen zijn alle bestanddelen homogeen gemengd. Dit betekent dat zij niet afzonderlijk kunnen worden geïdentificeerd, zelfs niet onder een microscoop.

Iedere toestand brengt verschillende kwaliteiten met zich mee. Het is mogelijk de toestand te veranderen door verhitting volgens het fasediagram. De afkoeling bepaalt echter het eindresultaat. Het is mogelijk dat de legering in een van de drie toestanden terechtkomt, uitsluitend afhankelijk van de methode.

Holding

Tijdens de holding, of inweken, wordt het metaal op de bereikte temperatuur gehouden. De duur daarvan hangt af van de eisen.

Bijv. case harden vereist alleen structurele veranderingen aan het oppervlak van het metaal om de oppervlaktehardheid te verhogen. Tegelijkertijd, andere methoden nodig uniforme eigenschappen. In dit geval is de inweektijd langer.

De inweektijd hangt ook af van het materiaalsoort en de grootte van het onderdeel. Grotere onderdelen hebben meer tijd nodig wanneer uniforme eigenschappen het doel zijn. Het duurt gewoon langer voor de kern van een groot onderdeel de vereiste temperatuur bereikt.

Koelen

Nadat de inweekfase is voltooid, moet het metaal op een voorgeschreven manier worden afgekoeld. Ook in dit stadium treden structurele veranderingen op. Een vaste oplossing kan bij afkoeling gelijk blijven, geheel of gedeeltelijk een mechanisch mengsel worden, afhankelijk van verschillende factoren.

Verschillende media zoals pekel, water, olie of geforceerde lucht regelen de snelheid van afkoeling. De volgorde van de bovengenoemde koelmedia is in afnemende volgorde van effectieve koelsnelheid. Pekel absorbeert de warmte het snelst, terwijl lucht het langzaamst is.

Het is ook mogelijk om ovens te gebruiken in het koelproces. De gecontroleerde omgeving maakt een hoge precisie mogelijk wanneer langzame koeling noodzakelijk is.

Fasendiagrammen

Elke metaallegering heeft zijn eigen fasediagram. Zoals eerder gezegd, wordt de warmtebehandeling volgens deze diagrammen uitgevoerd. Zij tonen de structuurveranderingen die plaatsvinden bij verschillende temperaturen en verschillende chemische samenstellingen.

Laten we het fasediagram ijzer-koolstof als voorbeeld nemen, omdat dit het bekendste is en het meest wordt onderwezen aan universiteiten.

Het fasediagram ijzer-koolstof is een belangrijk hulpmiddel bij het leren over het gedrag van verschillende koolstofstalen wanneer deze een warmtebehandeling ondergaan. Op de x-as staat het koolstofgehalte in de legering en op de y-as de temperatuur.

Merk op dat 2,14% koolstof de grens is waar staal overgaat in gietijzer,

Het diagram toont diverse regio’s waar het metaal bestaat in verschillende microstaten zoals austeniet, cementiet, pearliet. Deze gebieden worden gemarkeerd door de grensvlakken A1, A2, A3, en Acm. Op deze grensvlakken treden faseveranderingen op wanneer de temperatuur of de koolstofgehaltewaarde erdoorheen gaat.

A1: De bovengrens van de cementiet/ferriet fase.

A2: De grens waar ijzer zijn magnetisme verliest. De temperatuur waarbij een metaal zijn magnetisme verliest wordt ook wel Curietemperatuur genoemd.

A3: Het grensvlak dat de Austeniet + Ferriet fase scheidt van de γ (Gamma) austeniet fase.

Acm: Het grensvlak dat γ Austeniet scheidt van het Austeniet + Cementiet veld.

Het fasediagram is een belangrijk hulpmiddel om te overwegen of een warmtebehandeling gunstig zal zijn of niet. Elke structuur brengt bepaalde kwaliteiten mee voor het eindproduct en de keuze van de warmtebehandeling wordt daarop gebaseerd.

Gemeenschappelijke warmtebehandelingsmethoden

Er zijn nogal wat warmtebehandelingstechnieken om uit te kiezen. Elk van hen brengt bepaalde kwaliteiten met zich mee.

De meest voorkomende warmtebehandelingsmethoden zijn:

• Gloeien
• Normaliseren
• Verharding
• Veroudering
• Spanningsontlasting
• Tempering
• Carbureren

Gloeien

Bij gloeien, wordt het metaal verhit tot voorbij de bovenste kritische temperatuur en dan langzaam afgekoeld.

Gloeien wordt uitgevoerd om het metaal zachter te maken. Het maakt het metaal meer geschikt voor koud bewerken en vormen. Het verbetert ook de bewerkbaarheid, de taaiheid en de taaiheid van het metaal.

Gloeien is ook nuttig om spanningen in het deel op te heffen die het gevolg zijn van eerdere koudvervormingsprocessen. De aanwezige plastische vervormingen worden verwijderd tijdens het herkristalliseren wanneer de metaaltemperatuur de bovenste kritische temperatuur overschrijdt.

Metalen kunnen een veelheid van gloeitechnieken ondergaan, zoals herkristallisatie-gloeien, volledig gloeien, gedeeltelijk gloeien en eindgloeien.

Normaliseren

Normaliseren is een warmtebehandelingsproces dat wordt gebruikt voor het verlichten van interne spanningen veroorzaakt door processen zoals lassen, gieten of afschrikken.

In dit proces wordt het metaal verhit tot een temperatuur die 40° C boven zijn bovenste kritische temperatuur ligt.

Deze temperatuur is hoger dan de temperatuur die wordt gebruikt voor harden of gloeien. Na gedurende een bepaalde tijd op deze temperatuur te zijn gehouden, wordt het aan de lucht afgekoeld. Door het normaliseren ontstaat een uniforme korrelgrootte en samenstelling in het gehele onderdeel.

Genormaliseerd staal is harder en sterker dan uitgegloeid staal. In feite is staal in zijn genormaliseerde vorm taaier dan in enige andere toestand. Dit is de reden waarom onderdelen die slagvast moeten zijn of zware externe belastingen moeten kunnen dragen, bijna altijd worden genormaliseerd.

Harden

Harden is het meest voorkomende warmtebehandelingsproces van allemaal en wordt gebruikt om de hardheid van een metaal te verhogen. In sommige gevallen kan alleen het oppervlak worden gehard.

Een werkstuk wordt gehard door het te verhitten tot de gespecificeerde temperatuur, en het dan snel af te koelen door het onder te dompelen in een koelmedium. Er kan olie, pekel of water worden gebruikt. Het resulterende onderdeel zal een grotere hardheid en sterkte hebben, maar de brosheid neemt tezelfdertijd toe.

Het harden is een soort hardingsproces waarbij alleen de buitenste laag van het werkstuk wordt gehard. Het gebruikte procédé is hetzelfde, maar aangezien een dunne buitenlaag aan het procédé wordt onderworpen, heeft het resulterende werkstuk een harde buitenlaag maar een zachtere kern.

Dit is gebruikelijk voor assen. Een harde buitenlaag beschermt het tegen materiaalslijtage. Bij het monteren van een lager op een as kan het oppervlak anders beschadigen en kunnen sommige deeltjes losraken die vervolgens het slijtageproces versnellen. Een gehard oppervlak biedt daartegen bescherming en de kern heeft nog steeds de nodige eigenschappen om vermoeiingsspanningen op te vangen.

Andere soorten hardingsprocédés zijn inductieharden, differentieel harden en vlamharden. Vlamharden kan echter resulteren in een door warmte aangetaste zone die ontstaat zodra het onderdeel wordt afgekoeld.

Ageing

Ageing of precipitatieharding is een warmtebehandelingsmethode die meestal wordt gebruikt om de vloeigrens van smeedbare metalen te verhogen. Het proces produceert uniform verspreide deeltjes binnen de korrelstructuur van een metaal die veranderingen in eigenschappen teweegbrengen.

Precipitatieharding komt gewoonlijk na een ander warmtebehandelingsproces dat hogere temperaturen bereikt. Bij verouderen wordt de temperatuur echter slechts tot een gemiddeld niveau verhoogd en weer snel verlaagd.

Sommige materialen kunnen natuurlijk verouderen (bij kamertemperatuur), terwijl andere slechts kunstmatig, d.w.z. bij verhoogde temperaturen, verouderen. Voor natuurlijk verouderende materialen kan het handig zijn ze bij lagere temperaturen op te slaan.

Stress relieving

Stress relieving komt vooral voor bij ketelonderdelen, luchtflessen, accumulatoren, enz. Deze methode brengt het metaal tot een temperatuur net onder zijn onderste kritische grens. Het afkoelingsproces is langzaam en daardoor gelijkmatig.

Dit wordt gedaan om spanningen te verlichten die in de onderdelen zijn opgebouwd als gevolg van eerdere processen zoals vormen, machinaal bewerken, walsen of strekken.

Tempereren

Tempereren is het proces van het verminderen van overtollige hardheid, en daardoor brosheid, veroorzaakt tijdens het hardingsproces. De interne spanningen worden ook verlicht. Het ondergaan van dit proces kan een metaal geschikt maken voor vele toepassingen die dergelijke eigenschappen nodig hebben.

De temperaturen zijn gewoonlijk veel lager dan de hardingstemperaturen. Hoe hoger de gebruikte temperatuur, hoe zachter het uiteindelijke werkstuk wordt. De afkoelsnelheid heeft geen invloed op de metaalstructuur tijdens het ontlaten en gewoonlijk koelt het metaal af in stilstaande lucht.

Karbonisatie

In dit warmtebehandelingsproces wordt het metaal verhit in de aanwezigheid van een ander materiaal dat koolstof afgeeft bij ontleding.

De vrijgekomen koolstof wordt geabsorbeerd in het oppervlak van het metaal. Het koolstofgehalte van het oppervlak neemt toe, waardoor het harder wordt dan de binnenkern.

Welke metalen zijn geschikt voor warmtebehandeling?

Hoewel ferrometalen de meerderheid van de warmtebehandelde materialen uitmaken, kunnen legeringen van koper, magnesium, aluminium, nikkel, messing en titanium ook warmtebehandeld worden.

Bijna 80% van de warmtebehandelde metalen zijn verschillende staalsoorten. Ferrometalen die een warmtebehandeling kunnen ondergaan zijn onder meer gietijzer, roestvrij staal en diverse soorten gereedschapsstaal.

Processen als harden, gloeien, normaliseren, spanningsarm maken, harden, nitreren en ontlaten worden in het algemeen uitgevoerd op ferrometalen.

Koper en koperlegeringen worden onderworpen aan warmtebehandelingsmethoden zoals gloeien, verouderen en afschrikken.

Aluminium is geschikt voor warmtebehandelingsmethoden zoals gloeien, oplossingswarmtebehandelen, natuurlijke en kunstmatige veroudering. Warmtebehandeling voor aluminium is een precisieproces. De omvang van het proces moet worden vastgesteld en het moet in elke fase zorgvuldig worden gecontroleerd op de gewenste eigenschappen.

Natuurlijk zijn niet alle materialen geschikt voor de vormen van warmtebehandeling. Evenzo zal eenzelfde materiaal niet noodzakelijk baat hebben bij elke methode. Daarom moet elk materiaal afzonderlijk worden bestudeerd om het gewenste resultaat te bereiken. Gebruik maken van de fasediagrammen en beschikbare informatie over het effect van de genoemde methoden is daarbij het uitgangspunt.