Warmtebehandeling in ijzergieterijen

Boven, temperen, normaliseren en gloeien van staal

Warmtebehandeling is een belangrijke stap om de mechanische eigenschappen van stalen gietstukken te garanderen. Door gieten, gieten, uitschudden en reinigen krijgen gietstukken hun uiteindelijke vorm, maar zijn ze mogelijk niet sterk genoeg of elastisch genoeg voor hun uiteindelijke gebruik. Door metaal met verschillende snelheden te verhitten en af ​​te koelen, kan een gieterij zijn mechanische eigenschappen veranderen.

Maar hoe verandert de toepassing van warmte de sterkte of flexibiliteit van een metaal?

Kristalisatie en metaaleigenschappen

Wanneer gesmolten metaal afkoelt, bevriest het in kristallijne structuren. Onder een microscoop lijken deze structuren op de ijskristallen die zich in de winter op glas vormen. Elke structuur groeit vanuit een middelpunt totdat het een andere kristalstructuur ontmoet. Deze structuren vormen de "korrels" van een metaal.

Net zoals wisselende winterse omstandigheden veel soorten vorstpatronen veroorzaken, zo veranderen variabele temperaturen de kristallen die metaal maken. De korrel die ze creëren is meestal onzichtbaar, maar wordt zichtbaar wanneer het metaal met zuur wordt geëtst.

De vorm en verhouding van de korrels in een legering bepalen de mechanische eigenschappen. Ronde korrels kunnen langs elkaar glijden wanneer het metaal wordt geraakt, deuken in plaats van sterk te blijven of te breken. Platte korrels kunnen op elkaar stapelen en elkaar ondersteunen als bakstenen in een muur; sterker dan de ronde korrels, maar toch enigszins beweegbaar. Gekartelde, in elkaar grijpende korrels kunnen helemaal niet meegeven. De warmtebehandeling van een metaal kan de kristallisatie hervormen, waardoor de korrel verandert, en dus de eigenschappen van het metaal.

Werkhardend metaal

Het beeld van een smid in zijn smidse, die op een gloeiende plaat metaal slaat, is onmiddellijk herkenbaar, ook al is het geen gewoon gezicht meer. Gedurende een groot deel van de menselijke geschiedenis zouden smeden metaal mechanisch bewerken om het sterker te maken. Tegenwoordig wordt staal niet meer met de hand bewerkt door een smid, maar wordt het vaak gerold om het mechanisch te harden.

Door de korrelstructuur in beeld te brengen, wordt uitgelegd hoe werkharden werkt. Ronde korrels in het metaal worden vervormd en hun nieuwe vorm geeft het metaal sterkte. Bij koudwalsen worden de ronde korrels bijvoorbeeld geplet en uitgerekt om meer staafachtig te worden. Deze staven ondersteunen elkaar, als stokken in een bundel. Een smid of metaalbewerker kan een voorwerp hameren, draaien, verwarmen, koelen en uitrekken om de vorm van het graan te veranderen. Als de korrels geen plaats hebben om naar toe te gaan wanneer ze worden geraakt, vormen ze een onbeweeglijke, niet-elastische matrix die de metaalhardheid verhoogt.

Deze hardheid kan echter kosten met zich meebrengen:sterkte kan het materiaal broos maken. Onregelmatig gevormde korrels schuiven niet gemakkelijk langs elkaar:ze zitten in elkaar geklemd. Elke voldoende grote impact - iets groter dan de sterkte van de bindingen tussen korrels - zal ze uit elkaar halen.

Hittebehandelend metaal

De gieterij begint met het creëren van de gewenste mechanische eigenschappen van staal door een legering te kiezen waarvan bekend is dat deze deze eigenschappen produceert. Toch is er weinig controle over de kristallisatie van dit metaal als het gietstuk afkoelt. Omdat kristallisatie de mechanische eigenschappen van het metaal creëert, gedraagt ​​de legering zich mogelijk niet optimaal tenzij deze verder wordt behandeld. De gieterij kan dit doen door het metaal gecontroleerd en regelmatig te verhitten en af ​​te koelen.

Warmtebehandeling is een niet-destructieve manier om materiaaleigenschappen te veranderen. Het is soms een secundair proces met gehard metaal, maar het is de eerste keuze van de gieterij, omdat het gietstuk al de juiste vorm heeft en niet kan worden bewerkt.

Kristallisatie begint bijna altijd vanaf de buitenoppervlakken en beweegt naar binnen, en vooral bij grote gietstukken is er een groot temperatuurverschil tussen de schaal van het gietstuk en het midden. De kristallen groeien onregelmatig, meestal scherper en minder kneedbaar nabij het oppervlak. Ze zijn vaak ronder en daarom zachter naarmate ze verder erin zitten. De gietvorm en defecten of insluitingen in het metaal zullen de afkoelsnelheden beïnvloeden, wat leidt tot zones in het metaal met ongelijke mechanische eigenschappen. Deze verschillen kunnen interne metaalspanning veroorzaken, wat metaalmoeheid of -falen kan veroorzaken. Door warmtebehandeling kan de gieterij terug in een metaal gaan en de kristallen waaruit het bestaat opnieuw rangschikken.

Inweken

Inweken is het proces dat de basis vormt voor alle warmtebehandelingsmethoden. Warmtebehandeling is afhankelijk van de "herkristallisatie" -temperatuur van een metaal die onder het smeltpunt ligt. Tijdens herkristallisatie wordt koolstof ontgrendeld om door het metaal te diffunderen en van de ene moleculaire vorm naar de andere te gaan, afhankelijk van warmte, koolstofpercentage en tijd. Deze beweging van koolstof verandert de kristallisatiepatronen van het metaal en heeft daarom verschillende materiaaleigenschappen. Het ijzer-koolstof-fasediagram toont de vorming van austeniet-, ferriet-, perliet- en cementietkorrels op verschillende tijdstippen en temperaturen in de hitte. Martensiet, een andere korrelstructuur die wordt aangetroffen in gehard staal, wordt gevormd door koudschokkend austeniet.

Inweken is daarom het proces waarbij een gietstuk boven het punt van herkristallisatie wordt gebracht. De voor een warmtebehandeling gespecificeerde inweektijd op temperatuur zorgt ervoor dat de kristallen in het metaal kunnen smelten en opnieuw vormen. Door naar de ijzer-koolstoffasecyclus te kijken, kan een gieterij weten hoe lang een gietstuk op temperatuur moet worden gehouden om specifieke diffusie van koolstof mogelijk te maken.

In de meeste (maar niet alle) delen van de ijzer-koolstoffasecyclus zal het weken van een gegoten of bewerkt metaal het minder hard en broos maken. Naarmate de korrels in het metaal regelmatiger groeien, zijn ze ronder en kunnen ze bij impact herschikken door langs elkaar heen te schuiven. Omdat het item overal dezelfde temperatuur bereikt, zijn de kristallen meestal uniformer dan die in een vers gegoten gietstuk.

Uitgloeien

Het gloeien begint met inweken, en gaat dan verder door het staal heel langzaam af te laten koelen in de oven. De gieterijmedewerker zet de oven uit en laat een zachte, gecontroleerde temperatuurdaling toe. Er is thermische consistentie door het hele object, zowel tijdens verwarming als koeling, wat betekent dat er weinig interne spanningen zijn:er treden geen "zones" van metaal met verschillende kristallisatie-eigenschappen op. Gegloeid metaal is over het algemeen zeer kneedbaar, met verhoogde ductiliteit, treksterkte en rek. De korrelgroottes bij gegloeide metalen zijn vaak erg groot door de zeer langzame afkoelcurve.

Normaliseren

Normaliseren van een metaal houdt in dat het op herkristallisatietemperaturen wordt gebracht door het te weken en vervolgens uit de oven te trekken en het in de atmosfeer te laten afkoelen. Veel van de eigenschappen van gegloeide metalen zijn duidelijk in genormaliseerde metalen, maar omdat er niet helemaal dezelfde gelijkmatigheid van afkoeling is, hebben de korrels de neiging iets minder regelmatig te zijn. Toch betekent een veel kleiner temperatuurverschil dan bij vriesmetaal dat een genormaliseerd product minder bros is.

De afkoelsnelheid die bij normaliseren wordt gevonden, zorgt voor kleinere korrels in het metaal dan bij gloeien, wat betekent dat het in het algemeen sterker of harder zal zijn dan gegloeid metaal.

Blussen

Wat als een zeer hoge hardheid gewenst is? Bij het maken van gereedschappen en machineonderdelen kan het verzachten van het metaal het doel teniet doen.

Met warmtebehandeling kan de hardheid worden gespecificeerd en consistent zijn. Om hardheid in staal te creëren, weekt de gieterij het staal totdat austeniet het belangrijkste molecuul is en blust het vervolgens in koelere olie of geforceerde lucht. Wanneer austeniet koud wordt geschud, ontstaat er een enigszins onregelmatige kristallijne structuur die martensiet wordt genoemd. Dit materiaal is harder door een koolstofvervorming in elk martensietmolecuul.

Omdat blussen van buiten naar binnen gebeurt, kunnen grote objecten de druk van snelle kristallisatie ervaren, wat leidt tot interne druk in het metaal. Deze krachten kunnen soms scheuren veroorzaken als de quench te extreem is. Om deze reden is waterafschrikken niet erg gebruikelijk voor grote stalen objecten, omdat het een zeer snelle temperatuurdaling veroorzaakt die scheuren kan veroorzaken. Olie en lucht koelen beide iets minder krachtig.

Het zijn echter niet alleen staalsoorten die worden afgeschrikt om te harden. Water blussen wordt gebruikt in een gieterij. Niet-stalen metalen ondergaan mogelijk niet dezelfde interne druk omdat hun fasen en moleculaire structuren anders zullen zijn. Mangaan wordt met water geblust bij veel hogere temperaturen dan staal, zonder te barsten. Het temperatuurverschil is echter zo groot dat bij het blussen veel energie gaat vrijkomen die mis kan gaan! Hieronder is een explosie te zien die wordt veroorzaakt door een vastgehouden zandkern tijdens het afschrikken van een gietstuk van mangaanstaal. Len Cranmore van Reliance Foundry, nu onze verkoopmanager, bleef ongedeerd bij deze explosie, maar moest kleine brandjes blussen die waren ontstaan ​​door de oververhitte zandgranaatscherven.

Aanhouden

Het vinden van de juiste mix van hardheid en ductiliteit kan ook worden bereikt door middel van een proces dat ontlaten wordt genoemd. Temperen wordt vaak gedaan met gehard staal om het minder bros te maken met behoud van een deel van de hardheid. Bij het temperen wordt een metaal opnieuw opgewarmd, maar nu tot een lagere temperatuur dan bij het uitgloeien, normaliseren of afschrikken.

Martensiet is geen stabiel molecuul in warmte - het wordt bereikt onder schokken - dus het temperen van staal betekent dat het martensiet wordt gedestabiliseerd om het te laten omzetten in cementiet en ferriet. Een reeks temperaturen en tijdsduur in de temperoven zal van invloed zijn op hoeveel van het martensiet wordt omgezet en dus hoe zacht het metaal wordt. Metalen veren kunnen bijvoorbeeld bij hogere temperaturen worden getemperd voor een grotere elasticiteit in vergelijking met gereedschappen die bij lagere temperaturen zijn getemperd om de hardheid te behouden.

Temperen wordt vaak gebruikt om de interne spanningen in een afgeschrikt materiaal te verlichten. Een metaal dat andere hittestress heeft ondergaan, zoals lassen of smeden, kan worden getemperd zodat de moleculen binnenin een beetje in elkaar kunnen ontspannen.

Variaties in warmtebehandeling

In een gieterij worden gietstukken meestal gelijkmatig met warmte behandeld. Soms kan een artikel echter onregelmatig met warmte worden behandeld. Zwaarden van gehard staal waren gewoonlijk variabel gehard, zodat de bladen harde randen hadden terwijl de kernen veerkrachtig bleven. Veren ondergaan soms een differentiële warmtebehandeling om hun functie te evenaren.

Zoals bij veel van de gieterijen, betekent een goed begrip van de chemie van een legering dat tijden, temperaturen en toleranties wetenschappelijk kunnen worden gespecificeerd. Na verloop van tijd leert een gieterijmedewerker echter het metaal kennen waarmee ze werken. Zoals een deskundige kok zijn ingrediënten goed genoeg kent om geen recept nodig te hebben, weet een deskundige gieterijmedewerker wanneer er iets mis is. Een metaal dat te lang nodig heeft om te gloeien of te snel afkoelt, vertelt een moleculair verhaal aan een ervaren oog - zonder de hulp van apparatuur in het laboratorium.

Vorige post:Schudden en reinigenMetaalgietprocesVolgende post:Inspectie