Warmtebehandeling uitgelegd: Processen, Methoden en Voordelen

Wat is warmtebehandeling?

Warmtebehandeling is het proces van verwarmen en afkoelen van metalen, met behulp van specifieke vooraf bepaalde methoden om gewenste eigenschappen te verkrijgen. Zowel ferrometalen als non-ferrometalen ondergaan warmtebehandeling voordat ze in gebruik worden genomen.

In de loop van de tijd zijn veel verschillende methoden ontwikkeld. Nog steeds werken metallurgen constant aan het verbeteren van de resultaten en kostenefficiëntie van deze processen. Hiervoor ontwikkelen ze nieuwe schema's of cycli om een verscheidenheid aan graden te produceren. Elk schema verwijst naar een andere verhittings-, wachttijd- en afkoelsnelheid van het metaal.

Deze methoden, wanneer nauwkeurig gevolgd, kunnen metalen van verschillende standaarden produceren met opmerkelijk specifieke fysieke en chemische eigenschappen.

De voordelen van warmtebehandeling

Er zijn diverse redenen voor het uitvoeren van warmtebehandeling. Sommige procedures maken het metaal zacht, anderen verhogen de hardheid. Ze kunnen ook de elektrische en warmtegeleiding van deze materialen beïnvloeden.

Sommige warmtebehandelingsmethoden verlichten spanningen geïnduceerd in eerdere koudvormingsprocessen. Anderen ontwikkelen gewenste chemische eigenschappen aan metalen. De keuze voor de perfecte methode hangt echt af van het type metaal en de vereiste eigenschappen.

In sommige gevallen kan een metaalonderdeel door verschillende warmtebehandelingsprocedures gaan. Bijvoorbeeld, sommige superlegeringen in de vliegtuigindustrie kunnen tot zes verschillende warmtebehandelingsstappen ondergaan om ze te optimaliseren voor de toepassing.

Stappen van het warmtebehandelingsproces

In eenvoudige termen is warmtebehandeling het proces van het verwarmen van het metaal, het vasthouden op die temperatuur, en het weer afkoelen. Tijdens het proces ondergaat het metaalonderdeel veranderingen in zijn mechanische eigenschappen. Dit is omdat de hoge temperatuur de microstructuur van het metaal verandert. En de microstructuur speelt een belangrijke rol in de mechanische eigenschappen van een materiaal.

De uiteindelijke uitkomst hangt af van veel verschillende factoren. Deze omvatten de verhitstijd, de tijd van het vasthouden van het metaalonderdeel op een bepaalde temperatuur, de afkoelsnelheid, de omgevingsomstandigheden, etc. De parameters hangen af van de warmtebehandelingsmethode, het type metaal en de onderdeelgrootte.

In de loop van dit proces zullen de eigenschappen van het metaal veranderen. Onder die eigenschappen vallen elektrische weerstand, magnetisme, hardheid, zwaartekracht, duktiliteit, brosheid en corrosiebestendigheid.

1. Verwarmen

Zoals al besproken, zal de microstructuur van legeringen veranderen tijdens warmtebehandeling. Verwarmen wordt uitgevoerd in lijn met een voorgeschreven thermisch profiel.

Een legering kan in een van drie verschillende toestanden bestaan wanneer verhit. Het kan een mechanische mengsel zijn, een vaste oplossing, of een combinatie van beide.

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

Aan de andere kant, in een vaste oplossing, zijn alle componenten homogene gemengd. Dit betekent dat ze niet individueel geïdentificeerd kunnen worden, zelfs niet onder een microscoop.

Elke toestand brengt verschillende kwaliteiten mee. Het is mogelijk om de toestand te veranderen door verwarmen volgens het fasendiagram. De afkoeling bepaalt echter de uiteindelijke uitkomst. Het is mogelijk dat de legering in een van de drie toestanden eindigt, afhankelijk van de methode.

2. Vasthouden (Soaking / Holding)

Tijdens de vasthoud- of inlaatfase wordt het metaal op de bereikte temperatuur gehouden. De duur daarvan hangt af van de eisen.

Bijvoorbeeld, randverharding vereist alleen structurele veranderingen aan het oppervlak van het metaal om de oppervlaktehardheid te verhogen. Tegelijkertijd hebben andere methoden uniforme eigenschappen nodig. In dat geval is de vasthoudperiode langer.

De inlaattijd hangt ook af van het materiaaltype en de onderdeelgrootte. Grotere onderdelen hebben meer tijd nodig wanneer uniforme eigenschappen het doel zijn. Het duurt gewoon langer voordat de kern van een groot onderdeel de vereiste temperatuur bereikt.

3. Afkoelen

Na voltooiing van de inlaatfase moet het metaal op een voorgeschreven manier worden afgekoeld. In deze fase treden ook structurele veranderingen op. Een vaste oplossing bij afkoeling kan hetzelfde blijven, een mechanisch mengsel volledig of deels worden, afhankelijk van diverse factoren.

Verschillende media zoals pekel, water, olie of geforceerde lucht controleren de afkoelsnelheid. De reeks van afkoelmedia hierboven is in dalende orde van effectieve afkoelsnelheid. Pekel absorbeert warmte het snelst, lucht het langzaamst.

Het is ook mogelijk om ovens in het afkoelproces te gebruiken. De gecontroleerde omgeving stelt hoge precisie in wanneer langzame afkoeling nodig is.

Methoden van warmtebehandeling

Er zijn diverse warmtebehandelingstechnieken om uit te kiezen. Elke brengt bepaalde kwaliteiten mee.

De meest voorkomende warmtebehandelingsmethoden zijn:

• Anlaten (Annealing)
• Normaliseren (Normalizing)
• Verharden (Hardening)
• Uitleiden / Ouderen (Ageing)
• Spanningsverlichting (Stress relieving)
• Anlaten na verharden (Tempering)
• Vergassen (Carburization)

1. Anlaten (Annealing)

Bij anlaten wordt het metaal verhit boven de bovenste kritische temperatuur en vervolgens langzaam afgekoeld.

Anlaten wordt uitgevoerd om het metaal zacht te maken. Het maakt het metaal geschikter voor koudbewerking en vormgeven. Het verbetert ook de bewerkbaarheid, duktiliteit en zwaartekracht van het metaal.

Anlaten is ook nuttig om spanningen in het onderdeel te verlichten die veroorzaakt zijn door eerdere koudbewerkingsprocessen. De plastische vervormingen worden verwijderd tijdens herkristallisatie wanneer de metaaltemperatuur de bovenste kritische temperatuur overschrijdt.

Metalen kunnen een veelheid aan anlatingstechnieken ondergaan zoals herkristallisatie-anlaten, volledig anlaten, gedeeltelijk anlaten en eindanlaten.

2. Normaliseren (Normalizing)

Normaliseren is een warmtebehandelingsproces 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 de bovenste kritische temperatuur ligt.

Deze temperatuur is hoger dan die gebruikt voor verharden of anlaten. Na het vasthouden op deze temperatuur voor een aangewezen periode, wordt het in lucht afgekoeld. Normaliseren creëert een uniforme korrelgrootte en samenstelling door het hele onderdeel.

Genormaliseerd staal is harder en sterker dan angelaten staal. In feite is staal in genormaliseerde vorm zwaarder (tougher) dan in welke andere toestand dan ook. Dit is waarom onderdelen die slagzwaartekracht vereisen of massive externe lasten moeten dragen, bijna altijd genormaliseerd worden.

3. Verharden (Hardening)

De meest voorkomende warmtebehandeling van alle, verharden wordt gebruikt om de hardheid van een metaal te verhogen. In sommige gevallen kan alleen het oppervlak gehard worden.

Een werkstuk wordt gehard door het te verwarmen tot de gespecificeerde temperatuur, en vervolgens snel af te koelen door het in een afkoelmedium te dompelen. Olie, pekel of water kan gebruikt worden. Het resulterende onderdeel zal verhoogde hardheid en sterkte hebben, maar de brosheid neemt gelijktijdig toe.

Randverharding (case hardening) is een type verhardingsproces waarbij alleen de buitenlaag van het werkstuk gehard wordt. Het gebruikte proces is hetzelfde, maar aangezien een dunne buitenlaag aan het proces wordt onderworpen, heeft het resulterende werkstuk een harde buitenlaag maar een zachtere kern.

Dit is gebruikelijk voor assen. Een harde buitenlaag beschermt het tegen materialslijtage. Bij het monteren van een lager op een as, kan het anders het oppervlak beschadigen en deeltjes losmaken die het slijtageproces versnellen. Een gehard oppervlak biedt bescherming daartegen en de kern heeft nog de nodige eigenschappen om vermoeidheidsspanningen aan te kunnen.

4. Uitleiden / Ouderen (Ageing)

Uitleiden of uitvallen verharding is een warmtebehandelingsmethode die voornamelijk gebruikt wordt om de streksterkte van smeedbare metalen te verhogen. Het proces produceert uniform verdeelde deeltjes binnen de korrelstructuur van een metaal die veranderingen in eigenschappen teweegbrengen.

Uitvalverharding komt meestal na een ander warmtebehandelingsproces dat hogere temperaturen bereikt. Uitleiden verhoogt de temperatuur alleen tot middelniveaus en brengt het snel weer omlaag.

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

5. Spanningsverlichting (Stress Relieving)

Spanningsverlichting is vooral gebruikelijk voor ketelonderdelen, luchtflessen, accumulators, etc. Deze methode brengt het metaal tot een temperatuur net onder de onderste kritische grens. Het afkoelproces is langzaam en daarom uniform.

Dit wordt gedaan om spanningen te verlichten die opgebouwd zijn in de onderdelen door eerdere processen zoals vormen, bewerken, walzen of richten.

6. Aangelaten / Temperen (Tempering)

Temperen is het proces van het verminderen van overmatige hardheid, en dus brosheid, geïnduceerd tijdens het verhardingsproces. Interne spanningen worden ook verlicht. Door dit proces te ondergaan kan een metaal geschikt gemaakt worden voor veel toepassingen die dergelijke eigenschappen nodig hebben.

De temperaturen zijn doorgaans veel lager dan verhardingstemperaturen. Hoe hoger de gebruikte temperatuur, hoe zachter het eindwerkstuk wordt. De afkoelsnelheid beïnvloedt de metaalstructuur tijdens temperen niet en meestal koelt het metaal in stilstaande lucht af.

7. Vergassen (Carburisation)

In dit warmtebehandelingsproces wordt het metaal verhit in aanwezigheid van een ander materiaal dat koolstof vrijgeeft bij ontbinding.

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

Welke metalen zijn geschikt voor warmtebehandeling?

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

Ongeveer 80% van warmtebehandelde metalen zijn verschillende graden staal. Ferrometalen die warmtebehandeld kunnen worden zijn gietijzer, roestvrij staal en diverse graden gereedschapsstaal.

Processen zoals verharden, anlaten, normaliseren, spanningsverlichting, randverharding, nitrideren en temperen worden doorgaans op ferrometalen uitgevoerd.

Koper en koperlegeringen worden onderworpen aan warmtebehandelingsmethoden zoals anlaten, uitleiden en afschrikken.

Aluminium is geschikt voor warmtebehandelingsmethoden zoals anlaten, oplossingswarmtebehandeling, natuurlijke en kunstmatige uitleiding. Warmtebehandeling voor aluminium is een precisieproces. Procesbereik moet vastgesteld worden en moet op elk stadium zorgvuldig gecontroleerd worden voor de gewenste kenmerken.

Het is duidelijk dat niet alle materialen geschikt zijn voor de vormen van warmtebehandeling. Op dezelfde manier zal een enkel materiaal niet noodzakelijks baat hebben bij elke methode. Daarom moet elk materiaal apart bestudeerd worden om het gewenste resultaat te bereiken. Het gebruik van fasediagrammen en beschikbare informatie over het effect van de bovengenoemde methoden is het startpunt.

Veelgestelde vragen

Wat is warmtebehandeling?

Warmtebehandeling is het proces van het verwarmen van metaal zonder het zijn smeltpunt te laten bereiken, en vervolgens het metaal op een gecontroleerde manier af te koelen om gewenste mechanische eigenschappen te selecteren. Warmtebehandeling wordt gebruikt om het metaal sterker of meer smeedbaar te maken, meer slijtvaste of meer duktil.

Wat zijn voorbeelden van warmtebehandeling?

Bijvoorbeeld, aluminiumlegerings autogietstukken worden warmtebehandeld om hardheid en sterkte te verbeteren; messing en bronzen items worden warmtebehandeld om sterkte te verhogen en scheuring te voorkomen; titaniumlegering structuren worden warmtebehandeld om sterkte bij hoge temperaturen te verbeteren.

Wat zijn de twee typen warmtebehandeling?

Volgende zijn de verschillende typen warmtebehandelingsprocessen:

• Anlaten.
• Normaliseren.
• Verharden.
• Temperen.
• Nitrideren.
• Cyanideren.
• Inductieverharden.
• Vlamverharden.

Waarom doen we warmtebehandeling?

Er zijn veel voordelen van warmtebehandeling, waaronder: het kan de fysieke (mechanische) eigenschappen van een materiaal veranderen en het helpt bij andere productiestappen. Het verlicht spanning, waardoor het onderdeel makkelijker te bewerken of te lassen is. Verhoogt sterkte, maakt het materiaal duktiler of flexibeler.

Hoeveel typen warmtebehandeling zijn er?

In dit artikel behandelen we de vier basistypen warmtebehandeling die staal vandaag de dag ondergaat: anlaten, normaliseren, verharden en temperen.

Wat zijn de 3 stadia van het warmtebehandelingsproces?

Stadia van warmtebehandeling:

• De Verhittingsfase.
• De Inlaatfase (Soaking).
• De Afkoelingsfase.

Wat zijn de vijf basale warmtebehandelingsprocessen?

Warmtebehandelingstechnieken omvatten anlaten, randverharding, uitvalversterking, temperen, vergassen, normaliseren en afschrikken.

Hoe werkt warmtebehandeling?

In eenvoudige termen is warmtebehandeling het proces van het verwarmen van het metaal, het vasthouden op die temperatuur, en het weer afkoelen. Tijdens het proces ondergaat het metaalonderdeel veranderingen in zijn mechanische eigenschappen. Dit is omdat de hoge temperatuur de microstructuur van het metaal verandert.

Wat is afschrikken en temperen?

Afschrikken en temperen zijn processen die materialen zoals staal en andere ijzergebaseerde legeringen versterken. Deze processen versterken de legeringen door het materiaal te verwarmen terwijl gelijktijdig gekoeld wordt in water, olie, geforceerde lucht, of gassen zoals stikstof.

Waaruit bestaat staal?

Fundamenteel is staal een legering van ijzer met lage hoeveelheden koolstof. Er zijn duizenden verschillende typen staal die gecreëerd worden om te passen bij verschillende toepassingen. Deze vallen breed in 4 typen – koolstofstaal, gereedschapsstaal, roestvrij staal en legeringsstaal.

Wat is anlaten in warmtebehandeling?

anlaten, behandeling van een metaal of legering door verwarmen tot een vooraf bepaalde temperatuur, vasthouden voor een bepaalde tijd, en vervolgens afkoelen tot kamertemperatuur om duktiliteit te verbeteren en brosheid te verminderen.

Wat zijn de voordelen van temperen?

Temperen helpt spanning te verlichten, waardoor het metaal makkelijker te lassen of bewerken is. Verhoogt sterkte terwijl het materiaal flexibeler en duktiler wordt. Verhoogt hardheid en introduceert slijtvaste eigenschappen aan het oppervlak of door het hele metaal.

Wat zijn typen anlaten?

Enkele van de verschillende typen anlatingsprocessen:

• Volledig anlaten. Bij deze methode worden staalonderdelen verhit tot ze ongeveer 30°C heter zijn dan hun kritische transformatietemperatuur.
• Isothermisch anlaten.
• Sferoidale anlaten.
• Herkristallisatie anlaten.
• Diffusie anlaten.

Normaliseert u voor warmtebehandeling?

Overzicht normalisatieproces. Normaliseren warmtebehandeling helpt onzuiverheden te verwijderen en duktiliteit en zwaartekracht te verbeteren. Tijdens het normalisatieproces wordt het materiaal verhit tot tussen 750-980 °C (1320-1796 °F).

Wat is het hoofddoel van anlaten?

De hoofddelen van anlaten liggen in hoe het proces de bewerkbaarheid van het materiaal verbetert, zwaartekracht verhoogt, hardheid verlaagt, en de duktiliteit en bewerkbaarheid van een metaal verhoogt.

Wat is inlaattijd in warmtebehandeling?

Inlaattijd is de hoeveelheid tijd dat het staal op de gewenste temperatuur wordt gehouden, wat in dit geval 1500 graden Fahrenheit is. Wanneer de inlaattijd voltooid is, heel snel maar voorzichtig het monster wegnemen met tangen.

Wat is het doel van verharden?

Verharden is een metallurgisch metaalbewerkingsproces gebruikt om de hardheid van een metaal te verhogen. De hardheid van een metaal is recht evenredig met de uniaxiale strekspanning op de locatie van de opgelegde vervorming.

Verzwakt verwarmen metaal?

Deze eenvoudige handeling, als verhit tot een exact temperatuurbereik, kan een zuiverder, harder metaal creëren. Het wordt vaak gebruikt om staal te creëren dat sterker is dan anlaten, maar ook een minder duktil product creëert. Dus, warmte kan inderdaad metaal zwakker maken.

Wat is het verschil tussen temperen en verharden?

Verharden of afschrikken is het proces van het verhogen van de hardheid van een metaal. Temperen is het proces van het verwarmen van een stof tot een temperatuur onder het kritieke bereik, vasthouden, en daarna afkoelen.

Wat gebeurt er als u staal over-tempt?

Bij voldoende hoge temperatuur en lang genoeg tijd, zal het staal zachter zijn dan als u het niet had afgeschrikt en gewoon langzaam had laten afkoelen. Afhankelijk van uw doel kunt u een mes absoluut over-temperen. Het maakt het mes zachter maar ook minder bros.

Waarom is temperproces verplicht na afschrikken?

Het is verplicht om het staal te temperen nadat het gehard is. Dit is simpelweg omdat een nieuwe fase is gecreëerd, namelijk het martensiet. Onthoud dat het nodig is om in de austenietfase te gaan voordat martensiet gecreëerd kan worden.

Waarom is temperen vereist na afschrikken?

Na afschrikken is het metaal in een erg harde toestand, maar het is bros. Het staal wordt getemperd om een deel van de hardheid te verminderen en de duktiliteit te verhogen. Het wordt verhit voor een vaste periode bij een temperatuur tussen 400°F en 1105°F.

Waaruit bestaat messing?

messing, een legering van koper en zink, van historisch en blijvend belang vanwege de hardheid en bewerkbaarheid.

Wat is het verhardingsproces?

Het verhardingsproces bestaat uit verwarmen van de componenten boven de kritische (normalisatie)temperatuur, vasthouden op deze temperatuur voor één uur per inch dikte, afkoelen met een snelheid genoeg snel om het materiaal te laten transformeren naar een veel harder, sterker structuur, en daarna temperen.

Waarom is inductieverharden vereist?

Inductieverharden is een warmtebehandelingsproces uitgevoerd om de mechanische eigenschappen in een gelokaliseerd gebied van een ferro-component te verbeteren. De resulterende gehardeerde zone verbetert de slijt- en vermoeidheidsweerstand samen met sterktekarakteristieken.

Welke materialen kunnen vlamverhard worden?

Vlamverharden wordt uitgevoerd op onderdelen van zacht staal, legeringsstalen, medium-koolstofstalen en gietijzer. Zoals de naam suggereert, gebruikt vlamverharden directe warmte van oxy-gasvlammen.

Hoe doet u het temperproces?

Temperen wordt meestal uitgevoerd na verharden, om een deel van de overmatige hardheid te verminderen, en wordt gedaan door het metaal te verwarmen tot een temperatuur onder het kritieke punt voor een bepaalde periode, en vervolgens te laten afkoelen in stilstaande lucht.