Warmtebehandelingstechnieken voor Ferreuse Gieterijen: Sterkte & Duurzaamheid Verbeteren

Afschrikken, aanlaten, normaliseren en aanlaten van staal

Warmtebehandeling is een cruciale stap naar het garanderen van de mechanische eigenschappen van staalgietstukken. Door vormgeven, gieten, uitschudden en reinigen, krijgen gietstukken hun eindvorm – maar ze zijn mogelijk niet sterk of elastisch genoeg voor hun eindgebruik. Door metaal op verschillende snelheden te verwarmen en af te koelen, kan een gieterij de mechanische eigenschappen veranderen.

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

Kristallisatie en metaaleigenschappen

Als vloeibaar metaal afkoelt, bevriest het in kristallijne structuren. Onder een microscoop zien deze structuren eruit als de rijkristallen die zich op glas in de winter vormen. Elke structuur groeit vanuit een centraal punt tot het een andere kristalstructuur ontmoet. Deze structuren vormen de "korrels" van een metaal.

Net als varierende winteromstandigheden veel soorten rijstpatronen creëren, veranderen variabele temperaturen de kristallen die metaal vormen. De korrel die ze creëren is meestal onzichtbaar, maar wordt zichtbaar wanneer het metaal geëtst wordt met zuur.

De vorm en relatie van de korrels in een legering bepalen de mechanische eigenschappen. Ronde korrels kunnen aan elkaar voorbijglijden wanneer het metaal wordt geslagen, wat tot dents leidt in plaats van sterk te blijven of te breken. Platte korrels kunnen op elkaar stapelen en elkaar ondersteunen als stenen in een muur; sterker dan de ronde korrels, maar nog steeds enigszins verplaatsbaar. Getande, in elkaar grijpende korrels hebben mogelijk geen geven. De warmtebehandeling van een metaal kan de kristallisatie herschikken, wat de korrel verandert, en daarmee de eigenschappen van het metaal.

Werkverharding van metaal

Het beeld van een smid bij zijn smidse, een gloeiende plak metaal kloppende, is direct herkenbaar, hoewel het niet meer een veelvoorkomend gezicht is. Echter, gedurende een groot deel van de menselijke geschiedenis, zouden smeden metaal mechanisch verwerken om het sterker te maken. Vandaag de dag, in plaats van handmatig verwerkt te worden door een smid, wordt staal vaak gewalst om het mechanisch te verharden.

Door de korrelstructuur zich voor te stellen, wordt duidelijk hoe werkverharding functioneert. Ronde korrels in het metaal worden vervormd, en hun nieuwe vorm geeft het metaal sterkte. Bij koudwalzen worden de ronde korrels samengeperst en uitgerekt om meer staafvormig te worden. Deze staven ondersteunen elkaar, als stokken in een bundel. Een smid of metaalbewerker kan hameren, draaien, verwarmen, afkoelen en uitrekken een object om de vorm van de korrel te veranderen. Als de korrels geen plek hebben om te gaan wanneer geslagen, vormen ze een onbewegelijke, inelastische matrix die de hardheid van het metaal verhoogt.

Deze hardheid kan echter een prijs hebben: sterkte kan het materiaal bros maken. Onregelmatig gevormde korrels glijden niet gemakkelijk langs elkaar: ze zijn in elkaar geklemd. Elke voldoende grote impact – iets groter dan de sterkte van de bindingen tussen korrels – zal ze uiteen breken.

Warmtebehandeling van metaal

De gieterij begint met het creëren van gewenste mechanische eigenschappen van staal door een legering te kiezen die bekend is om die kenmerken te produceren. Er is echter zeer weinig controle over de kristallisatie van dit metaal tijdens het afkoelen van het gietstuk. Omdat kristallisatie de mechanische eigenschappen van het metaal creëert, zal de legering mogelijk niet optimaal gedragen tenzij het verder behandeld wordt. De gieterij kan dit doen door het metaal op een gecontroleerde, regelmatige manier te verwarmen en af te koelen.

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

Kristallisatie begint bijna altijd vanaf de buitenste oppervlakken en beweegt naar binnen, en – vooral bij grote gietstukken – is er een groot temperatuursverschil tussen de schil van het gietstuk en het centrum. De kristallen groeien onregelmatig, meestal scherper en minder buigzaam nabij het oppervlak. Ze zijn vaak ronder en daardoor zachter hoe verder naar binnen. De vorm van het gietstuk en defecten of inclusies 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 metaalvermoeiding of -breuk kan veroorzaken. Warmtebehandeling stelt de gieterij in staat om terug te gaan in een metaal en de kristallen die het omvatten te herschikken.

Inlaten (Soaking)

Inlaten is het proces dat de basis vormt voor alle warmtebehandelingsmethoden. Warmtebehandeling steunt op de "rekristallisatie" temperatuur van een metaal, die onder het smeltpunt ligt. Tijdens rekristallisatie wordt koolstof ontgrendeld om door het metaal te diffunderen, van de ene moleculaire vorm naar een andere afhankelijk van warmte, koolstofpercentage en tijd. Deze beweging van koolstof verandert de kristallisatiepatronen van het metaal, en draagt daarmee verschillende materiaaleigenschappen. Het ijzer-koolstof fasediagram toont de vorming van austeniet, ferriet, perliet en cementiet korrels op verschillende tijden en temperaturen in de hitte. Martensiet, een andere korrelstructuur in gehard staal, wordt gevormd door koudschokken van austeniet.

Inlaten is dus het proces van het brengen van een gietstuk boven het punt van rekristallisatie. De inlaat "tijd bij temperatuur" gespecificeerd voor een warmtebehandeling laat de kristallen in het metaal smelten en hervormen. Kijken naar de ijzer-koolstof fasicyclus kan een gieterij helpen te weten hoe lang een gietstuk bij temperatuur te houden om specifieke diffusie van koolstof toe te laten.

In de meeste (maar niet alle) delen van de ijzer-koolstof fasicyclus, zal inlaten van een gegoten of bewerkt metaal het minder hard en bros maken. Naarmate de korrels in het metaal regelmatiger groeien, worden ze ronder en kunnen ze bij impact herschikken door aan elkaar voorbij te glijden. Ook, aangezien het item dezelfde temperatuur doorheen bereikt, zijn de kristallen meestal uniformer dan die in een net-gegoten gietstuk.

Aanlaten (Annealing)

Aanlaten begint met inlaten, en gaat daarna door het staal heel langzaam in de oven te laten afkoelen. De gieterijwerker zet de oven uit en laat een zachte, gecontroleerde temperatuurdaling toe. Er is thermische consistentie doorheen het object zowel tijdens verwarmen als afkoelen, wat betekent dat er weinig interne spanningen zijn: geen "zones" van metaal met verschillende kristallisisatie-eigenschappen treden op. Metaal dat geanneald is, is doorgaans heel buigzaam, met verhoogde duktiliteit, trekksterkte en rek. De korrelgroottes bij geannealde metalen zijn vaak erg groot door de heel langzame afkoelcurve.

Normaliseren

Normaliseren van een metaal betekent het brengen naar rekristallisatietemperaturen door inlaten, en het daarna uit de oven halen en laten afkoelen in de atmosfeer. Veel van de eigenschappen van geannealde metalen zijn zichtbaar in genormaliseerde metalen, maar omdat er niet helemaal dezelfde gelijkheid van afkoeling is, neigen de korrels ertoe iets minder regelmatig te zijn. Nog steeds, een veel kleiner temperatuursverschil dan in vriezend metaal betekent dat een genormaliseerd product minder bros is.

De afkoelsnelheid bij normaliseren creëert kleinere korrels in het metaal dan aanlaten doet, wat betekent dat het in het algemeen sterker of harder zal zijn dan geanneald metaal.

Afschrikken (Quenching)

Wat als een zeer hoge graad van hardheid gewenst is? Bij het maken van gereedschappen en machineonderdelen kan het zacht maken van het metaal het doel tegengaan.

Warmtebehandeling kan hardheid specificeren en consistent maken. Om hardheid in staal te creëren, laat de gieterij het staal inlaten tot austeniet het hoofdmolecuul is en schrikt het dan af in koudere olie of gedwongen lucht. Wanneer austeniet koudgeschokt wordt, creëert het een iets onregelmatige kristallijne structuur genaamd martensiet. Dit materiaal is harder door een koolstofvervorming in elk martensietmolecuul.

Aangezien afschrikken van buiten naar binnen gebeurt, kunnen grote objecten de druk van snelle kristallisatie ervaren leidend tot interne spanning in het metaal. Deze krachten kunnen soms scheuren veroorzaken als de afschrikking te extreem is. Om die reden is waterafschrikken niet veelvoorkomend voor grote staalobjecten, omdat het een heel snelle temperatuurdaling veroorzaakt die scheuren kan veroorzaken. Olie en lucht koelen iets minder vigoreus.

Echter, niet alleen stalen worden afgeschrikt voor verharding. Waterafschrikken wordt in een gieterij gebruikt. Niet-staal metalen kunnen niet dezelfde interne spanningen lijden omdat hun fasen en moleculaire structuren anders zullen zijn. Mangaan wordt bij veel hogere temperaturen waterafgeschrikt dan staal, zonder scheuren. Echter, het temperatuursverschil is zo groot dat elke afschrikking te maken heeft met veel energie die mis kan gaan! Hieronder een explosie veroorzaakt door een bewaarde zandkern tijdens het afschrikken van een mangaanstaal gietstuk. Reliance Foundry's Len Cranmore, nu onze Sales Manager, was ongedeerd bij deze explosie, maar moest kleine brandjes blussen veroorzaakt door de oververhitte zandscherven.

Aanlaten (Tempering)

De juiste mengeling van hardheid-en-duktiliteit kan ook bereikt worden door een proces genaamd aanlaten. Aanlaten wordt vaak gedaan met afgeschrikt staal om het minder bros te maken terwijl een deel van de hardheid behouden blijft. Bij aanlaten wordt een metaal opnieuw verwarmd, maar nu tot een lagere temperatuur dan bij aanlaten, normaliseren of afschrikken.

Martensiet is geen stabiel molecuul in warmte – het wordt bereikt onder schok – dus aanlaten van staal betekent het destabiliseren van het martensiet om het te laten converteren naar cementiet en ferriet. Een bereik van temperaturen en lengte van tijden in de aanletoven zal beïnvloeden hoeveel van het martensiet geconverteerd wordt en dus hoe zacht het metaal wordt. Bijvoorbeeld, metalen veren kunnen bij hogere temperaturen geanneald worden voor verhoogde elasticiteit vergeleken met gereedschappen die bij lagere temperaturen geanneald worden om hardheid te behouden.

Aanlaten wordt vaak gebruikt om de interne spanningen in een afgeschrikt materiaal te verlichten. Een metaal dat andere warmtespanningen heeft ondergaan zoals lassen of smeden kan geanneald worden om de moleculen binnenin een beetje in elkaar te laten ontspannen.

Variaties in warmtebehandeling

In een gieterij worden gietstukken meestal uniform warmtebehandeld. Echter, soms kan een item onregelmatig warmtebehandeld worden. Getemperde staal zwaarden waren vaak variabel getemperd, zodat de sneden hard waren terwijl de kernen veerkrachtig bleven. Veren gaan soms door differentiele warmtebehandeling, om hun functie te matchen.

Zoals met veel van de gieterij, betekent een begrip van de chemie van een legering dat tijden, temperaturen en toleranties wetenschappelijk gespecificeerd kunnen worden. Echter, over de tijd, leert een gieterijwerker het metaal waarmee ze werken kennen. Als een expert kok hun ingrediënten goed genoeg kent om geen recept nodig te hebben, zal een expert gieterijwerker weten wanneer er iets mis is. Een metaal dat te lang doet om tot gloei te komen, of te snel afkoelt, vertelt een moleculair verhaal aan een ervaren oog – zonder hulp van apparatuur in het lab.

Vorige Post: Uitschudden en Reinigen Metaal Gietproces Volgende Post: Inspectie