Aanharden beheersen: de ultieme gids voor metalen verharding

Aanharden is een metaal warmtebehandelingsproces waarbij het metaalwerkstuk wordt opgewarmd tot een bepaalde temperatuur en gedurende een bepaalde tijd wordt gehouden, en vervolgens in het aanhardingsmedium wordt gedompeld voor snelle afkoeling. Aanharden kan de hardheid en slijtvastheid van het metaalwerkstuk verbeteren, daarom wordt het wijd gebruikt in allerlei gereedschappen, matrijzen, meetgereedschappen en onderdelen die oppervlakte-slijtvastheid vereisen.

Wat is aanharden?

Aanharden is een warmtebehandelingsproces dat de staal boven de kritieke temperatuur opwarmt, het gedurende een bepaalde periode houdt, en het vervolgens afkoelt met een snelheid groter dan de kritieke afkoelsnelheid, om een onevenwichtsstructuur te verkrijgen gedomineerd door martensiet (of bainiet of enkelvoudige austeniet zoals vereist). Aanharden is het meest gebruikte proces in staal warmtebehandeling.

Er zijn vier basale processen voor warmtebehandeling van staal: aanlaten, normaliseren, aanharden en aanlaten.

Doel van aanharden

Het is om de onderkoelde austeniet een martensiet- of bainiettransformatie te laten ondergaan om martensiet- of bainietstructuur te verkrijgen, en vervolgens te combineren met aanlaten bij verschillende temperaturen om de rigiditeit, hardheid, slijtvastheid, vermoeidheidssterkte en zwaarte van staal aanzienlijk te verbeteren, zodat aan de verschillende gebruiksvereisten van diverse mechanische onderdelen en gereedschappen wordt voldaan. Het kan ook de speciale fysieke en chemische eigenschappen van sommige speciale stalen vervullen, zoals ferromagnetisme en corrosiebestendigheid, door aanharden.

Het metaal warmtebehandelingsproces is het opwarmen van het metaalwerkstuk tot een bepaalde temperatuur en het gedurende een bepaalde periode handhaven, en vervolgens dompelen in het aanhardingsmedium voor snelle afkoeling. Veelvoorkomende aanhardingsmedia zijn: pekel, water, minerale olie, lucht, etc. Aanharden kan de hardheid en slijtvastheid van metalen werkstukken verbeteren, daarom wordt het wijd gebruikt in diverse gereedschappen, matrijzen, meetgereedschappen en onderdelen die oppervlakte-slijtvastheid vereisen (zoals tandwielen, wielen, ge-carburiseerde onderdelen, etc.). Door aanharden en aanlaten bij verschillende temperaturen, kunnen de sterkte, zwaartevermindering en vermoeidheidssterkte van metalen aanzienlijk worden verbeterd, en de coördinatie tussen deze eigenschappen (algehele mechanische eigenschappen) kan worden verkregen om aan verschillende gebruiksvereisten te voldoen.

Daarnaast kan aanharden ook sommige speciale eigenschappen van staal bepaalde fysieke en chemische eigenschappen laten verkrijgen, zoals aanharden om de ferromagnetisme van permanentmagneetstaal te versterken, roestvrij staal om de corrosiebestendigheid te verbeteren, etc. Het aanhardingsproces wordt voornamelijk gebruikt voor staalonderdelen. Wanneer gewone staal boven de kritieke temperatuur wordt opgewarmd, zal de oorspronkelijke structuur bij kamertemperatuur volledig of grotendeels worden getransformeerd in austeniet. Vervolgens wordt de staal in water of olie gedompeld voor snelle afkoeling, en austeniet wordt getransformeerd in martensiet. Vergeleken met andere structuren in staal, heeft martensiet de hoogste hardheid. Snelle afkoeling tijdens aanharden zal interne spanning in het werkstuk veroorzaken, en wanneer deze groot is tot een bepaalde mate, zal het werkstuk vervormen of zelfs scheuren. Daarom is het noodzakelijk een geschikte afkoelmethode te kiezen. Volgens de afkoelmethode wordt het aanhardingsproces verdeeld in enkelvoudig-medium aanharden, dubbel-medium aanharden, martensiet-trapaanharden en bainiet-isothermisch aanharden.

Aanhardingsmethode

Enkelvoudig-medium aanharden

Het werkstuk wordt in één medium afgekoeld, zoals wateraanharden en olieaanharden. Voordelen: eenvoudige bediening, gemakkelijke mechanisatie, brede toepassing. Nadelen: aanhardingsspanning in water is groot, werkstuk vervormt en scheurt gemakkelijk; aanharden in olie, afkoelsnelheid is klein, aanhardingsdiameter is klein, grote werkstukken zijn niet gemakkelijk te verharden.

Dubbel-medium aanharden

Het werkstuk wordt afgekoeld tot ca. 300 °C in een medium met sterke afkoelcapaciteit, en vervolgens afgekoeld in een medium met zwakke afkoelcapaciteit, zoals wateraanharden vóór olieaanharden, wat de interne spanning van de martensiettransformatie en de neiging tot vervorming en scheuring van het werkstuk effectief kan reduceren. Het kan worden gebruikt voor aanharden van werkstukken met complexe vorm en ongelijke dwarsdoorsnede. Het nadeel van dubbele vloeistof aanharden is dat het moeilijk is de tijd van de dubbele vloeistof conversie te beheersen. Te vroeg conversie → niet verhard; te laat conversie → scheuren. Om dit tekortkoming te overwinnen, is de trapaanhardingsmethode ontwikkeld.

Trapaanharden

Het werkstuk wordt geaardend in een laagtemperatuur zoutbad of alkalibadofen. De temperatuur van het zoutbad of alkalibad is bij het Ms-punt. Het werkstuk blijft 2–5 min op deze temperatuur, en wordt vervolgens uitgehaald voor luchtkoeling. Deze koelmethode heet getrapte aanharding. Het doel van getrapte koeling is om de temperatuur binnen en buiten het werkstuk uniformer te maken, en martensitische transformatie tegelijkertijd te laten plaatsvinden, wat de aanhardingsspanning aanzienlijk kan reduceren en vervorming en scheuring voorkomen. De classificatietemperatuur was eerst ingesteld op een punt iets hoger dan Ms. Na de temperatuur binnen en buiten het werkstuk uniform was, trad het de martensietzone in. Het is verbeterd om te classificeren bij een temperatuur iets lager dan Ms. De praktijk toont aan dat het effect van classificeren onder het Ms-punt beter is. Bijvoorbeeld: hoogkoolstofstaal matrijzen worden wijd gebruikt omdat ze in 160 °C alkalibad met kleine vervorming kunnen worden geaardend.

Isothermisch aanharden

Het werkstuk wordt geaardend in een isothermisch zoutbad, en de zoutbadtemperatuur is in het onderste deel van de bainietzone (iets hoger dan Ms). Het werkstuk blijft isothermisch voor een lange tijd tot de bainiettransformatie is voltooid, en wordt vervolgens uitgehaald voor luchtkoeling. Isothermisch aanharden wordt gebruikt voor stalen boven medium koolstof om lager bainiet te verkrijgen om sterkte, hardheid, zwaarte en slijtvastheid te verbeteren. Laagkoolstofstaal gebruikt doorgaans geen isothermisch aanharden.