Samenvatting MTT4
H13
Staal: legering van koolstof en ijzer met een koolstofgehalte tussen 0,06 en 2,0%. Koolstof kan in
vaste toestand verkeren ijzer met een bcc-kristalstructuur, a-ferriet of σ-ferriet, met een fcc-
structuur, y-autoniet of in ijzer aanwezig zijn in de vorm van een verbinding met de stoichiometrische
samenstelling FE3C, centimentiet. Dit zijn de belangrijkste stabiele fasen. Basisvereisten voor het
harden van koolstofstaalsoorten:
1. Verwarmen tot het austenitische temperatuurbereik
2. Voldoende koolstofgehalte
3. Snelle afkoeling om de vervorming van evenwichtsproducten te vermijden
De veelvoorkomende warmtebehandelingen voor staal zijn in drie belangrijke categorieën
onderverdeeld: Harden (direct of via diffusiebehandeling), ontharden en conditionering. Er bestaan
veel subcategorieën en veel specifieke warmtebehandelingsprocessen.
Tabel 1
Warmtebehandeling van staal
Harden Ontharden Conditioneren
Direct harden Diffusie- Rekristallisatie Spanningsarmgloeien
behandeling
Afschrikken Carboneren Gloeien Verenstaalverouderen
(Diffusie C) Zacht gloeien
Grofkorrelig ‘’
Extreem ‘’
Normaliseren
Selectieve harden: Nitreren Ontlaten Normaliseren
Vlam (Diffusie N) Austemperen
harden Warmbadharden
Inductie Boroneren Verwarmen voor Stoombehandeling
harden (Diffusie B) warmvervormen
Laser Bijzondere Cryogene behandeling
harden elementen
Elektronen- (Diffusie
straal V,Si,etc.)
harden Carbonitreren
(Diffusie C+N)
Ferritisch
nitrocarboneren
(Diffusie C+N)
,Direct harden
Staalsoorten met een voldoende koolstof- en legeringsgehalte kunnen direct worden gehard. Ze
kunnen worden verwarmd tot de austenitiseringstemperatuur en vervolgens relatief snel afgekoeld
om hard martensiet te vormen.
Als een staalsoort geen voldoende koolstof- en legeringsgehalte heeft dan is er een ander
hardingsproces beschikbaar, diffusiebehandelingen. Deze processen voegen chemische stoffen toe
aan het staal, zodat het oppervlakte harder wordt. Het materiaal moet gelijk worden afgeschrikt om
het harden te voltooien. Hoe langzamer de afschrikken, des te kleiner is de kans op vervormingen.
Aan de andere kant, als de afkoeling te langzaam gaat, is het misschien niet mogelijk de gewenste
hardheid te bereiken.
Selectief harden
Als men alleen een deel van een product wil harden, dan wordt er gebruik gemaakt van selectieve
hardingsprocessen. In tabel 1 zijn de verschillende selectieve hardingsprocessen te zien. Bij vlam
harden wordt als warmteborn een gasvlam gebruikt. Afschrikken is onmiddellijk met water.
Hardingstemperaturen zijn gelijk aan die voor het harden in een oven. Bij inductie harden wordt het
werkstuk verwarmd door een geïnduceerde elektrische stroom. De verhitting gaat van buiten naar
binnen. Vervolgens wordt door afschrikken het werkstuk gehard. Beperking is dat het werkstuk in
een juiste positie moet worden geplaatst om verwarmd te worden. Een voordeel is de
verwarmingstijd. Bij laser- en elektronenstraal harden wordt het werkstuk gehard door middel van
lasers en elektronenbundels. De massa van de rest materiaal zorgt voor snelle afkoeling. Omdat laser
harden geen vacuüm nodig is kan er gas worden gebruikt om af te schrikken. Harden kan zeer snel
worden uitgevoerd. Hierdoor is het echter mogelijk dat staalsoorten met een hoog legeringsgehalte
niet reageren. Een ander probleem is dat bepaalde soorten laserstralen door glanzende oppervlaktes
gereflecteerd worden.
Ontlaten en spanningsarmgloeien
Spanningsarmgloeien
Staalsoorten die worden gemaakt door middel van koudwalsen of koudtrekken, worden foor
vervorming hard en bros. Staalsoorten moeten dus in de fabriek ontlaten om de omvormbaarheid te
verbeteren voor de vormgevingsprocessen, taaiheid te verbeteren of om een nieuwe bewerking of
lassen mogelijk maken.
Dit proces wordt vaker gebruikt door technici en ontwerpers dan gloeien of normaliseren.
Ingewikkelde machineonderdelen vereisen vaak spanningsarmgloeien om te zorgen voor een goede
afmetingsstabiliteit.
Enkele voorbeelden waarbij spanningsarmgloeien nodig kan zijn:
1. Lasnaden die een machinale nabewerking vragen
2. Machinaal bewerken van koudgewalste producten
3. Gietstukken die machinaal bewerkt moeten worden
4. Onderdelen met uiterst nauwkeurige afmetingen
5. Lange, smalle onderdelen die door machinaal bewerken uit zwaardere vormen worden
gemaakt.
Het mechanisme van spanningsarmgloeien is het verplaatsen van dislocaties en defecten onder
invloed van warmte om de inwendige spanningen te verminderen, een proces dat herstel heet.
Spanningsarmgloeien bij 300 of 400 graden verwijderd slechts 10 tot 20% van de inwendige
,spanningen. Bij verwarming tot temperaturen tussen de 500 en 650 graden kan in koolstofstaal tot
90% van alle inwendige spanningen worden verwijderd. Na spanningsarmgloeien geeft men de
voorkeur aan een gelijkmatige afkoeling in stilstaande lucht.
Rekristallisatie en koudbewerking
De transformatie van koudgewalste korrels tot onvervormde equiaxiale korrels volgt drie stappen:
hertel, kristallisatie en korrelgroei. Bij hoge temperaturen bewegen de dislocaties zodanig dat er
nieuwe korrels gevormd worden, vandaar de naam rekristallisatie.
Rekristallisatiewarmtebehandelingen zijn essentieel als het staal onderworpen wordt aan zware
koudbewerkingen als koudwalsen en koudtrekken. Bij langere blootstelling of bij hogere
temperaturen groeien de nieuwe korrels zo hard dat het materiaal de oorspronkelijke onvervormde
microstructuur krijgt. Na het afkoelen kan men verdergaan met bijvoorbeeld koudwalsen.
Ontlaten
Staal dat door afschrikken gehard is, onbruikbaar is. Ontlaten is een subkritische warmtebehandeling
die wordt gebruikt om de taaiheid van door afschrikken geharde staalsoorten te verbeteren zonder
dat de sterkte noemenswaardig afneemt. Er zijn twee soorten ontlaten: hoog ontlaten en laag
ontlaten. Hoog ontlaten vindt plaats bij 400-600 graden en laag ontlaten bij 200-400 graden.
Gloeien
Gloeien wordt uitgevoerd op geharde staalsoorten. Als een werkstuk machinaal bewerkt en gehard is
en wordt ontdekt dat een van de afmetingen fout is, dan kan het onderdeel door gloeien onthard
worden, bewerkt en opnieuw worden gehard. Een vuistregel voor de benodigde afkoelsnelheid voor
gloeien is 50 graden/uur maar dat verschilt per staalsoort. Een gloeibewerking waarbij het materiaal
verwarmd wordt tot in het austenietgebied wordt grofkorrelig gloeien genoemd. Een variant hierop
is zacht gloeien. Vacuümontlaten is gloeien in een atmosfeer die niet reageert met de
metaaloppervlakte; onderdelen komen er helderder uit.
Warmtebehandelingen voor specifieke toepassingen
Conditioneren is geen standaardterm voor warmtebehandelingen, maar wordt in deze bespreking
gebruikt in collectieve zin om te verwijzen naar warmtebehandelingen waarvan het doel zeel
verschillend kan zijn.
Verenstaalverouderen
Wanneer rek- of drukveren worden gewonden van koolstofrijke staaldraad, is het mogelijk dat ze in
de loop van tijd ‘afgewonden’ raken of op een andere manier van vorm veranderen. Deze
tijdsafhankelijke beweging is een gevolg van inelastisch gedrag, herstelbare rek. Een eenvoudige
conditioneringsbehandeling van 2 uur bij 315-370 graden verwijdert meestal het inelastische gedrag.
Normaliseren
Bij normaliseren wordt het staal verwarmd tot een volledig austenitische structuur heeft, korte tijd
op deze temperatuur gehandhaafd en vervolgens afgekoeld in lucht tot kamertemperatuur.
Normaliseren wordt uitgevoerd op warmgewalste vormen om de eigenschappen en toegevoegde
legeringen gelijkmatig te verdelen.
, Stoombehandeling
De stoom dringt door in de poriën en vermindert de porositeit enigermate. Stoomontlaten mag
alleen worden gebruikt op staal dat gehard kan worden, en wanneer de
stoombehandelingstemperatuur past bij de vereiste ontlaattemperatuur voor het onderdeel.
Cryogene behandeling
Cryogene behandeling wordt gebruikt om ervoor te zorgen dat het staal vrij blijft van restausteniet.
Bij het afschrikken van een hardbare staalsoort begint zich martensiet te vormen bij een temperatuur
van rond 250 graden. Bij sommige staalsoorten kan de transformatie compleet zijn bij 100 graden.,
maar bij andere staalsoorten is de transformatie soms pas voltooid als een temperatuur van -50
graden is bereikt. Een Cryogene behandeling wordt ook soms toegevoegd aan harden en ontlaten, of
indien mogelijk aan harden, ontlaten en diepvriezen bij -100 graden. Cryogene behandeling wordt
uitgevoerd bij niet-hardende materialen zoals gietijzer, aluminium en zelfs kunststoffen. Cryogene
behandeling wordt gewoonlijk uitgevoerd in een vrieskist.
Beheersing van de atmosfeer
De meeste warmtebehandelingen bij hoge temperaturen worden uitgevoerd in een gecontroleerde
atmosfeer. Elektrische ovens kunnen ter voorkoming van oxidatie vacuüm worden gepompt of met
een inert of niet-oxiderende gas worden gevuld. Wanneer moet een ontwerper zich bezighouden
met de atmosfeer bij warmtebehandeling? Als een onderdeel gehard moet worden en het duidelijk is
dat oxidatie tijdens de warmtebehandeling de functionaliteit kan beïnvloeden. Als een onderdeel na
machinale afwerking gehard moet worden, kan het nodig zijn om te vragen naar vacuümharden. In
de meeste werkplaatsen voor warmtebehandeling betekent het gebruik van de termen
vacuümharden, vacuümontlaten of spanningsarmgloeien dat de bewerking moet worden uitgevoerd
in een vacuüm of een waterafstotendeatmosfeer.
Kosten warmtebehandelingen
De kosten van warmtebehandelingen in eigen werkplaats worden bepaald door de
𝑎𝑟𝑏𝑒𝑖𝑑𝑠𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛+𝑜𝑣𝑒𝑟ℎ𝑒𝑎𝑑𝑘𝑜𝑠𝑡𝑒𝑛
𝑎𝑎𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑣𝑒𝑟𝑤𝑒𝑟𝑘𝑡𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑒𝑟𝑑𝑒𝑙𝑒𝑛
. Gewoonlijk kost een specifieke warmtebehandeling aan arbeid
bijvoorbeeld 0,03 uur/onderdeel. De kosten hangen af van de situatie.
H14
Aanduiding van legeringen
In het onderstaande tabel zijn de staalsoorten schematisch ingedeeld.
Staalsoorten voor machinetoepassingen
Koolstofstaal Gelegerd staal HSLA-staal Ultrasterk staal Warmtebehandeld Bijzondere
staal staalsoorten
