Staalverweking – methoden, temperatuur, microstructuur en toepassing

Verzachting van staal Het omvat warmtebehandelingsprocessen die de hardheid van een materiaal verminderen, de plasticiteit ervan verhogen of een microstructuur creëren die gunstiger is voor verdere verwerking. Verzachten wordt voornamelijk toegepast vóór bewerking, plastische vervorming en daaropvolgende warmtebehandelingsprocessen, zoals harden.
Dit proces is met name belangrijk voor koolstofrijke staalsoorten, gelegeerde staalsoorten en gereedschapsstaal, waarvan de hoge hardheid of het ongunstige carbidegehalte draaien, frezen, boren of andere bewerkingsprocessen kan bemoeilijken. Verzachten kan ook worden toegepast op materialen die koudvervormd zijn, waarbij het nodig is om de effecten van de koudvervorming te elimineren en het materiaal weer in staat te stellen verder te vervormen.
Er bestaat geen universele methode om staal te verzachten. Afhankelijk van het materiaalsoort, het koolstofgehalte, de legeringselementen, de oorspronkelijke structuur en het gewenste effect, worden verschillende methoden gebruikt, waaronder volledig gloeien, isothermisch gloeien, sferoidiserend gloeien en herkristalliserend gloeien.

Wat is staalverweking?

Verzachting maakt gebruik van de relatie tussen de mechanische eigenschappen van staal en de microstructuur ervan. Door een juiste keuze van verhitting, gloeien en afkoeling kunnen veranderingen worden aangebracht in de grootte en vorm van structurele componenten, de verdeling van carbiden, de mate van verharding van het materiaal en het niveau van restspanningen.
Afhankelijk van het gebruikte proces kunnen de volgende verschijnselen optreden: omzetting van austeniet in ferriet en perliet, sferoidisatie van cementiet of andere carbiden, herkristallisatie van het koudvervormde materiaal en een afname van de dislocatiedichtheid.
Het effect is doorgaans een vermindering van de hardheid en de weerstand tegen verdere bewerking van het materiaal, en een toename van de ductiliteit. Het exacte mechanisme hangt echter af van de gebruikte methode, waardoor de term "verweking" niet gelijkgesteld moet worden aan één specifieke thermische cyclus.

Waarom wordt staal zachter?

Materiaal dat na walsen, smeden, trekken, harden of andere technologische processen wordt geleverd, beschikt niet altijd over de eigenschappen die nodig zijn voor de volgende productiestap. Een te hoge hardheid verhoogt de slijtage van gereedschap en de snijkrachten, terwijl overmatige vervorming de mogelijkheid tot verder stempelen, buigen of trekken kan beperken.
De belangrijkste doelstellingen van het verzachten van staal zijn:

• het verminderen van de hardheid van het materiaal,
• verbeterde bewerkbaarheid in geschikte staalsoorten,
• toenemende plasticiteit en het vermogen om verder gevormd te worden,
• het wegnemen of beperken van de effecten van vervormingsharding,
• het verkrijgen van een gunstige vorm van cementiet of carbiden,
• voorbereiding van staal voor harding en verdere warmtebehandeling,
• homogenisatie van de microstructuur vóór de volgende productiestadia.

Methoden om staal te verzachten

De keuze van de verzachtingsmethode hangt voornamelijk af van het type staal en het gewenste technologische effect. Hoog koolstofstaal dat gehard moet worden, vereist een ander proces dan laag koolstof plaatstaal dat tijdens koudwalsen sterk gehard wordt.

1. Volledig gloeien

Volledig gloeien Dit houdt in dat het staal wordt verhit tot een temperatuur die een geschikte austenitisatie garandeert, het materiaal wordt verhit en vervolgens zeer langzaam wordt afgekoeld, meestal tegelijk met de oven.
Voor hypoeutectoïde staalsoorten wordt de procestemperatuur boven de kritische temperatuur Ac3 gekozen. De exacte temperatuur, gloeitijd en afkoelsnelheid zijn afhankelijk van de staalsoort en de afmetingen van het onderdeel.
Langzame afkoeling maakt het mogelijk om een ​​relatief zachte ferriet-perlietstructuur te verkrijgen. In vergelijking met normalisatie van staal Het afkoelingsproces verloopt veel langzamer, waardoor de resulterende structuur en mechanische eigenschappen anders zijn.
Typisch gebruik: Constructiestaal en andere soorten staal die een verlaging van de hardheid, een verbetering van de plasticiteit of een voorbereiding voor verdere verwerking vereisen.

2. Isothermisch gloeien

Isothermisch gloeien Het proces maakt gebruik van een gecontroleerde transformatie van austeniet bij een constante temperatuur. Na de austenitisatie wordt het staal afgekoeld tot de juiste transformatietemperatuur en vervolgens op die temperatuur gehouden totdat de gewenste microstructuur is bereikt.
In tegenstelling tot klassiek gloeien met zeer langzame, continue afkoeling, vindt de transformatie plaats onder gecontroleerde isotherme omstandigheden. Dit zorgt voor een meer uniforme structuur en, bij bepaalde staalsoorten, een kortere procestijd.
De methode wordt onder andere gebruikt bij bepaalde legeringen en gereedschapsstalen, waarbij langzame afkoeling tijdens traditioneel gloeien tijdrovend zou zijn.
Effect: Het verkrijgen van een gecontroleerde microstructuur en eigenschappen die verdere mechanische of thermische bewerking mogelijk maken.

3. Bolgloeien – sferoidiseren

Bolgloeien, ook wel sferoidiseren genoemdDit is met name belangrijk voor staalsoorten met een hoog koolstofgehalte, lagerstaal en gereedschapsstaal. Het doel ervan is om de morfologie van cementiet en andere carbiden te veranderen, zodat er meer afgeronde, bolvormige deeltjes ontstaan ​​die in een ferritische matrix zijn gerangschikt in plaats van een lamellaire of gaasachtige structuur.
Sferoidisatie kan worden uitgevoerd met behulp van verschillende thermische cycli, waaronder langdurige verhitting nabij de Ac1-temperatuur of cyclische verhitting binnen een specifiek temperatuurbereik. De parameters zijn afhankelijk van de chemische samenstelling en de oorspronkelijke structuur van de specifieke soort.
Door de vorm en rangschikking van carbiden te veranderen, kan de hardheid van koolstofstaal aanzienlijk worden verlaagd en de bewerkbaarheid ervan worden verbeterd. Een goed voorbereide structuur biedt bovendien een gunstige uitgangspositie voor de daaropvolgende harding.
Typisch gebruik: Gereedschapsstaal, lagerstaal en ander koolstofrijk staal bestemd voor verdere mechanische bewerking en harding.

4. Herkristallisatiegloeien

Herkristallisatie-gloeien Het wordt voornamelijk gebruikt voor materialen die tijdens koudvervorming zijn uitgehard, bijvoorbeeld door walsen, trekken of stempelen.
Tijdens koudvervorming neemt de dislocatiedichtheid toe, wordt het materiaal harder en nemen de hardheid en sterkte toe, terwijl de ductiliteit afneemt. Zodra een hoge mate van koudvervorming is bereikt, kan verdere vormgeving moeilijk worden.
Door herkristallisatiegloeien ontstaan ​​nieuwe korrels, vrij van de effecten van eerdere vervormingsharding. Dit leidt tot een vermindering van de hardheid en sterkte als gevolg van vervormingsharding en herstel van de ductiliteit.
Typisch gebruik: platen, stroken, draden en andere halffabrikaten die intensief koudverwerkt zijn.

Vergelijking van methoden voor het verzachten van staal

Methode Basismechanisme Hoofdeffect Typische toepassing Volledig gloeien Austenitisatie en langzame transformatie tijdens afkoeling Hardheidsreductie en zachtere structuur Constructiestaal en halffabricaten vóór verdere verwerking Isothermisch gloeien Austeniettransformatie bij een gecontroleerde, constante temperatuur Uniforme microstructuur en gecontroleerde eigenschappen Geselecteerde legerings- en gereedschapsstalen Kogel-/sferoidiserend gloeien Verandering in cementiet- en carbidemorfologie Hardheidsreductie en verbeterde bewerkbaarheid Hoogkoolstofstaal, lagerstaal en gereedschapsstaal Herkristallisatiegloeien Vorming van nieuwe korrels na voorafgaande koudvervorming Verwijdering van hardingseffecten en herstel van ductiliteit Koudvervormde platen, stroken en draden

Vergelijking van methoden voor het verzachten van staal

Hoe verandert de microstructuur tijdens het verwekingsproces?

Microstructurele veranderingen zijn afhankelijk van het type gloeiproces. Daarom is het onmogelijk om één enkele structuurkarakteristiek te identificeren voor alle verwekingsprocessen.
Afhankelijk van de gebruikte technologie kunnen de volgende zaken zich voordoen:

• vorming van een ferritisch-perlietische structuur tijdens langzame afkoeling na austenitisatie,
• gecontroleerde austeniettransformatie tijdens isothermisch gloeien,
• sferoidisatie van cementiet en andere carbiden in koolstofrijke en gelegeerde staalsoorten,
• herstel en herkristallisatie van de structuur na voorafgaande koudplastische vervorming,
• het verminderen van de dislocatiedichtheid en de effecten van spanningsverharding.

Sferoidiserend gloeien – waarom is het belangrijk voor gereedschapsstaal?

Bij gereedschapsstaal en andere staalsoorten met een hoog koolstofgehalte is hardheid niet de enige parameter die de geschiktheid voor bewerking bepaalt. De vorm, grootte en verdeling van de carbiden zijn eveneens cruciaal.
Een structuur met op de juiste wijze verdeelde, nagenoeg bolvormige carbiden kan de bewerking vergemakkelijken en een geschikte uitgangsconditie vormen voor de daaropvolgende austenitisatie en harding. Daarom worden gereedschapsstalen vaak in zachtgegloeide toestand geleverd.
De werkelijke hardheid na gloeien moet voor de specifieke staalsoort worden bepaald. Er mag niet één enkele HB- of HV-waarde worden gehanteerd voor alle gereedschapsstalen.

Verweking van staal en bewerkbaarheid

Een van de belangrijkste redenen voor het verzachten van materiaal is de voorbereiding ervan op draaien, frezen, boren, brootsen of andere bewerkingsprocessen. Het verminderen van overmatige hardheid kan de spanning op de snijkant en de slijtage van het gereedschap verminderen.
De relatie tussen hardheid en bewerkbaarheid is echter niet lineair. Het materiaal met de laagst mogelijke hardheid is niet altijd het gemakkelijkst te bewerken. Zeer zachte en ductiele staalsoorten kunnen problemen ondervinden met spaanvorming, opbouw van materiaal aan de snijkant en de oppervlakteafwerking.
Daarom wordt het juiste proces niet alleen gekozen om de laagst mogelijke hardheid te bereiken, maar vooral om een ​​microstructuur te verkrijgen die geschikt is voor het specifieke materiaal en de daaropvolgende productietechnologie.

Verweking en koolstofgehalte in staal

Het koolstofgehalte heeft een aanzienlijke invloed op de keuze van de onthardingsmethode. Bij koolstofarme staalsoorten kan het verwijderen van de effecten van koudvervormingsharding bijzonder belangrijk zijn. Bij middelmatig koolstofrijke staalsoorten hangt de proceskeuze onder andere af van de daaropvolgende mechanische en thermische behandeling.
Bij staalsoorten met een hoog koolstofgehalte wordt de morfologie van cementiet en andere carbiden steeds belangrijker. Daarom worden processen die leiden tot sferoidisatie van carbiden vaak toegepast in gereedschaps-, lager- en verenstaal.

Verzachting van koolstofstaal

Bij koolstofstaal hangt de keuze van de behandeling af van het koolstofgehalte en de gewenste eindtoestand. Zo kan C45-staal een andere behandeling vereisen dan hoogkoolstofstaal voor veren of gereedschap.
Bij staalsoorten met een hoger koolstofgehalte kan sferoidiserend gloeien worden toegepast vóór de bewerking en de daaropvolgende harding. Het verkrijgen van de juiste cementietvorm vergemakkelijkt verdere verwerking en bereidt de structuur voor op de volgende thermische cyclus.

Verzachting van gelegeerd staal

Legeringselementen kunnen de transformatietemperaturen, de hardbaarheid, het type gevormde carbiden en de snelheid van diffusieprocessen aanzienlijk beïnvloeden. Daarom mogen parameters die geschikt zijn voor koolstofstaal niet automatisch worden toegepast op chroom-, chroom-molybdeen-, nikkel- of hooggelegeerd staal.
Bij gelegeerde staalsoorten is het beheersen van de temperatuur, de tijd en de afkoelsnelheid bijzonder belangrijk. Voor gereedschapsstaal worden de parameters voor zachtgloeien doorgaans voor elke soort afzonderlijk bepaald.

Verzachting van roestvrij staal

Als het om roestvrij staal gaat, vereist de term "verzachting" meer voorzichtigheid. Austenitisch, ferritisch, martensitisch en duplexstaal hebben verschillende microstructuren en vereisen daarom verschillende warmtebehandelingen.
Austenitisch roestvrij staal kan bijvoorbeeld aanzienlijk verharden tijdens koudvervorming. Om de ductiliteit te herstellen, is een zorgvuldig gekozen warmtebehandeling nodig die geschikt is voor de specifieke staalsoort. Daarom mag er geen universeel temperatuurbereik worden gehanteerd voor het "verzachten van roestvrij staal".

Het effect van tijd en temperatuur op het verzachten van staal

Temperatuur en tijd zijn nauw met elkaar verbonden. Een te lage temperatuur leidt mogelijk niet tot de gewenste microstructurele veranderingen, terwijl een te hoge temperatuur of een te lange verhitting ongewenste korrelgroei of andere structurele veranderingen kan veroorzaken.
De procesparameters moeten het volgende omvatten:

• kwaliteit en chemische samenstelling van staal,
• kritische materiaaltemperaturen,
• uitvoerstructuur,
• mate van voorafgaande versterking,
• afmetingen en geometrie van het element,
• type oven en verwarmingsmethode,
• verwachte uiteindelijke microstructuur,
• type verdere mechanische of warmtebehandeling.

Effect van de afkoelsnelheid

De afkoelsnelheid is een van de parameters die de uiteindelijke structuur van staal bepalen. Bij klassiek volledig gloeien wordt langzaam afgekoeld om de transformaties mogelijk te maken die leiden tot een zachtere structuur.
Bij isothermisch gloeien wordt het geaustenitiseerde materiaal tot een specifieke temperatuur gebracht waarbij een gecontroleerde transformatie plaatsvindt. Bij herkristallisatiegloeien daarentegen heeft de afkoelingsmethode een andere betekenis, aangezien het primaire doel van het proces is om de effecten van eerdere werkverharding te verwijderen, en niet om het austeniet te transformeren.
Om deze reden mag niet één enkele afkoelsnelheid als geschikt worden beschouwd voor alle onthardingsprocessen.

Atmosfeer tijdens zacht gloeien

Tijdens het gloeiproces zijn niet alleen de temperatuur en de tijd van belang, maar ook de atmosfeer in de oven. Hoge temperaturen kunnen leiden tot oppervlakteoxidatie, kalkaanslag en, onder bepaalde omstandigheden, veranderingen in de chemische samenstelling van de oppervlaktelaag.
Afhankelijk van de technologische eisen worden ovens gebruikt die werken in een luchtatmosfeer, een beschermende atmosfeer of een vacuüm. Beschermende atmosferen of een vacuüm kunnen met name belangrijk zijn voor precisieonderdelen en gelegeerd staal, waar oxidatiereductie en een hoge oppervlaktekwaliteit vereist zijn.

Toepassing van staalverweking in de industrie

Gereedschapsproductie

Gereedschapsstaal wordt vaak mechanisch bewerkt vóór de uiteindelijke harding. Zachtgloeien, met name sferoidiseren, creëert een structuur die frezen, draaien, boren en andere bewerkingen vergemakkelijkt die vóór de uiteindelijke warmtebehandeling worden uitgevoerd.

Lagerproductie

Bij koolstofrijke lagerstaalsoorten is het belangrijk om vóór het harden de juiste vorm en verdeling van de carbiden te verkrijgen. Sferoidiserend gloeien is daarom een ​​cruciale stap in de materiaalvoorbereiding.

Productie van platen, stroken en draden

Materialen die koudgewalst of getrokken worden, verharden geleidelijk. Door herkristallisatiegloeien wordt de juiste ductiliteit hersteld en kan het vormgevingsproces worden voortgezet.

Machine-industrie

Verzachten kan worden toegepast bij de voorbereiding van halffabrikaten voor assen, tandwielen, transmissieonderdelen, mallen en andere onderdelen die intensieve bewerking vereisen vóór de uiteindelijke warmtebehandeling.

Verzachting en spanningsontlasting door gloeien

Verzachting mag niet gelijkgesteld worden met spanningsverlagend gloeienHet voornaamste doel van spanningsvermindering is het verlagen van restspanningen en tegelijkertijd de verandering in de basismicrostructuur van het materiaal tot een minimum te beperken.
Tijdens het verzachten is het voornaamste doel de hardheid, plasticiteit of microstructuur zodanig te veranderen dat latere technologische bewerkingen worden vergemakkelijkt.

Verzachten en normaliseren

Normaliserend staal Dit proces omvat austenitisatie en daaropvolgende afkoeling aan de lucht. Bij veel koolstofstaalsoorten leidt dit tot een fijnere structuur en een grotere hardheid en sterkte dan langzaam gloeien.
Als het voornaamste doel is om gereedschapsstaal met een hoog koolstofgehalte zo gemakkelijk mogelijk te bewerken, is sferoidiserend gloeien wellicht een geschikter proces. Echter, als korrelverfijning en structurele homogeniteit na het smeden of walsen vereist zijn, kan normaliseren het juiste proces zijn.

Verzachten en verharden

Verzachting en staalharding Ze streven fundamenteel verschillende doelen na. Harden levert een zeer harde structuur op, terwijl verzachten wordt gebruikt om de hardheid te verminderen of een structuur te verkrijgen die gunstig is voor verdere verwerking.
Deze processen vinden echter vaak plaats in één enkele technologische sequentie. Gereedschapsstaal kan eerst zacht gegloeid worden, vervolgens mechanisch bewerkt en pas daarna gehard. vergeven.

De belangrijkste voordelen van het verzachten van staal

• het verminderen van overmatige hardheid,
• het verbeteren van de bewerkbaarheid in geschikte kwaliteiten,
• het vergroten van de plasticiteit van het materiaal,
• herstel van de plasticiteit na koudvervorming,
• het verkrijgen van de juiste carbide-morfologie,
• voorbereiding van gereedschaps- en koolstofstaal voor harding,
• De mogelijkheid om vervolgstappen in de vormgeving en mechanische bewerking uit te voeren.

Procesbeperkingen

• De parameters moeten worden geselecteerd voor een specifieke staalsoort.
• Een te hoge temperatuur kan leiden tot ongunstige korrelgroei.
• Onjuiste koeling kan leiden tot een onjuiste microstructuur.
• Sferoidisatieprocessen kunnen lange verhittingstijden vereisen.
• Niet elke verzachtingsmethode is geschikt voor elk type staal.
• Bij hooggelegeerde staalsoorten moet rekening worden gehouden met het type en de stabiliteit van de aanwezige carbiden en de transformaties die specifiek zijn voor een bepaalde kwaliteit.

Het verzachten van staal is geen enkel proces met universele parameters, maar eerder een groep warmtebehandelingen die worden gekozen op basis van de chemische samenstelling, de initiële microstructuur en het beoogde gebruik van het materiaal. Volledig gloeien, isothermisch gloeien, sferoidiserend gloeien en herkristalliserend gloeien maken gebruik van verschillende mechanismen, maar hun gemeenschappelijke doel is het bereiken van een materiaaltoestand die gunstiger is voor latere technologische bewerkingen.

Voor koolstofrijke en gereedschapsstalen is sferoidiserend gloeien bijzonder belangrijk, omdat het een verandering in de carbidemorfologie mogelijk maakt en het materiaal voorbereidt op bewerking en daaropvolgende harding. Bij materialen die door koudvervorming zijn versterkt, is herkristallisatie cruciaal, omdat dit de effecten van koudvervorming tenietdoet en de ductiliteit herstelt.
De temperatuur, de gloeitijd en de afkoelmethode moeten altijd voor een specifieke staalsoort worden gespecificeerd. Dit maakt het mogelijk om de gewenste microstructuur te bereiken zonder ongecontroleerde korrelgroei, ongewenste transformaties of verslechtering van de materiaaleigenschappen.

Methoden voor warmte- en thermochemische behandeling van staal

Verzachten is slechts één van de processen die worden gebruikt om de microstructuur en eigenschappen van staal te wijzigen. Afhankelijk van het gewenste effect worden ook normaliseren, spanningsarm maken, harden, temperen en thermochemische processen zoals carboneren en nitreren toegepast.

Warmtebehandelingsmethoden voor staal

• Normaliserend staal – korrelverfijning en microstructuuruniformering.
• Stressverlichtende gloeiing – vermindering van restspanningen.
• Verzachting van staal – waardoor de hardheid afneemt en de gevoeligheid voor verdere verwerking toeneemt.
• Volledig gloeien – austenitisatie en langzame afkoeling.
• Isothermisch gloeien – transformatie uitgevoerd bij een zorgvuldig gekozen temperatuur.
• Bolgloeien – sferoidiseren – verandering in de morfologie van cementiet of andere carbiden.
• Herkristallisatie-gloeien – het wegnemen van de effecten van verbrijzeling en het herstellen van de plasticiteit.
• Homogeniserend gloeien – het verminderen van segregatie en het homogeniseren van de materiaalsamenstelling.
• Verharding en warmtebehandeling – het vormgeven van de microstructuur en eigenschappen door middel van harden en temperen.
• Het harden van staal – gecontroleerde aanpassing van de eigenschappen van staal na het harden.
• Inductieharden – Oppervlakte-inductieverwarming en snelle koeling.
• Vlamverharding – oppervlakteverharding na plaatselijke verhitting met een vlam.
• Oververzadiging – het verkrijgen van een oververzadigde vaste oplossing door middel van een geschikte thermische cyclus.
• Veroudering – gecontroleerde fasescheiding die leidt tot versterking van het materiaal.

Methoden voor thermochemische behandeling van staal

• Nitreren van staal – diffusieverrijking van de oppervlaktelaag met stikstof.
• Gecarburiseerd staal – diffusieverrijking van oppervlakken met koolstof.
• Carbonitreren – gelijktijdige verrijking van de oppervlaktelaag met koolstof en stikstof.
• Nitrocarbonisatie / nitrocarbonisatie – verrijking van de laag, voornamelijk met stikstof en koolstof.
• Boren – diffusieverzadiging van het oppervlak met boor.
• Diffusieverchroming – diffusieverrijking van de laag met chroom.
• Diffusie-aluminisatie – diffusieverrijking van de laag met aluminium.