Spanningsontlastend gloeien van staal en metalen – temperatuur, proces en toepassing

Stressverlichtende gloeiing Spanningsontlasting is een warmtebehandeling die wordt gebruikt om restspanningen in een materiaal te verminderen na lassen, gieten, smeden, walsen, bewerken, richten of andere technologische processen. Goed uitgevoerde spanningsontlasting verbetert de dimensionale stabiliteit van het onderdeel en vermindert het risico op vervorming tijdens verdere bewerking of gebruik.
Het proces omvat het verwarmen van het materiaal tot een temperatuur die lager is dan de temperatuur waarbij de fundamentele structurele veranderingen optreden die kenmerkend zijn voor andere warmtebehandelingen, het verwarmen gedurende een geschikte tijd en vervolgens gecontroleerd afkoelen. De exacte parameters zijn afhankelijk van het materiaaltype, de conditie ervan, de afmetingen van het onderdeel, de eerdere productietechnologie en de mate en verdeling van restspanningen.
Spanningsontlastend gloeien wordt toegepast op zowel koolstof- als gelegeerd staal, en – met de juiste parameters – ook op gietijzer, aluminiumlegeringen, koper, titanium en andere metalen materialen. Het is met name belangrijk voor gelaste constructies, grote smeed- en gietstukken en precisiebewerkte onderdelen, waar zelfs kleine maatafwijkingen operationele gevolgen kunnen hebben.

Wat is spanningsverlagend gloeien?

Restspanningen kunnen in een materiaal achterblijven ondanks de afwezigheid van externe krachten. Ze ontstaan ​​voornamelijk wanneer verschillende delen van een onderdeel verschillende vervormingen ondergaan, met verschillende snelheden opwarmen of afkoelen, of verschillende structurele veranderingen ondergaan.
Typische processen die restspanningen veroorzaken zijn onder andere:

• gieten en ongelijkmatige stolling van het materiaal,
• lassen en de daarmee gepaard gaande plaatselijke verhitting en krimp van de las,
• walsen, smeden, stempelen, buigen en richten,
• trek- en andere koudvervormingsprocessen,
• bewerking, met name bij grote materiaalafname,
• slijpen en intensieve oppervlaktebehandeling,
• hardings- en andere warmtebehandelingsprocessen,
• ongelijke verwarming of koeling van elementen met verschillende dwarsdoorsneden.

Tijdens spanningsontlastend gloeien verhoogt een hogere temperatuur de kans op spanningsrelaxatieprocessen. Het materiaal blijft gedurende een bepaalde tijd op een vaste temperatuur, waardoor spanningen aanzienlijk kunnen worden verminderd zonder de microstructuur volledig te veranderen.
Dit betekent echter niet dat gloeien altijd alle spanningen volledig wegneemt. De mate van spanningsvermindering hangt af van factoren zoals temperatuur, gloeitijd, legeringstype, materiaalconditie en eerdere verwerkingsgeschiedenis.

Waarom wordt spanningsontlastend gloeien toegepast?

Het primaire doel van het proces is het verhogen van de stabiliteit van het onderdeel tijdens verdere productie en later gebruik. Restspanningen kunnen na het frezen, draaien, boren of snijden van het materiaal leiden tot veranderingen in de vorm van het onderdeel. In extreme gevallen kunnen ze ook scheurvorming bevorderen.
Spanningsontlastend gloeien wordt onder andere gebruikt om:

• het verminderen van restspanningen na het lassen,
• het beperken van vervorming tijdens verdere bewerking,
• het vergroten van de dimensionale stabiliteit van precisieonderdelen,
• het verminderen van spanningen die ontstaan ​​tijdens smeden, walsen of richten,
• stabilisatie van grote giet- en smeedstukken,
• voorbereiding van het halffabricaat voor daaropvolgende technologische bewerkingen,
• waardoor het risico op ongecontroleerde veranderingen in de vorm van het uiteindelijke element wordt verkleind.

Spanningsontlastend gloeien - procestemperatuur

Temperatuur is een van de belangrijkste parameters voor spanningsvermindering. Er bestaat geen universele temperatuur die geschikt is voor alle materialen. Het temperatuurbereik moet worden gekozen op basis van de specifieke materiaalsoort, de microstructuur, de leveringsconditie en de gewenste nabewerkingseigenschappen.
De volgende waarden zijn indicatief en mogen de parameters die zijn gespecificeerd voor een specifiek materiaaltype, norm, technische documentatie of aanbevelingen van de fabrikant niet vervangen.

In de industriële praktijk moet de temperatuur voor spanningsontlasting in samenhang met de verblijftijd worden bepaald. Een hogere temperatuur versnelt doorgaans het spanningsontspanningsproces, maar te hoge temperaturen kunnen ongewenste veranderingen in de microstructuur en eigenschappen van het materiaal veroorzaken.

Inweektijd tijdens het gloeien

De opwarmtijd is afhankelijk van het materiaalsoort, de procestemperatuur, de afmetingen van het onderdeel, de dwarsdoorsnede en het batchgewicht. Ook het tijdstip van de opwarmtijdmeting is cruciaal: het onderdeel moet de juiste temperatuur bereiken in het vereiste dwarsdoorsnedeoppervlak.
Kleine en dunwandige onderdelen hebben mogelijk een relatief korte opwarmtijd nodig, terwijl massieve smeedstukken, gietstukken of gelaste constructies een veel langere tijd vereisen voor temperatuuregalisatie en effectieve spanningsontspanning.
Om deze reden moeten eenvoudige regels zoals "één uur voor een bepaalde dikte" slechts als technologische richtlijnen worden beschouwd. Bij de productie van kritische componenten moeten de parameters worden afgeleid van de juiste warmtebehandelingstechnologie.

Het verwarmingselement

Gecontroleerde verwarming is met name belangrijk voor grote componenten, complexe vormen en aanzienlijke variaties in de dwarsdoorsnede. Te snelle verwarming kan aanzienlijke temperatuurverschillen tussen het oppervlak en de kern veroorzaken, waardoor extra thermische spanningen ontstaan.
Hoe groter het onderdeel en hoe gevarieerder de dwarsdoorsnede, hoe belangrijker een gelijkmatige warmtetoevoer wordt. Bij massieve smeed-, giet- en lasconstructies moet het verwarmingsproces onderdeel uitmaken van de ontwikkelde procestechnologie.

Afkoeling na spanningsontlastend gloeien

De koelingscontrole is net zo belangrijk als het verwarmings- en weekproces zelf. Als het spanningsarme onderdeel te snel of ongelijkmatig afkoelt, kunnen temperatuurverschillen tussen de verschillende zones opnieuw spanning veroorzaken.
Afhankelijk van het materiaal en de afmetingen van het onderdeel wordt gebruikgemaakt van koeling in een oven tot een specifieke temperatuur, gecontroleerde ovenkoeling of verdere koeling in stilstaande lucht. Bij de keuze van de koelmethode moet rekening worden gehouden met zowel de vereiste mate van spanningsvermindering als de mogelijke structurele veranderingen.

Fasen van spanningsverlagend gloeien

1. Het element voorbereiden – het bepalen van het type materiaal, de conditie ervan, de afmetingen en de oorzaak van de spanningen.
2. Gecontroleerde verwarming – het element op de gewenste temperatuur brengen en tegelijkertijd overmatige temperatuurverschillen beperken.
3. Temperatuuregalisatie – het verkrijgen van de juiste temperatuur in het vereiste dwarsdoorsnedeoppervlak van het element.
4. Doorweken – het materiaal gedurende een bepaalde tijd op een bepaalde temperatuur houden om de spanning op de juiste manier te verminderen.
5. Gecontroleerde koeling – de temperatuur verlagen op een manier die de mogelijkheid van hernieuwde spanningsvorming beperkt.

Het effect van spanningsverlagend gloeien op materiaaleigenschappen

Een correct uitgevoerde spanningsontlastende gloeibehandeling moet primair de restspanningen verminderen en tegelijkertijd de impact op de basiseigenschappen van het materiaal minimaliseren. Dit betekent echter niet dat de mechanische eigenschappen altijd volledig onveranderd blijven.

Hardheid

Bij veel staalsoorten veroorzaakt een correct gekozen spanningsontlasting slechts een geringe verandering in hardheid. Het effect van het proces is echter afhankelijk van de temperatuur en de voorgaande toestand van het materiaal. Bij koudgeharde of warmtebehandelde materialen kan een temperatuurstijging leiden tot gedeeltelijk verlies van het hardingseffect of tot veranderingen in de microstructuur.

Vloeigrens en treksterkte

Veranderingen in vloeigrens en treksterkte zijn afhankelijk van het materiaal en de procesparameters. Het doel van spanningsvermindering is niet om de sterkte te verhogen, maar vooral om restspanningen te verminderen. Echter, te hoge temperaturen of te lange verhittingstijden kunnen de mechanische eigenschappen beïnvloeden, met name bij reeds geharde materialen.

Dimensionale stabiliteit

Een van de belangrijkste praktische effecten van spanningsarm maken is een verhoogde maatvastheid. Dit is cruciaal bij de productie van machineframes, mallen, matrijzen, assen, platen, grote smeedstukken en andere precisiebewerkte onderdelen.
Als een halffabricaat aanzienlijke restspanningen bevat, kan het verwijderen van materiaal tijdens het frezen of draaien het evenwicht verstoren en leiden tot buiging of verdraaiing van het bewerkte onderdeel. Spanningsvermindering in de juiste fase van het technologische proces kan dit verschijnsel verminderen.

Nabehandeling door middel van spanningsvermindering door gloeien

Lasverbindingen behoren tot de belangrijkste toepassingen van spanningsarme behandeling. Tijdens het lassen wordt een klein gedeelte van het materiaal intens verhit, terwijl de rest van de constructie aanzienlijk koeler blijft. De daaropvolgende afkoeling en krimp van het materiaal veroorzaken restspanningen.
Bij geschikte materialen en toepassingen kan een warmtebehandeling na het lassen de lasspanningen verminderen en de structuur stabiliseren. De parameters van een dergelijk proces mogen echter niet uitsluitend worden gekozen op basis van het algemene temperatuurbereik; er moet rekening worden gehouden met de materiaalkwaliteit, de dikte van het onderdeel, het type verbinding en de eisen van relevante normen en procesdocumentatie.

Spanningsontlastend gloeien na bewerking

Spanningsarm bewerken kan ook tussen de bewerkingsstappen worden toegepast. Het is met name nuttig bij de productie van grote of precisieonderdelen waarbij tijdens het voorbewerken aanzienlijk materiaal moet worden verwijderd.
Een typisch proces kan bestaan ​​uit voorbewerken, spanningsarm maken en vervolgens afwerken. Hierdoor kan eventuele vervorming als gevolg van spanningsherverdeling optreden voordat het uiteindelijke oppervlak en de gewenste afmetingen zijn bereikt.

Toepassing van spanningsverlagend gloeien

Gelaste constructies

Het proces kan worden gebruikt bij grote frames, carrosserieën, tanks, machineconstructies en andere gelaste onderdelen waar dimensionale stabiliteit en verminderde spanningen na het lassen belangrijk zijn.

Smeedstukken en gesmede onderdelen

Grote smeedstukken kunnen spanningen bevatten die het gevolg zijn van zowel plastische vervorming als ongelijkmatige afkoeling. Een geschikte warmtebehandeling kan een stap zijn in de voorbereiding van het materiaal voor verdere bewerking.

Gietstukken

Tijdens het stollen en afkoelen kunnen er spanningen ontstaan ​​in gietstukken, met name in onderdelen met variërende wanddiktes. Spanningsvermindering wordt onder andere toegepast om de maatvastheid van gietstukken en andere grote onderdelen te vergroten.

Matrijzen, stempels en gereedschap

Bij matrijzen en stempels heeft dimensionale stabiliteit een directe invloed op de nauwkeurigheid van de geproduceerde onderdelen. Spanningsvermindering tussen de bewerkingsstappen kan de vervorming verminderen die optreedt na intensief frezen of andere mechanische bewerkingen.

Energie- en machine-industrie

Het proces wordt ook gebruikt bij de productie en reparatie van componenten voor industriële installaties, behuizingen, assen, pijpleidingen en andere onderdelen, indien de technologie van het betreffende materiaal spanningsvermindering door warmtebehandeling mogelijk maakt.

Spanningsontlastend gloeien en andere soorten gloeien

Spanningsontlastend gloeien moet niet worden verward met normaliserend, verzachtend, herkristalliserend, homogeniserend of sferoidiserend gloeien. De afzonderlijke processen worden uitgevoerd bij verschillende temperaturen en zijn ontworpen om verschillende technologische effecten te bereiken.
Bij stressvermindering is de belangrijkste taak: vermindering van restspanningen met een zo klein mogelijke verandering in de structuur en eigenschappen van het materiaalBij andere gloeiprocessen is het veranderen van de microstructuur echter vaak het voornaamste doel van de behandeling.
Een gedetailleerdere vergelijking van de afzonderlijke processen is te vinden op de website. vergelijking van warmtebehandelingsmethoden voor staal.

Voordelen van spanningsontlastend gloeien

• vermindering van restspanningen,
• het verbeteren van de dimensionale stabiliteit van elementen,
• het beperken van vervorming tijdens verdere bewerking,
• het risico op vervorming na lassen, smeden of gieten verminderen.
• het vermogen om grote en complexe elementen te stabiliseren,
• Voorbereiding van het halffabricaat voor nauwkeurige afwerking.

Beperkingen van spanningsontlastend gloeien

• Een onjuiste temperatuur kan de microstructuur of eigenschappen van het materiaal veranderen.
• Het proces leidt niet altijd tot een volledige verwijdering van restspanningen.
• Grote componenten vereisen een lange en gecontroleerde verwarmings- en koelcyclus.
• Parameters die geschikt zijn voor het ene type staal, hoeven niet per se geschikt te zijn voor het andere.
• Bij sommige legeringen moet rekening worden gehouden met het effect van temperatuur op de corrosiebestendigheid, de hardingsgraad of een eerdere warmtebehandeling.

Stressverlichtende gloeiing Warmtebehandeling is een belangrijk proces dat wordt gebruikt om restspanningen te verminderen die ontstaan ​​tijdens lassen, gieten, smeden, walsen, richten, bewerken en andere fabricageprocessen. Een juiste temperatuur, verblijftijd en verwarmings- en afkoelingsmethode verhogen de dimensionale stabiliteit van het onderdeel en verminderen het risico op latere vervorming.
De parameters voor spanningsontlasting moeten altijd worden gekozen op basis van de specifieke kwaliteit en conditie van het materiaal. Bij hooggelegeerd staal, staal dat eerder warmtebehandeld is en non-ferro legeringen is extra voorzichtigheid geboden, omdat te hoge temperaturen eigenschappen kunnen veranderen die verder gaan dan het primaire doel van het proces.

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.