Isothermisch gloeien van staal – proces, temperatuur, microstructuur en toepassing

Isothermisch gloeien van staal Austenitiseren is een warmtebehandelingsproces waarbij het staal, na verhit te zijn tot de austenitiseringstemperatuur, wordt afgekoeld tot een geschikte transformatietemperatuur en vervolgens isothermisch wordt gehouden totdat de gewenste microstructuur is bereikt. Zodra de basistransformatie voltooid is, kan het materiaal worden afgekoeld tot omgevingstemperatuur.
In tegenstelling tot volledig gloeienTijdens isothermisch gloeien vindt de austeniettransformatie plaats door middel van zeer langzame, continue afkoeling, terwijl bij isothermisch gloeien het materiaal gecontroleerd op een specifieke temperatuur wordt gehouden. Dit zorgt voor een betere beheersing van het transformatieproces, een meer uniforme microstructuur en – voor geschikte staalsoorten – een kortere verwerkingstijd.
Het proces wordt voornamelijk gebruikt voor gelegeerd staal, gereedschapsstaal en andere staalsoorten waarbij traditioneel gloeien met zeer langzame afkoeling tijdrovend zou zijn of het moeilijk zou maken om de gewenste structuur te verkrijgen.

Wat is isothermisch gloeien?

De essentie van het proces is het scheiden van de afkoeling na de austenitisatie van de feitelijke austeniettransformatie. Zodra de juiste austenitische structuur is bereikt, wordt het staal niet heel langzaam afgekoeld tot omgevingstemperatuur. De temperatuur wordt verlaagd tot een niveau waarop een gecontroleerde austeniettransformatie kan plaatsvinden, waarna het materiaal gedurende een bepaalde periode op deze temperatuur wordt gehouden.
Określenie "isotherm" Dit betekent dat het grootste deel van de transformatie plaatsvindt terwijl het materiaal op een nagenoeg constante temperatuur wordt gehouden.
De temperatuur en de verblijftijd moeten worden gekozen voor de specifieke staalsoort. Deze worden bepaald door factoren zoals de chemische samenstelling, kritische temperaturen, de kinetiek van de austeniettransformatie, de vereiste eigenschappen en de afmetingen van het werkstuk.

Doel van isothermisch gloeien

Het voornaamste doel van isothermisch gloeien is het verkrijgen van een gecontroleerde en bij voorkeur homogene microstructuur door middel van de austeniettransformatie die plaatsvindt bij een zorgvuldig gekozen temperatuur.
Het proces kan worden gebruikt om:

• het verlagen van de hardheid van staal vóór verdere verwerking,
• het verbeteren van de bewerkbaarheid van geschikte staalsoorten,
• het verkrijgen van een meer homogene microstructuur over de gehele dwarsdoorsnede van het element,
• voorbereiding van materiaal voor verdere warmtebehandeling,
• het beheersen van de transformatieproducten van austeniet,
• waardoor de verwerkingstijd wordt verkort in vergelijking met de zeer langzame afkoeling die wordt gebruikt bij klassiek volledig gloeien, met name bij sommige gelegeerde staalsoorten.

Isothermisch gloeiproces

Een typisch isothermisch gloeiproces kan worden onderverdeeld in vier basisstappen: austenitisatie, afkoeling tot de transformatietemperatuur, isothermische holding en uiteindelijke afkoeling.

1. Verwarmen en austenitisatie

Staal wordt verhit tot de temperatuur die geschikt is voor de betreffende staalsoort en de vereiste austenitisatie. Tijdens het verhitten vinden transformaties plaats die leiden tot de vorming van austeniet.
De austenitiseringstemperatuur kan niet worden gedefinieerd als één universele waarde voor alle staalsoorten. Deze is afhankelijk van het koolstofgehalte, de legeringselementen, de initiële structuur en de kritische temperaturen van het materiaal.

2. Afkoelen tot de isotherme handhavingstemperatuur

Nadat de austenitisatie is voltooid, wordt het staal afgekoeld tot een geschikte temperatuur waarbij de basisomzetting van austeniet plaatsvindt.
Deze stap moet zodanig worden uitgevoerd dat het ontstaan ​​van ongewenste transformaties tijdens de overgang naar de isotherme houdtemperatuur wordt beperkt. De vereiste afkoelsnelheid is afhankelijk van de transformatiekarakteristieken van de specifieke staalsoort.

3. Isotherme weerstand

Zodra de vereiste temperatuur is bereikt, wordt het materiaal daar gedurende een tijd gehouden die voldoende is om de beoogde austeniettransformatie te laten plaatsvinden.
Deze stap onderscheidt het proces van klassiek volledig gloeien. In plaats van de transformatie uit te voeren met een continue, zeer langzame temperatuurdaling, wordt een temperatuurbereik gebruikt waarbinnen de transformatie op gecontroleerde wijze kan plaatsvinden.

4. Eindkoeling

Zodra de vereiste transformatie is voltooid, wordt het materiaal afgekoeld tot omgevingstemperatuur. Omdat de primaire austeniettransformatie al tijdens de isothermische fase is voltooid, heeft de methode van verdere afkoeling een andere betekenis dan afkoeling direct vanuit het austenitische gebied.
De precieze methode voor de uiteindelijke koeling moet worden bepaald door de technologie die geschikt is voor de specifieke kwaliteit en afmetingen van het onderdeel.

Isotherme gloeitemperatuur

Bij isothermisch gloeien moet onderscheid worden gemaakt tussen austenitisatietemperatuur od isotherme bewaartemperatuurDit zijn twee verschillende procesparameters.
De austenitiseringstemperatuur moet de vereiste austenitische structuur opleveren. Het materiaal wordt vervolgens afgekoeld tot een lagere temperatuur die geschikt is voor de gewenste transformatie.
Daarom mag één enkele waarde, zoals 600-700 °C, niet worden gebruikt als universele "isotherme gloeitemperatuur". Een dergelijk temperatuurbereik kan voorkomen bij specifieke technologieën, maar de geschikte temperatuur hangt af van de staalsoort en het transformatieproces.

Het belang van CTPi-diagrammen bij isothermisch gloeien

De keuze van de parameters voor isothermisch gloeien is nauw verbonden met de kinetiek van de austeniettransformaties. Ze zijn bijzonder nuttig. CTPi – tijd-temperatuur-transformatiegrafieken voor isotherme transformaties, waarbij de relatie tussen temperatuur, verblijftijd en het verloop van transformaties van onderkoeld austeniet wordt weergegeven.
Aan de hand van de grafiek kunt u onder andere het volgende vaststellen:

• de temperatuur waarbij een specifieke transformatie begint,
• de tijd die nodig is om de transformatie te starten,
• de tijd die nodig is om het te voltooien,
• Temperatuurbereik van de vorming van specifieke austeniet-transformatieproducten.

CTPi-diagrammen zijn specifiek voor een bepaalde staalsoort en materiaalconditie. Daarom mogen isothermische gloeiparameters niet rechtstreeks van de ene staalsoort naar de andere worden overgedragen.

Wat gebeurt er met austeniet tijdens isothermisch gloeien?

Het austeniet dat tijdens verhitting ontstaat, wordt een onderkoelde structuur wanneer het wordt afgekoeld tot onder het stabiliteitsbereik. Als het staal op de juiste temperatuur wordt gehouden, beginnen transformaties die leiden tot de vorming van nieuwe microstructuurcomponenten.
Het type structuur dat wordt verkregen, hangt af van de isotherme temperatuur en de transformatiekarakteristieken van de betreffende staalsoort. In het perlietische transformatiegebied kan een ferritisch-perlietische structuur ontstaan, waarvan de morfologie afhankelijk is van de transformatietemperatuur.
Hoe lager de transformatietemperatuur in het perlietgebied, hoe fijner de resulterende perlietstructuur over het algemeen kan zijn. Deze verandering in microstructuur beïnvloedt vervolgens de hardheid, sterkte en bewerkbaarheid van het materiaal.

Microstructuur na isothermische gloeiing

Er bestaat geen eenduidige microstructuurkarakteristiek voor elk isothermisch gloeiproces. Het effect hangt af van de staalsamenstelling, de austenitiseringstemperatuur, de afkoelsnelheid tot de transformatietemperatuur, en de verblijftijd en -temperatuur.
Als het proces een perliettransformatie omvat, kan het doel zijn een uniforme ferritisch-perlietstructuur te verkrijgen. De eigenschappen van een dergelijke structuur hangen onder andere af van de mate van perlietfragmentatie en de verhouding van de afzonderlijke structurele componenten.

Invloed van parameters op het effect van isothermisch gloeien

Isothermisch gloeien en volledig gloeien

Beide processen kunnen beginnen met austenitisatie, maar ze verschillen in de manier waarop de austeniettransformatie plaatsvindt. volledig gloeien Het materiaal wordt zeer langzaam afgekoeld, meestal in een oven, en de veranderingen vinden plaats naarmate de temperatuur continu daalt.
Bij isothermisch gloeien wordt het geaustenitiseerde materiaal afgekoeld tot een specifieke temperatuur en daar gehouden om de transformatie te ondergaan.

Isothermisch gloeien en normaliseren

terwijl normaliserend staal Na de austenitisatie wordt het materiaal in de lucht afgekoeld. Het karakteristieke isothermische gloeiproces, waarbij het proces bij een specifieke temperatuur wordt gestopt om een ​​gecontroleerde transformatie te bereiken, wordt hierbij weggelaten.
Normaliseren wordt voornamelijk gebruikt om de structuur te standaardiseren en te verfijnen en specifieke mechanische eigenschappen te bereiken. Isothermisch gloeien daarentegen maakt een nauwkeurigere beheersing van de austeniettransformatieomstandigheden mogelijk.

Isothermisch gloeien en sferoidiserend gloeien

Sferoidiserend gloeien is voornamelijk bedoeld om cementiet of andere carbiden een geschikte, bijna bolvormige vorm te geven. Het is met name belangrijk voor koolstofrijk staal, lagerstaal en gereedschapsstaal.
Isothermisch gloeien daarentegen maakt gebruik van de austeniettransformatie die optreedt tijdens het handhaven van een specifieke temperatuur. De doelen en mechanismen van de twee processen zijn daarom verschillend, hoewel beide gebruikt kunnen worden om staal voor te bereiden op verdere verwerking.

Isothermisch gloeien en isothermische harding

Isothermisch gloeien moet niet worden verward met isothermisch harden. Bij beide processen wordt het materiaal op een specifieke temperatuur gehouden, maar het doel van de behandeling, het temperatuurbereik van de transformatie en de gewenste uiteindelijke microstructuur verschillen.
Isothermisch gloeien heeft onder andere tot doel een structuur te verkrijgen die geschikt is voor verdere verwerking en vaak ook de hardheid te verminderen. Isothermisch harden daarentegen maakt gebruik van een zorgvuldig gekozen cyclus om de structuur en eigenschappen te bereiken die kenmerkend zijn voor dit type harding.

Isothermisch gloeien van gelegeerde staalsoorten

Isothermisch gloeien is van bijzonder belang bij gelegeerde staalsoorten, omdat de aanwezigheid van elementen zoals chroom, molybdeen, nikkel of mangaan de kinetiek van de transformaties van onderkoeld austeniet aanzienlijk kan beïnvloeden.
De langere tijd die nodig is om de transformatie te initiëren en te voltooien tijdens continue afkoeling kan klassiek volledig gloeien tijdrovend maken. Een goed ontworpen isotherm proces kan een meer gecontroleerde transformatie mogelijk maken.

Isothermisch gloeien van gereedschapsstaal

Bij gereedschapsstaal is de conditie van het materiaal vóór de bewerking en de daaropvolgende harding cruciaal. Een geschikte gloeibehandeling kan de hardheid verminderen en nauwkeurige snijbewerkingen mogelijk maken.
Dit betekent echter niet dat isothermisch gloeien altijd de beste methode is voor elk gereedschapsstaal. Voor veel gereedschapsstalen met een hoog koolstofgehalte is isothermisch gloeien juist bijzonder belangrijk. sferoidiserend gloeien, omdat de eigenschappen van het materiaal vóór de uitharding ook worden bepaald door de vorm en verdeling van de carbiden.

Het effect van isothermisch gloeien op de bewerkbaarheid

Een correct uitgevoerde isothermische gloeibehandeling kan de bewerkbaarheid van het materiaal verbeteren door een meer uniforme microstructuur en een geschikte hardheid te verkrijgen.
Het is echter niet vanzelfsprekend dat het simpelweg minimaliseren van de hardheid altijd optimale bewerkbaarheid garandeert. Staal dat te zacht en te buigzaam is, kan leiden tot ongunstige spaanvorming, ophoping van materiaal aan de randen en een verminderde oppervlaktekwaliteit. Daarom moet de optimale microstructuur worden gekozen voor de specifieke staalsoort en de daaropvolgende bewerkingsmethode.

De invloed van de elementgrootte op het isothermische proces

De afmetingen van een component zijn met name belangrijk tijdens de overgang van de austenitiseringstemperatuur naar de isotherme houdtemperatuur. Het oppervlak van de component koelt sneller af dan de kern, waardoor een uniforme temperatuur in het gehele volume van componenten met een grote doorsnede een zorgvuldig ontworpen proces vereist.
Als tijdens het afkoelen een deel van de dwarsdoorsnede begint te vervormen voordat de isotherme temperatuur is bereikt, kan de uiteindelijke microstructuur inhomogeen zijn. Daarom moet bij de procestoepassing niet alleen rekening worden gehouden met de staalsoort, maar ook met de massa en de geometrie van het onderdeel.

Voordelen van isothermisch gloeien

• de mogelijkheid om de transformatieomstandigheden van austeniet nauwkeuriger te beheersen,
• mogelijkheid om een ​​homogene microstructuur te verkrijgen,
• Bij geschikte staalsoorten kan de procestijd worden verkort in vergelijking met zeer langzame afkoeling.
• de mogelijkheid om eigenschappen te verkrijgen die gunstig zijn voor verdere bewerking,
• geschikt voor het bewerken van bepaalde legeringen en gereedschapsstaalsoorten.
• Het vermogen om de microstructuur aan te passen aan de volgende productiestadia.

Nadelen en beperkingen van isothermisch gloeien

• de noodzaak om de temperatuur en de verblijftijd nauwkeurig te selecteren voor het type staal,
• hogere eisen aan temperatuurregeling dan bij eenvoudige gloeiprocessen,
• beperkingen die samenhangen met grote doorsneden van elementen en verschillen in de afkoelsnelheid van het oppervlak en de kern,
• het risico op het initiëren van een ongewenste transformatie tijdens het afkoelen tot een isotherme temperatuur,
• de noodzaak om de transformatiekinetiek van een specifiek type staal te kennen,
• Het proces is niet optimaal voor elk type staal.

Isothermisch gloeien – de belangrijkste informatie

Isothermisch gloeien Austenitisatie is een warmtebehandelingsproces waarbij de gecontroleerde transformatie van onderkoeld austeniet plaatsvindt terwijl het staal op een geselecteerde temperatuur wordt gehouden. Na austenitisatie wordt het materiaal afgekoeld tot de transformatietemperatuur, gedurende de vereiste tijd op die temperatuur gehouden en vervolgens afgekoeld tot omgevingstemperatuur.
Vergeleken met volledig gloeien biedt dit proces een directere controle over de austeniettransformatieomstandigheden en kan het, bij geschikte staalsoorten, de verwerkingstijd verkorten. Dit is met name belangrijk voor bepaalde gelegeerde staalsoorten, waarbij de zeer langzame afkoeling tijdens klassiek volledig gloeien te lang zou duren.
De austenitiseringstemperatuur, de isotherme houdtemperatuur en de transformatietijd moeten voor elke specifieke staalsoort afzonderlijk worden gekozen. Het belangrijkste hulpmiddel voor het analyseren van dergelijke transformaties zijn CTPi-diagrammen, die de relatie tussen tijd, temperatuur en het verloop van de transformaties van onderkoeld austeniet weergeven.

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.