Complexe warmtebehandelingsschema’s, of “cycli”, worden vaak bedacht door metaalbewerkers om de mechanische eigenschappen van een legering te optimaliseren. In de ruimtevaartindustrie kan een superlegering vijf of meer verschillende warmtebehandelingen ondergaan om de gewenste eigenschappen te verkrijgen. Dit kan leiden tot kwaliteitsproblemen, afhankelijk van de nauwkeurigheid van de temperatuurregeling en de timer van de oven. Deze bewerkingen kunnen gewoonlijk worden onderverdeeld in verschillende basistechnieken.
UitgloeienEdit
Uitgloeien bestaat uit het verhitten van een metaal tot een bepaalde temperatuur en vervolgens afkoelen met een zodanige snelheid dat een verfijnde microstructuur ontstaat, waarbij de bestanddelen geheel of gedeeltelijk worden gescheiden. De afkoelsnelheid is over het algemeen langzaam. Uitgloeien wordt meestal gebruikt om een metaal zacht te maken voor koude bewerking, om de bewerkbaarheid te verbeteren, of om eigenschappen zoals elektrische geleiding te verbeteren.
In ijzerlegeringen wordt uitgloeien gewoonlijk bereikt door het metaal tot voorbij de bovenste kritische temperatuur te verhitten en dan zeer langzaam af te koelen, wat resulteert in de vorming van pearlite. In zowel zuivere metalen als vele legeringen die niet thermisch kunnen worden behandeld, wordt gloeien gebruikt om de hardheid te verwijderen die door koudbewerking wordt veroorzaakt. Het metaal wordt verhit tot een temperatuur waarbij herkristallisatie kan optreden, waardoor de door plastische vervorming veroorzaakte defecten worden hersteld. Bij deze metalen zal de afkoelsnelheid gewoonlijk weinig effect hebben. De meeste non-ferro legeringen die een warmtebehandeling kunnen ondergaan, worden ook gegloeid om de hardheid van het koudvervormen op te heffen. Deze kunnen langzaam worden afgekoeld om volledige precipitatie van de bestanddelen mogelijk te maken en een verfijnde microstructuur te verkrijgen.
Ferro-legeringen worden gewoonlijk ofwel “volledig gegloeid” of “procesgegloeid”. Volledig uitgloeien vereist zeer langzame koelsnelheden, om grof pearliet te vormen. Bij procesgloeien kan de afkoelsnelheid sneller zijn; tot en met het normaliseren. Het hoofddoel van procesgloeien is het verkrijgen van een uniforme microstructuur. Non-ferro legeringen worden vaak onderworpen aan een verscheidenheid van gloeitechnieken, waaronder “rekristallisatie gloeien”, “gedeeltelijk gloeien”, “volledig gloeien”, en “eindgloeien”. Niet bij alle gloeitechnieken is sprake van herkristallisatie, zoals bij spanningsarmgloeien.
NormaliserenEdit
Normaliseren is een techniek die wordt gebruikt om uniformiteit in korrelgrootte en samenstelling (equiaxe kristallen) in een legering te verkrijgen. De term wordt vaak gebruikt voor ferro-legeringen die zijn austenitiseerd en vervolgens zijn afgekoeld in de open lucht. Normaliseren produceert niet alleen pearliet, maar ook martensiet en soms bainiet, wat harder en sterker staal oplevert, maar met minder taaiheid voor dezelfde samenstelling dan volledig uitgloeien.
In het normalisatieproces wordt het staal verwarmd tot ongeveer 40 graden Celsius boven de bovenste kritische temperatuurgrens die enige tijd op deze temperatuur wordt gehouden en vervolgens in de lucht afgekoeld.
SpanningsontlastingEdit
Spanningsontlasting is een techniek om de inwendige spanningen die in metaal ontstaan te verwijderen of te verminderen. Deze spanningen kunnen op een aantal manieren worden veroorzaakt, variërend van koudbewerking tot niet-uniforme afkoeling. Spanningsvrij maken wordt gewoonlijk bereikt door een metaal tot onder de onderste kritische temperatuur te verhitten en vervolgens gelijkmatig af te koelen. Spanningsontlasting wordt vaak gebruikt bij onderdelen zoals luchttanks, boilers en andere drukvaten, om alle spanningen te verwijderen die tijdens het lasproces ontstaan.
VerouderingEdit
Sommige metalen worden geclassificeerd als neerslaghardende metalen. Wanneer een precipitatiehardende legering wordt uitgeblust, zullen de legeringselementen in oplossing worden gevangen, resulterend in een zacht metaal. Het verouderen van een “opgelost” metaal zal de legeringselementen door de microstructuur laten diffunderen en intermetallische deeltjes laten vormen. Deze intermetallische deeltjes zullen kernen vormen en uit de oplossing vallen en als versterkende fase fungeren, waardoor de sterkte van de legering toeneemt. Legeringen kunnen “natuurlijk” verouderen, d.w.z. dat de precipitaten zich bij kamertemperatuur vormen, of zij kunnen “kunstmatig” verouderen wanneer de precipitaten zich alleen bij verhoogde temperaturen vormen. Bij sommige toepassingen kunnen legeringen die op natuurlijke wijze verouderen in een vriezer worden opgeslagen om te voorkomen dat zij hard worden tot na verdere bewerkingen – de assemblage van klinknagels, bijvoorbeeld, kan gemakkelijker worden uitgevoerd met een zachter onderdeel.
Voorbeelden van precipitatiehardende legeringen zijn aluminiumlegeringen van de series 2000, 6000 en 7000, alsmede sommige superlegeringen en sommige roestvaste staalsoorten. Staalsoorten die door veroudering harden worden gewoonlijk maraging staal genoemd, van een combinatie van de term “martensiet veroudering.”
QuenchingEdit
Quenching is een proces waarbij een metaal in een snel tempo wordt afgekoeld. Dit wordt meestal gedaan om een martensiettransformatie te produceren. Bij ferro-legeringen levert dit vaak een harder metaal op, terwijl non-ferro-legeringen meestal zachter worden dan normaal.
Om door afschrikken te harden, moet een metaal (meestal staal of gietijzer) tot boven de bovenste kritische temperatuur worden verhit en vervolgens snel worden afgekoeld. Afhankelijk van de legering en andere overwegingen (zoals de zorg voor maximale hardheid tegenover scheurvorming en vervorming), kan het koelen gebeuren met geforceerde lucht of andere gassen, (zoals stikstof). Vanwege hun betere warmtegeleiding kunnen ook vloeistoffen worden gebruikt, zoals olie, water, een in water opgelost polymeer of een pekel. Bij snelle afkoeling zal een deel van het austeniet (afhankelijk van de samenstelling van de legering) overgaan in martensiet, een harde, brosse kristallijne structuur. De uitgebluste hardheid van een metaal hangt af van de chemische samenstelling en de afschrikmethode. De afkoelsnelheden, van snel naar langzaam, gaan van pekel, polymeer (d.w.z. mengsels van water + glycol polymeren), zoet water, olie, en geforceerde lucht. Het te snel afkoelen van bepaalde staalsoorten kan echter scheurvorming tot gevolg hebben, zodat staalsoorten met hoge treksterkte zoals AISI 4140 in olie moeten worden afgekoeld, gereedschapsstaal zoals ISO 1.2767 of H13 gereedschapsstaal voor heet werk in geforceerde lucht moet worden afgekoeld, en staalsoorten met een lage legering of gemiddelde treksterkte zoals XK1320 of AISI 1040 in pekel moeten worden afgekoeld.
Enkele legeringen op basis van Beta titanium hebben ook soortgelijke tendensen van verhoogde sterkte door snelle afkoeling vertoond. De meeste non-ferrometalen, zoals legeringen van koper, aluminium of nikkel, en sommige hooggelegeerde staalsoorten, zoals austenitisch roestvast staal (304, 316), hebben echter een tegengesteld effect wanneer zij worden afgeschrikt: zij worden zachter. Austenitische roestvaste staalsoorten moeten worden afgeschrikt om volledig corrosiebestendig te worden, omdat ze aanzienlijk harder worden.
TemperingEdit
Ongetemperd martensitisch staal, hoewel zeer hard, is te bros om bruikbaar te zijn voor de meeste toepassingen. Een methode om dit probleem te verlichten heet temperen. De meeste toepassingen vereisen dat afgeschrikte delen worden ontlaten. Temperen bestaat uit het verhitten van staal tot onder de lagere kritische temperatuur (vaak van 400˚F tot 1105˚F of 205˚C tot 595˚C, afhankelijk van de gewenste resultaten), om enige taaiheid toe te voegen. Hogere ontlaattemperaturen (misschien tot 1.300˚F of 700˚C, afhankelijk van de legering en de toepassing) worden soms gebruikt om verdere taaiheid te geven, hoewel enige vloeigrens verloren gaat.
Tempereren kan ook worden uitgevoerd op genormaliseerde staalsoorten. Andere methoden van temperen bestaan uit het afschrikken tot een specifieke temperatuur, die boven de begintemperatuur van martensiet ligt, en het dan daar houden totdat zich zuiver bainiet kan vormen of de interne spanningen kunnen worden weggenomen. Deze omvatten austempering en martempering.
TemperkleurenEdit
Staal dat pas geslepen of gepolijst is, zal bij verhitting oxidelagen vormen. Bij een zeer specifieke temperatuur zal het ijzeroxide een laag met een zeer specifieke dikte vormen, waardoor dunne-film interferentie ontstaat. Hierdoor verschijnen kleuren op het oppervlak van het staal. Naarmate de temperatuur wordt verhoogd, wordt de ijzeroxidelaag dikker en verandert de kleur. Deze kleuren, tempereerkleuren genoemd, worden al eeuwenlang gebruikt om de temperatuur van het metaal te meten.
- 350˚F (176˚C), lichtgeel
- 400˚F (204˚C), licht-stro
- 440˚F (226˚C), donker-stro
- 500˚F (260˚C), bruin
- 540˚F (282˚C), paars
- 590˚F (310˚C), diepblauw
- 640˚F (337˚C), lichtblauw
De ontlaatkleuren kunnen worden gebruikt om de uiteindelijke eigenschappen van het ontlaten staal te beoordelen. Zeer harde gereedschappen worden vaak gehard in het lichte tot het donkere stro-bereik, terwijl veren vaak worden gehard in het blauw. De uiteindelijke hardheid van het getemperde staal zal echter variëren, afhankelijk van de samenstelling van het staal. Gereedschapsstaal met een hoger koolstofgehalte zal na ontlaten veel harder blijven dan verenstaal (met iets minder koolstof), wanneer het bij dezelfde temperatuur wordt ontlaten. De oxidelaag zal ook in de loop van de tijd in dikte toenemen. Daarom kan staal dat zeer lang op 400˚F is gehouden, bruin of paars worden, ook al is de temperatuur nooit hoger geweest dan nodig is om een lichte strokleur te krijgen. Andere factoren die het eindresultaat beïnvloeden zijn oliefilms op het oppervlak en het type warmtebron dat wordt gebruikt.
Selectieve warmtebehandelingEdit
Vele warmtebehandelingsmethoden zijn ontwikkeld om de eigenschappen van slechts een gedeelte van een voorwerp te veranderen. Deze hebben de neiging om ofwel te bestaan uit het koelen van verschillende gebieden van een legering in verschillende snelheden, door snelle verwarming in een gelokaliseerd gebied en dan afschrikken, door thermochemische diffusie, of door het ontlaten van verschillende gebieden van een voorwerp bij verschillende temperaturen, zoals in differentieel ontlaten.
Differentieel hardenEdit
Sommige technieken staan toe dat verschillende gebieden van een enkel voorwerp verschillende warmtebehandelingen ondergaan. Dit wordt differentieel harden genoemd. Het is gebruikelijk in messen en zwaarden van hoge kwaliteit. De Chinese jian is een van de vroegst bekende voorbeelden hiervan, en de Japanse katana is wellicht het meest bekend. De Nepalese Khukuri is een ander voorbeeld. Bij deze techniek wordt een isolerende laag, zoals lagen klei, gebruikt om de delen die zacht moeten blijven te bedekken. De te harden delen worden blootgesteld gelaten, zodat slechts bepaalde delen van het staal bij het afschrikken volledig kunnen uitharden.
VlamhardenEdit
Vlamharden wordt gebruikt om slechts een gedeelte van het metaal te harden. In tegenstelling tot differentieel harden, waarbij het gehele stuk wordt verhit en vervolgens met verschillende snelheden wordt afgekoeld, wordt bij vlamharden slechts een gedeelte van het metaal verhit alvorens te doven. Dit is gewoonlijk gemakkelijker dan differentieel harden, maar veroorzaakt vaak een uiterst brosse zone tussen het verhitte metaal en het onverhitte metaal, aangezien de afkoeling aan de rand van deze warmte-beïnvloede zone uiterst snel is.
InductiehardenEdit
Inductieharden is een oppervlaktehardingstechniek waarbij het oppervlak van het metaal zeer snel wordt verhit, met behulp van een contactloze methode van inductieverhitting. De legering wordt dan uitgeblust, waarbij een martensiettransformatie aan het oppervlak ontstaat, terwijl het onderliggende metaal ongewijzigd blijft. Hierdoor ontstaat een zeer hard, slijtvast oppervlak met behoud van de juiste taaiheid in het grootste deel van het object. Krukas journalen zijn een goed voorbeeld van een inductie gehard oppervlak.
Case hardeningEdit
Case harden is een thermochemisch diffusieproces waarbij een legeringselement, meestal koolstof of stikstof, diffundeert in het oppervlak van een monolithisch metaal. De resulterende interstitiële vaste oplossing is harder dan het basismateriaal, waardoor de slijtvastheid verbetert zonder dat dit ten koste gaat van de taaiheid.
Laser surface engineering is een oppervlaktebehandeling met een grote veelzijdigheid, selectiviteit en nieuwe eigenschappen. Aangezien de koelsnelheid bij laserbehandeling zeer hoog is, kan met deze methode zelfs metastabiel metallisch glas worden verkregen.
Koude en cryogene behandelingEdit
Hoewel het afschrikken van staal de austeniet doet overgaan in martensiet, transformeert meestal niet al het austeniet. Sommige austenietkristallen zullen onveranderd blijven, zelfs na afschrikken tot onder de martensiettemperatuur (Mf). Verdere transformatie van het austeniet in martensiet kan worden geïnduceerd door het metaal langzaam af te koelen tot extreem lage temperaturen. Koude behandeling bestaat gewoonlijk uit het koelen van het staal tot ongeveer -115˚F (-81˚C), maar elimineert niet al het austeniet. Cryogene behandeling bestaat gewoonlijk uit het koelen tot veel lagere temperaturen, vaak in de orde van -315˚F (-192˚C), om het grootste deel van het austeniet in martensiet om te zetten.
Koude en cryogene behandelingen worden gewoonlijk onmiddellijk na het afschrikken gedaan, vóór enig temperen, en zullen de hardheid, de slijtvastheid verhogen, en de interne spanningen in het metaal verminderen maar, omdat het werkelijk een uitbreiding van het afschrikproces is, kan het de kansen op barsten tijdens de procedure verhogen. Het proces wordt vaak gebruikt voor gereedschappen, lagers, of andere voorwerpen die een goede slijtvastheid vereisen. Het is echter meestal alleen effectief in staal met een hoog koolstofgehalte of een hoge legering waarin meer dan 10% austeniet wordt behouden na het afschrikken.
OntkolingEdit
Het verhitten van staal wordt soms gebruikt als een methode om het koolstofgehalte te veranderen. Wanneer staal in een oxiderende omgeving wordt verhit, verbindt de zuurstof zich met het ijzer om een ijzer-oxidelaag te vormen, die het staal tegen ontkoling beschermt. Wanneer het staal echter in austeniet verandert, verbindt de zuurstof zich met het ijzer om een slak te vormen, die geen bescherming biedt tegen ontkoling. De vorming van slak en ketelsteen verhoogt eigenlijk de ontkoling, omdat het ijzeroxide zuurstof in contact houdt met de ontkolingszone, zelfs nadat het staal in een zuurstofvrije omgeving is gebracht, zoals de kolen van een smederij. Zo beginnen de koolstofatomen zich te binden met de omringende schaal en slak om zowel koolmonoxide als kooldioxide te vormen, die in de lucht vrijkomen.
Staal bevat een relatief klein percentage koolstof, dat vrij kan migreren binnen het gamma-ijzer. Wanneer austenitiseerd staal gedurende lange tijd aan lucht wordt blootgesteld, kan het koolstofgehalte in het staal worden verlaagd. Dit is het tegenovergestelde van wat er gebeurt wanneer staal wordt verhit in een reducerende omgeving, waarin koolstof langzaam verder in het metaal diffundeert. In een oxiderende omgeving kan de koolstof gemakkelijk naar buiten diffunderen, zodat austenitisch staal zeer gevoelig is voor ontkoling. Dit wordt vaak gebruikt voor gietstaal, waar een hoog koolstofgehalte nodig is voor het gieten, maar een lager koolstofgehalte gewenst is in het eindproduct. Het wordt vaak gebruikt bij gietijzers om smeedbaar gietijzer te produceren, in een proces dat “wit ontlaten” wordt genoemd. Deze neiging tot ontkoling is vaak een probleem bij andere bewerkingen, zoals smeden, waar het wenselijker wordt het staal zo kort mogelijk te austeniseren om te veel ontkoling te voorkomen.