Warmtebehandelingen. Deel 2 - Harden, ontlaten en veredelen v. Materialenkennis. voor de laspraktijk 9

Transcriptie

1 Materialekeis voor de laspraktijk 9 Geri va Krieke Warmtebehadelige Deel 2 - Harde, otlate e veredele v Voordat er ka worde gelast, zal er eige voorkeis moete zij va het te lasse basismateriaal e hoe dit tot stad is gekome. I deze rubriek staat de materiaalkudige kat va het vakgebied cetraal. I de vorige afleverig gige we i op ee aatal warmtebehadelige die de ogeweste effecte va voorgaade productieprocesse corrigere. Deze maad aadacht voor het harde, otlate e veredele va staal. Het otlate va oderdele i ee oliebad bij de firma Bodycote, ee specialist op het gebied va warmtebehadelige, verbidigstechieke e materiaalveredelig (foto: Bodycote) Staal heeft als voordeel dat de eigeschappe veraderd e verbeterd kue worde door het verwarme e gecotroleerd afkoele. Na productieprocesse als smede e walse ka de structuur dusdaig verstevigd zij dat het probleme oplevert bij verdere behadelige zoals verspae of vervorme. Door het toepasse va ee warmtebehadelig ka het staal zachter gemaakt worde voor verdere bewerkige. Dit gebeurt om de volgede redee: Verlage va de hardheid of sterkte. Verbetere va de structuur, bijvoorbeeld korrelverfijig. Veradere va de elektromagetische eigeschappe. Zachtgloeie Zachtgloeie e veredele zij gloeibehadelige waarbij het staal zachter wordt. Het doel va zachtgloeie is het staal ee structuur te geve met de laagste hardheid zodat het beter verspaabaar e vervormbaar is. Ook verkleit het de kas op scheure bij evetuele hardigsbehadelige. Door de gloeiig eemt de treksterkte e hardheid zo 10 tot 25 procet af, daaretege eemt de rek iets toe. Er wordt ee structuur verkrege met globulaire (bolvormige) carbide i ee ferritische grodmassa. Door de globulaire carbide breekt de spaa tijdes het verspae beter e zal het metaaloppervlak ook gladder worde da bij iet gegloeid materiaal. Het staal wordt verhit tot et oder het austeietgebied (zie figuur 5), gevolgd door zeer lagzaam afkoele. Ee adere maier is om de temperatuur te late schommele rod de 720 C (AC1) waarbij slechts ee klei deel va de structuur wordt omgezet i austeiet (zie figuur 6). Dit wordt vooramelijk toegepast bij materiale met ee hoog koolstofgehalte, bijvoorbeeld gelegeerde veredeligsstale. De gloeiduur is circa 5 tot 24 uur (afhakelijk va de staalsoort) e wordt gevolgd door lagzaam afkoele i de ove. Het zachtgloeie is ee diffusieproces e berust op de eigig va de carbide om de oppervlakte-eergie te verlage door de bolvorm aa te eme. Ze gaa over va lamellaire carbide i bolvormige. Bij ogelegeerd staal hoeft allee de koolstof te diffudere. I gelegeerd staal moete aast de koolstof ook de substitutioeel opgeloste elemete worde verplaatst. Hierdoor is het zachtgloeie vooral 4

2 a staal i gelegeerde staalsoorte ee lagdurig proces. De hoogste diffusieselheid va de elemete i het ferriet wordt bereikt vlak oder de overgagstemperatuur. Daarom wordt het materiaal bij zachtgloeie verwarmd tot vlak oder de A1-temperatuur (680 tot 710 C). Bij ogelegeerd staal zorgt deze methode gewoolijk i vijf tot tie uur voor het geweste doel. Bij gelegeerde staalsoorte zij soms gloeitijde va 24 uur of lager odig. Ook daara is de bereikte hardheid og steeds iet optimaal. Zachtgloeie wordt vooramelijk toegepast bij staalsoorte met ee koolstofgehalte va 0,9 procet of meer, vooramelijk de gereedschapsstale. Voor staalsoorte met mider da 0,9 procet C (gelegeerde veredeligsstaalsoorte) wordt het zachtgloeie wel ees gebruikt om het staal beter verspaabaar te make. Voor staalsoorte met mider da 0,5 procet C is de zachtgegloeide toestad voor verspaede bewerkige ogustig, omdat het materiaal zo zacht wordt dat het materiaaloppervlak oder de beitel zal vervorme (smere) i plaats va sijde. Bij deze materiale geeft ormaalgloeie de beste verspaabaarheid. Over het algemee ka het volgede worde gesteld: staalsoorte met mider da 0,5 procet koolstof worde ormaal gegloeid, terwijl stale met koolstofgehalte bove 0,5 procet koolstof zacht worde gegloeid. Figuur 5 - Gedeelte uit het ijzer-koolstof diagram e belagrijke gloeigebiede 1 Figuur 6 - Schematische voorstellig va zachtgloeie, pedele rod Ac1 2 Harde Het harde va staal wordt uitgevoerd met als doel de sterkte- e slijtage-eigeschappe va het staal te verbetere. De warmtebehadelig bestaat uit het verhitte va het materiaal tot i het austeietgebied, gevolgd door zeer sel afkoele. Dit wordt ook wel afschrikke geoemd (zie figuur 7). De selheid waarmee moet worde afgeschrikt, ka worde bepaald met ee CCT-diagram. De hardigsbehadelig wordt vaak gevolgd door ee otlaatbehadelig, om de verkrege harde structuur wat taaier (mider bros) te make. Figuur 7 - Het afschrikke va het materiaal 2 Lastechiek mei

3 Figuur 8 - Het rooster va ijzeratome wordt eigszis opgerekt waardoor er ee tetragoale structuur otstaat 3 Figuur 9 - Er moet altijd ee compromis worde geslote tusse hogere sterkte e taaiheid 1 Otstaa va hardigsstructure Het staal wordt verhit tot i het austeietgebied (bove A3 e Acm) e op temperatuur gehoude totdat de gehele structuur austeitisch is geworde. De aawezige koolstof e ee deel va de legerigselemete losse op i de austeietstructuur. Tijdes de selle afkoelig vauit het austeietgebied wordt de kubisch vlakke gecetreerde structuur bij circa 200 C i éé keer omgeklapt aar de martesietstructuur. Gedurede de trasformatie worde de koolstofatome als het ware igevage i het kristalrooster e krijge ze iet de tijd om zich aar de grotere holte va de kubisch ruimtelijk gecetreerde structuur te verplaatse. Het rooster va ijzeratome wordt ee beetje opgerekt e er otstaat ee tetragoale structuur (zie figuur 8). Hierdoor otstaa er hoge itere spaige i het rooster. De verkrege structuur wordt martesiet geoemd e is zeer hard e bros. De hardheid wordt vooral bepaald door de hoeveelheid koolstof i het materiaal. Hoe meer koolstof er zich i het staal bevidt des te meer spaige i het rooster zulle otstaa a ee hardigsbehadelig e des te harder de martesiet zal worde. Vaaf 0,3 procet koolstof is het mogelijk om staal te harde. Bij het harde treedt er ee volumeveraderig op. Martesiet heeft amelijk ee groter volume (circa 1,3 procet) da ferriet e austeiet. Bij het vervaardige va ee oderdeel moet hier rekeig mee worde houde. De verkrege volumetoeame a het harde ka ee extra slijpbewerkig betekee. Om de martesietstructuur te verkrijge, moet ee selle afkoelig plaatsvide. De afkoelselheid wordt bepaald door de kritische afkoelselheid va het materiaal e het is va groot belag dat deze kri- tische selheid wordt gehaald. Hiervoor wordt vaak water of olie gebruikt. Overiges kome hier ook de terme water- e olieharded staal vadaa. Als het materiaal veel legerigselemete bevat, ka het materiaal ook luchtharded zij. Dit beteket dat bij afkoele i lucht de kritische afkoelselheid wordt gehaald. Deze afkoelselheid is kleier aar gelag de hoeveelheid legerigselemete toeeemt. Ook de hardigsdiepte eemt toe met het percetage legerigselemete. Restausteiet Zoals beschreve moet austeiet sel worde afgekoeld om martesiet te verkrijge. De oderkoelig zorgt voor de drijvede kracht va de martesitische trasformatie. Het blijkt (zie ook CCT-diagramme) dat als het koolstofgehalte i het staal toeeemt, het staal tot ee lagere temperatuur moet worde afgeschrikt e het martesiet startput (Ms) daalt. Blijkbaar verloopt de trasformatie iet zo gemakkelijk. Door de spaige i het materiaal wordt er martesiet gevormd e wordt de verdere trasformatie bemoeilijkt. Bij hoge koolstofgehalte i staal zal bij kamertemperatuur iet al het austeiet trasformere. Het overblijvede austeiet wordt restausteiet geoemd, dat iet stabiel is e bij verdere afkoelig zal worde omgezet aar martesiet. Ook zal door het uitoefee va ee kracht op het staal de trasformatie verder gaa. Door het werkstuk a het harde gelijk te verwarme op lage temperatuur krijgt restausteiet de kas om zich om te zette i de stabiele martesiet. Deze behadelig wordt otlate geoemd. 6

4 Figuur 11 - De verblijftijde e de afkoelselheid va de WBZ zij vele male seller da bij het gloeie 3 Figuur 10 - De WBZ va ee ogelegeerd staal met circa 0,20 procet koolstof schematisch igedeeld i verschillede zoes 1 Otlate Het is belagrijk dat de geharde werkstukke a het harde gelijk worde otlate (ook wel tempere geoemd) voordat ze geheel zij afgekoeld. Hiermee ka de brosheid a het harde zoveel mogelijk worde weggeome. Het doel va otlate is tweeledig: 1. Spaige door het harde opheffe, restausteiet omzette i baiiet. 2. Gustigste hardheid e taaiheid verkrijge voor de beoogde toepassig. De otlaattemperatuur wordt bepaald door de samestellig va het staal e de geweste eigeschappe a het otlate. Bij de meeste stale ligt de otlaattemperatuur tusse de 150 e 350 C. Door het verhoge va de temperatuur zulle diffusieprocesse optrede. Otlate bij ee lage temperatuur vermidert de iwedige spaige i het werkstuk, maar de restausteiet zal iet worde omgezet. Het otlate bove de 200 C zal de taaiheid verbetere, maar resulteert ook i ee dalig va de hardheid. Bij deze temperatuur wordt alle restausteiet omgezet i baiiet. Samevatted geldt: hoe hoger de otlaattemperatuur des te groter de taaiheid e des te lager de hardheid. Het is dus va belag om de voor het beoogde doel juiste otlaattemperatuur te kieze. Otlate bij temperature va circa 500 C of hoger wordt hoog otlate of veredele geoemd. Veredele Veredele is harde e aasluited daarop otlate op ee zo hoge temperatuur dat daardoor ee belagrijke verhogig va de treksterkte e taaiheid optreedt i vergelijkig met obehadeld staal. Het doel va veredele is het verkrijge va ee zeer fije verdelig va carbide (vooral cemetiet) i ee fijkorrelige ferritische grodmassa. Deze structuur zorgt voor de hoge sterkte e taaiheid. Het veredele vidt plaats bij temperature tusse de 400 e 700 C, gevolgd door lagzaam afkoele i de ove of i olie. De voorschrifte va de staalfabrikate moete auwkeurig worde opgevolgd om het geweste resultaat te behale. Te hoge veredeltemperature zulle leide tot ee lagere treksterkte of taaiheid da gewest. Het veredelproces is ee diffusieproces, dezelfde resultate zij haalbaar door lag otlate bij lage temperatuur of korter otlate bij hogere temperatuur. De resultate va het veredele zij sterk afhakelijk va de mate va doorhardig die bij het harde verkrege is. Bij ovolledige doorhardig zij de eigeschappe va de rad e de ker verschilled. Tijdes de veredeligsbehadelig krijgt de ker tijd om door middel va diffusie de juiste structuur te verkrijge waardoor de mechaische eigeschappe verbetere. Het voordeel hierva is dat het verschil tusse ker e rad a veredele veel mider groot is da direct a het harde. Het is moeilijk om bij grotere doorsede ee goede doorhardig tot i de ker te krijge. Tijdes het afkoele heeft dik materiaal meer tijd odig om ook i de ker af te koele. Door legerigelemete toe te voege, wordt de vereiste afkoelselheid verlaagd waardoor deze mider kritisch wordt. Noodzakelijke legerigelemete zij aast koolstof ook chroom, magaa e molybdee. Bij dikker materiaal zij steeds meer legerigelemete odig, zo moet veredeligsstaal miimaal 0,3 procet koolstof bevat- Lastechiek mei

5 te. Bij ee ideale hardig ka me staal met ee koolstofgehalte va 0,4 procet harde tot ee hardheid va 60HRc. Zoals met veel zake diet me ook hier ee compromis te sluite. Hoe hoger de otlaattemperatuur des te lager de treksterkte e des te hoger de taaiheid. Er is altijd sprake va ee compromis tusse hogere sterkte e taaiheid. Hoge veredeligstemperature geve ee lage sterkte maar hoge taaiheid, terwijl lage veredeligstemperature ee hoge sterkte e ee midere taaiheid geve (zie ook figuur 9). Spaigsarmgloeie I de apparate- e ketelbouw worde vaak veredeligsmateriale toegepast. Typische veredeligsmateriale zij gelegeerd met chroom e molybdee. Soms is het oodzakelijk om ee werkstuk a bijvoorbeeld diverse lasbewerkige spaigsarm te gloeie. Hierbij moet iet worde vergete dat het veredelde materiaal ooit verwarmd mag worde bove de veredeligstemperatuur. Doet me dit wel, da zal er ogeweste achteruitgag va de mechaische eigeschappe optrede. Daarom is het belagrijk altijd miimaal 50 C oder de veredeligs- of otlaattemperatuur va het materiaal te blijve. De otlaat- of veredeligstemperatuur hoort op het materiaalcertificaat of materiaalattest vermeld te worde door de materiaalfabrikat. Als dit certificaat er iet is, is het veilig om 50 C oder de miimale veredeligstemperatuur va het betreffede materiaal te blijve. Relatie met lasse I de warmtebeïvloede zoe (WBZ) aast de las worde microstructure aagetroffe die overeekome met de structure die met de hierbove beschreve warmtebehadelige vergeleke kue worde. Vaaf het eergesmolte lasmateriaal tot aa het gebied wat iet door de laswarmte is beïvloed, zie we diverse hardigsstructure e gloeistructure die i elkaar overlope. I de las e et daaraast is bijvoorbeeld ee aaldvormige dedrietstructuur te zie. Dit wordt ook wel Widmastättestructuur (stolligsstructuur) geoemd. Hoe verder va de las verwijderd des te meer fijkorrelig de structuur is tot de obeïvloede plaatstructuur. De WBZ va ee ogelegeerd staal met circa 0,20 procet koolstof is i figuur 10 schematisch igedeeld i verschillede zoes. De temperature e de grootte va de daarbij behorede zoes zij sterk afhakelijk va het lasproces e de warmtehuishoudig. Zoe 1: dit gedeelte ligt direct aast de smeltlij. Deze zoe bereikt de hoogste temperatuur va de WBZ. Het materiaal is iet helemaal vloeibaar geweest. Zoe 2: de hoogste temperature ligge tusse de soliduslij (waaroder alles vast is) e circa 1000 C. Door de hoge temperatuur treedt korrelgroei op e otstaat er ee grofkorrelige structuur. Zoe 3: hier herkee we ee geormaliseerde structuur i de WBZ. Het ferriet e perliet zij fijkorrelig e gelijkmatig verdeeld. De korrelverfijig is het gevolg va het doorlope va ee fasetrasformatie, waarbij kiemvormig e kiemgroei optreedt. Zoe 4: hier vidt ovolledige rekristallisatie plaats. Zoe 5: rekristallisatiezoe, de temperatuur bereikt waarde tot A1. De cemetietlamelle va de perliet gaa zich tot bolvormige cemetiet omvorme. Zoe 6: hier komt de temperatuur iet bove de 700 C e zal me met de lichtmicroscoop gee structuurveraderige vide te opzichte va de basisstructuur va de plaat. Dat wil iet zegge dat er ook gee veraderige plaatsvide. Het is mogelijk dat er uitscheidige zij, zoals uitharde of veroudere. Ook kue aawezige spaige gedeeltelijk worde opgeheve (spaigsarmgloeie). De vergelijkig va de structure i de WBZ met de verkrege gloeistructure gaat iet helemaal op. De verblijftijde e de afkoelselheid va de WBZ zij vele male seller da bij het gloeie (zie figuur 11). Wel geeft het ee idee va wat er i de warmtebeïvloede zoe gebeurt. Literatuur - P.J. Kool, J. v/d Lide, Warmtebehadelige va staal I, Beckert, Kompedium der Schweisstechik, Bad 3, Eigug metallischer Werkstoffe zum Schweisse, D. Liedtke, R. Josso, Warmbehadlug, Grudlage ud Aweduge fur Eisewerkstoff, P. Jogeburger, B.M. Korevaar, Collegedictaat materiaalkude II (m 12b), Note Liedtke, R. Josso, Warmbehadlug, Grudlage ud Aweduge fur Eisewerkstoff, Geri va Krieke. Beckert, Kompedium der Schweisstechik, Bad 3, Eigug metallischer Werkstoffe zum Schweisse,