Een uitgebreid overzicht van warmtebehandeling: kernkennis en toepassingen

Warmtbehandeling is een fundamenteel productieproces in de metaalindustrie, dat de materiaalprestaties optimaliseert om aan diverse technische eisen te voldoen. Dit artikel vat de kernkennis van warmtbehandeling samen, inclusief basistheorieën, procesparameters, verbanden tussen microstructuur en prestaties, typische toepassingen, defectcontrole, moderne technologieën en veiligheid en milieubescherming, gebaseerd op expertise uit de industrie.

1. Fundamentele Theorieën: Kernconcepten & Classificatie

Bij warmtbehandeling worden de interne microstructuur van metalen materialen veranderd door middel van verwarmings-, houd- en koelcycli, waardoor eigenschappen zoals hardheid, sterkte en taaiheid kunnen worden afgestemd.

Warmtbehandeling van staal wordt hoofdzakelijk ingedeeld in drie typen:

Algemene Warmtbehandeling: Omvat gloeien, normaliseren, harden en temperen — vier basiscycli die de microstructuur van het gehele werkstuk veranderen.

Oppervlakte warmtebehandeling: Richt zich op oppervlakte-eigenschappen zonder de bulk-samenstelling te veranderen (bijvoorbeeld oppervlakteharding) of verandert de oppervlaktechemie (bijvoorbeeld chemische warmtebehandeling zoals koolstofverzadiging, stikstofbehandeling en koolstof-stikstofbehandeling).

Speciale processen: Zoals thermomechanische behandeling en vacuüm warmtebehandeling, ontworpen voor specifieke prestatiebehoeften.

Een belangrijk onderscheid ligt tussen gloeien en normaliseren: bij gloeien wordt langzaam afgekoeld (in een oven of met as) om de hardheid te verlagen en interne spanningen op te heffen, terwijl bij normaliseren luchtkoeling wordt toegepast voor fijnere en meer uniforme microstructuren en iets hogere sterkte. Van cruciaal belang is dat hardening—die wordt gebruikt om harde martensitstructuren te verkrijgen—moet worden gevolgd door terugkoken om brosheid te verminderen en hardheid-taaiheid te balanceren door residu spanningen op te heffen (150–650°C).

2. Procesparameters: Kritieke factoren voor kwaliteit

Succesvolle warmtebehandeling is afhankelijk van nauwkeurige controle van drie kernparameters:

2.1 Kritische temperaturen (Ac₁, Ac₃, Acm)

Deze temperaturen sturen de verwarmingscycli:

Ac₁: Begintemperatuur van de overgang van perliet naar austeniet.

Ac₃: Temperatuur waarbij ferriet volledig overgaat in austeniet bij hypoeutectoïde staal.

Acm: Temperatuur waarbij secundaire cementiet volledig oplost bij hypereutectoïde staal.

2.2 Verwarmingstemperatuur & houdtijd

Verwarmingstemperatuur: Hypoeutectoïd staal wordt verhit tot 30–50°C boven Ac₃ (volledige austenitisatie), terwijl hypereutectoïd staal wordt verhit tot 30–50°C boven Ac₁ (het behouden van enkele carbiden voor slijtagebestendigheid). Legeerders vereisen hogere temperaturen of langere houdtijden vanwege de langzamere diffusie van legeringselementen.

Houdtijd: Wordt berekend als de effectieve dikte (mm) van het werkstuk × verwarmingscoëfficiënt (K) — K=1–1,5 voor koolstofstaal en 1,5–2,5 voor legeringsstaal.

2.3 Afkoelsnelheid & blusmiddelen

Afkoelsnelheid bepaalt de microstructuur:

Snelle afkoeling (>kritieke snelheid): Vormt martensiet.

Matige koeling: Vormt bainiet.

Langzame koeling: Leidt tot perliet of een mengsel van ferriet en cementiet.

Ideale blussmiddelen balanceren "snelle koeling om verzachting te voorkomen" en "langzame koeling om barre te voorkomen." Water/zoutwater is geschikt voor hoge hardheidsvereisten (maar brengt risico op barre met zich mee), terwijl olie/polymeervoorzieningen de voorkeur hebben voor complex gevormde onderdelen (vervorming verminderen).

3. Microstructuur versus prestatie: de kernrelatie

Materiaaleigenschappen worden direct bepaald door de microstructuur, waarbij belangrijke relaties zijn inbegrepen:

3.1 Martensiet

Hard maar bros, met een naaldvormige of latvormige structuur. Hogere koolstofinhoud verhoogt de brosheid, terwijl gereserveerd austeniet de hardheid vermindert maar de taaiheid verbetert.

3.2 Geregenereerde microstructuren

Geregeertemperatuur bepaalt de prestaties:

Lage temperatuur (150–250°C): Geregeerde martensiet (58–62 HRC) voor gereedschap/stempels.

Middelmatige temperatuur (350–500°C): Gereedgehard troostiet (hoog elastisch grens) voor veren.

Hoge temperatuur (500–650°C): Gereedgehard sorbiet (uitstekende algehele mechanische eigenschappen) voor assen/tandwielen.

3.3 Specifieke fenomenen

Secundaire verharding: Legeringen (bijv. snelstaal) herwinnen hardheid tijdens het gereedgeven bij 500–600°C door neerslag van fijne carbiden (VC, Mo₂C).

Gereedheid-brittleness: Type I (250–400°C, onomkeerbaar) wordt vermeden door snel af te koelen; Type II (450–650°C, omkeerbaar) wordt onderdrukt door W/Mo toe te voegen.

4. Typische toepassingen: Afgestemde processen voor sleutelcomponenten

Warmtebehandelingsprocessen worden afgestemd op de prestatie-eisen van specifieke componenten en materialen:

Voor automobiele tandwielen van legeringen zoals 20CrMnTi, is het standaardproces cementeren (920–950°C), gevolgd door olieharding en laagtemperatuur-gereedgeven (180°C), wat een oppervlaktehardheid van 58–62 HRC oplevert, terwijl een taaihartige kern behouden blijft.

Voor stempelstaal zoals H13 omvat de werkwijze gloeien, blussen (1020–1050°C, oliegekoeld) en dubbel verharden (560–680°C). Deze reeks vermindert inwendige spanningen en stelt de hardheid in op ongeveer 54–56 HRC.

Snelstaal zoals W18Cr4V vereist blussen bij hoge temperatuur (1270–1280°C) om martensiet en carbiden te vormen, gevolgd door drievoudig verharden bij 560°C om de resterende austeniet om te zetten naar martensiet, wat resulteert in een hardheid van 63–66 HRC en uitstekende slijtagebestendigheid.

Gietijzer met kogelgrafiet kan worden bewerkt via austemperen bij 300–400°C om een microstructuur van bainiet en resterende austeniet te verkrijgen, waardoor sterkte en taaiheid in balans zijn.

Voor 18-8-type austenitisch roestvast staal is oplossingsbehandeling (1050–1100°C, watergekoeld) cruciaal om interkristallijne corrosie te voorkomen. Daarnaast helpt stabilisatiebehandeling (toevoeging van Ti of Nb) om carbide-afzetting te voorkomen wanneer het materiaal wordt blootgesteld aan temperaturen tussen 450–850°C.

5. Defectbesturing: Preventie & Mitigatie

Algemene warmtebehandelingsdefecten en hun tegenmaatregelen zijn als volgt:

Hardscheuren: veroorzaakt door thermische/organisatorische spanningen of onjuiste processen (bijvoorbeeld snelle verwarming, excesieve koeling). Preventiemaatregelen zijn onder andere voorverwarmen, gebruik maken van trapsgewijs of isotherm harden, en onmiddellijk afzwakken na het harden.

Vervorming: kan worden gecorrigeerd via koud persen, warm recht trekken (lokale verwarming boven de afzwakkingstemperatuur), of vibratie-spanningsverlaging. Voorbehandelingen zoals normaliseren of gloeien om smeedspanningen te elimineren, verminderen eveneens vervorming.

Verbranding: treedt op wanneer de verwarmingstemperatuur de soliduslijn overschrijdt, wat leidt tot smelten van korrelgrenzen en brosheid. De belangrijkste preventiemethode is strikte temperatuurcontrole (vooral bij legeringsstaal) met behulp van thermometers.

Ontkoolstofing: Het resultaat van reacties tussen het oppervlak van het werkstuk en zuurstof/CO₂ tijdens het verwarmen, waardoor de oppervlaktehardheid en vermoeiingslevensduur afnemen. Dit kan worden beheerst door gebruik te maken van beschermende atmosferen (bijvoorbeeld stikstof, argon) of zoutbadovens.

6. Geavanceerde technologieën: Innovatiebevorderende factoren

Nieuwe warmtebehandelingstechnologieën vormvasten de industrie door verbeterde prestaties en efficiëntie:

TMCP (Thermomechanisch Regelproces): Combineert geregeld walsen en geregeld afkoelen om de traditionele warmtebehandeling te vervangen, waardoor korrelstructuren worden verfijnd en bainiet wordt gevormd – veel gebruikt in de scheepsbouwstaalproductie.

Laserharden: Maakt gecontroleerd oppervlakteharden mogelijk met een precisie tot 0,1 mm (ideaal voor tandoppervlakken van tandwielen). Het gebruikt zelfkoeling voor het harden (geen koelmedium nodig), waardoor vervorming wordt verminderd en de hardheid met 10–15% toeneemt.

QP (Quenching-Partitioning): Houdt in het vasthouden van de temperatuur onder de Ms-temperatuur om koolstofdiffusie vanaf de marteensiet naar de behouden austeniet toe te staan, waardoor de laatste wordt gestabiliseerd en de taaiheid verbetert. Dit proces is essentieel voor de productie van TRIP-staal van de derde generatie voor de automotive industrie.

Warmtebehandeling van nanobaïnisch staal: Austempering bij 200–300°C levert nanobaïniet en behouden austeniet op, waarmee een treksterkte van 2000MPa wordt bereikt, met betere taaiheid dan traditioneel marteensitisch staal.

7. Veiligheid & Milieubescherming

Warmtebehandeling vormt ongeveer 30% van het totale energieverbruik in de mechanische industrie, waardoor veiligheid en duurzaamheid kritieke prioriteiten zijn:

Risicobeheersing van veiligheid: Er worden strikte operationele protocollen toegepast om hoge-temperatuurverbrandingen (van verwarmingsapparatuur of werkstukken) te voorkomen, blootstelling aan giftige gassen (bijvoorbeeld CN⁻, CO van zoutbadovens), brand (door lekken van blusolie) en mechanische verwondingen (tijdens het hijsen of vastklemmen).

Emissiereductie: Maatregelen omvatten het gebruik van vacuümovens (om oxidatief verbranden te voorkomen), het afsluiten van hardingstanks (vermindering van olie-nevelvorming) en het installeren van schoonmaakapparatuur voor afvalgassen (voor adsorptie of katalytische afbraak van schadelijke stoffen).

Afvalwaterbehandeling: Chroomhoudend afvalwater vereist reductie- en neerslagbehandeling, terwijl cyanidehoudend afvalwater onschadelijk gemaakt moet worden. Gecombineerd afvalwater ondergaat biochemische behandeling om voldoen aan lozingsnormen voor lozing.

Conclusie

Warmtebehandeling is een hoeksteen in de materiaaltechnologie en vormt de brug tussen grondstoffen en hoogwaardige componenten. Het beheersen van de principes, parameters en innovaties ervan is cruciaal voor het verbeteren van productbetrouwbaarheid, het verlagen van kosten en het bevorderen van duurzame productie in industrieën zoals de auto-industrie, lucht- en ruimtevaart, en machinebouw.