Een overzicht van warmtebehandelingsprocessen: Van metalen tot kunststof gietvormen

Verschillende materialen hebben verschillende rollen in de engineeringsector en vereisen dus eigenschappenprocessen om aan de nodige behoeften te voldoen. Ingenieurs passen verschillende technieken toe om de nodige eigenschappen te verkrijgen tijdens het fabricageproces. Een van de veel toegepaste processen is warmtebehandeling.

De rol van warmtebehandeling bij engineering is het veranderen van de mechanische en chemische eigenschappen van het onderdeel voordat het wordt verwerkt of geassembleerd. Door dit proces wordt het resulterende onderdeel bruikbaarder en bruikbaarder en is het veilig voor gebruik in de werkplaats.

Warmtebehandeling in de productietechniek en materiaalkunde is het verhitten van een materiaal tot een bepaalde temperatuur, het materiaal enige tijd op die temperatuur houden en het materiaal vervolgens volgens een bepaald patroon afkoelen. Het verandert de microstructuur van materialen en zorgt voor mechanische eigenschappen zoals slijtvastheid, taaiheid en hardheid.

Warmtebehandeling is niet alleen van toepassing op metalen, maar is ook nodig voor het maken van matrijzen of kunststof mallen. Het zorgt er bijvoorbeeld voor dat de matrijzen die worden gebruikt in spuitgieten zijn constant vormvast en bestand tegen vervorming en barsten.

De productie-, luchtvaart-, bouw- en auto-industrie zijn enkele van de sectoren die constant gebruikmaken van warmtebehandeling om hun producten te verbeteren. Ze behandelen metalen meestal door middel van gloeien, afschrikken en temperen.

Warmtebehandelingsprocessen voor metalen

De drie warmtebehandelingsprocessen van metalen zijn gloeien, afschrikken en ontlaten.

ANNEALING

Gloeien is een warmtebehandelingsproces dat wordt toegepast om een onderdeel terug te brengen in zijn fysieke staat. Vervormbaarheid is erg belangrijk bij de productie van verschillende technische componenten zoals metalen platen, die gemakkelijker in dunnere platen kunnen worden gewalst. Soms worden dergelijke metalen echter hard. In sommige gevallen accumuleren de materialen interne spanningen tijdens het bewerken en koud bewerken van de metalen assen of tijdens het gieten, wat kan leiden tot hun broosheid. De rol van gloeien is om de hardheid te verlagen en mogelijke spanningen in dergelijke materialen te verlichten.

Tijdens het gloeien verhogen technici de temperatuur van het metaal tot net boven de herkristallisatietemperatuur. De gloeitemperatuur moet echter onder de smelttemperatuur van de materialen liggen. De hoge temperaturen leveren voldoende energie voor de migratie van atomen binnen de metaalmicrostructuur.

De hoge energie leidt ook tot de vorming van meer korrels. Het proces resulteert in dislocatie rectificatie. Verder verlichten de processen de interne spanningen van het metaal. Na afkoeling herstelt het metaal effectief zijn taaiheid voor gemakkelijke bewerkbaarheid.

Stappen van het Annealing-proces

1. Verwarming: Het metaal wordt verwarmd bij herkristallisatietemperaturen die variëren afhankelijk van het metaaltype. De herkristallisatietemperatuur voor staal is bijvoorbeeld 500-700⁰C. Deze verhitting leidt tot een uniforme temperatuur in de materialen, wat leidt tot herschikking van de microstructuur.

2. Inweektijd/Houdtijd: Zodra het metaal de herkristallisatietemperatuur bereikt, houden technici het enige tijd op die temperatuur, de zogenaamde inweektijd. Op dat moment vindt herkristallisatie plaats, wat leidt tot nieuwe korrels in de microstructuur van het metaal. Het gevolg is dat het metaal zachter wordt. De materiaalsamenstelling en dikte bepalen de inweektijd. De duur kan zo kort zijn als een paar minuten, maar ook enkele uren.

3. Koeling: De inweekperiode voor het afkoelen van het metaal. Technici zorgen voor een langzame afkoeling in de gecontroleerde omgeving, hetzij in de lucht of in de oven. Door langzaam af te koelen voorkomen technici de vorming van spanningen en ongewenste fasen in de metaalmicrostructuur. Snel afkoelen van het materiaal kan het metaal verharden.

Gewone metalen

QUENCHING

In tegenstelling tot gloeien, dat gericht is op het verwijderen van de hardheid van metaal, is afschrikken bedoeld om de hardheid en sterkte van metaal te bereiken. Bij afschrikken verhitten technici metaal tot een bepaalde temperatuur en koelen ze het metaal snel af tot kamertemperatuur of lager. Het snelle afkoelingsproces leidt tot structurele en atomaire herschikking in de metaalstructuur. Deze transformatie is martensitische transformatie en het resulterende materiaal is hard.

Technici kunnen afschrikken met water, olie, lucht en speciale vloeistoffen. De te gebruiken methode hangt af van de resultaten van het te blussen metaal.

Stappen van het metaalafkoelingsproces

1. 1. Metaalvoorbereiding: Op basis van de materiaaleigenschappen selecteren technici het type metaal dat moet worden afgeschrikt. Het metaal wordt vervolgens gereinigd om vuil of afval te verwijderen, dat het afschrikproces kan verstoren.

2. Metaalverwarming: Metaal wordt in een warmtebehandelingsoven verhit tot kritieke temperaturen. Bij kritische temperaturen worden metalen niet-magnetisch. De verhitting is gelijkmatig om ervoor te zorgen dat de resulterende hardheid gelijkmatig is.

3. Selectie van dovende media: Er is een breed scala aan afschrikmiddelen. De keuze van bepaalde media hangt af van de materialen en het doel van de resulterende producten. Technici kiezen bijvoorbeeld water als afschrikmiddel als het materiaal koolstofstaal is.

4. Metalen blussen: Laat het ruwijzer voorzichtig in het afschrikmiddel zakken. Technici gebruiken dooftanks voor uniformiteit en de volledige onderdompeling van het metaal leidt tot uniforme koeling. 

5. Koelsnelheidsregeling: De koelsnelheid heeft een grote invloed op de eigenschappen van het eindproduct. Gebruik snellere koelsnelheden om een hogere hardheid te bereiken, terwijl langzamere koelsnelheden tot zachtere materialen leiden.

Selectie koelmedia

Verschillende afschrikmiddelen hebben verschillende toepassingen in het afschrikproces. Het gebruik van water kan bijvoorbeeld leiden tot een zeer snelle afkoelsnelheid. Met zijn hoge koelcapaciteit bereikt water hardheid in de kortst mogelijke tijd. In de meeste gevallen gebruiken technici afschrikken met water om martensitisch staal te vormen. De hoge koelsnelheden kunnen echter soms kromtrekken en scheuren veroorzaken. Toepassingen voor afschrikken met water zijn onder andere koolstof- en gelegeerde staalsoorten die een hoge hardheid vereisen voor snijgereedschappen.

Afharden in olie is geschikt voor gematigde koelsnelheden. De metalen koelen gematigd langzaam af bij olieafkoeling om kromtrekken en barsten te voorkomen. Ingenieurs gebruiken het afschrikken in olie om een balans te vinden tussen hardheid en taaiheid. Het afschrikken met olie is echter riskant omdat het brandbaar is. Bovendien zijn oliën slordig in de omgang. Het resulterende product kan de maximale hardheid missen.

Afkoelen met lucht is essentieel voor een langzame afkoelsnelheid. De geleidelijke afkoelsnelheid is van vitaal belang voor legeringen die kunnen vervormen en barsten bij snellere afkoeling. Luchtafkoeling leidt echter niet altijd tot maximale hardheid.

TEMPEREN

Temperen volgt meestal op afschrikken om de brosheid van het metaal te verminderen en de vervormbaarheid te herstellen. Tijdens het temperen verwarmen technici het metaal na het afschrikproces opnieuw tot een bepaald niveau en houden het enige tijd onder het kritieke punt (meestal 150-700C). Daarna volgt het afkoelen in stilstaande lucht tot kamertemperatuur.

Stappen

1. Verwarming: Verwarm het metaal tot een ontlaattemperatuur, die tussen kamertemperatuur en kritieke temperaturen ligt. Controleer de verwarmingssnelheid. Te snel verwarmen kan leiden tot barsten. Verschillende metalen hebben verschillende ontlaattemperaturen. Verwarmen helpt om de spanning van het afschrikproces los te laten terwijl de hardheid behouden blijft.

2. Wachttijd: Houd het metaal op tempereertemperatuur. De wachttijd varieert van 30 minuten tot uren, afhankelijk van het gebruik van het product en de dikte van het materiaal. Deze wachttijd leidt tot verweking, waardoor de brosheid afneemt terwijl de hardheid van het materiaal behouden blijft.

3. Koeling: Koel het metaal na de wachttijd af met lucht. Lucht garandeert een langzame afkoelsnelheid, waardoor er geen nieuwe spanningen ontstaan.

Warmtebehandelingsmethoden voor kunststof en spuitgietmatrijzen

De duurzaamheid en prestaties van gietmallen hangen af van de keuze van de materialen. Gietvormingenieurs zijn verantwoordelijk voor het selecteren van materialen rekening houdend met functies en structuur. Om aan de juiste functies en structuur te voldoen, ondergaan gietvormmaterialen een warmtebehandeling en oppervlakteversterking om duurzaamheid en kwaliteit te garanderen.

De warmtebehandeling van spuitgietmatrijzen omvat vier belangrijke stappen.

Voorverwarmen en naverwarmen

Deze stap is essentieel bij warmtebehandeling omdat het de mal helpt thermische schokken te weerstaan. Tijdens het gieten krijgen gietmallen te maken met thermische schokken door snelle veranderingen die kunnen leiden tot scheuren en vervorming. Tijdens het voorverwarmen verwarmen matrijsingenieurs de matrijzen tot bedrijfstemperaturen voordat het gieten begint. Dit proces voorkomt voortijdig falen. Voorverwarmen verlengt ook de levensduur van de matrijs en zorgt voor maatvastheid tijdens het gieten.

Na het spuitgietproces worden de spuitgiettechnici opgewarmd in gecontroleerde koelomstandigheden. Dit proces vermindert de vorming van interne spanningen die kunnen leiden tot kromtrekken.

Stressverlagend

Dit proces is cruciaal in spuitgietmallen. Het is vergelijkbaar met gloeien in metalen, maar het gebeurt in dit geval bij relatief lagere temperaturen. Bij spuitgietmatrijzen is spanningsontlasting ook bedoeld om de opgebouwde spanning te verminderen in plaats van de matrijsmaterialen zachter te maken.

Nitreren voor vormhardheid

Dit proces helpt om het oppervlak van het matrijsstaal te verharden zonder het interne oppervlak van het matrijsmateriaal aan te tasten. Nitreren leidt tot een betere slijtvastheid en verlengt de levensduur van de mal.

Bij nitreren wordt de mal verhit in een stikstofrijke omgeving. In dit proces diffundeert stikstof naar het staaloppervlak om een hard nitride oppervlak te creëren.

Het doel van het proces is vergelijkbaar met afschrikken. De temperaturen voor nitreren zijn echter 500-550C, relatief lager dan de afschriktemperatuur. Terwijl het afschrikken langzaam gaat, duurt het nitreren relatief langer, enkele uren.

De resulterende nitridelaag is echter uitstekend en hoeft niet nabehandeld te worden.

Vacuüm-warmtebehandeling

Dit proces vindt plaats in een vacuüm om oxidatie en vervuiling van het matrijsoppervlak te voorkomen. Oxidatie kan leiden tot een slechte oppervlakteafwerking en de matrijs verzwakken. Een vacuümwarmtebehandeling is vergelijkbaar met andere warmtebehandelingen van metaal, zoals gloeien. Het verschil is dat het in vacuüm gebeurt. Het is duur, maar nuttig in precisiemallen voor medische apparatuur en de lucht- en ruimtevaartsector.

Vergelijking tussen warmtebehandeling van metaal en warmtebehandeling van matrijzen

Conclusie

De rol van warmtebehandeling bij engineering is het veranderen van de mechanische en chemische eigenschappen van het onderdeel voordat het wordt verwerkt of geassembleerd. Door dit proces wordt het resulterende onderdeel bruikbaarder en bruikbaarder en is het veilig voor gebruik in de werkplaats. De drie warmtebehandelingsprocessen van metalen zijn gloeien, afschrikken en ontlaten.

In tegenstelling tot gloeien, dat gericht is op het verwijderen van de hardheid van het metaal, is afschrikken gericht op het bereiken van de hardheid en sterkte van het metaal. Verschillende afschrikmiddelen hebben verschillende toepassingen in het afschrikproces. Het gebruik van water kan bijvoorbeeld leiden tot een zeer snelle afkoelsnelheid. Afharden met olie is geschikt voor gematigde koelsnelheden. De metalen koelen gematigd langzaam af bij olieafkoeling om kromtrekken en scheuren te voorkomen. Temperen volgt meestal op afschrikken om de brosheid van het metaal te verminderen en de vervormbaarheid te herstellen.

De warmtebehandeling van spuitgietmatrijzen omvat vier belangrijke stappen: voorverwarmen en naverwarmen, spanningsverlaging, nitreren voor matrijshardheid en vacuüm warmtebehandeling. Tijdens het voorverwarmen verwarmen matrijsingenieurs de matrijzen tot bedrijfstemperaturen voordat het gieten begint. Na het spuitgieten zorgen matrijsingenieurs voor naverwarming in gecontroleerde koelomstandigheden. Dit proces vermindert de vorming van interne spanningen die tot kromtrekken kunnen leiden.

Dit proces helpt om het oppervlak van het gietstaal te harden zonder het interne oppervlak van het gietmateriaal aan te tasten. Een vacuümwarmtebehandeling is vergelijkbaar met andere warmtebehandelingen van metaal, zoals gloeien. Het verschil is dat het in vacuüm gebeurt. Het is duur, maar nuttig voor precisiematrijzen in medische apparatuur en de ruimtevaartsector.