Warmtebehandelingen

Bij gietstukken kunnen inwendige spanningen ontstaan door bijvoorbeeld ongelijkmatige afkoeling en volume-concentraties tijdens het stollen. Zoals de naam al doet vermoeden, is het doel van deze warmtebehandeling de inwendige spanningen in het materiaal te verminderen. Hierbij verandert de structuur, sterkte en/of hardheid van het materiaal nauwelijks.

Materiaal dat moet worden verspaand, kan inwendige spanningen bezitten van het voorgaande productie-proces. Door deze spanningen is het lastig om te voorspellen hoe het staal zich gedraagt. De inwendige spanningen kunnen tijdens het bewerken voor ongewenste maatafwijkingen en tot vervormingen (vormverandering) leiden. Spanningsarm gloeien wordt ook wel eens spanningsvrij gloeien genoemd. Het is echter niet mogelijk om alle spanningen uit het te staal te halen, er blijft altijd wat restspanning over. Daarom is spanningsarm gloeien een betere naam voor deze warmtebehandeling.

Bij spanningsarm gloeien wordt de temperatuur van het product zo hoog opgevoerd dat de structuur van het staal net niet verandert. Het spanningsarm gloeien van staal wordt doorgaans uitgevoerd in het temperatuurs-gebied van ca. 580 to 620°C. De gloeitemperatuur is sterk afhankelijk van de warmvastheid van het materiaal. Als het materiaal langere tijd (meestal een aantal uren) op deze temperatuur wordt gehouden, nemen de inwendige spanningen af. Bij dit gloeiproces is het belangrijk dat het opwarmen en afkoelen langzaam gebeurt. Hierdoor ontstaan er geen nieuwe spanningen als gevolg van temperatuurverschillen in het gietstuk. Het afkoelen dient twee keer zo langzaam te gaan als het opwarmen.

Door het harden krijgt het materiaal de martensitische structuur, een structuur die hard en bros is. Er bestaat kans op scheurvorming. Om dit gevaar te verminderen geeft men geharde werkstukken direct na het harden nog een aanvullende warmtebehandeling voordat ze geheel zijn afgekoeld. Deze warmtebehandeling wordt ook wel ontlaten genoemd (temperen). Zo wordt het materiaal minder bros en nemen de spanningen door het afschrikken af. Het verminderen van de spanningen is erg belangrijk. Een product kan er na het harden goed uitzien, maar bij ingebruikname direct bezwijken door spanningen die nog in het materiaal aanwezig zijn.

De hoogte van de ontlaattemperatuur wordt bepaald door de samenstelling van het staal en de gewenste eigenschappen na het ontlaten. Bij de meeste stalen ligt de ontlaattemperatuur tussen de 150 en 350 graden. In het algemeen geldt: hoe hoger de ontlaattemperatuur, des te groter de taaiheid en des te lager de hardheid. Het is dus van belang om de juiste ontlaattemperatuur te kiezen. Ontlaten bij temperaturen van 500°C of hoger wordt hoog ontlaten of veredelen genoemd.

Als staal behandelingen ondergaat als bijvoorbeeld smeden, gieten of lassen kan het materiaal erg heet worden. Als gevolg hiervan kunnen ongelijkmatige en grove structuren ontstaan die tot lagere mechanische eigenschappen leiden. Normaalgloeien (ook wel normaliseren genoemd) is een gloeimethode om het staal overal weer dezelfde structuur te geven. Hierbij ontstaan fijne korrels en betere mechanische eigenschappen. Tevens worden inwendige spanningen tot een minimum gereduceerd.

Bij normaalgloeien verwarm je het product tot er alleen nog austeniet aanwezig is (300 tot 700 graden). Voor de verblijftijd wordt minimaal 30 minuten aangehouden, plus twee minuten per millimeter wanddikte. Hierna volgt afkoeling aan stilstaande lucht. De afkoelsnelheid ligt iets hoger dan bij spanningsarm gloeien. Zolang men nog in het austeniet gebied zit, kan opnieuw korrelgroei optreden met grove korrels tot gevolg. Daardoor wordt het korrelverfijnend effect van het normaalgloeien teniet gedaan.

Doordat bij deze gloeiing 2 keer een fasetransformatie plaatsvindt, namelijk van ferriet met perliet naar austeniet en omgekeerd, zal er twee keer een korrelverfijning optreden. Dit komt, omdat er bij de transformatie meerdere groeikiemen per kristal ontstaan. Zo ontstaat een fijnkorrelige perlietstructuur die karakteristiek is voor het betreffende staal.  Na het normaalgloeien heeft het materiaal overal dezelfde structuur.

Zachtgloeien en veredelen zijn gloeibehandelingen waarbij het staal zachter wordt. Het doel van zachtgloeien is het staal een zodanige structuur te geven, dat het beter verspaanbaar en vervormbaar is. Ook verkleint het de kans op scheuren bij eventuele hardingsbehandelingen. Door de gloeiing neemt de treksterkte en hardheid ongeveer 10 tot 25% af; daarentegen neemt de taaiheid iets toe. Er wordt een structuur verkregen met globulaire carbiden in een ferritische kristalrooster. Door de globulaire carbiden breekt de spaan tijdens het verspanen beter af, daardoor zal het metaaloppervlak gladder worden dan bij verspaning van een niet gegloeid staal. Het staal wordt verhit tot net onder het austenietgebied, gevolgd door zeer langzaam afkoelen.

Een andere manier is om de temperatuur te laten schommelen rond de 720°C waarbij slechts een klein deel van de structuur wordt omgezet in austeniet. Deze uitvoering van de gloeibehandeling wordt voornamelijk toegepast bij staalsoorten met een hoog koolstofgehalte. De gloeiduur varieert van 5 tot 24 uur en wordt gevolgd door langzaam afkoelen in de oven.