Bewerking van Metalen
In dit artikel worden warmtebehandeling en de bewerking van metalen besproken. De bewerking van metalen kan worden gezien als metallurgische processen die de eigenschappen van metalen veranderen.
Warmtebehandeling
Warmtebehandeling van grote koolstofstaalcomponenten wordt uitgevoerd om gebruik te maken van kristaldefecten en hun effecten, en zo bepaalde gewenste eigenschappen of condities te verkrijgen.
Tijdens de fabricage worden door het variëren van de afkoelsnelheid (afschrikken) van het metaal, de korrelgrootte en korrelpatronen gecontroleerd. Korrelkenmerken worden gecontroleerd om verschillende niveaus van hardheid en treksterkte te produceren. Over het algemeen geldt dat hoe sneller een metaal wordt afgekoeld, hoe kleiner de korrelgroottes zullen zijn. Dit maakt het metaal harder. Naarmate de hardheid en treksterkte toenemen in warmtebehandeld staal, nemen taaiheid en ductiliteit af.
De afkoelsnelheid die wordt gebruikt bij afschrikken hangt af van de koelmethode en de grootte van het metaal. Uniforme koeling is belangrijk om vervorming te voorkomen. Typisch worden stalen componenten afgekoeld in olie, water of een emulsie van de twee.
Lassen kan interne spanningen veroorzaken die in het materiaal blijven na voltooiing van het lassen. In roestvast staal, zoals type 304, is het kristalrooster kubisch vlakgecentreerd (austeniet). Tijdens lassen bij hoge temperatuur kan wat omringend metaal worden verwarmd tot tussen 500°F (260°C) en 1000°F (537°C). In dit temperatuurbereik wordt het austeniet omgezet in een kubisch ruimtelijk gecentreerd roosterstructuur (bainiet). Wanneer het metaal is afgekoeld, bevatten de gebieden rond de las wat oorspronkelijk austeniet en wat nieuw gevormd bainiet. Er ontstaat een probleem omdat de "verpakkingsfactor" (PF = volume van atomen/volume van eenheidscel) niet hetzelfde is voor FCC-kristallen als voor BCC-kristallen.
Het gevormde bainiet neemt meer ruimte in beslag dan het oorspronkelijke austenietrooster. Deze verlenging van het materiaal veroorzaakt resterende druk- en trekspanningen in het materiaal. Las spanningen kunnen worden geminimaliseerd door warmteafvoer lassen, wat resulteert in lagere metaaltemperaturen, of door gloeien.
Gloeien is een andere veel voorkomende warmtebehandelingsmethode voor koolstofstaalcomponenten. Tijdens het gloeien wordt de component langzaam verwarmd tot een verhoogde temperatuur en gedurende een lange periode vastgehouden, waarna het wordt afgekoeld. Het gloeiproces wordt uitgevoerd om de volgende effecten te verkrijgen:
a. Om het staal te verzachten en de ductiliteit te verbeteren.
b. Om interne spanningen te verlichten veroorzaakt door eerdere processen zoals warmtebehandeling, lassen of bewerken.
c. Om de korrelstructuur te verfijnen.
Koud en Warm Bewerken
Plastische vervorming die wordt uitgevoerd in een temperatuurbereik en over een tijdsinterval zodanig dat de versteviging niet wordt opgeheven, wordt koud bewerken genoemd. Er is aanzienlijke kennis verkregen over de structuur van de koud bewerkte toestand. In de vroege stadia van plastische vervorming is slip voornamelijk op primaire glijvlakken en vormen de dislocaties coplanaire arrays. Naarmate de vervorming vordert, vindt kruisslip plaats. De koud bewerkte structuur vormt gebieden met hoge dislocatiedichtheid die al snel netwerken ontwikkelen. De korrelgrootte neemt af met de spanning bij lage vervorming maar bereikt al snel een vaste grootte. Koud bewerken vermindert ductiliteit.
Warm bewerken verwijst naar het proces waarbij metalen worden vervormd boven hun herkristallisatietemperatuur en versteviging niet optreedt. Warm bewerken wordt meestal uitgevoerd bij verhoogde temperaturen. Lood wordt echter warm bewerkt bij kamertemperatuur vanwege zijn lage smelttemperatuur. Aan de andere kant wordt molybdeen zelfs bij relatief hoge temperaturen koud bewerkt vanwege zijn hoge herkristallisatietemperatuur.
De weerstand van metalen tegen plastische vervorming neemt over het algemeen af bij hogere temperaturen. Om deze reden worden grotere massieve secties altijd warm bewerkt door smeden, walsen of extrusie.
Samenvatting
De belangrijke informatie in deze sectie wordt hieronder samengevat:
Effecten van Warmtebehandeling op Metaaleigenschappen Samenvatting
- Afschrikken
Het variëren van de afkoelsnelheid (afschrikken) van het metaal controleert de korrelgrootte en korrelpatronen.
Korrelkenmerken worden gecontroleerd om verschillende niveaus van hardheid en treksterkte te produceren.
Hardheid en treksterkte nemen toe in warmtebehandeld staal; taaiheid en ductiliteit nemen af. - Lassen
Produceert resterende druk- en trekspanningen.
Spanningen worden geminimaliseerd door warmteafvoer lassen en gloeien. - Gloeien
Verzacht staal en verbetert ductiliteit.
Verlicht interne spanningen veroorzaakt door eerdere processen.
Verfijnt korrelstructuur.