Thermische behandelingen

Materiaalbehandelingen

Wij onderscheiden twee verschillende types thermische behandelingen:
- de volledige thermische behandeling
- de oppervlakkige thermische behandeling

1. Volledige thermische behandeling
Deze thermische behandelingen hebben geen oppervlakkige harding tot gevolg. Daarentegen is de hardheid in gans het stuk niet uniform. De hardingsmogelijkheid hangt af van twee verschillende begrippen:
De hardingssterkte of de maximale hardingsmogelijkheid:
De hardingssterkte hangt af van het gehalte koolstof bij de opwarming in de vaste fase. Hoe hoger het procent koolstof hoe harder
De penetratie van de harding:
De penetratie is afhankelijk van de hoeveelheid koolstof en legeringselementen die gevormd zijn bij de austenisatie fase bepaald door de grootte van austenietkorrels en door de graad van afkoeling.
Deze hardingsmethode kan gebeuren voor af na het tandfrezen: er dient gelet dat de hardheid van het stuk voor het frezen beperkt is door de verwerkbaarheid van het staal door de moederfrezen.
Indien de behandeling na het frezen wordt uitgevoerd, omdat tandfrezen gemakkelijker is in zacht staal, kunnen zich bepaalde vervormingen voordoen zodat een supplementaire nabewerking noodzakelijk wordt. De legeringelementen hebben een grote invloed op de penetratiediepte van de harding: de voornaamste elementen zijn Mn, Ni, Mo.

 Na het harden is het aan te raden de stukken te ontlaten bij een temperatuur tussen de 200°C en 500°C.

De veredelde staalsoorten komen hiervoor in aanmerking.


2. Thermische behandelingen van het oppervlak
De thermische behandelingen van het staaloppervlak is het resultaat van het inbrengen van vreemde elementen in de oppervlakte van het staal door chemische reacties via verschillende processen. Deze elementen kunnen niet metallisch zijn zoals koolstof C, stikstof N, zuurstof O, of semi-metallisch zoals silicium Si, boor B, of niet-metaal elementen zoals aluminium Al, enz. In het geval van tandwielen zijn de inbreng van koolstof en stikstof de belangrijkste elementen.

1. Cementeren:

Dit proces bestaat erin koolstof in de oppervlakte van een koolstofarm staal te verspreiden, nadat de vertanding eerst werd aangebracht. Voor de hardheid te bekomen overeenkomstig met het percentage koolstof dient men een harding uit te voeren. Zie de linkse grafiek. De koolstof kan onder vaste, vloeibare of gasvormige toestand aangebracht worden. De gasvormige inbreng is het meest toegepast proces voor tandwielen. Voor een maximale hardheid moet het percentage koolstof ongeveer 0,9% bedragen. De volgende figuur bepaalt de effectieve cementatiediepte begrensd op 550HV. De optimale cementatie diepte bedraagt Eht_opt = 0,15.m. Wij vestigen de aandacht op dat de cementatiediepte begrensd is op Eht_lim = 0,4.m dit om overkoling te voorkomen.
Niet tegenstaande het cementeren kan uitgevoerd worden op relatief zachte staalsoorten, is het nochtans wenselijk gelegeerde staalsoorten te gebruiken waarbij een penetratiediepte kan bekomen worden en waarvan de kernhardheid na harden weerstand bieden kan aan het indrukken van de gecementeerde laag. De tabel op de pagina 263 geeft een overzicht van de voornaamste cementeerstalen. 


2. Carbonitreren

Gedurende het cementeerproces zoals hiervoor beschreven wordt een aangepaste hoeveelheid ammoniak toegevoegd welke een absorptie van deze laatste toelaat in de buitenste laag. De ammoniak wordt in een hoeveelheid van 3% tot 10% in gasvorm NH₃ toegevoegd. Dit proces verhoogt de hardbaarheid in die mate dat de hardheid wordt bekomen onder minder strenge voorwaarden. Men dient met bij dit proces wel de resthardheid te accepteren. De kernhardheid ligt ook veel hoger namelijk 1.300 tot 1.500 N/mm². Dit proces is een tussenoplossing tussen cementeren en nitreren.


3. Nitreren

Het traditionele nitreerproces is gebaseerd op het gebruik van een ammoniakgas om stikstof in de oppervlakte te brengen. De procestemperaturen liggen tussen de 480°C en de 590°C. Het NH₃-gas wordt bij deze nitreertemperatuur gekraakt in stikstof en waterstof.
De meeste staalsoorten trachten een nitridelaag te vormen, de witte laag. Elementen als aluminium (Al), chroom (Cr), vanadium (V) en molybdeen (Mo) pogen het nitreerproces te vertragen. De harde eindlaag die bij het nitreren opgebouwd wordt is afhankelijk van de hardheid van het basismateriaal voor de nitreerproces. De meeste gelegeerde staalsoorten kunnen genitreerd worden, nochtans bestaan er een gamma staalsoorten die er zich speciaal toe lenen en dit zowel op resultaatsbasis als op de nitreertijd. De tabel op pagina 264 geeft U een zicht op de belangrijkste nitreerstalen, de tabel op pagina 271 geeft U een overzicht van de meest nitreerbare staalsoorten met hun eigenschappen.


4. Oppervlakkig inductieharden



Alhoewel wij ook stukken kunnen vlamharden zullen wij hier enkel praten over inductieharden. Dit proces bestaat uit de opwarming van een tandoppervlak door gebruik te maken van een wisselstroom. Deze tandoppervlakken worden vervolgens gekoeld met een verhoging van de hardheid van het oppervlak als resultaat. Enkel het staaloppervlak wordt bij dit proces opgewarmd. De opwarming geschied door een hoog of middelfrequente stroom die bij middel van spoelen met aangepaste tandvorm worden geïntroduceerd. De effectieve penetratiediepte van de geïnduceerde stroom is omgekeerd evenredig met de wortel van de frequentie. Zo wordt de middelfrequentie toegepast voor grote dieptes en de hogere frequenties voor kleinere hardingslagen. Zoals reeds aangeven in de figuur op pagina 269, dient het percentage koolstof minimum 0,3% te bedragen om hardheden van 50HRC te bekomen. De meeste staalsoorten die wij vroeger hebben opgesomd kunnen inductie gehard worden. De verschillende hardingsprincipes zijn voorgesteld op de pagina 270. Figuur a1: Rotatief inductieharden zonder de tandvoet Figuur a2: Rotatief inductieharden met de tandvoet Figuur b: Inductieharden van de tandflanken met vorkvormige spoel Figuur c: Inductieharden van tandflanken met tandvoet. Deze oplossing is de meest verkiesbare. Zij verbetert de breukweerstand met 30% à 50%. Deze opwarmingsfaze dient te worden gevolgd door een hardingsfaze met een aangepast koelmiddel. Voor grote tandwiel met grote muduli geschied de harding tand per tand. De spoel volgt de tand evenwijdig en wordt onmiddellijk gevolgd door een aangepaste afkoeling.




Gasnitreerbare staalsoorten
Staalgroep	Benaming	Werkstf. N°	Trekvastheid	Hardheid HV3	Nitreerdiepte In mm
	St52-3N SKF280	1.0841	500-600 600-700	600-700 600-700	0,2-0,8 0,2-0,8
Gelegeerde Staalsoorten	Ck45 25CrMo4 34CrMo4 42CrMo4 50CrMo4 50CrV4 34CrNiMo6 30CrNiMo8 32CrMo12 30CrMoV9 14CrMoV6.9	1.1191 1.7218 1.7220 1.7225 1.7228 1.8159 1.6582 1.6580 1.7361 1.7707 1.7735	650-750 750-900 800-950 850-1000 850-1000 850-1000 900-1200 900-1200 900-1300 900-1200 900-1050	300-400 600-750 600-750 600-750 550-700 600-750 650-800 650-800 800-900 750-850 800-900	0,2-0,8 0,1-0,7 0,1-0,6 0,1-0,6 0,1-0,5 0,1-0,6 0,1-0,6 0,1-0,6 0,1-0,8 0,1-0,8 0,1-1,0
Nitreerstaal	31CrMo12 31CrMoV9 34CrAl6 34CrAlMo5 34CrAlNi7	1.8515 1.8519 1.8504 1.8507 1.8550	900-1300 900-1200 800-950 850-1000 900-1050	800-900 750-850 900-1100 900-1100 900-1100	0,1-0,8 0,1-0,8 0,1-1,0 0,1-1,0 0,1-1,0
Inzetstaal	16MnCr5V 20MnCr5V	1.7131 1.7147	600-800 600-800	650-750 650-750	0,1-1,0 0,1-1,0
	100Cr6 X165CrMoV121	1.2067 1.2601	1000-1400 1400-1800	500-600 900-1050	0,1-0,4 0,1-0,15



5. Oppervlaktebehandeling door stikstofdiffusie:
   • Dikte der oppervlaktelagen tot 25 μm
   
   
   • Oppervlaktehardheid tot 1150 Vickers (afhankelijk van de staalsoort)
   
   
   • Hoge weerstand tegen koud lasneiging.
   
   
   • Verhoging der vermoeidheidsweerstand.
   
   
   • Hoge corrosieweerstand 100 u zoutneveltest ASTM B117
   
   
   • Oppervlakteruwheid: Ra = 0,5
   
   
   • Oppervlakte-aspekt: zwart
   
   
   • Geen vervormingen
   
   
   • Geringe maat veranderingen, ordegrootte: enkele microns
   
   
   • Temperatuurbestendig tot 450°C
   
   
   • Hardverchromen
   
   
   • Verzinken
   
   
   • Vernikkelen
   
   
   • Cadmiëren
   
   
   • Zwarten
   
   
   • Fosfateren
     
     

Diffunderen van harde, slijtvaste en corrosiewerende oppervlaktelagen op staal en gietijzer, en harde en slijtvaste lagen op inox.

- Inleiding – QPQ:
Voor het verbeteren van de eigenschappen van onderdelen en gereedschappen voor machine en apparatenbouw, staat een eindeloze rij van oppervlakte behandelingen ter beschikking, zowel van thermische, chemische, thermo-chemische en galvanische aard. Daarin neemt het "zoutbad nitreren" een thermo-chemische behandeling, die vooral bekend is onder de naam "TENIFER", sinds lang een gevestigde plaats in. Door de uitbreiding van deze behandeling met polijsten en oxideren -"QPQ" genaamd -is aan de bestaande eigenschappen een zeer hoge corrosieweerstand toegevoegd.

- Eigenschappen:
- QPQ vervangt: - Materialen:


Metalen	Werkstnr.	HV1	HV3	HV30
Ck15 C45W3 Ck60 20MnV8 53MnSi4 90MnV4 42CrMo4X 19NiCrMo4 55NiCrMoV6 56NiCrMoV7 50NiCr13 X20Cr13 X35CrMo17 X210Cr12 X210CrW12 X156CrMoV12 45CrMoW58 X32CrMoV33 X38CrMoV51 X37CrMoW51 X30WCrV53 X30WCrV93	1.1141 1.1730 1.1221 1.7147 1.5141 1.2842 1.7225 1.2764 1.2713 1.2714 1.2721 1.2082 1.4122 1.2080 1.2436 1.2601 1.2603 1.2365 1.2343 1.2606 1.2567 1.2581	350 450 450 600 450 550 650 600 650 650 600 >900 >900 >800 >800 >800 800 >900 >900 >900 >900 >900	300 350 350 450 400 450 500 500 550 550 500 600 700 600 600 650 700 850 850 800 850 850	200 250 250 400 350 400 450 450 500 500 450 450 550 450 500 500 600 700 700 700 750 800

3. Tabellen

1. Hardingsdiepte voor nitreren en cementeren t.o.v. de modulus

De onderstaande tabel geeft de hardingsdieptes voor nitreren, cementeren en oppervlakkig harden aan in functie van de modulus en dit volgens DIN 50190.

 
2. Hardheid vergelijkingstabel

De volgende tabel geeft de richtcijfers voor staal terug ter vergelijking van hardheidswaarden en trekvastheid.