Thermische behandelingen

Materiaalbehandelingen

Wij onderscheiden twee verschillende type thermische behandelingen:
– de volledige thermische behandeling
– de oppervlakte thermische behandeling

1. Volledige thermische behandeling

Deze thermische behandelingen hebben geen oppervlakteharding tot gevolg. Daarentegen is de hardheid in het werkstuk 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 austenisatiefase, bepaald door de grootte van austenietkorrels en door de graad van afkoeling.

Deze hardingsmethode kan gebeuren voor af na het tandfrezen: er dient op gelet te worden dat de hardheid van het werkstuk voor het frezen beperkt is in verband met de bewerkbaarheid van het staal door de frezen.

Indien de behandeling na het frezen wordt uitgevoerd, omdat tandfrezen gemakkelijker is in zacht staal, kunnen zich bepaalde vervormingen voordoen zodat een nabewerking zoals tandslijpen 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.

ijzer-koolstof-diagram

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.

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 verkrijgen, overeenkomstig 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 toegepaste 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 cementatiediepte bedraagt Ehtopt = 0,15.m. Wij vestigen er de aandacht op dat de cementatiediepte begrensd is op Ehtlim = 0,4.m dit om overkoling te voorkomen.

cementeren

Niettegenstaande het feit dat het cementeren uitgevoerd kan worden op relatief zachte staalsoorten, is het wenselijk gelegeerde staalsoorten te gebruiken waarbij een penetratiediepte kan worden verkregen en waarvan de kernhardheid na het harden, weerstand bieden kan aan het indrukken van de gecementeerde laag. De tabel geeft een overzicht van de voornaamste cementeerstalen.

Carbonitreren

Gedurende het cementeerproces, zoals hiervoor beschreven, wordt een aangepaste hoeveelheid ammoniak toegevoegd die 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 verkregen onder minder strenge voorwaarden. Men dient 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.

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, maar er bestaat een gamma aan staalsoorten die er zich speciaal toe lenen en dit zowel op resultaatbasis als op de nitreertijd. De tabel geeft u een zicht op de belangrijkste nitreerstalen met hun eigenschappen.

Oppervlakte 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 geschiedt door een hoog of middelfrequente stroom die door middel van spoelen met aangepaste tandvorm wordt 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, dient het percentage koolstof minimaal 0,3% te bedragen om hardheden van 50 HRC te verkrijgen.

oppervlakkig-inductieharden

De meeste staalsoorten die wij vroeger hebben opgesomd, kunnen inductie gehard worden. De verschillende hardingsprincipes zijn voorgesteld.
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%.
De opwarmingsfase dient te worden gevolgd door een hardingsfase met een aangepast koelmiddel. Voor grote tandwiel met grote muduli geschiedt de harding tand voor tand. De spoel volgt de tand evenwijdig en wordt onmiddellijk gevolgd door een aangepaste afkoeling.

Gasnitreerbare staalsoorten

Staalgroep Benaming Werkstof 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

Oppervlaktebehandeling door stikstofdiffusie

Diffunderen van harde, slijtvaste en corrosiewerende oppervlaktelagen van 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 appartenbouw, staat een eindeloze rij van oppervlaktebehandelingen ter beschikking, zowel van thermische, chemische, 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, genaamd “QPQ”, is aan de bestaande eigenschappen een zeer hoge corrosieweerstand teogevoegd.

corrosieweerstand

Eigenschappen

  • Dikte van de oppervlaktelagen tot 25 μm
  • Oppervlaktehardheid tot 1150 Vickers (afhankelijk van de staalsoort)
  • Hoge weerstand tegen koud lasneiging
  • Verhoging van de vermoeiingsweerstand
  • Hoge corrosieweerstand 100 uur zoutneveltest ASTM B117
  • Oppervlakteruwheid: Ra = 0,5
  • Oppervlakte-aspekt: zwart
  • Geen vervormingen
  • Geringe maat veranderingen, ordegrootte: enkele microns
  • Temperatuurbestendig tot 450°C

QPQ vervangt

  • Hardverchromen
  • Verzinken
  • Vernikkelen
  • Cadmiëren
  • Zwarten
  • Fosfateren
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

Hardingsdiepte voor nitreren en cementeren t.o.v. de moduul.
De onderstaande tabel geeft de hardingsdieptes voor nitreren, cementeren en oppervlakte harden aan in functie van de moduul volgens DIN 50190.

hardingsdiepte-tabel

Hardheid vergelijkingstabel

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