Toegepaste ferro metaalkunde
deel 1
Staal en gietijzer
ir. C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Titelblad:
e
Afbeelding op een Griekse vaas uit de 6 eeuw v Chr..
Hephaistos, de god der smeden, is met zijn gezellen aan het werk
e
© 1990 C.A. Brak; 6 revisie 2007
Niets uit dit dictaat mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel
van druk, fotokopie, of op enige andere wijze zonder voorafgaande schriftelijke
toestemming van de auteur.
ii
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Inhoudsopgave
1.
ZUIVER IJZER ............................................................................................................................................1
1.1
1.2
2.
KRISTALSTRUCTUREN ............................................................................................................................1
ENKELE FYSISCHE EN MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN ...........................................................................2
FASETRANSFORMATIES IN STAAL.....................................................................................................5
2.1
INLEIDING ..............................................................................................................................................5
2.2
HET IJZER–KOOLSTOF DIAGRAM.............................................................................................................7
2.2.1
Het ijzer–cementiet diagram (het metastabiele Fe–C diagram) ......................................................7
2.2.2
Het ijzer–grafiet stelsel (stabiele Fe–C diagram) ..........................................................................11
2.3
GIETIJZER OF STAAL .............................................................................................................................11
2.4
DE STRUCTUUR VAN ONGELEGEERD STAAL BIJ LANGZAME AFKOELING VAN UIT HET AUSTENIETGEBIED11
2.4.1
Mechanische eigenschappen van ongelegeerd staal......................................................................15
3.
WARMTEBEHANDELINGEN IN STAAL.............................................................................................17
3.1
INLEIDING ............................................................................................................................................17
3.2
NORMAALGLOEIEN ..............................................................................................................................18
3.2.1
De Widmanstättenstructuur............................................................................................................20
3.3
ZACHTGLOEIEN EN GLOBULISATIE........................................................................................................22
3.4
DIFFUSIEGLOEIEN OF HOMOGEENGLOEIEN ...........................................................................................26
3.5
GROFKORRELIG GLOEIEN .....................................................................................................................26
3.6
SPANNINGSARM GLOEIEN .....................................................................................................................27
4.
TRANSFORMATIES BIJ SNELLE AFKOELING................................................................................29
4.1
INVLOED VAN DE AFKOELSNELHEID .....................................................................................................29
4.2
MARTENSIETVORMING.........................................................................................................................31
4.2.1
Martensitische omzettingen in staal ...............................................................................................34
4.2.2
De invloed van koolstof op de martensiet ......................................................................................36
4.3
STRUCTUURVERANDERINGEN BIJ HET ONTLATEN ................................................................................40
4.4
ISOTHERME TRANSFORMATIES IN STAAL ..............................................................................................44
4.4.1
Het TTT diagram............................................................................................................................44
4.4.2
Perliet en bainietvorming...............................................................................................................49
4.5
NIET ISOTHERME TRANSFORMATIES IN STAAL ......................................................................................52
4.5.1
Het CCT diagram ...........................................................................................................................52
4.5.2
Afkoeling van technische werkstukken ...........................................................................................57
4.6
HARDEN...............................................................................................................................................60
4.6.1
De kritische afkoelsnelheid ............................................................................................................60
4.6.2
De doorhardingsdiepte...................................................................................................................61
4.6.3
Het opwarmen tot in het austenietgebied .......................................................................................64
4.6.4
Het austeniteren .............................................................................................................................64
4.6.5
Het afschrikken...............................................................................................................................66
4.6.6
Het ontlaten....................................................................................................................................69
4.6.7
Speciale hardingsmethodes ............................................................................................................69
4.6.8
Veredelen .......................................................................................................................................71
april 2007; © C.A. Brak
iii
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
5.
Inleiding staal en gietijzer
GIETIJZER.................................................................................................................................................73
5.1
STRUCTUREN IN GIETIJZER ...................................................................................................................74
5.2
KOOLSTOFFACTOR ...............................................................................................................................75
5.3
STRUCTUREN .......................................................................................................................................75
5.3.1
Stollingsstucturen ...........................................................................................................................76
5.3.2
De matrix van gietijzer...................................................................................................................80
5.3.3
Grafietvorm ....................................................................................................................................81
5.4
DE INVLOED VAN ANDERE ELEMENTEN OP DE STRUCTUUR ..................................................................83
5.4.1
Weicheltdiagram ............................................................................................................................84
5.5
DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN .....................................................................................................85
5.6
TOEPASSINGEN VAN WIT EN GRIJS GIETIJZER ........................................................................................88
5.7
SMEEDBAAR GIETIJZER ........................................................................................................................89
5.7.1
Frisijzer, ook wel wit of Europees smeedbaar gietijzer genoemd. .................................................89
5.7.2
Temperijzer, ook wel zwart of Amerikaans smeedbaar gietijzer genoemd.....................................90
5.7.3
Toepassingen van smeedbaar gietijzer...........................................................................................90
5.8
NODULAIR GIETIJZER ...........................................................................................................................91
5.9
BIJZONDERE GIETIJZERSOORTEN ..........................................................................................................92
5.10
NORMALISATIE ....................................................................................................................................93
Doel van deze module:
Deze module bevat de kennis (theorie) die nodig is voor het begrijpen van de
toepassingsmogelijkheden van (ongelegeerd) staal
Daarbij wordt het ijzer-koolstofdiagram als uitgangspunt genomen.
Aan de orde komen de diverse warmtebehandelingen, zoals normaalgloeien,
harden en veredelen.
De cursist
• Kent de verschillende structuren die in ongelegeerd staal kunnen voorkomen,
zowel na langzame als snelle afkoeling en kan het ontstaan verklaren
• Kent gloeibehandelingen, zoals zachtgloeien, normaalgloeien en spanningsarm
gloeien, en de daarmee te bereiken doelen en structuren
• Kent de warmtebehandeling harden en ontlaten (uitvoering, doel en structuren)
• Kent de toepassingen van TTT en CCT diagrammen.
• Kent de structuren die in gietijzer kunnen voorkomen en globaal het ontstaan
ervan
iv
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
1. Zuiver ijzer
1.1 Kristalstructuren
IJzer gedraagt zich in vaste toestand allotroop. Beneden 912 °C heeft ijzer de
KRG structuur. Men noemt dit α–ijzer. Tussen 912 °C en 1394 °C is er de
KVG structuur (γ–ijzer) en tussen 1394 °C en het smeltpunt bij 1538 °C heeft
ijzer weer de KRG structuur (δ–ijzer). Zie Figuur 1.
Uit Figuur 1 blijkt nog een temperatuureffect, nl. bij 770 °C; dit is echter geen
roostertransformatie. Het warmte–effect wordt veroorzaakt doordat bij
opwarming het magnetisme van ijzer verdwijnt en bij afkoeling weer
terugkeert. Dit punt noemt men het Curiepunt (overgang van ferro– naar
paramagnetisme).
De overgangspunten worden aangeduid met de letter A van arrêt haltepunt.
De toevoegingen C en R slaan op chauffage = opwarming resp. refroidissement = afkoeling.
De overgangspunten liggen bij opwarmen en afkoelen niet gelijk; dit noemt
men hysterese en vindt z'n oorzaak in de (vertraagde) diffusie van de atomen
in de vaste stof.
De transformatietemperaturen kunnen ook op andere wijze bepaald worden:
• dilatometrisch (dat wil zeggen de bepaling van de uitzetting als functie van de
temperatuur); zie Figuur 2
• met behulp van röntgendiffractie (bepaling van de roosterconstante = lengte van de ribbe
van de kubus, als functie van de temperatuur); zie Figuur 3
Figuur 1
Opwarm– en afkoelkrommen van zuiver ijzer. (De overgangen Ac1 en Ar1 bestaan wel, maar komen
alleen voor bij staal)
april 2007 © C.A. Brak
Zuiver ijzer
1
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Vooral uit Figuur 1 blijkt dat de KRG structuur bij hoge temperatuur een
voortzetting is van die bij lage temperatuur.
Let erop dat de KVG structuur een kleiner volume heeft dan de KRG
structuur, maar dat de roosterconstante groter is.
Figuur 2
Dilatometerkromme als functie van de
temperatuur waarin een α→γ omzetting.
Figuur 3
De roosterconstante als functie van de temperatuur.
Duidelijk is te zien dat de δ-fase een voortzetting is
van de α-fase.
1.2 Enkele fysische en mechanische eigenschappen
In Tabel 1zijn de belangrijkste eigenschappen van ijzer weergegeven. Ze
moeten echter met enige voorzichtigheid worden gehanteerd, omdat er nogal
wat afwijkingen kunnen optreden, als gevolg van aanwezige onzuiverheden
en roosterfouten.
Eénkristallen zijn steeds sterk anisotroop. Dit komt bijvoorbeeld tot uiting in de
elasticiteitsmodulus die sterk varieert met de richting:
• in de kubusrichting
[100]: 135.000 N/mm2
• in de zijvlaksdiagonaalrichting
[110]: 212.000 N/mm2
• in de lichaamsdiagonaalrichting [111]: 290.000 N/mm2
In ferritische ijzerlegeringen hebben de legeringselementen weinig invloed op
de elasticiteitsmodulus; in austenitische ijzerlegeringen (legeringen met een
FCC rooster bij kamertemperatuur) varieert de E–modulus daarentegen
tussen 160.000 en 220.000 N/mm2.
Zuiver ijzer is zacht, goed vervormbaar en heeft een hoge rek (40%). Kleine
hoeveelheden verontreinigingen zoals stikstof, koolstof en fosfor, veroorzaken
een sterke spreiding in sterkte–eigenschappen.
Dit geldt uiteraard ook voor de korrelgrootte.
2
Zuiver ijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Atoomgewicht
55,85
atoomnummer
26
kristalstructuur
T < 912 °C : KRG (α–ijzer)
912 < T < 1394 °C : KVG (γ–ijzer)
1494 < T < 1538 °C : KRG (δ–ijzer)
3
soortelijke massa (kg/m )
7870
smeltpunt ( °C )
1538
soortelijke warmte (J.kg °C )
α 20–700 °C ) : (4,6–9,5).10
2
γ (900–1400 °C ) :(6,7–7,1).10
lineaire uitzettingscoëfficiënt (/ °C )
α (bij 20 °C): 12,5. 10
–6
α 20–600 °C ) : 16. 10
–6
γ (900–1100 °C ) : 21–23,5.10
elektrische soortelijke weerstand (:S cm)
bij 20 °C : 9,5
bij 900 °C :114
warmtegeleidingsvermogen (J/m s °C )
bij 20 °C : 75
bij 800 °C : 30
Magnetische eigenschappen
Curiepunt 770 °C
elasticiteitsmodulus (MPa)
gemiddeld 210.000
treksterkte (MPa)
180–290
0,2– rekgrens (Mpa)
100–170
rek (%)
40–50
hardheid (HB)
45–55
2
–6
Tabel 1
Enkele fysische en mechanische eigenschappen van ijzer.
april 2007 © C.A. Brak
Zuiver ijzer
3
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
4
Inleiding staal en gietijzer
Zuiver ijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
2. Fasetransformaties in staal
2.1 Inleiding
Van alle elementen is ongeveer 30% (beperkt) oplosbaar in ijzer. Zij vormen
hiermee mengkristallen. Veel voorkomende elementen in ijzer zijn C, S, P,
Mn, Si, Al, Cr, Ni, W, Mo, V, Ti en Nb.
Ook B, H, O, N, As, Sn, en Cu komen voor.
Alleen de zeer kleine elementen C, N, H, O en B lossen interstitiëel op in
ijzer.
Alle andere elementen lossen substitutioneel op in Fe.
De oplosbaarheid van de interstitiëel geplaatste elementen is in het KRG
rooster veel kleiner dan in het KVG rooster. Hoewel KVG een dichtstgepakte
stapeling is, zijn de holten hierin immers veel groter dan in KRG. (zie ook
Figuur 4)
Een bijzondere ijzerlegering is de legering met C (koolstof).
Afhankelijk van het koolstofgehalte wordt deze legering staal dan wel gietijzer
genoemd:
• Staal:
• Gietijzer:
C tot ca 1,5%
C tussen 2,5% en 4,5%
IJzerlegeringen met meer dan 4,5% C komen in de praktijk niet voor.
De omschrijving van het begrip staal is moeilijk. Het is een legering van ijzer
met koolstof, waarin het koolstofgehalte gewoonlijk beneden 1,5% ligt. De
koolstof kan interstitiëel zijn opgelost in het ijzer en/of in metaalcarbiden
gebonden.
Staal komt voor als kneedlegering, als gietlegering en als sinterlegering.
Staal is een kneedbare legering. Daarmee wordt bedoeld dat het (warm)
plastisch vervormbaar is door walsen of smeden (ook de gietlegering is
walsbaar, hoewel dat natuurlijk niet gedaan wordt)
Gietijzer is niet kneedbaar; daarvoor is het te bros.
Staalsoorten worden onderscheiden in ongelegeerde of
koolstofstaalsoorten en gelegeerde staalsoorten.
De scheidslijn is soms onduidelijk en ook vrij willekeurig gekozen.
Onder ongelegeerd staal wordt verstaan: een legering van ijzer met koolstof.
Hierin komen echter ook tal van andere elementen voor in de vorm van
onzuiverheden en bijmengsels. Zodra elementen worden toegevoegd om
bepaalde eigenschappen te krijgen, spreekt men van gelegeerd staal. In
"legeringselementen in staal" wordt hierop nader ingegaan.
april 2007; © C.A. Brak
Fasetransformaties in staal
5
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 4
Beschikbare grootste holtes in een KRG en KVG structuur. Hoewel er in een KRG meer holtes zijn dan
in een KVG-rooster, is de maximum beschikbare ruimte per holte kleiner.
Figuur 5
IJzer-Koolstof diagram
De getrokken lijnen heeft betrekking op het metastabiele Fe - Fe3C diagram
De stippellijnen (niet de verticale) gelden voor het stabiele Fe-C diagram.
6
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
2.2 Het ijzer–koolstof diagram
Dit diagram is in principe alleen geldig voor legeringen van ijzer met koolstof.
De invloed van onzuiverheden en bijmengsels is in het algemeen slechts
gering, zodat we het ter verklaring van het gedrag van ongelegeerd staal
gewoon kunnen gebruiken.
Als koolstof niet interstitiëel is opgelost kan het in ijzer voorkomen in vrije
vorm als grafiet, of gebonden als ijzercarbide, Fe3C of cementiet.
In het eerste geval hebben we te maken met het stabiele Fe–C diagram, dat
van toepassing is bij grijs gietijzer. In Figuur 5 is dit door middel van een
gestreept diagram weergegeven.
Dit stabiele diagram treedt alleen op bij voldoend hoog C gehalte en bij
langzame afkoeling.
In staal komt koolstof altijd als cementiet (Fe3C) voor. In dat geval gebruiken
we het metastabiele Fe–Fe3C diagram, aangegeven in Figuur 5 met de
getrokken lijnen.
Dit diagram wordt meestal gewoon ijzer–koolstof diagram genoemd met op
de horizontale as het percentage C in plaats van Fe3C.
De verbinding tussen ijzer en koolstof bevat 6,67% C. (ga dat na!).
2.2.1 Het ijzer–cementiet diagram (het metastabiele Fe–C diagram)
Op de horizontale as van het diagram is, van links naar rechts oplopend, het
percentage koolstof afgezet met daaronder ter vergelijking het
overeenkomstige Fe3C gehalte. Deze horizontale as begint met 0 % C dat wil
zeggen met zuiver ijzer en eindigt bij 7% C. Het binaire systeem Fe–Fe3C
eindigt natuurlijk bij 100% cementiet, dus bij 6,67% C.
KVG rooster
γ
austeniet
Toevoeging van C aan Fe geeft een vergroting van het KVG of γ–gebied. De
homogene vaste oplossing van C in KVG–ijzer noemt men austeniet.
In Figuur 6 is de karakteristieke KVG–structuur van austeniet weergegeven.
Het gebied waarin deze structuur stabiel is noemt men het austenietgebied.
KRG rooster
α en δ
ferriet
De vaste oplossing van C in de KRG of α–structuur wordt ferriet genoemd;
hebben we te maken met de δ–fase, dan spreekt men over δ–ferriet.
(zie Figuur 7)
In het ijzer–koolstofdiagram zijn de verschillende diagramtypen, zoals die
besproken zijn in het dictaat “inleiding faseleer”, terug te vinden.
Zo is het bovenste deel van het enigszins vereenvoudigde diagram gelijk aan
het diagram–type voor twee gedeeltelijk in elkaar oplosbare metalen.
In het onderste gedeelte van het diagram kan het punt S gezien worden als
een eutectische reactie in de vaste toestand.
Dit is dus een eutectoïde.
april 2007; © C.A. Brak
Fasetransformaties in staal
7
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Figuur 6
KVG structuur van austeniet (γ ijzer)). V= 200×
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 7
KRG structuur van ferriet (α-ijzer). V=200×
Naast één– en tweefasegebieden komen er 3 driefase–evenwichten in het
diagram voor. (hiervoor geldt dus: het aantal vrijheidsgraden F=0). Deze
zullen achtereenvolgens besproken worden.
In het ijzer–koolstofdiagram zoals is weergegeven in Figuur 5 zijn de
snijpunten van de tweefaselijnen aangegeven met letters. Belangrijke punten
zijn S, E en C; belangrijke lijnen zijn GS, PS, SE en SK.
Het diagram is genormaliseerd.
Figuur 8
Deel van het ijzer-koolstof diagram met peritectisch evenwicht δ + L ⇄ γ . Dit evenwicht speelt bij
ongelegeerd staal vrijwel geen rol.
8
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
De 3 driefase–evenwichten zijn:
1. driefase–evenwicht bij 1495 °C
Het evenwicht bij 1495 °C en ca. 0,16% C is een peritectisch evenwicht:
δ+L⇄γ
Dit evenwicht (zie Figuur 8) heeft bij ongelegeerd staal slechts weinig
technische betekenis. De δ-fase wordt alleen bij bepaalde soorten
hooggelegeerd staal (zoals roestvaststaal) teruggevonden.
Bij deze hoge temperatuur is de diffusiesnelheid van C zeer groot, zodat het
evenwicht zich meestal volledig in kan stellen. Er is dus weinig segregatie te
verwachten. (Dit geldt voor ongelegeerd staal) . Bovendien wordt bij verdere
bewerking van het staal de eventuele segregatie opgeheven.
2. driefase-evenwicht bij 1148 °C (Figuur 9)
Bij 1148 °C en 4,3% C is er een eutectische reactie:
L ⇄ γ + Fe3C
Dit belangrijke eutecticum wordt ledeburiet genoemd, naar de Duitse
onderzoeker A. Ledebur. Behalve bij gietijzer komen we dit eutecticum ook
tegen bij staal, dat met veel Cr, W en Mo is gelegeerd (gereedschapsstaal).
De cementiet die uitgescheiden wordt vanuit de vloeistof wordt primaire
cementiet genoemd – aangegeven met een enkele pijl. Deze is zeer stabiel
en zal niet meer oplossen bij enige warmtebehandeling met een lagere
gloeitemperatuur dan de vormingstemperatuur (Figuur 10).
Figuur 9
Eutectisch evenwicht reactie bij 1148 °C:
L ⇄ γ + Fe3C.
april 2007; © C.A. Brak
Figuur 10
Ledeburietstructuur (V=100×)
Fasetransformaties in staal
9
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3. driefase-evenwicht bij 727 °C (Figuur 11)
Bij 727 °C en 0,77% C is er een eutectoïdische reactie:
γ ⇄ α + Fe3C
Dit eutectoïde (vaak ten onrechte eutecticum genoemd) heet perliet, naar de
parelmoerachtige glans die deze structuur na het etsen van een gepolijst
oppervlak geeft.
Bij een normale afkoeling van uit het austenietgebied heeft perliet een
lamellaire structuur, dat wil zeggen dat de cementiet en de ferriet afwisselend
als laagjes zichtbaar zijn (zie Figuur 12). Bij zeer langzame afkoeling scheidt
de cementiet zich bolvormig uit. (zie ook §3.3)
De cementiet die uitgescheiden wordt uit de austeniet noemt men secundaire
cementiet. Dit dus cementiet die gevormd wordt tussen 1148 °C en 727 °C en
bij de eutectoïdische temperatuur. In de figuur is dit aangegeven met 2 pijlen.
Zo is tertiaire cementiet de cementiet die uitgescheiden wordt uit de ferriet.
Een en ander is in Figuur 11 met 3 pijlen aangegeven.
Figuur 12
Lamellaire structuur van perliet.
Figuur 11
Eutectoïdische reactie γ ⇄ α + Fe3C.
Het belangrijkste evenwicht bij staal
austeniet
γγ
KVG structuur van staal
ferriet
δ
α
KRG structuur van ijzer
cementiet
Fe3C
verbinding
carbide, hard en bros
ledeburiet
eutecticum
ontstaat uit vloeistof:Æ γ + Fe3C
perliet
eutectoïde
ontstaat uit austenietÆ α + Fe3C
10
mengkristal, max 2,1% C oplosbaar bij 1148°C
mengkristal, max 0.1% C oplosbaar bij 1495 °C
mengkristal, max 0.022 % C oplosbaar bij 727 °C
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
2.2.2 Het ijzer–grafiet stelsel (stabiele Fe–C diagram)
Naast het ijzer–cementiet stelsel is er ook een ijzer–grafiet stelsel, dat in
Figuur 5 gestippeld is weergegeven. In plaats van cementiet is echter steeds
grafiet het bestanddeel dat evenwicht maakt met austeniet en ferriet.
In de praktijk kan men de stolling van een ijzer–koolstoflegering zowel volgens
het ijzer–cementietstelsel als volgens het ijzer–grafietstelsel laten verlopen.
Wat men normaal "staal" noemt, stolt steeds volgens het ijzer–cementiet
stelsel.
De legeringen, die men normaal "gietijzer" noemt, stollen zowel volgens het
ijzer–cementiet als volgens het ijzer–grafiet stelsel.
De gestippelde (stabiele) lijnen liggen boven de metastabiele:
•
•
Bij "oneindig" langzame afkoeling bevat de austeniet en ferriet minder C;
bij snelle afkoeling treedt immers oververzadiging op.
Bij normale en snelle afkoeling treedt meer onderkoeling op.
2.3 Gietijzer of staal
De ijzerlegeringen met meer dan 1,7 % koolstof worden niet meer tot de
staalsoorten gerekend. Globaal is de volgende indeling te maken:
•
•
ijzer-koolstof legeringen met minder dan 1,7 % C:
staalstolling volgens het metastabiele diagram.
ijzer-koolstof legeringen met meer dan 2,5 % C:
gietijzerstolling volgens het stabiele en/of metastabiele diagram
IJzerlegeringen met een koolstofgehalte van 1,7 tot 2,5 % worden in de
praktijk niet toegepast.
N.B: In gelegeerde staalsoorten komen koolstofgehaltes tot 2,3% voor.
In §2.6 wordt nader ingegaan op de structuren van ongelegeerd staal.
Gietijzer komt in hoofdstuk 5 aan de orde.
2.4 De structuur van ongelegeerd staal bij langzame afkoeling van
uit het austenietgebied
Staalsoorten met minder dan 2% koolstof kunnen bij verhitting tot in het
austenietgebied een homogene oplossing vormen. De koolstof bevindt zich
dan overwegend in de octaëderholten van het KVG rooster. In het KRG
rooster is de koolstof veel minder goed oplosbaar, omdat de beschikbare
holten kleiner zijn.
april 2007; © C.A. Brak
Fasetransformaties in staal
11
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Bij afkoeling van de austeniet moet er dus een scheiding plaats vinden van
het ijzer en de koolstof.
Dat gebeurt door diffusie van C, omdat dit kleine atoom veel beweeglijker is
dan de grotere Fe-atomen.
Hierbij ontstaat dus ferriet en cementiet.
Omgekeerd zal bij verhitting in het austenietgebied (het austeniteren) de
cementiet uiteenvallen en de koolstof in oplossing gaan. Ook dit is een
diffusieproces.
Voor een aantal verschillende koolstofgehaltes zal nu worden nagegaan
welke omzettingsreacties optreden bij langzame afkoeling vanuit het
austenietgebied, zoals bijvoorbeeld een afkoeling in lucht.
Staal met <0,01% C (figuren 13 en 7)
Bij daling van temperatuur wordt bij ca. 905 °C de lijn GS gepasseerd (de A3
temperatuur). Er wordt dan ferriet gevormd, waarvan de samenstelling ligt op
de lijn GP. De resterende austeniet wordt rijker aan C.
Bij ca 825 °C is de austeniet volledig omgezet in ferriet. Het materiaal is dan
éénfasig (α-fase).
Bij verdere afkoeling neemt beneden 727 °C de oplosbaarheid van C in ferriet
sterk af, waardoor het ferrietkristal beneden ca 650 °C oververzadigd wordt
aan koolstof. Bij voldoend langzame afkoeling scheidt zich dan nog (tertiaire)
cementiet af langs de korrelgrenzen, waardoor het staal "blauwbros" kan
worden (zie §2.7).
Figuur 13
Staal met minder dan 0,01 % C.
(Ferriet)
12
Figuur 14
Staal met ca 0,2% C
(lichte fase: ferriet; donkere fase: perliet)
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Staal met 0,1-0,2% C
Inleiding staal en gietijzer
(Figuur 14)
Staal met dit koolstofgehalte wordt veel toegepast als zacht constructiestaal
voor platen en profielen.
Beneden de A3-temperatuur van ca. 850 °C vormen zich ferrietkristallen in de
austeniet, die dus rijker wordt aan koolstof. Bij 727 °C wordt de nog
aanwezige austeniet omgezet in perliet. Uit de hefboomregel valt de
hoeveelheid perliet gemakkelijk af te leiden (Reken dit uit!).
Deze perliet wordt als kleine eilanden aan de ferrietkorrelgrens gevormd. In
een perlieteiland zijn de lamellen min of meer gelijk gericht.
Bij verder afkoelen wordt langs de korrelgrens nog tertiaire cementiet
gevormd. Deze is bij gewone microscopie vrijwel niet terug te vinden.
Dezelfde omzettingen vinden plaats bij staalsoorten met een koolstofgehalte
tussen 0,022 en 0,77%.
Met toenemend koolstofgehalte neemt het perlietaandeel ook toe. (Figuur 15)
Indien de perlieteilanden zó groot worden dat ze elkaar raken dan wordt de
perlietkolonie geïntroduceerd: dit is een bundel van bij elkaar horende en
gelijkgerichte lamellen.
Staal met een minder dan 0,8% C wordt ondereutectoïdisch of
onderperlitisch genoemd.
Figuur 15
Van links naar rechts een structuur met toenemend C-gehalte (van 0,2 tot 1,2%)
april 2007; © C.A. Brak
Fasetransformaties in staal
13
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
a
b
Inleiding staal en gietijzer
c
D
Figuur 16
Detail van Figuur 15 a: 0,15% C; b: 0,3% C); c: 0,5% C; d: 0,77% C
Staal met 0,77% C (Figuur 16d en Figuur 12)
In perlitisch staal (gemakshalve aangeduid met 0,8% C) wordt geen primair
uitscheidende fase gevormd. De structuur bestaat geheel uit perliet.
Vooral in Figuur 12 is duidelijk te zien dat de perlietkolonies tegen elkaar
aangegroeid zijn.
Staal met 1,2%
Vanuit de austeniet is hier cementiet de eerst uitscheidende fase. Deze
cementiet wordt gevormd langs de γ-korrelgrens en vormt aldus een (bros)
netwerk. De samenstelling van de austeniet verschuift naar het eutectoïde,
zodat bij 727 °C de rest opgevuld wordt door perliet.
Staal met 1,6% C
(Figuur 17)
In principe dezelfde structuur als bij het vorige staal, alleen wordt naast
korrelgrenscementiet ook naaldvormige cementiet gevonden die van de
korrelgrens naar het midden van de austenietkorrel groeit.
Staal met meer dan 0,8% C wordt overeutectoïdisch of bovenperlitisch
genoemd.
14
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 17
Perliet-cementiet structuur van gegloeid staal met 1,6% C.
De cementiet omsluit de perliet als een netwerk. Bovendien zijn er cementietnaalden in
de structuur.
Het geheel is hierdoor zeer bros.
2.4.1 Mechanische eigenschappen van ongelegeerd staal
Het koolstofgehalte heeft grote invloed op de mechanische eigenschappen
van staal.
Met toenemend koolstofgehalte nemen de sterkte-eigenschappen (rekgrens,
treksterkte en hardheid) toe en de ductiliteit (rek, insnoering en
kerfslagwaarde) af. Ductiel wil zeggen: taai, kneedbaar, goed vervormbaar1.
In Figuur 18 zijn de treksterkte (RM) en de rek (A5) van gegloeid staal als
functie van het koolstofgehalte weergegeven. De toestanden gehard, veredeld
en zachtgegloeid komen later aan de orde.
De warmvervormbaarheid van staal is reeds ter sprake gekomen. Tot ca.
1,7% C is smeden en walsen van staal nog mogelijk. Daartoe moet het staal
tot hoog in het austenietgebied worden verhit.
Naarmate het koolstofgehalte afneemt, wordt de koudvervormbaarheid van
staal beter.
In de praktijk wordt staal met meer dan 0,3% C niet meer koud vervormd. De
krachten op het gereedschap worden dan te hoog en de kans op scheuren
van het product nemen toe.
1
Er kan een onderscheid gemaakt worden tussen “ductiliteit” (ductility) en “taaiheid” (toughness).
Een materiaal is ductiel als het een grote rek vertoond, en taai als het daarnaast ook nog een hoge sterkte heeft.
Het oppervlak onder de trekkromme van een taai materiaal is relatief groot.
april 2007; © C.A. Brak
Fasetransformaties in staal
15
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Ook voor de lasbaarheid geldt: niet meer dan 0,3% C, tenzij er speciale
voorzorgsmaatregelen genomen worden (bijv. voorwarmen).
De verspaanbaarheid wordt minder naarmate het koolstofgehalte toeneemt.
Meer koolstof heeft meer slijtage van het gereedschap tot gevolg.
Een laag koolstofgehalte heeft wel het nadeel dat er kans bestaat op
hinderlijke lintspaanvorming.
Staal kan "koudbros" worden als het fosforgehalte te hoog is en "warmbros"
als het te veel zwavel bevat (daarom: Pmax = 0,05% en Smax 0,05%).
Zoals bekend, neemt de kerfslagwaarde vrij abrupt af bij verlaging van
temperatuur (de overgangstemperatuur). Dit is inherent aan het KRG rooster;
KVG metalen, zoals Al, Cu, Ni en austenitisch staal hebben dit niet.
Na verblijf van staal op ca 250 °C kan staal bros worden: blauwbros. Dit
wordt veroorzaakt door uitscheidingen van carbiden en nitriden op de
korrelgrenzen.
Waterstofbrosheid kan optreden, wanneer staal onder vochtige
omstandigheden wordt bereid, of wanneer het met zuren in aanraking is
geweest (bijv. bij beitsbehandelingen).
Figuur 18
Mechanische eigenschappen van staal als functie van het koolstofgehalte . Het staal is daarbij door
later te bespreken warmtebehandelingen in verschillende condities gebracht.
16
Fasetransformaties in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3. Warmtebehandelingen in staal
3.1 Inleiding
Een warmtebehandeling van staal heeft meestal tot doel zodanige
eigenschappen aan het materiaal te geven, dat het beter voldoet aan de
technische toepassingseisen.
Vanwege de grote verscheidenheid aan eisen die de moderne techniek aan
constructiematerialen stelt, bestaat er een grote verscheidenheid aan
warmtebehandelingen.
Vaak zijn de resulFe3CFe3Ctaten van de warmtebehandelingen het gevolg van
fasetransformaties in het metaal; in ieder geval berusten zij op
structuurveranderingen, die door de warmtebehandeling worden veroorzaakt.
Bij de meeste warmtebehandelingen zijn de belangrijkste procesparameters:
de temperatuur
de tijd op temperatuur
de opwarmsnelheid
de afkoelsnelheid.
In dit hoofdstuk worden enige technische gloeibehandelingen in staal
besproken.
Figuur 19
Gebied van gebruikelijke warmtebehandelingen
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
17
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3.2 Normaalgloeien
Onder normaalgloeien of normaliseren verstaat men:
het verwarmen van staal tot een temperatuur in het austenietgebied dicht
boven de lijn GSE (30–50 °C), met daarop volgende afkoeling in rustige lucht.
Voor onderperlitisch staal betekent dat een gloeiing iets boven A3, voor
bovenperlitisch staal iets boven Acm, zoals in Figuur 19 is aangegeven met
een donkere band.
De afkoelsnelheid is zo gekozen dat een redelijk fijne perliet ontstaat. Dit
geeft een goede taaiheid en een sterkte ontstaat (zie ook hoofdstuk 4). Bij
lagere afkoelsnelheden (bijvoorbeeld in de oven) ontstaat grovere perliet en
een perliet-ferrietverhouding die meer in overeenstemming is met het
evenwicht, waardoor een lagere sterkte bereikt wordt. Deze behandeling
wordt in het Engels aangeduid met full annealing.
Doordat bij deze gloeiing tweemaal een transformatie optreedt, namelijk:
van ferriet + perliet Æ austeniet Æ ferriet + perliet
zal twee keer een korrelverfijning plaatsvinden, daar bij iedere omzetting
meerdere kiemen per kristal ontstaan. In Figuur 20 is dit. schematisch
weergegeven.
Figuur 20
Schematische voorstelling van korrelverfijning door normaalgloeien.
In werkelijkheid zijn er per perlietkorrel meerdere austenietkiemen en bij afkoelen
meerdere perlietkiemen.
doel
Het belangrijkste doel van normaalgloeien is korrelverfijning.
Bij gebruik van te hoge temperaturen, of lange verblijftijden kan
austenietkorrelgroei optreden waardoor het korrelverfijnend effect van het
normaalgloeien (grotendeels) teniet wordt gedaan.
Te lage temperaturen of te korte gloeitijden kan een onvolledige
faseomzetting
α → γ ( + Fe3C) tot gevolg hebben.
Bij afkoelen in rustige lucht wordt lamellaire perliet gevormd, een structuur
die karakteristiek of normaal voor de betreffende staalsoort.
18
Warmtebehandelingen in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Normaalgloeien wordt meestal alleen toegepast bij onderperlitische
ongelegeerde en laaggelegeerde staalsoorten en bij gietstaal.
Bovenperlitisch staal wordt niet vaak normaalgegloeid, daar de
structuurverbetering hierdoor klein is. Om een homogene austeniet te krijgen
moet op zeer hoge temperatuur boven de lijn ES gegloeid worden, waardoor
korrelgroei kan optreden. Bij afkoeling ontstaat dan grote kans op
ongewenste randcementiet, vooral als de afkoelsnelheid te laag is. In verband
hiermee gloeit men dan in het tweefasegebied γ + Fe3C, dicht boven de
eutectoïdische temperatuur.
In gietstaal, dat meestal een grofkorrelige austenitische stollingsstructuur
vertoont, ontstaat onder bepaalde omstandigheden een grove structuur van
ferrietplaten met daartussen perliet.
Deze structuur wordt Widmanstättenstructuur genoemd (zie Figuur 21a).
a
b
Figuur 21
Karakteristieke Widmanstättenstructuur in gietstaal net een laag koolstofgehaklte.
Zelfde materiaal na normaalgloeien.
Ook in constructiestaal kan deze structuur ontstaan bij hoge
afwalstemperaturen of na lassen.
Men spreekt dan van een oververhittingsstructuur. Zo'n structuur heeft een
lage kerfslagwaarde en vertoont een grof glinsterend breukvlak.
Door normaalgloeien worden de structuur en de mechanische eigenschappen
sterk verbeterd (Figuur 21 b).
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
19
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 22
Widmanstättenstructuur op een meteoriet
3.2.1 De Widmanstättenstructuur
Deze structuur is genoemd naar Von Widmanstätten. Hij trof in meteoorijzer
(een Fe-Ni legering) een karakteristieke naaldvormige uitscheiding aan, die
later ook in vele andere legeringen is waargenomen.
In staal met 0,1-0,25% C komt ook een soortgelijke structuur voor.
ongegloeid
gegloeid bij 900 °C
ongegloeid
gegloeid bij 850 °C
ongegloeid
gegloeid bij 820 °C
ongegloeid
gegloeid bij 750 °C
C
%
0,11
0,11
0,26
0,26
0,53
0,53
0,85
0,85
RE
2
N/mm
180
260
230
290
250
350
300
320
RM
2
N/mm
410
420
430
480
620
700
620
720
A5
%
26
30
13
24
7
16
1
9
Z
%
30
59
14
41
4
18
0,4
7
KSW
2
J/cm
40
170
30
90
13
35
14
20
Tabel 2
Verandering van mechanische eigenschappen door normaalgloeien.
Wordt het staal bij walsen, smeden, gloeien of lassen te lang of te hoog
verhit, of wordt het austenietgebied tijdens afkoelen langzaam doorlopen,
zoals bij gietstaal, dat in vormzand gegoten is, dan worden de
austenietkristallen zeer grof. Bij het passeren van de A3-temperatuur (de lijn
GS) ontstaat blokvormige ferriet, bij voorkeur langs de korrelgrens. Daalt de
temperatuur onder de A1 temperatuur, dan is bij matig hoge afkoelsnelheden
nog niet alle ferriet gevormd. Deze nog te vormen ferriet groeit plaatvormig uit
naar het midden van de austenietkorrel.
Bij grove austeniet ontstaat ook midden in de korrel blokvormige ferriet, van
waaruit plaatvormige ferriet groeit.
Tussen deze ferrietplaten ontstaat op zeker moment perliet.
20
Warmtebehandelingen in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
a
Inleiding staal en gietijzer
b
Figuur 23
Karakteristieke Widmanstättenstructuur in staal.
Deze grove structuur met hoekige perliet heeft slechte mechanische
eigenschappen: breukrek, insnoering en kerfslagwaarde zijn laag. Het
breukvlak is grofkorrelig met glinsterende facetten.
Door normaalgloeien kan deze oververhittingsstructuur volledig worden
hersteld (Zie Tabel 2)
Opmerking:
Soms wordt oververhit staal ook wel "verbrand staal" genoemd. Dit is niet
juist, omdat "verbranden" optreedt bij hoge temperatuur, waarbij zuurstof
langs de kristalgrenzen het staal in trekt. De daardoor gevormde ijzeroxide
verzwakt het staal. Verbrand staal is noch door normaalgloeien, noch door
een andere methode te herstellen.
In een niet-oxiderende omgeving kunnen ook smeltverschijnselen optreden
langs de korrelgrenzen. Ook hierdoor kan samenhang verbroken worden
(warmscheuren).
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
21
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3.3 Zachtgloeien en globulisatie
doel
Het doel van het zachtgloeien is om de hardheid van een metaal te
verlagen tot een gewenst (en mogelijk) niveau
Globulisatie of globulair gloeien heeft tot doel de lamellaire carbiden in
een globulaire (= min of meer bolvormige) toestand te krijgen.
Hierdoor ontstaat de laagste hardheid.
De twee begrippen zijn voor staal min of meer gelijkwaardig aan elkaar;
daarom wordt hier verder alleen de term "zachtgloeien" gebruikt
De redenen om te zachtgloeien zijn:
•
•
Het verbeteren of mogelijk maken van de bewerkbaarheid (verspanen en
vervormen) voor staalsoorten met een koolstofgehalte >0,4%
Staal met meer dan 0,8% in een betere uitgangspositie te brengen voor
het harden (wordt later besproken).
De uitgangspositie is steeds perliet, waar de carbiden als langwerpige platen
in voorkomen. Bij bovenperlitisch staal kan ook het ongunstige brosse
ruimtelijk cementietnetwerk door zachtgloeien opgeruimd worden. (Figuur 24)
Het resultaat is een structuur met een ferritische matrix, waarin bolvormige
carbiden zijn ingebed (Figuur 25).
Bij staal met C <0,4% is de zachtgegloeide toestand minder gunstig voor
verspanende bewerkingen, daar de spanen sterk gaan vervormen (smeren).
Hierdoor ontstaat een ruw uiterlijk. Zachtgloeien wordt voor deze groep
staalsoorten alleen toegepast voor plastische vervorming.
Gelegeerd staal met minder dan 0,8% C wordt vaak eerst zachtgegloeid vóór
het harden. Dit wordt later besproken.
Figuur 24
Bovenperlitisch staal met
randcementiet en perliet (zie ook
Figuur 17).
22
Warmtebehandelingen in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
a
Inleiding staal en gietijzer
b
c
Figuur 25
Zachtgloeiproces (globulisatie)
a. Uitgangsstructuur is lamellaire cementiet in de perliet of randcementiet (zoals in Figuur 24)
b. Karakteristieke zachtgloeistructuur van staal: cementiet in een matrix van ferriet.
c. Structuur waarin de globulisatie onvoldoende is uitgevoerd.
Het zachtgloeien berust op de neiging van carbiden om de oppervlakteenergie te verlagen door de bolvorm aan te nemen (Figuur 26). De structuur
die dan ontstaat, is de meest stabiele. Het aannemen van de bolvorm is een
diffusieproces. Bij ongelegeerd staal speelt alleen C-diffusie een rol. In
gelegeerd staal moeten ook de substitutioneel opgeloste elementen verplaatst
worden.
Dit maakt het zachtgloeien tot een zeer langdurig proces.
Figuur 26
Schematische voorstelling van het materiaaltransport tijdens
het zachtgloeien.
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
23
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Er zijn een aantal methodes om deze warmtebehandeling uit te voeren.
Sommige ervan zullen in een later stadium begrepen worden.
uitvoeringen 1. Langdurig gloeien net onder Ac1 (680–710 °C). De diffusiesnelheid van de
elementen in de ferriet is dan het grootst.
Deze methode is de meest eenvoudige, maar kost ook de meeste tijd.
(voor ongelegeerd staal 2-10 uur, voor gelegeerd staal vaak meer dan 24
uur).
2. Verhitten tot in het austenietgebied, gevolgd door een afkoeling tot net
beneden A1; waar bij constante temperatuur een omzetting γ → α
plaatsvindt (isotherme omzetting).
Het verhitten tot in het austenietgebied heeft tot doel het ferriet om te
zetten naar austeniet en een deel van het cementiet op te lossen. De
overblijvende cementietdeeltjes kunnen dan bij transformatie als kiem
dienen.
Bij te hoge gloeitemperaturen, resp. te lange gloeitijden in het γ-gebied lost
alle cementiet op; bij afkoeling ontstaat dan eerder kans op lamellaire
perliet.
3. Verhitten tot in het austenietgebied, gevolgd door een zeer langzame
afkoeling (bijvoorbeeld 10 °C/uur) tot ca 650 °C, waarna een snellere
afkoeling tot kamertemperatuur volgt.
Deze methode kan beschouwd worden als een variant van de vorige. Het
kost iets meer tijd, maar is in de praktijk gemakkelijker uit te voeren.
4. Pendelend gloeien rond de Ac1 temperatuur.
Ook bij deze methode houdt het proces steeds in:
Š de vorming van austeniet
Š de omzetting van de austeniet in ferriet en globulaire carbiden.
5. Harden en hoog ontlaten.
Deze methode, die later uitvoerig besproken wordt, is eigenlijk geen
zachtgloeibehandeling, hoewel het eindresultaat hetzelfde kan zijn: ferriet
met globulaire carbiden.
In het kort omvat de methode:
• Gloeien in het austenietgebied, totdat alle ferriet en perliet is omgezet
in austeniet
• Afkoelen tot kamertemperatuur met hoge snelheid (afschrikken)
• Gloeien gedurende een aantal uren bij een temperatuur dicht onder
Ac1 (600-650 °C)
Deze warmtebehandeling wordt “veredelen” genoemd, alleen zal bij die
behandeling de gloeitijd na afschrikken aanmerkelijk zijn (maximaal 2 uur).
Wat er gedurende die behandeling gebeurt, komt in hoofdstuk 4.6 aan de
orde.
24
Warmtebehandelingen in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
In Figuur 27 is een schematisch overzicht van verschillende
zachtgloeimethodes weergegeven.
In de praktijk worden vooral de methodes 1 en 4 toegepast.
In Tabel 3 zijn de eigenschappen van lamellaire perliet en de globulaire
structuur met elkaar vergeleken (beide uiteraard met 0,8% C).
structuur
lamellaire perliet
globulaire perliet
2
RE (N/mm )
600
280
2
RM (N/mm )
1050
550
A5 (%)
8
25
Z (%)
15
60
HBS
300
155
Tabel 3
Eigenschappen van een lamellaire en een globulaire perliet.
Figuur 27
Overzicht van diverse zachtgloei- (globulisatie) processen
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
25
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3.4 Diffusiegloeien of homogeengloeien
doel
Het doel van difussiegloeien (of homogeengloeien) is de chemische
inhomogeniteit van een werkstuk op te heffen.
Deze inhomogeniteit kan zijn ontstaan door een eerdere behandeling bij hoge
temperatuur, zoals bijvoorbeeld door stolling na gieten, of walsen. Het is een
warmtebehandeling, die niet alleen toepasbaar is op staal. Vooral
gietlegeringen waarin kristalsegregatie is opgetreden wordt vaak
homogeengegloeid (zie ook dictaat “inleiding in de faseleer”)
Beperken we ons hier tot staal, dan geldt voor de warmtebehandeling:
uitvoering
van de
warmtebehandeling
Verhitten tot een hoge temperatuur, ver boven Ac3 (tussen 1000 en 1300 °C),
en gedurende een zodanige tijd, dat de diffusie voldoende is om een
homogene structuur te krijgen.
De methode wordt toegepast bij het gloeien van ingots (dit zijn gietblokken),
voor verdere behandeling als smeden en walsen.
Het is mogelijk, dat ten gevolge van het walsen segregatie optreedt van
bijvoorbeeld zwavel en koolstof. Deze segregatie kan door diffusiegloeien
opgeheven worden.
Bij de fabricage van massa-staal (gewoon constructiestaal en roestvaststaal)
is deze gloeibehandeling overbodig. Deze staalsoorten worden continu
gegoten waardoor er veel minder segregatie optreedt.
Door de gloeibehandeling bij hoge temperatuur treedt korrelgroei op. Deze
grofkorrelige structuur kan later worden opgeheven door rekristallisatie
(tijdens walsen of door rekristalliserend gloeien) en/of normaalgloeien.
3.5 Grofkorrelig gloeien
doel
Het doel van grofkorrelig gloeien is de structuur grofkorrelig te maken.
Hierdoor bereikt men een verbetering van de verspaanbaarheid van staal
met een laag koolstofgehalte.
In grofkorrelige toestand is het staal minder taai en heeft ook een lagere
rekgrens; het vertoont minder neiging tot versmeren en tot opbouw van de
snijkant van de beitel.
De structuur wordt grofkorrelig, door een gloeiing van voldoende tijd bij een
temperatuur ruim boven Ac3 (bijvoorbeeld enkele uren op 1000 °C, in een
neutrale atmosfeer in verband met ontkoling en oxidatie).
Na de verspaning kan het nodig zijn de mechanische eigenschappen weer te
verbeteren door een normaalgloeiing toe te passen.
26
Warmtebehandelingen in staal
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
3.6 Spanningsarm gloeien
doel
Deze warmtebehandeling heeft tot doel de inwendige spanningen op te
heffen die zijn ontstaan door stolling en afkoeling, door koudvervorming
en door lassen
Dergelijke spanningen kunnen in ongunstige gevallen de waarde van de
rekgrens van het metaal bereiken en aanleiding zijn tot ongewenste
verschijnselen, zoals
•
vervorming van staal (trekken)
Na koudvervormen of lassen zijn de inwendige spanningen in een
"labiel evenwicht", dat door verspanen verstoord wordt, waardoor het
materiaal kromtrekt.
•
verlaging van de vermoeiingssterkte
•
optreden van spanningscorrosie (wordt later besproken)
Spanningsarm gloeien (ook wel herstelgloeien genoemd) is een
warmtebehandeling die niet specifiek alleen voor staal is, evenmin trouwens
als diffusiegloeien.
Specifiek voor staal geldt:
uitvoering van
de warmtebehandeling
Spanningsarmgloeien (of herstelgloeien) gebeurt bij temperaturen onder
Ac1, in het algemeen. beneden 650 °C. Om geen nieuwe thermische
spanningen op te wekken wordt na het gloeien langzaam afgekoeld.
Bij spanningsarmgloeien treedt geen belangrijke verandering van
eigenschappen op; slechts de inwendige spanningen die ontstaan zijn door
verspanen, door lassen of door koudvervormen zullen verminderen. Dit komt
doordat de in het materiaal aanwezige dislocaties zich op een gunstigere
manier rangschikken. Er verdwijnen slechts weinig dislocaties.
Er vindt normaal geen structuurverandering plaats; evenmin treedt korrelgroei
op.
Slechts als er structuurbestanddelen aanwezig zijn, die ontlaatprocessen
ondergaan bij de herstelgloeitemperatuur, zullen structuurveranderingen
plaatsvinden. Dit kan gebeuren bij plaatselijk optredende harding, veroorzaakt
door lassen. (zie hiervoor hoofdstuk 4.6)
Bij grotere koudvervormingen zal bij een gloeiing onder Ac1 rekristallisatie
kunnen optreden, voornamelijk bij de staalsoorten met een laag C-gehalte
(daar zijn grotere vervormingen mogelijk). Hierbij rekristalliseert de ferriet; de
perliet blijft onveranderd. In dit kader zal hierop niet nader worden ingegaan.
april 2007; © C.A. Brak
Warmtebehandelingen in staal
27
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
28
Warmtebehandelingen in staal
Inleiding staal en gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4. Transformaties bij snelle afkoeling
4.1 Invloed van de afkoelsnelheid
De structuren, die in het vorige hoofdstuk beschreven werden, zijn ontstaan
bij langzame afkoeling vanuit het austenietgebied.
De afkoelsnelheid kan worden verhoogd door afkoeling in een koude
luchtstroom of door onderdompeling in een vloeistof. In dit laatste geval
spreekt men van afschrikken.
De transformaties van austeniet naar ferriet, cementiet en perliet zijn
kiemvormings– en groeiprocessen. De snelheid waarmee deze processen
plaatsvinden wordt in ongelegeerd staal bepaald door de diffusiesnelheid van
koolstof. Voor deze diffusie is een drijvende kracht nodig: enige onderkoeling
om de koolstof uit de austeniet te verdrijven is daarom noodzakelijk.
De omzettingen van austeniet naar ferriet en perliet kosten dus tijd en
verlopen gemakkelijker bij een temperatuur, niet te ver onder Ac1.
Bij toenemende afkoelsnelheid wordt de onderkoeling groter. De
omzettingsreacties kunnen dan niet meer verklaard worden uit het ijzerkoolstof evenwichtsdiagram. Onder deze omstandigheden is dat diagram,
wegens te grote afwijking van het evenwicht, niet meer geldig. Er is dan
een andere manier nodig om de structuren te beschrijven. Hierop wordt
ingegaan in hoofdstuk 4.5 en verder.
Voorlopig wordt volstaan met een fenomenologische beschrijving van de
structuren van de omzettingen van een ongelegeerd staal met 0,45% C, bij
toenemende afkoelsnelheid
a
b
c
Figuur 28
Invloed van de afkoelsnelheid op de structuur van ongelegeerd staal met 0,45% C.
a.
afkoeling in de oven:
Hv=175 (normaalgloeistructuur)
b.
afkoeling in lucht :
Hv=210 (ferriet + fijne perliet)
c.
afkoeling in olie :
Hv=420 (troostiet+ martensiet)
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
29
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
lage afkoelsnelheid
(afkoeling in “rustige” lucht)
Inleiding staal en gietijzer
• Er ontstaat primaire ferriet en perliet, in ongeveer
gelijke hoeveelheden. De ferrietkristallen zijn vrij groot
en blokvormig. De perliet heeft een grote lamelafstand;
bij een vergroting van 500× kunnen ze duidelijk van
elkaar worden onderscheiden. (normaalgloeistructuur,
• Zowel de ferriet- als de perlietkristallen worden kleiner.
De lamelafstand neemt eveneens af.
De hoeveelheid perliet neemt toe, ten koste van de
hoeveelheid ferriet. (zie b)
toenemende afkoelsnelheid • De primaire ferriet verdwijnt.
De lamelafstand van de perliet is zó klein geworden dat
ze slechts bij vergrotingen van 1000× of meer
onderscheiden kunnen worden.
• Er ontstaan 2 verschillende structuren naast elkaar. In
de microscoop ziet men bij een etsing in HNO3
donkere vlekken in een lichtere massa.
De donkere vlekken bestaan uit zeer fijne perliet,
waarvan de lamellen met een lichtmicroscoop niet meer
te onderscheiden zijn. Deze structuur wordt ook wel
troostiet genoemd. (c)
De lichter aangeëtste massa bestaat uit schijfvormige
kristallen, die in de microscopische doorsnede als
naalden worden gezien. Deze structuur heet
martensiet, naar de Duitse onderzoeker Martens.
hoge afkoelsnelheid
(“afschrikken” in water)
• Er wordt geen troostiet meer gevormd en de structuur
bestaat geheel uit martensiet (Figuur 29).
Figuur 29
Karakteristieke structuur van
martensiet in ongelegeerd
staal met 0,6% C.
(V = 1500×)
30
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Tot zo ver zoals het verloopt bij staal met enig koolstof. In dat geval neemt de
hardheid van de gevormde structuren bij toenemende afkoelsnelheid steeds
toe (zie ook Figuur 28)
De martensietstructuur is hier de hardste. Dit is ook de structuur, die wordt
gevormd bij het harden van staal.
In de volgende paragraaf zal deze structuur en de vorming ervan nader
worden beschreven.
4.2 Martensietvorming
Eén van de belangrijkste technologische processen is het harden van staal
door afschrikken. Als staal snel genoeg uit het austenietgebied wordt
afgekoeld is er onvoldoende tijd voor de omzetting naar ferriet/perliet via
kiemvorming en groei. In dat geval zal het staal (geheel of gedeeltelijk)
omzetten naar martensiet.
Uit onderzoek is gebleken dat de martensietschijven met een zeer grote
snelheid groeien. De vormingstijd bedraagt minder dan 10 -7 sec. In deze korte
tijd kan er geen sprake zijn van diffusie.
De martensietvorming wordt daarom beschreven als een omklapproces,
waarmee het austenietrooster door kleine atoomverschuivingen overgaat in
het ferrietrooster.
Dergelijke diffusieloze fasetransformaties komen ook voor in andere metalen
en legeringen, zoals bijvoorbeeld in titaan- en kobaltlegeringen. Ook in
keramische verbindingen komen ze voor.
Men noemt ze algemeen martensitische omzettingen.
Martensiet is een structuur die ontstaat door een diffusielose
transformatie van het ene kristalrooster naar het andere.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
31
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Martensitische omzettingen worden gekenmerkt door een aantal punten. De
belangrijkste worden hier genoemd:
1. Ieder atoom houdt bij het omklappen van het rooster dezelfde buren.
(schematisch weergegeven in Figuur 30). Bij de martensietvorming
verplaatsen zich miljoenen atomen gelijktijdig.
2. De transformatie begint spontaan bij een voor een bepaalde
samenstelling karakteristieke temperatuur. Deze temperatuur noemt
men MS (martensiet-start temperatuur).
3. De reactie wordt door mechanische spanningen bevorderd. De MStemperatuur stijgt dan.
(Deze stijgt tot een maximale waarde MD)
4. De hoeveelheid omgezet materiaal is onafhankelijk van de tijd, maar
wel afhankelijk van de temperatuur. Bij constante temperatuur
beneden MS zet een bepaalde fractie van het materiaal om, waarna de
reactie stopt.
5. De hoeveelheid gevormde martensiet wordt -bij constante
samenstelling en korrelgrootte- alleen bepaald door de temperatuur.
Bij temperatuurdaling gaat de omzetting regelmatig verder, tot de
temperatuur MF (martensiet-finish temperatuur), waar de omzetting is
voltooid of stopt.
6. Martensietkristallen groeien bij hun ontstaan direct uit tot de
eindafmetingen. Er worden dus steeds nieuwe kristallen gevormd.
(Figuur 31)
7. De martensietkristallen passen op het grensvlak precies aan de
oorspronkelijke kristallen. Dit grensvlak maakt dus deel uit van beide
structuurbestanddelen. Dit veroorzaakt een vormverandering (reliëf;
zie Figuur 32).
Deze 7 punten gelden voor alle martensitische omzettingen, dus niet alleen
voor die in ijzer en staal.
In de volgende paragrafen beperken we ons echter wel tot de
martensietvorming in staal.
Veel
voorkomende
misverstanden!
32
• Martensiet is lang niet altijd hard; dat is wel zo bij staal, indien er genoeg koolstof
in zit.
• Indien een materiaal afgeschrikt wordt vanaf een hoge temperatuur is er in het
algemeen geen reden om aan te nemen dat het daardoor hard wordt, of dat er
martensiet gevormd wordt; Lang niet alle metalen of legeringen vertonen een
fase-overgang in de vaste toestand.
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 30
a. Tweedimensionaal model van het omklappen van austeniet. Door afschuiving over een hoek ϕ
in de richting ξ verandert het rooster. Dit rooster grenst met het vlak H (habitusvlak) aan het
oorspronkelijke austenietrooster.
b.
Driedimensionale schematische voorstelling van de wijze waarop een martensietplaat in de
austeniet aanwezig is.
Figuur 31
2 stadia tijdens de martensietvorming
(a) bij hoge en
(b) bij lagere temperatuur.
Figuur 32
Reliëf, veroorzaakt door martensietvorming,
zichtbaar gemaakt op een gepolijst oppervlak.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
33
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.2.1 Martensitische omzettingen in staal
Het BAIN-transformatie model.
De principiële mogelijkheid van de overgang van de KVG-structuur naar de
KRG-structuur kan worden verduidelijkt met Figuur 33.
Uit deze figuur blijkt, dat de kubisch vlakken gecenterde structuur ook kan
worden beschreven als een tetragonaal ruimtelijk gecenterde structuur, met
een assenverhouding c/a = √2.
Door samendrukken van dit TRG-rooster in de z-richting en uitrekken in de x'
en y'-richting gaat deze over in een KRG-rooster. Deze wijze van
transformeren wordt de Bain-transformatie genoemd, naar de Engelse
onderzoeker E. Bain.
In werkelijkheid verloopt de transformatie van de austeniet naar martensiet
ingewikkelder, omdat op de bovengenoemde wijze niet aan alle eerder
genoemde punten kan worden voldaan. Voor een eerste gedachtebepaling is
het echter een bruikbaar model (Zie ook het model in Figuur 30)
Figuur 33
Verband tussen de KVG en KRG structuur
(BAIN-transformatie)
De KVG-structuur (A) kan ook beschreven
worden als een TRG-structuur (A en B),
die door samendrukken in de z-richting en
uitrekken in de x' en y'-richting overgaat
in een KRG-structuur (C en D).
De martensiettransformatie in staal verloopt nog gecompliceerder door de
aanwezigheid van koolstof.
De koolstof bevindt zich in de oktaëdrische holtes van de austeniet. In
eutectoïdisch staal (0,8% C) bezetten de koolstofatomen ca 1 op de 25 van
deze holtes (reken dit na!). Deze holtes liggen op de middens van de ribben
en in het centrum van de eenheidscel. (zie Figuur 33a).
34
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Bij de transformatie gaat de tetragonale cel van de austeniet over in een
kubische. Hierin zitten echter geen echte oktaëdrische holtes.
Wel zijn er holtes die hiermee overeenkomen op de middens van de ribben en
op de zijvlakken. Er passen in deze holtes bolletjes met een diameter van
0,154 × D (D is de diameter van het ijzeratoom).
Bij de aanwezigheid van de veel grotere koolstofatomen (ca. 0,6 × D) wordt
de samendrukking van de tetragonale cel tot een kubische verhinderd: het
rooster blijft daardoor in de z-richting uitgerekt (Figuur 34).
Omdat er betrekkelijk weinig C in het austenietrooster opgelost is, zal de
uitrekking in de z-richting plaatselijk sterk verschillen. Gemiddeld blijft de
martensiet echter enigszins tetragonaal met een assenverhouding c/a = ±
1,04.
In ferriet kan onder evenwichtsomstandigheden slechts zeer weinig C
oplossen. Nu de koolstofatomen gedwongen in sterk oververzadigde
oplossing aanwezig zijn, geven ze aanleiding tot zeer hoge inwendige
spanningen in het martensietrooster. Dit veroorzaakt de grote hardheid van
martensiet.
a
b
Figuur 34
a.
Oktaëdrische holtes (Z-type holtes) in de KRG-structuur.
b.
Verplaatsing van ijzeratomen in de Z-richting van het KRG rooster ten gevolge van de
aanwezigheid van koolstofatomen.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
35
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.2.2 De invloed van koolstof op de martensiet
De koolstof heeft een zeer grote invloed op de martensiet. Een aantal van die
invloeden zullen hier besproken worden.
de omzettingstemperatuur
Zowel de MS- als de MF-temperatuur zijn een functie van het koolstofgehalte
(zie Figuur 35). Dit kan verklaard worden uit het feit dat de koolstofatomen de
martensietvorming belemmert. Naarmate er meer koolstof aanwezig is, is
meer onderkoeling nodig voor martensietvorming.
De eindtemperatuur van de omzetting (MF) is niet zo goed gedefinieerd.
Vooral bij hogere koolstofgehaltes loopt de martensietomzetting nooit volledig
af. Wat overblijft is een hoeveelheid restausteniet. MF is daarom de
temperatuur waar beneden geen martensiet meer gevormd wordt.
restausteniet
De restausteniet, is te zien als een “overgebleven” structuur
tussen de martensietnaalden. Het is in ongelegeerd en vele
gelegeerde staalsoorten een metastabiele structuur.
De MF-temperatuur bereikt kamertemperatuur bij ca 0,6% C. Er is dan nog ca.
3% restausteniet.
Uit Figuur 36 blijkt dat perlitisch staal na afschrikken tot kamertemperatuur
bijna 10% restausteniet bevat. Door diepkoelen is dit percentage te verlagen
Figuur 35
MS- en MF-temperatuur als functie van het
koolstofgehalte, bij ongelegeerd staal
36
Figuur 36
Restaustenietgehalte als functie van het
koolstofgehalte (ongelegeerd staal).
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 37
Martensietnaalden met restausteniet (wit = restausteniet). V = 500×
de hardheid
De hardheid (Vickers) van martensiet als functie van het koolstofgehalte is
weergegeven in Figuur 38a. Deze neemt snel toe tot ca. 0,5% C daarna stijgt
de hardheid minder snel. De hardheid van staal wordt vrijwel uitsluitend
bepaald door de hoeveelheid koolstof.
Substitutioneel opgeloste legeringselementen hebben op de hardheid slechts
een gering effect. (Door een geschikte warmtebehandeling, zoals precipitatie
kan dit veranderen)
Vaak wordt de hardheid ook in Rockwell-C eenheden gegeven: het is een
snelle en makkelijke meetmethode. In dat geval vlakt de hardheidscurve
boven 0,8% C af.
Rockwell metingen zijn namelijk boven RC 70 niet meer voldoende
nauwkeurig.
De hardheid van staal wordt boven 0,6% C ook door de aanwezigheid van
restausteniet bepaald. Deze structuur is zacht en zorgt voor een afvlakking
van de hardheid van gehard staal (Figuur 38b).
Door de goede hardingstemperatuur te kiezen kan voorkomen worden dat de
hardheid door te grote hoeveelheden weer gaat dalen. (zie hiervoor verder
hoofdstuk 4.6.3).
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
37
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
a
Inleiding staal en gietijzer
b
Figuur 38
Hardheid van martensiet als functie van het koolstofgehalte.
a.
Bij de Vickershardheidsmethode blijft de indrukking evenredig met de hardheid.
b.
De Rockwell methode vertoont afvlakking, zodat het lijkt dat de martensiet niet harder wordt.
de taaiheid
Martensiet is in het algemeen bros; de brosheid neemt toe met toenemend
koolstofgehalte.
de volumeveranderingen
Alle structuurbestanddelen in het staal hebben een verschillend soortelijk
volume. Dit betekent dat bij de fasetransformatie volumeveranderingen
optreden. Deze veroorzaken veranderingen van afmetingen bij het harden van
staal, waarmee bij de machinale bewerking in zachtgegloeide toestand
rekening moet worden gehouden.
De volumeveranderingen zijn evenredig met het koolstofgehalte, zoals in
Figuur 39 is weergegeven.
Bij een ongelijkmatige afkoeling van een werkstuk, verloopt de
martensietvorming ook ongelijkmatig. Hoge spanningen, vervormingen en
zelfs scheuren kunnen dan in het werkstuk ontstaan. Een ongelijkmatige
afkoeling ontstaat al door een temperatuurverschil tussen de rand en kern bij
het afschrikken.
De volumeveranderingen bij de fasetransformaties biedt de mogelijkheid deze
transformaties met een dilatometer te volgen (zie Figuur 40
38
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 39
Soortelijk volume van diverse
structuurbestanddelen als functie van het
koolstofgehalte.
Figuur 40
Dilatometerkromme.
De lengteverandering als functie van de temperatuur.
Staal met 0,9% C
opwarmsnelheid 2 °C/min; afkoeling in water.
Voorbeeld:
Hoe groot is de lengteverandering van een staaf met
1% C?
Uit Figuur 41 zijn de roosterconstantes van
martensiet en austeniet als functie van het
koolstofgehalte af te leiden:
voor martensiet:
c = 2,861 + 0,116 × %C
a = 2,861 - 0,013 × %C
voor austeniet:
a0= 3,548 + 0,044 × %C
Invullen voor 1% C geeft:
martensiet: c = 2,977 D, a = 2,848 Å
3
VM= c × a × a = 24,14 Å
austeniet :
a0= 3,592 Å
3
VA= a0 × a0 /√2 × a0 /√2 = 23,15 Å
3
∆V = VM - VA = 0,99 Å
∆V
VA
Figuur 41
Roosterparameters van martensiet en
austeniet als functie van het koolstofgehalte.
= 4,3%
hieruit volgt een lengteverandering van:
∆ l ∆V
=
= 1,4%
l
3V
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
39
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.3 Structuurveranderingen bij het ontlaten
De tetragonale martensiet, die is ontstaan bij het afschrikken van staal, is zeer
hard en bros, vooral bij hogere koolstofgehaltes, en is in deze toestand niet te
gebruiken. Als men stalen voorwerpen in deze toestand te lang bij
kamertemperatuur bewaart, kunnen ze spontaan scheuren als gevolg van
hardingsspanningen.
Het staal moet daarom na het afschrikken altijd enige tijd worden gegloeid op
een temperatuur tussen 150 °C en 700 °C. Dit gloeien noemt men ontlaten.
De eigenschappen die men krijgt na ontlaten zijn afhankelijk van de
ontlaattemperatuur: in het algemeen wordt staal zachter en taaier naarmate
de ontlaattemperatuur hoger is geweest.
De structuurveranderingen, die bij het ontlaten optreden, kunnen in
verschillende stadia worden verdeeld worden verdeeld, die gewoonlijk
ontlaattrappen worden genoemd.
Bij een langzame opwarming tot ontlaattemperatuur met ca. 2-5 °C/minuut
onderscheidt men globaal in ongelegeerd staal 3 ontlaattrappen
1e ontlaattrap
80-200 °C
tetragonale martensiet Î kubische martensiet + ε-carbide
Tijdens de eerste ontlaattrap wordt koolstof uit de tetragonale
martensiet uitgescheiden in de vorm van een instabiele carbide (εcarbide). Deze ε - carbide heeft de samenstelling FeXC, met x ≈ 2,4.
Het soortelijk volume daalt. De martensiet wordt kubisch van vorm en
etst makkelijker aan dan de tetragonale vorm.
De restausteniet blijft onveranderd. De hardheid neemt in deze fase
maar weinig af, de taaiheid daarentegen aanzienlijk toe.
2e ontlaattrap
150-300 °C
restausteniet Î laagbainiet
De eventueel aanwezige restausteniet (Figuur 37) zet om in bainiet. (zie
§4.4)
Hierdoor ontstaat een volumetoename, die evenredig is met de
hoeveelheid aanwezige restausteniet.
3e ontlaattrap
250-700 °C
kubische martensiet + ε-carbide Î ferriet + cementiet
De ε-carbiden verdwijnen en cementiet ontstaat. Dit is een
kiemvormings- en groeiproces.
In eerste instantie ontstaat deze cementiet langs de martensietkristallen, wat aanleiding geeft tot brosheid. Deze ontlaatbrosheid
verdwijnt bij ontlaten op hogere temperatuur, waar de cementiet meer
bolvormig wordt.
In de derde ontlaattrap treedt weer een volumevermindering op.
40
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
In Figuur 42 zijn de verschillende lengteveranderingen weergegeven.
Figuur 42
Lengteverandering van een staalsoort
met 1,3% C als functie van de
ontlaattemperatuur
1. Tetragonale martensiet wordt kubisch
2. Restausteniet wordt laag bainiet
3. ε carbide wordt cementiet
4. Groei van cenemtiet
Bij ongelegeerd staal is het ontlaatproces, afgezien van een vergroving van
de structuur, met de derde trap voltooid.
Bij ontlaattemperaturen, dicht onder de eutectoïdische temperatuur ontstaat
uiteindelijk, na langere tijd gloeien een zachtgloeistructuur, zoals
weergegeven in Figuur 25. Zover laat men het echter nooit komen.
Bij gelegeerd staal, treden in meer of mindere mate nog twee ontlaatrappen
op:
4e ontlaattrap
500 – 600 °C
• hergroepering van legeringselementen
• precipitatie van gelegeerde carbiden
De ontlaatstructuren van de derde ontlaattrap hebben, afgezien van het
koolstofgehalte, nog dezelfde samenstelling als de austeniet. Dit is niet
de evenwichtssamenstelling voor de ferriet, zodat een herverdeling door
diffusie op gang komt. Daarbij kunnen zich ook speciale carbiden
uitscheiden, zoals bijv. (CrFe)7C3 of Mo2C.
In een bepaald stadium van uitscheiding geeft dit aanleiding tot een
(grote) hardheidstoename, de secundaire harding. (Figuur 46).
(Meer hierover in mijn dictaat “legeringselementen in staal”).
5e ontlaattrap
500 - 700 °C
uitscheiding van intermetallische verbindingen
Tegelijk met de herverdeling van elementen en de carbidevorming vindt
vaak ook een uitscheiding plaats van intermetallische verbindingen
(afhankelijk van de samenstelling), zoals Fe2Mo, Ni3Al, etc.
Deze verbindingen veroorzaken, naast een hardheidstoename, ook een
afname van de taaiheid.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
41
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Na het ontlaten van staal met veel restausteniet en veel legeringselementen
kan tijdens de afkoeling in lucht weer martensiet ontstaan.
Uit de restausteniet ontstaat –als het om luchtharders gaat– dus weer
martensiet!
Als dat het geval is neemt de hardheid ook toe (tegelijk met de secundaire
harding door precipitatie). Deze martensiet moet dan weer worden ontlaten.
Voor hooggelegeerd gereedschapsstaal , zoals snelstaal, kan dan drie keer 1
uur ontlaten nodig zijn
Figuur 43
Verandering van mechanische eigenschappen
door ontlaten (staal met 0,25 %C en 1% Cr).
Figuur 44
Daling van de hardheid door ontlaten in staal
met een verschillend C-gehalte.
Figuur 45
Structuur van ontlaten martensiet
met veel fijnverdeelde globulaire
carbiden (vroeger sorbiet
genoemd).
42
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 46
Secundaire harding die optreedt bij
bepaalde gelegeerde staalsoorten,
gedurende de 4e ontlaattrap.
Welke ontlaattemperatuur moet men nu kiezen?
De keuze van de ontlaattemperatuur wordt bepaald door de staalsoort en
toepassingen. Daarbij gelden globaal de volgende regels:
•
•
•
•
•
•
Ongelegeerde en laaggelegeerd machinestaal( C22 - C60) wordt ontlaten
bij hoge temperaturen (tussen 450 °C en 650 °C), om daarmee een taaie
structuur te verkrijgen. De hardheid en vooral de sterkte blijven, na 1 uur
ontlaten nog zeer acceptabel. Deze warmtebehandeling noemt men
veredelen.
Zie verder hoofdstuk 4.6.7
Ongelegeerd en laaggelegeerd gereedschapsstaal wordt ontlaten bij
temperaturen van 150-200 °C. Deze warmtebehandeling heet laag
ontlaten. Door hoger te ontlaten wordt het te zacht.
Ontlaattemperaturen tussen 200 en 450 °C worden niet toegepast. De
taaiheid (kerfslagwaarde ) zal in het algemeen dalen. De brosheid die dan
ontstaat noemt men ontlaatbrosheid.
Hooggelegeerd gereedschapsstaal, dat gebruikt wordt bij hoge
temperatuur (zoals verspanende gereedschappen of extrusiematrijzen)
en/of waarbij door precipitatie slijtvaste carbiden kunnen worden gemaakt
(zoals voor snijmatrijzen en muntstempels) worden ontlaten in de 4e
ontlaattrap (450 -650 °C). Dit noemt men hoog ontlaten.
Constructiestaal wordt gewoonlijk niet gehard.
Daar waar het wel gebeurt (zoals bij hoge sterktestaalsoorten) wordt
ontlaten op een hoge temperatuur (veredelen)
Sommige soorten vervormingsstaal (=constructiestaal met zeer weinig
koolstof ) worden gehard maar niet ontlaten. Door het lage
koolstofgehalte is dit niet nodig.
In de Figuur 43 en Figuur 44 is de invloed van het ontlaten op de
mechanische eigenschappen van ongelegeerd staal weergegeven.
De structuur na ontlaten is getoond in Figuur 45.
Het is een fijne structuur met veel kleine carbiden. De grondmassa bestaat uit
ontlaten martensiet en is moeilijk te definiëren. (Deze structuur wordt ook wel
sorbiet genoemd).
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
43
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.4 Isotherme transformaties in staal
In het vorige hoofdstuk is de omzetting beschreven vanuit het austenietgebied
bij een continue afkoeling. De aard van de omzettingsproducten is daarbij
afhankelijk van de afkoelsnelheid.
Een andere mogelijkheid ontstaat, als we de transformatie bij een constante
temperatuur beneden 727 °C (Ac1) laten verlopen.
Daartoe wordt een klein proefstukje vanuit het austenietgebied zo snel
mogelijk afgekoeld tot een bepaalde temperatuur. Bij deze temperatuur wordt
de omzetting als functie van de tijd gemeten. De omzettingstijden
(bijvoorbeeld begin en eind van de omzetting van perliet) worden als functie
van de temperatuur in een diagram uitgezet. Omdat de omzettingstijden nogal
ver uiteen kunnen liggen, wordt de tijd logaritmisch uitgezet.
Een op deze wijze verkregen diagram wordt T.T.T.- of I.T. diagram genoemd.
T.T.T. = transformatie-tijd-temperatuur
I.T.
= isotherme transformatie
Het eenvoudigste diagram is dat van ongelegeerd perlitisch staal. Dit diagram
zal hier besproken worden. Zie Figuur 47.
4.4.1 Het TTT diagram
De warmtebehandeling om een TTT-diagram te construeren, wordt als volgt
uitgevoerd:
Stel we willen de isotherme omzetting bij 370 °C bepalen. Na het austeniteren
op de juiste temperatuur en gedurende de juiste tijd wordt een klein
proefstukje afgeschrikt tot 370 °C, bijvoorbeeld in een bad van gesmolten
lood.
Met een dilatometer (zie hoofdstuk 1) kan de lengteverandering gemeten
worden. Dit is immers een maat voor de transformatie. Door de snelle
afkoeling naar de loodbadtemperatuur wordt de transformatie van austeniet
naar perliet, die bij 727 °C zou moeten beginnen, volledig onderdrukt.
Na een zekere wachtperiode, de incubatietijd, komt de transformatie op
gang en is na verloop van enige tijd afgelopen. In dit geval start de omzetting
na ca. 10 sec en eindigt na 250 sec. De transformatiesnelheid is niet steeds
constant.
Door de proef te herhalen bij verschillende temperaturen en de begintijden,
resp. de eindtijden van de omzettingen met elkaar te verbinden en in een Tlog t grafiek uit te zetten ontstaat het T.T.T- diagram.
44
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 47
TTT diagram van een perlitisch
staal (schematisch).
Het verloop van de isotherme
omzettingen kan gemeten worden
met een dilatometer.
Bij afschriktemperaturen beneden de MS-temperatuur (hier ca. 200 °C)
ontstaat direct martensiet.
In de loop van de tijd neemt het martensietgehalte niet of nauwelijks toe,
zodat de martensietvormingslijnen als horizontale lijnen worden voorgesteld.
perliet
Isotherme transformatie bij hoge temperatuur levert perliet op.
Deze perliet wordt fijner naarmate de omzettingstemperatuur lager ligt. Bij ca.
550 °C is de structuur zó fijn, dat de lamellen van de perliet in een gewone
microscoop niet meer van elkaar te onderscheiden zijn.
troostiet
Deze structuur noemt men troostiet, het is beter is te spreken van zeer fijne
perliet.
bainiet
Bij isotherme transformatie bij lagere temperaturen, maar boven MS
ontstaat een geheel nieuwe structuur, die geheel van de voorgaande verschilt,
namelijk bainiet.
Afhankelijk van de vormingstemperatuur ontstaat nog hoog bainiet of laag
bainiet (ontstaat bij lagere temperatuur). In de Duitse literatuur spreekt men
meestal over Zwischenstufe.
De isotherme transformatie bij niet-eutectische samenstellingen verloopt iets
ingewikkelder.
Bij de afkoeling van ondereutectische staal uit het austenietgebied ontstaat,
na het passeren van de A3-temperatuur, als eerste ferriet, terwijl de
perlietvorming pas begint na het passeren van de A1-temperatuur. (zie Figuur
48)
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
45
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 48
TTT diagram van een staal met 0,35% C
A=austeniet, F= ferriet, C- cementiet, M (0, 50, 90) martensiet (hoeveelheid omzetting in %)
Let op: de cementietuitscheiding C kan plaatsvinden in perliet, of in bainiet, afhankelijk van de
omzettingstemperatuur.
Proeutectoïdische
ferriet
Bij een isotherme omzetting beneden A1 (in het perlietvormingsgebied)
ontstaat dus eerst ferriet, en dan perliet.
Deze ferriet is een pro-eutectoïdische uitscheiding en wordt proeutectoïdische ferriet genoemd.
Proeutectoïdische
cementiet
Evenzo ontstaat bij staal met meer dan 0,77 % C (bovenperlitisch staal)
een pro-eutectoïdische cementiet.
Deze is zichtbaar als een netwerk rond de perlietkorrels
Met de eerder genoemde dilatometer kan het verloop van de transformatie
worden gemeten, dat wil zeggen de omzettingstemperaturen en tijden
De daarbij gevormde structuren en hoeveelheden kunnen daarmee niet
worden bepaald.
De bestudering van de structuren vindt plaats door de proefstukjes na een
zekere verblijftijd in het loodbad af te schrikken in water. De op dat moment
nog aanwezige austeniet wordt omgezet in martensiet. De andere
bestanddelen zeggen iets over het structuurverloop tijdens de transformatie.
Ook de hardheid geeft een goede indicatie van de gevormde structuren.
46
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.4.1.1 De vorm van het TTT-diagram
De vorm van het TTT-diagram laat zich betrekkelijk eenvoudig kwalitatief
beschrijven.
Er zijn twee variabelen, die de omzettingssnelheid bepalen: de kiemvorming
en de groei van de kiemen.
• De kiemvormingssnelheid, en daarmee samenhangend het aantal kiemen,
neemt toe met de onderkoeling beneden de eutectoïdische temperatuur.
(Figuur 49a)
• De diffusiecoëfficiënt neemt met dalende temperatuur af, dat wil zeggen
dat de groei van de kiemen met dalende temperatuur steeds moeilijker
wordt (Figuur Figuur 49b).
Verhoogde kiemvorming en kortere diffusiewegen zorgen voor een fijnere
structuur: de lamelafstand van de perliet neemt af.
De groeisnelheid van de kiemen neemt met toenemende onderkoeling
aanvankelijk toe omdat er een grote drijvende kracht is, maar met het dalen
van de diffusiecoëfficiënt, neemt de groeisnelheid op een zeker moment toch
af.
Het netto resultaat is, dat vanaf een zekere temperatuur de afnemende
groeisnelheid zó gaat overheersen, dat de omzettingen trager verlopen dan bij
hogere temperatuur. (Figuur 49c)
We zijn op dat moment de neus van de perlietvorming gepasseerd.
Figuur 49
a.
Verloop van de kiemvormingssnelheid β;
b.
Kiemgroeisnelheid w en diffusiecoëfficiënt D als functie van de temperatuur; Λ = lamelafstand.;
c.
De omzettingssnelheid als resultante.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
47
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 50
Kiemvorming en groei van perliet (een mogelijkheid)
Figuur 51
Drie stadia van de
omzetting van austeniet
naar ferriet en perliet bij
isotherme omzetting of
langzame afkoeling
Figuur 52
Perlietkolonie, omgeven door ferriet. Let op verschillende lamelafstanden.
48
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.4.2 Perliet en bainietvorming
4.4.2.1 De transformatie in het perlietgebied
De vorming van perliet in het isotherme diagram strekt zich uit van de
evenwichtstemperatuur tot ca. 500 °C. Bij hoge temperatuur wordt
groflamellaire perliet gevormd, die bij langere gloeitijden al snel wordt
omgezet in ferriet met globulaire cementiet.
Met toenemende onderkoeling wordt de lamellaire perliet steeds fijner, totdat
ze zó fijn is dat de lamellen slechts met een elektronenmicroscoop van elkaar
te onderscheiden zijn; deze structuur wordt vaak troostiet genoemd.
Perlietvorming is een kiemvormings- en groeiproces ( Figuur 50). De
kiemvorming vindt plaats:
•
•
•
langs de korrelgrenzen van de austeniet (Figuur 51),
of aan de grenzen van primaire ferriet resp cementiet,
of aan tijdens austeniteren niet opgeloste carbiden.
Als de perliet ontstaat bij constante temperatuur (isotherm dus) dan is de
lamelafstand steeds even groot. Dat dit in een microbeeld anders lijkt is het
gevolg van de vlakke doorsnijding van scheefstaande perlietkolonies (Figuur
52 en Figuur 53).
Van praktisch belang is dat fijnere perliet harder is dan grove:
•
perliet gevormd bij ca 700 °C heeft een lamelafstand van 1 µm en een
hardheid van 200 HV,
•
perliet gevormd bij 600 °C, heeft een lamelafstand van ca. 0,1 µm en
een hardheid van 350 HV.
Figuur 53
Door schuine doorsnede van een perlietkolonie lijkt de lamelafstand groter.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
49
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.4.2.2 De transformatie in het bainietgebied
Het bainietgebied strekt zich bij ongelegeerd staal uit van ongeveer 500 °C tot
ca. 200 °C. Aan de bovenzijde treedt overlapping met het perlietgebied op,
aan de onderzijde met het martensietgebied.
De voornaamste verschillen tussen bainietstructuren en perlietstructuren zijn:
•
•
•
Perliet is bolvormig, bainiet is plaatvormig.
In een doorsnede ziet men bainiet dus als naalden.
Perliet groeit langs de korrelgrens van de austeniet, bainiet langs
bepaalde kristalvlakken.
In het bainietgebied treden geen pro-eutectoïde uitscheidingen op.
De bainietstructuren worden, afhankelijk van de vormingstemperatuur,
onderscheiden in 3 groepen:
550-500 °C: naaldvormige ferriet of probainitische ferriet
Dit zijn grove ferrietplaten die vanuit de korrelgrens de austeniet ingroeien, de
koolstof voor zich uit drijvend. Op een zeker moment stopt deze ferrietvorming
en vindt verder perlietvorming plaats.
500-300 °C: hoogbainiet.
De structuur bestaat nu uit groepen evenwijdige ferriet- plaatjes, waarlangs
zich cementiet afzet (Figuur 54).
350-200 °C: laagbainiet.
Nu treedt de carbidevorming niet alleen langs, maar ook in het inwendige van
de ferrietplaatjes op, en wel langs speciale roostervlakken (Figuur 55).
De lensvormige plaatjes worden op willekeurige plaatsen in de austeniet
gevormd. De hardheid van bainiet is niet alleen afhankelijk van het
koolstofgehalte, maar ook van de vormingstemperatuur: hoe lager hoe harder.
50
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 54
Hoogbainiet (V= 13000×). Links: schematisch het groeimechanisme
Figuur 55
Laagbainiet in laaggelegeerd staal (v= 1100×) met mogelijke groeiwijze.
Het grensvlak α/γ beweegt net zo snel als de carbidevorming mogelijk is.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
51
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.5 Niet isotherme transformaties in staal
Bij de meeste technisch belangrijke warmtebehandelingen is er sprake van
een continue afkoeling vanuit het austenietgebied, waarbij dan ook nog in één
werkstuk verschillende afkoelsnelheden voorkomen.
De eerder beschreven isotherme omzettingsdiagrammen zijn dan niet te
gebruiken.
Voor het beschrijven van omzettingen gedurende zo'n continue afkoeling
vanuit het austenietgebied maakt men gebruik van een afkoel-T.T.T. of
C.C.T.-diagram
C.C.T. = Continuous Cooling Transformation
De bepaling van zo'n diagram is bewerkelijker dan van een isotherm diagram
4.5.1 Het CCT diagram
Tijdens de afkoeling van een werkstuk uit het austenietgebied wordt de
temperatuur gemeten als functie van de tijd. Dit levert een bepaalde
afkoellijn, die grafisch wordt weergegeven (temperatuur – log tijd) .
De begin en eindpunten van de vorming van verschillende
structuurbestanddelen (bijvoorbeeld gemeten met een dilatometer of door
structuuronderzoek) worden op deze lijn aangegeven.
De verkregen punten voor overeenkomstige omzettingstoestanden bij andere
afkoelingen worden met een vloeiende lijn verbonden, waardoor het CCTdiagram ontstaat. Zie Figuur 56.
Het CCT-diagram is alleen geldig voor de erin getekende afkoellijnen!
Er is (vaak) een aanzienlijk verschil tussen een isotherm en een afkoel-TTTdiagram:
•
•
Er treedt een verschuiving op naar lagere temperaturen
De omzettingen beginnen bij een latere tijden
Zoals in § 4.1 reeds is uiteengezet kan het Fe-C diagram niet toegepast
worden bij snellere afkoeling uit het austenietgebied. Dit kan wel bij langzame
afkoeling, theoretisch als de afkoelsnelheid v = 0.
Het is mogelijk het toestandsdiagram in de derde dimensie uit te breiden met
de afkoelsnelheid: zie Figuur 57.
52
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 56
Relatie tussen CCT
en FeC diagram
Figuur 57
De A1 en A3 temperatuur in het Fe-C
diagram verschuiven naar lagere waarden
als de afkoelsnelheid toeneemt.
OK = bovenste kritische afkoelsnelheid; UK
= onderste kritische afkoelsnelheid
Voor een bepaald koolstofgehalte (in Figuur 57 ca. 0,45% C), is aangegeven
•
dat bij toenemende afkoelsnelheid de omzettingen A3 en A1 dalen,
waarbij A3 sneller daalt dan A1.
In dit gebied ontstaat perliet.
bij zekere afkoelsnelheid ontstaat naast de perliet ook een hoeveelheid
martensiet (de MS en MF worden gesneden)
bij nog hogere afkoelsnelheden passeren we de lijn AZ (bainietvorming)
en de lijnen MS en MF.
tot slot is de afkoelsnelheid zo hoog dat alleen martensiet gevormd wordt.
•
•
•
kritische
afkoelsnelheid
De afkoelsnelheid waarbij voor het eerst martensiet ontstaat, (naast andere
structuren) wordt onderste kritische afkoelsnelheid genoemd; de
minimale afkoelsnelheid waarbij uitsluitend martensiet gevormd wordt heet
bovenste kritische afkoelsnelheid ( afgekort VK).
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
53
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 58
Constructie van een CCT diagram met ∆t8/5 als parameter.
Bij warmtebehandelingen is het gebruikelijk om CCT diagrammen te
gebruiken, waarin de afkoeltijd in plaats van de afkoelsnelheid als parameter
is gebruikt. Een veel gebruikte afkoeltijd, bij het lassen (ook een
warmtebehandeling) is de tijd die verloopt tussen 800 en 500 °C, de ∆t8/5.
Hiermee kan de structuur nagenoeg volledig worden beschreven. In Figuur 58
is dit weergegeven door zowel de hardheid als de structuurbestanddelen als
functie van de afkoeltijd te bepalen. Daarmee kan een CCT diagram worden
geconstrueerd.
CCT (Afkoel-TTT) diagrammen (en ook isotherme TTT diagrammen) zijn
alleen geldig voor de erin genoemde condities, zoals
•
•
•
korrelgrootte,
austeniteringsconditie,
samenstelling
Deze gegevens dienen ook bij ieder diagram te worden vermeld.
Verschillen in die condities hebben verschuivingen in de ligging van het
diagram tot gevolg.
De ligging van de lijnen in een CCT of TTT diagram wordt bepaald door de
samenstelling, structuur en spanningstoestand van het staal, immers de omzetting is
een thermodynamische kwestie. De aanwezigheid van niet opgeloste vreemde atomen
bevorderd meestal wel de kiemvorming maar vertraagt de groei ervan
Door lang te gloeien of op hoge temperatuur te gloeien lossen de elementen op en
wordt ook de kiemvorming moeilijker. Bovendien treedt dan korrelgroei op waardoor de
diffusiewegen (de afstand tot een korrelgrens) groter wordt.
54
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
In Figuur 59 en Figuur 60 zijn enkele voorbeelden gegeven van isotherme- en
afkoel-TTT diagrammen.
Figuur 59
TTT en CCT diagram van C45.
De omcirkelde cijfers geven de hardheid weer (in Rc bij het TTT diagram en HV bij het CCT diagram
De niet-omcirkelde cijfertjes zijn percentages, F (ferriet ), P (perliet), Zw (bainiet) of M (martensiet)
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
55
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Figuur 60
56
Inleiding staal en gietijzer
CCT en TTT diagram van 35 CrMo4
De verschillen zijn nu groter dan bij C45
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.5.2 Afkoeling van technische werkstukken
4.5.2.1 Enkele aspecten van een natuurlijke afkoeling
Indien een werkstuk, waarvan we de dimensies verwaarlozen, vanaf hoge
temperatuur afkoelt in een medium met lagere temperatuur, dan geldt de
afkoelingswet volgens Newton:
dT
= − α (T − Tk )
dt
of, na integreren:
T(t) = (T0 - Tk ) × e − α t + Tk
waarin:
α
=
T0
=
Tk
=
T(t)
=
de temperatuur op tijdstip t
warmte-overdrachtscoëfficiënt
begintemperatuur
eindtemperatuur
hieruit volgt:
α=
T − Tk
1
× ln 0
t
T − Tk
Het grafische verloop van deze afkoeling op een lineaire tijdas is
weergegeven in Figuur 61a. Gebruiken we een logaritmische tijdas, zoals in
CCT-diagrammen gebruikelijk is, dan wordt het verloop zoals Figuur 61b is
weergegeven.
Inherent aan de natuurlijke afkoeling is dus dat de afkoelsnelheid maximaal
is als de afkoeling begint, en lineair afneemt met dalende temperatuur. Dit
blijkt ook uit Figuur 61c.
a
lineaire tijdas
Figuur 61
b
logaritmische tijdas, zoals
gebruikelijk in een CCT diagram
c
T = ∆T/α∆t
Natuurlijke afkoeling.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
57
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 62
Afkoeling van lange ronde staven
in water.
Figuur 63
Afkoeling van lage ronde staven
in olie, resp. lucht.
58
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.5.2.2 Afkoeling van technische werkstukken
De afkoelsnelheid van een werkstuk kan experimenteel bepaald worden door
het aanbrengen van thermokoppels in dat werkstuk. Voor eenvoudige
gevallen is het ook mogelijk de afkoeling te berekenen.
De afkoelsnelheid blijkt dan af te hangen van
•
•
•
•
werkstukafmeting
plaats in het werkstuk
afkoelmedium
temperatuur-tijdsafhankelijkheid van de afkoeling (de temperatuurvereffeningscoëfficiënt α)
Een en ander wordt toegelicht aan de hand van Figuur 62 en Figuur 63.
We gaan uit van ronde staven van grote lengte; de eindvlakken van zo'n staaf
spelen bij de afkoeling dan geen rol meer. De warmte-uitwisseling met de
omgeving vindt uitsluitend in radiale richting plaats. Elke plaats in de staaf
kan worden aangeduid door de verhouding r/R, waarin R de straal van de
staaf is en r de afstand van het middelpunt tot de gekozen plaats.
Wordt een staaf van bijv Ø 60 mm in water afgekoeld, dan geldt elk van de
plaatsen in de staaf (van oppervlak tot kern) een bepaalde α.
De afkoelkrommes zijn daardoor bepaald.
Uit deze afkoelkrommes valt af te leiden dat voor de plaatsen O (oppervlak,
r=30), R (rand, r=24), M (midradius, r=15) en K (kern, r=0) de afkoeltijd van
800-500 °C (∆t8/5 ) resp 5, 15, 30 en 40 sec bedraagt.
Tussen ∆t8/5 en de staafdiameter D bestaat het verband:
log D = A log t + B
waarin A en B constanten zijn. Op dubbellogaritmisch papier zijn dat rechte
lijnen. Zo'n verband is weergegeven voor afkoeling in water, olie en lucht.
Een willekeurig gevormd werkstuk zal dezelfde kernafkoeling bezitten als de
volume/oppervlakteverhouding gelijk is aan die van bovenbeschreven
lange ronde staaf.
De volume/oppervlakteverhouding van de staaf met diameter D is (ga dat na):
V
= 0,25 × D
O
Voorbeeld
Voor een rechthoekige staaf (100 × 50 × 50 mm) geldt dan :
V
100 x 50 x 50
=
= 10
O 4 x 100 x 50 + 2 x 50 x 50
Opgave
De kernafkoeling van deze staaf komt dus overeen met die van een lange ronde staaf
met een diameter van 40 mm. Passen we dit toe op C45, dan zal de kern bestaan uit
ongeveer 25% ferriet en 75% perliet.
Ga dit na voor 34 CrMo 4 ( hoeveel van welke structuurbestanddelen in de kern).
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
59
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.6 Harden
Het harden is een warmtebehandeling, waarbij het staal uit het
austenietgebied met een zodanige snelheid wordt afgekoeld, dat martensiet
wordt gevormd.
De vorming van perliet en bainiet worden daarbij onderdrukt.
De hardheid en slijtvastheid worden hierdoor sterk verhoogd.
Na het afkoelen is de martensiet bros en scheurgevoelig, waardoor ontlaten
noodzakelijk is.
In feite verstaat men onder harden de volgende reeks opeenvolgende
behandelingen:
•
•
•
•
opwarmen tot in austenietgebied
austeniteren
afkoelen (afschrikken)
ontlaten
De invloed van alle 4 stappen op de eigenschappen is erg groot.
Alvorens hierop in te gaan worden enige begrippen besproken die met de
harding samenhangen, te weten
•
•
kritische afkoelsnelheid
doorharding
4.6.1 De kritische afkoelsnelheid
De kleinste afkoelsnelheid, nodig om het staal volledig in martensiet om te
zetten, wordt de (bovenste) kritische afkoelsnelheid (Vk) genoemd.
Indien deze snelheid niet wordt bereikt (dus langzamer wordt afgekoeld), dan
wordt de "neus" van het CCT-diagram geraakt, waardoor naast martensiet
ook fijne perliet (troostiet) wordt gevormd. Beneden een zekere afkoelsnelheid
(de onderste kritische afkoelsnelheid) ontstaat zelfs helemaal geen martensiet
meer.
In een werkstuk van grotere afmetingen zijn de afkoelsnelheden aan het
oppervlak en in de kern niet hetzelfde. Dit verschil neemt toe naarmate de
koelende werking van het afschrikmiddel groter is.
In een werkstuk kunnen dus verschillende structuren voorkomen.
Om een groot werkstuk geheel in martensiet om te zetten, dus tot in de kern,
moet in de kern dus ook de kritische afkoelsnelheid worden overschreden.
Pas dan spreekt men van een volledige doorharding.
De kritische afkoelsnelheid is afhankelijk van alle factoren, die de ligging van
het CCT-diagram bepalen (de plaats van de “neus” van het diagram).
De kritische afkoelsnelheid is dus materiaalafhankelijk.
60
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.6.2 De doorhardingsdiepte
4.6.2.1 Definities
De afstand onder het staaloppervlak tot waar de harding optreedt bij een
bepaalde afkoelmethode wordt doorhardingsdiepte genoemd.
Deze diepte is bij ongelegeerd staal vrij gering: voor perlitische staal bedraagt
deze slechts enkele mm.
De doorhardingsdiepte kan gemeten worden door het materiaal (bijv als een
staaf) na het afschrikken door te slijpen, te polijsten, de structuur te bepalen
en hardheid over de doorsnede te meten.
Bij de beoordeling van de doorharding wordt de hoeveelheid martensiet als
criterium gebruikt:
de doorhardingsdiepte voor constructiestaal is de diepte tot
waarop de structuur 50% martensiet bevat.
Voor gereedschapsstaal gelden andere eisen:
de doorhardingsdiepte voor gereedschapsstaal is de diepte tot
waarop de structuur 90% martensiet bevat.
De doorhardingsdiepte is afhankelijk van een aantal variabelen:
•
•
•
ligging van het CCT-diagram ( samenstelling, korrelgrootte etc.)
staafafmetingen
afschrikmiddel
In plaats van de structuur te bepalen is hardheid meten eenvoudiger. Er
bestaat een duidelijk en reproduceerbaar verband tussen hardheid en de
hoeveelheid martensiet.
De invloed van de samenstelling (het C-gehalte) op de doorhardingsdiepte is
weergeven in Tabel 4. Hieruit blijkt dat de hardheid bij 50% doorharding
overeenkomt met ongeveer 0,8 van de maximaal optredende hardheid bij het
betreffende C-gehalte.
%C
100 %
martensiet
90%
martensiet
50%
martensiet
(50%/100%)
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
50-51
55-56
60-61
62-64
63-65
64-67
44
50
54
57
59
59
37
43
47
51
52
53
0,74
0,78
0,78
0,81
0,81
0,82
Tabel 4
Hardheid als functie van het C-gehalte en de hoeveelheid martensiet en de
doorharding.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
61
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
De invloed van de staafdiameter wordt geïllustreerd in Figuur 64. Hieruit blijkt
dat de staaf in situatie 3 nog volledig is doorgehard; deze staaf bevat in de
kern nog 50% martensiet. In situatie 4 is in de kern minder dan 50%
martensiet en dus geen doorharding.
De diameter, die nog net voldoet aan de gestelde eis van doorharding wordt
kritische diameter genoemd.
Figuur 64
Schematisch verloop van de hardheid over de diameter van de staaf.
De derde staaf van links is juist volledig doorgehard (voor constructiestaal).
4.6.2.2 Bepaling van de doorhardingsdiepte
De doorhardingsdiepte wordt bepaald met de zogenaamde. Jominy-proef.
Hiertoe wordt een genormaliseerde proefstaaf (Ø25 × 100 mm), na het
austeniteren verticaal in een houder opgehangen, waarna een waterstraal
tegen de onderzijde wordt gespoten (zie Figuur 65). De bovenzijde koelt
gewoon af in lucht.
Door de waterkoeling aan de ene en luchtkoeling aan de andere kant, wordt
een continue reeks van afkoelingen in de proefstaaf gerealiseerd.
Na afkoeling worden er op twee tegenovergestelde zijden platte kanten
geslepen, waarop de hardheid (HRC) gemeten wordt. De hardheid als functie
van de afstand tot het watergekoelde einde levert dan de Jominy-curve.
Dit levert dan een kromme op zoals weergeven is in Figuur 66.In deze figuur
is de relatie met het CCT diagram nogmaals getoond.
Het is niet mogelijk om direct uit een Jominyproef de hardingsdiepte van
werkstukken met een andere vorm af te leiden. De proef wordt dan ook
voornamelijk gebruikt als vergelijkende controleproef.
In Figuur 67 zijn van verschillende staalsoorten de Jominykrommes
weergegeven. Hieruit blijkt dat om een grotere doorharding te krijgen er
gelegeerd moet worden. Let erop dat de hardheid bij 100% martensiet alleen
afhankelijk is van doorhardingsdiepte (C bepaalt de hardheid; de
legeringselementen de doorharding; later meer hierover).
62
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Figuur 65
Schematische opstelling van de Jominyproef.
De proef is genormaliseerd
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 66
Relatie tussen het CCT diagram en het
hardheidsverloop op een Jominystaaf
Figuur 67
Jominykrommes (doorhardingskrommes) van
verschillende staalsoorten
1 ongelegeerd staal met 0,35% C
2 gereedschapsstaal met 0,9% C en 2% Mn
3 veredelingsstaal met o,3% C, 2% Ni, 1% Cr en
0,25% Mo
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
63
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Dan volgt nu een toelichting op de 4 stappen die de eigenschappen van het
hardingsproces bepalen.
4.6.3 Het opwarmen tot in het austenietgebied
Uiteraard moet het werkstuk opgewarmd worden tot de geschikte
temperatuur. De opwarmsnelheid daarvoor moet zodanig gekozen worden dat
er niet te grote temperatuurverschillen tussen het oppervlak en de kern van
het werkstuk zijn. Als dat het geval zou zijn kunnen de trekspanningen in de
kern zo hoog oplopen dat er inwendige scheuren ontstaan.
Hoe snel er opgewarmd moet worden hangt af van de te bereiken
temperatuur en van de samenstelling van het staal. Hoe hoger het staal
gelegeerd is des te slechter de warmtegeleiding,
In het algemeen geldt dat naarmate de gloeitemperatuur hoger wordt en het
staal hoger is gelegeerd er langzamer of (als alternatief) trapsgewijs moet
worden opgewarmd.
Voorbeeld:
Ongelegeerd staal met 0,7% C moet worden opgewarmd tot 775 °C.
Dit kan in een één keer in een oven die al op die temperatuur is
Gelegeerd staal met 18% W, 4%Cr en 1% V (snelstaal, gereedschap voor verspaning)
moet worden gegloeid bij 1250-1300 °C. Dit staal heeft zo’n slechte
warmtegeleidingscoëfficiënt dat in stappen moet worden opgewarmd eerst naar ca.
450 °C, dan tot 800 °C, vervolgens naar 1000 °C en pas dan naar de eindtemperatuur.
Bij elk van de tussenstappen vindt warmtevereffening plaats.
4.6.4 Het austeniteren
Onder de factoren die de harding beïnvloeden, nemen de austenitiseringsomstandigheden een belangrijke plaats in. De austeniteertemperatuur of
hardingstemperatuur wordt bij onderperlitisch staal 30-80 °C boven de GS lijn
gekozen. De tijd op deze temperatuur moet lang genoeg zijn om ferriet om te
zetten in austeniet en een zekere hoeveelheid carbiden in oplossing te doen
50 °C boven GS
gaan.
Hardingstemperatuur
onderperlitisch
staal
Bij een te hoge temperatuur of een te lange gloeitijd treedt korrelgroei op.
Hierdoor wordt de bij het harden gevormde martensiet grover en brosser. Ook
kan er –bij staalsoorten met meer dan 0,6% C– meer restausteniet ontstaan,
waardoor de hardheid gaat dalen
Met behulp van austenietvormingsdiagrammen (Figuur 68) kan men de
hardingstijd en temperatuur schatten. Uit deze figuren blijkt ook dat het zeer
lang kan duren voor alle carbiden zijn opgelost. De nog niet opgeloste
carbiden kunnen bij het afkoelen weer als kiem voor de omzetting dienen,
waarmee fijnkorreligheid bevorderd wordt.
64
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 68
Vorming van austeniet van een ongelegeerd staal (links ) en een matig gelegerd staal (rechts).
Hardingstemperatuur
onderperlitisch
staal
Bij bovenperlitisch staal kiest men de hardingstemperatuur 30 - 80 °C
boven de eutectische temperatuur. (de lijn SK)
De hoeveelheid opgeloste C in de austeniet is dan constant (onafhankelijk
van de hoeveelheid), waardoor de martensiet dus ook steeds dezelfde
50 °C boven SK hardheid heeft en de hoeveelheid restausteniet gelijk blijft.
Omdat men bij dergelijke staalsoorten uitgaat van een zachtgloeistuctuur
(Figuur 27b) zijn er in de matrix ook nog (veel) carbiden aanwezig die de
slijtvastheid van het staal verbeteren. De hardheid wordt hierdoor niet
beïnvloed. (Zie Figuur 69b)
In Figuur 69a is de hardheid van perlitisch staal na harden als functie van de
hardingstemperatuur weergegeven.
De ideale hardingstemperatuur voor perlitisch staal is 780-800 °C. Een hogere
hardingstemperatuur veroorzaakt in eerste instantie nog geen korrelgroei,
maar door het oplossen van de carbiden wordt het koolstofgehalte van de
austeniet zo hoog dat na afschrikken een grote hoeveelheid restausteniet
overblijft. Het resultaat is een daling van de hardheid. Door ontlaten wordt dit
niet meer goedgemaakt.
Bij temperaturen boven de 1000 °C wordt korrelgroei ook merkbaar.
Het is wel mogelijk om voor ongelegeerd staal hoge hardingstemperaturen toe te
passen (tot 1300 °C), maar dan moet de hardingstijd ook zeer kort zijn (tot minder dan
een seconde). Dit komt voor bij oppervlakteharding (inductie en laserharding).
Hoge hardingstemperaturen komen ook voor bij gelegeerd staal, bijvoorbeeld bij
snelstaal 1250-1300 °C
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
65
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
a
Inleiding staal en gietijzer
b
Figuur 69
a
Hardheid van ongelegeerd staal met 0,8% C als functie van de hardingstemperatuur.
b
Hardheidsverloop van ongelegeerd staal als functie van het C-gehalte
lijn 1: Na afschrikken vanaf een temperatuur van 50 °C boven de lijn GSE (dus uit het γgebied)
lijn 2: Na afschrikken vanaf een temperatuur van 50 °C boven de lijn GSK.
4.6.5 Het afschrikken
Het afschrikmiddel heeft een belangrijk effect op de resultaten bij de harding.
Er treden grote verschillen op in afkoelsnelheden bij afkoelen in water, olie of
lucht. Bij afkoeling in lucht is nog sprake van een natuurlijke afkoeling (d.w.z.
de afkoelsnelheid is evenredig met het temperatuursverschil tussen werkstuk
en afschrikmiddel; zie 4.5.2.1.).
Bij afkoeling in water treden echter grote afwijkingen op. Er treedt dan aan het
oppervlakte dampvorming op, waardoor een isolerende laag ontstaat. De
afkoelsnelheid is dan op die plek (veel te )laag. Wordt deze laag doorbroken,
dan neemt de afkoelsnelheid sterk toe. Het verbreken van de damphuid wordt
bevorderd door een heftige beweging van het werkstuk of van het water.
vormveranderingen en spanningen
Twee belangrijke oorzaken van vormveranderingen bij het harden zijn:
1
2
het optreden van thermische spanningen tijden het afkoelen
volumeveranderingen door de fasetransformatie.
De som van deze factoren kan een werkstuk van vorm/afmetingen doen
veranderen of zelfs doen scheuren. Bovendien is het resultaat dat na harding
trek of drukspanningen in de rand optreden.
66
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
ad 1
Inleiding staal en gietijzer
thermische spanningen
Hoe sneller wordt afgeschrikt, des te groter zullen de temperatuursverschillen
tussen de rand en kern zijn. Dit temperatuursverschil kan enkele honderden
graden bedragen. Door het verschil in uitzetting dat hiervan het gevolg is, kan
de rekgrens van de kern worden overschreden: er treden plastische
vervormingen op. Er kan ook scheurvorming optreden.
Voorbeeld
σ = E.ε = E.α.∆T
waarin σ
= spanning in N/mm2,,
E
= elasticiteitsmodulus in N/mm2 (= 210.000)
α
= lineaire uitzettingscoëfficiënt mm/mm °C (=12 × 10 -6)
∆T
= temperatuurverschil tussen de rand en kern
Stellen we ∆T=150 °C, dan berekenen we σ = 380 N/mm2. Deze waarde ligt
ver boven de rekgrens van bijv S355, bij hogere temperatuur.
In lange staven wordt de warme kern door plastische vervorming korter en
dikker. Bij onvoldoende mogelijkheden voor plastische vervormingen ontstaan
trekspanningen in de rand, die aanleiding kunnen zijn tot scheuren.
Bij verdere afkoeling van de kern naar kamertemperatuur wil deze verder
krimpen, hetgeen door de rand wordt verhinderd. Er ontstaan daardoor
drukspanningen in de rand en trekspanningen in de kern.
ad 2
fasetransformatie
Bij de overgang van austeniet naar martensiet treedt volumevergroting op.
Deze volumevergroting vindt plaats in een klein temperatuurtraject en
compenseert ruimschoots de thermische inkrimping bij afkoelen.
We moeten een onderscheid maken tussen volledige en onvolledige
doorharding
Bij onvolledige doorharding zet de rand om in martensiet, waardoor in de
rand drukspanningen worden opgebouwd. (Figuur 70a).De rand koelt eerst af,
waardoor trekspanningen ontstaan. Op tijdstip t1 begint de kern om te zetten
naar ferriet/perliet, wat een kleine volumevergroting tot gevolg heeft. Iets later,
bij t2, zet de rand om naar martensiet. Dit gaat gepaard met een grote
uitzetting, waardoor de trekspanningen overgaan in drukspanningen.
Bij volledige doorharding zet eerst de rand om in martensiet, waardoor daar
drukspanningen optreden, vervolgens zet de kern om in martensiet. Deze
laatste volumevergroting veroorzaakt in de rand trekspanningen (Figuur 70b).
Bij werkstukken met grote dikteverschillen of scherpe overgangen kunnen
hierdoor hardingsscheuren optreden. Vooral in staal met een hoog C gehalte,
is het dus belangrijk niet sneller af te schrikken dan strikt noodzakelijk.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
67
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Bij onvolledige
doorharding of bij
oppervlaktehardin
g
en als
afkoelspanningen
overheersen
Bij een volledige
doorharding en als
de
omzetspanningen
overheersen
Figuur 70
Schematische spanningstoestand op oppervlakte en kern van een staaf tijdens en na het afschrikken.
68
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.6.6 Het ontlaten
Na het afschrikken moet altijd een ontlaatbehandeling volgen om de brosheid
te verminderen.
Helaas gaat daarbij ook een deel van de hardheid verloren, zodat de
ontlaattemperatuur altijd een compromis zal zijn. Meestal is 1 à 2 uur ontlaten
voldoende.
In § 4.3 werden de structuurveranderingen reeds besproken. Ook is daar de
keuze voor de juiste ontlaattemperatuur weergegeven.
De ontlaatbehandeling wordt uitgevoerd in olie of zoutbaden of in speciale
ontlaatovens met luchtcirculatie.
Algemeen geldt, dat een lange tijd ontlaten op lage temperatuur hetzelfde
resultaat heeft als een korte tijd ontlaten op hoge temperatuur. Een vuistregel
hiervoor is: elke 25 °C scheelt een factor 4 in tijd.
4.6.7 Speciale hardingsmethodes
De hardingsspanningen in een werkstuk kunnen worden verminderd door niet
rechtstreeks af te koelen tot kamertemperatuur. Er zijn daarbij verschillende
mogelijkheden. (zie Figuur 71)
getrapt harden (martempering) ( kromme 4)
Het werkstuk wordt eerst in een bad gedompeld met een temperatuur dicht
boven MS. Omdat het temperatuurverschil tussen werkstuk en afschrikbad
kleiner is, zal de temperatuurgradiënt in het werkstuk kleiner zijn.
Nadat de temperatuur over de gehele doorsnede gelijk is geworden
(temperatuurvereffening), kan in lucht verder worden gekoeld. Hierbij wordt
martensiet gevormd. Deze methode kan alleen bij staalsoorten met een lage
kritische afkoelsnelheid en een trage bainietvorming.
Na de harding wordt vervolgens normaal ontlaten.
onderbroken harding ( kromme 3)
Bij deze hardingsmethode wordt geen temperatuurvereffening toegepast,
maar direct na afkoeling in een warmbad verder gekoeld in lucht.
isotherm of bainitisch harden (austempering) ( kromme 5)
Na afschrikken in een warmbad tot even boven MS wordt het werkstuk zo lang
op temperatuur gehouden tot de (isotherme) omzetting is voltooid. Het
eindproduct is dan bainiet, minder hard, maar taaier dan martensiet.
Er hoeft niet meer te worden ontlaten, waardoor deze methode goedkoper
kan zijn.
Deze methode is, net als beide voorgaande geschikt als het CCT diagram
naar rechts is verschoven door legeren.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
69
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
oppervlakteharding
In vele werkstukken wenst men een hard en slijtvast oppervlak in combinatie
met een taaie kern. Dit kan men bereiken door een oppervlakteharding.
Het oppervlak wordt zeer snel opgewarmd tot in het austenietgebied, terwijl
de kern zó koud blijft dat daarin geen omzetting plaats vindt.
Vervolgens wordt het staal in water afgeschrikt, waardoor het deel van het
werkstuk dat in austeniet was omgezet, gehard wordt.
Na het afschrikken dient ook weer ontlaten te worden.
De verwarming van het oppervlak kan worden uitgevoerd met een gasvlam
(vlamharden), door opwekken van een hoogfrequent-inductiestroom in het
oppervlak (inductieharden), of door verhitting met een laserstraal
(laserharden).
Figuur 71
Schematisch overzicht van de gebruikelijke warmtebehandelingen van staal,
weergegeven in een TTT diagram
1.
2.
3.
4.
5.
6.
70
Normaalgloeien
“gewoon” harden
onderbroken harding
getrapt harden (martempering), uit te voeren in een warmbad
bainitisch harden (isotherm harden of austempering)
isotherm veredelen (patenteren)
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
4.6.8 Veredelen
gewoon veredelen.
Onder veredelen van staal verstaat men een speciaal hardingsproces: het is
een combinatie van harden en ontlaten op hoge temperatuur (550-700 °C)
Na het ontlaten moet snel worden gekoeld in olie of lucht. (anders wordt het
materiaal te zacht - zie zachtgloeien)
Het doel van het veredelen is het verkrijgen van een zeer fijne verdeling van
carbiden in een fijnkorrelige ferritische grondmassa. De structuur die ontstaat,
is weergegeven in Figuur 45.
Het veredelen wordt toegepast bij ongelegeerde en geleerde staalsoorten met
0,2-0,6% C en levert een optimale combinatie van taaiheid en sterkte.
Met toenemende ontlaattemperatuur nemen de hardheid, rekgrens en
treksterkte af, terwijl de rek, insnoering en kerfslagwaarde stijgen. Uiteraard is
ook de ontlaattijd daarbij van invloed. Men kan dezelfde resultaten bereiken
door lang ontlaten bij lage temperatuur of door kort ontlaten bij hoge
temperatuur.
De resultaten zijn afhankelijk van de doorharding. Bij onvolledige doorharding
zijn de eigenschappen van rand en kern na het veredelen verschillend. De
verschillen zijn minder dan direct na het afschrikken en nemen af met
toenemende ontlaattemperatuur. Het hoog-ontlaten van laag bainiet geeft
bijvoorbeeld dezelfde resultaten als ontlaten van martensiet.
In Tabel 5 zijn de verschillen in mechanische eigenschappen na
normaalgloeien en veredelen weergegeven.
Door het veredelen worden ook de mechanische eigenschappen bij hoge en
lage temperatuur verbeterd.
De kruipsterkte neemt eveneens toe.
Door de fijne structuur ligt de overgangstemperatuur van veredeld staal
belangrijk lager dan van normaalgegloeid staal.
Structuur
RM (N/mm2)
RE (N/mm2)
A5 (%)
Z (%)
gewalst
veredeld
850
850
520
620
5
15
10
40
Tabel 5
Mechanische eigenschappen van C 60 in walstoestand en na veredelen.
april 2007; © C.A. Brak
Transformaties bij snelle afkoeling
71
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
isotherm veredelen.
Veredelen kan ook plaats vinden na een isotherme omzetting in het
bainiet-gebied, bij een temperatuur ruim boven MS. Hierdoor ontstaan veel
minder maat- en vormveranderingen in het werkstuk.
Afhankelijk van de omzettingstemperatuur wordt nog op overeenkomstige
manier ontlaten als bij gewoon veredelen.
patenteren (zie Figuur 71 kromme 6)
Een variant op het isotherm veredelen is het patenteren van staaldraad.
De isotherme transformatie vindt nu plaats in het troostietgebied bij ongeveer
500-550 °C. Er ontstaat dus zeer fijne perliet.
De aldus verkregen structuur, die vrij moet zijn van pro-eutectoïdische ferriet,
is sterk en taai.
Door koudtrekken van deze gepatenteerde staaldraad kunnen treksterktes
van 2000 N/mm2 (liftkabels) en zelfs van 3000 N/mm2 (pianosnaren) worden
bereikt.
Grote hoeveelheden gepatenteerde draad worden verwerkt tot betonijzer,
waarbij de treksterkte ca. 1750 N/mm2 is.
72
Transformaties bij snelle afkoeling
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5. Gietijzer
Gietijzer is een in de techniek toegepaste ijzer-koolstof-silicium legering met
2-4,5 %C.
Het siliciumgehalte ligt tussen 0,5 en 3,5 %. Verder zijn altijd mangaan,
zwavel en fosfor aanwezig.
(Een sluitende definitie van gietijzer is moeilijk te geven omdat er enige overlapping
optreedt met de hooggekoolde en gelegeerde, de zgn. ledeburitische staalsoorten.)
Er moet onderscheidt gemaakt worden tussen gietijzer dat geheel volgens het
metastabiele ijzer-koolstofdiagram is gestold (wit gietijzer) en gietijzer dat ten
minste gedeeltelijk volgens het stabiele diagram is gestold (grijs gietijzer).
De eigenschappen van gietijzer zijn zeer sterk afhankelijk van de wijze
waarop de koolstof wordt uitgescheiden.
De koolstof kan voorkomen
• gebonden met ijzer tot Fe3C, (cementiet)
• vrij als grafiet in de vorm van lamellen, nesten of nodulen.
In de begintijd van het metaalonderzoek werden de metalen beoordeeld naar
uiterlijk en kleur van het breukvlak.
Bij gietijzer biedt dit nog steeds de mogelijkheid van een snelle eerste indeling
in wit en grijs, door het opvallende verschil tussen ijzer met en zonder
uitscheiding van grafiet.
We spreken van wit gietijzer als de koolstof gebonden is als cementiet,
en van grijs als de koolstof uitgescheiden is als grafiet
De verschijningsvorm (gebonden of vrij) hangt vooral af van:
• de samenstelling
• de afkoelsnelheid tijdens en na het gieten.
Door legeren kan de uitscheidingsvorm worden beïnvloed.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
73
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.1 Structuren in gietijzer
Voor het verklaren van de structuur kan gebruik worden gemaakt van het
ijzer-koolstof-diagram, Hierbij treden echter twee complicaties op.
• Dit diagram is slechts geldig voor een zuiver binaire Fe-C-legering. De
essentiële punten en lijnen kunnen sterk verschuiven door de altijd
aanwezige andere elementen.
• De afkoelsnelheid bepaalt in hoeverre het stabiele dan wel het
metastabiele diagram gevolgd wordt.
Met het eerste punt houdt men rekening door te werken met het koolstofequivalent; dit is het schijnbare koolstofgehalte dat gevonden wordt volgens
de formule
C eq = C +
Si + P
3
Hierin zijn de elementen in gewichtspercentages weergegeven.
Een gietijzer met silicium en fosfor gedraagt zich dus alsof er meer koolstof in
zit.
Ook andere elementen hebben invloed op de ontstane stollingsstructuur (zie
5.4).
Omdat het een empirische formule is worden ook wel andere waarden weergegeven,
zoals bijvoorbeeld:
Ceq = C + 0.3Si + 0,33P + 0.027Mn + 0.4S
De afkoelsnelheid hangt van vele factoren af, onder andere van de wanddikte
van het gietstuk, de giettemperatuur en de gietsnelheid.
Ter beoordeling van de invloed van al deze factoren op de structuur kan
gebruik gemaakt worden van de wigproef. Er wordt dan een wigvormig
proefstuk van voorgeschreven afmetingen gegoten, op de voorgeschreven
wijze afgekoeld en doorgebroken (Figuur 72). In de punt van de wig is het
ijzer wit gestold (metastabiele stolling, geen grafiet).
Via een gemêleerde zone gaat dit over in grijs gietijzer. De grootte van het
witte gedeelte geeft een aanduiding over de aard van het gietijzer.
Ook andere vormen van gietproefstukken worden gebruikt.
Figuur 72
74
Proefstuk voor de wigproef
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.2 Koolstoffactor
De voordelen van een gietlegering komen het best tot uiting wanneer de
samenstelling dicht in de buurt van het eutectische punt ligt:
•
de giettemperatuur is dan laag,
•
er -treedt geen segregatie op,
•
het vormvullend vermogen is dan groot (goede gietbaarheid)
•
de slink (volumevermindering bij het stollen) is klein.
Het eutectische punt wordt verschoven door de naast ijzer en koolstof nog
aanwezige elementen, vooral Si en P volgens de formule –geldig voor
ongelegeerd gietijzer (vereenvoudigde vorm):
C eut = 4,26 −
Si + P
3
Of we te maken hebben met een onder-, dan wel boveneutectisch gietijzer
kan worden bepaald met de de eutectische verzadigingsgraad of
koolstoffactor SC, dit is de verhouding tussen het koolstofgehalte van het
gietijzer en het (gecorrigeerde) koolstofgehalte van het eutecticum.
SC =
C
C eut
Als SC < 1, is het gietijzer ondereutectisch.
Voorbeeld:
Voor een gietijzer met 3,3 % C, 2,4 % Si en 0,3 % P berekent men de koolstoffactor:
SC =
C
=
C eut
3, 3
3, 3
= 0,98
=
2 ,4 + 0 , 3
3,36
4,26 −
3
dat wil zeggen het gietijzer is juist ondereutectisch.
Een koolstoffactor groter dan 1 zal in het algemeen worden vermeden, daar
de primaire cementiet- of grafietuitscheidingen, die dan ontstaan, een
ongunstige invloed op de mechanische eigenschappen hebben.
5.3 Structuren
Zoals gezegd kunnen er verschillende structuren ontstaan, tijdens het stollen,
of na een warmtebehandeling.
De stollingsstructuren kunnen aan de hand van het ijzer-koolstof-diagram
besproken worden.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
75
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 73
IJzer-koolstof diagram
5.3.1 Stollingsstucturen
1. metastabiele stolling, wit gietijzer
Hierbij ontstaat geen vrije grafiet, de stolling verloopt geheel volgens het
metastabiele diagram. Een gietijzer met 3 %C, dat uit het vloeistofgebied
afgekoeld wordt, zal bij het passeren van de lijn BC, bij ongeveer 1300 °C,
primaire austenietdendrieten uitscheiden met een koolstofgehalte van 1,3 %.
Verder afkoelen doet de hoeveelheid austeniet toenemen, waarbij de
samenstelling verschuift naar E, terwijl de afnemende hoeveelheid vloeistof
naar de samenstelling C van het eutectische punt toe gaat.
Bij 1148 °C zet de resterende vloeistof zich dan om in ongeveer gelijke delen
austeniet (met 2 %C) en cementiet (met 6,67 %C), het ledeburiet-eutecticum.
Daling van de temperatuur tot 727°C geeft een uitscheiding van secundaire
cementiet, die meestal één geheel vormt met de cementiet van het
eutecticum; de samenstelling van de austeniet loopt terug tot 0,77 %C (punt
S). Hier aangekomen vindt de eutectoïdische reactie plaats:
γ (S) Æ α (P) + Fe3C (K),
er ontstaat een perliet-structuur.
76
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Verder afkoelen veroorzaakt nog een geringe cementietafscheiding, die men
in de structuur niet kan waarnemen (tertiaire cementiet).
In Figuur 74 is deze structuur goed te herkennen: de primair stollende
austeniet heeft een dendritisch uiterlijk. Na overgang tot perliet kleurt deze
fase donker. De cementiet blijft wit.
Ter vergelijking is ook de structuur van boveneutectisch wit gietijzer
weergegeven. Deze structuur is ongewenst, wegens zeer grote brosheid.
Figuur 74
Ondereutectisch wit gietijzer. (V= 200x)
Figuur 75
Boveneutectisch wit gietijzer.
De witte strepen zijn de primair stollende Fe3C kristallen.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
77
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 76
Ferritisch grijs gietijzer
(V = 500x)
Figuur 77
Perlitisch grijs gietijzer.
V = 500x
Figuur 78
Ferritisch perlitisch grijs
gietijzer.
V = 500x
78
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
2. stabiele stolling; grijs gietijzer
Bij de stabiele stolling is het begin gelijk aan het voorgaande, nl. uitscheiding
van austenietdendrieten. Er treedt nu echter geen ledeburiet-eutecticum op,
want wanneer bij 1154 °C de vloeistof de samenstelling C’ bereikt heeft, zal
deze zich omzetten in austeniet (E’) en grafiet, het grafieteutecticum.
Afhankelijk van de samenstelling en omstandigheden kunnen dan 3 situaties
optreden:
− 2a: de afkoeling verloopt geheel volgens het stabiele diagram.
− 2b: er vindt tussen 1154 °C en het fase-evenwicht bij 738°C een overgang
plaats van een stabiele naar metastabiele afkoeling.
− 2c de afkoeling wordt metastabiel bij het fase-evenwicht bij 738°C.
2a. geheel stabiele afkoeling.
De austeniet, die bij 1154 °C ontstaat zal bij de afkoeling steeds koolstof
uitscheiden. Deze koolstof zet zich af langs de reeds gevormde koolstof, ook
nieuwe koolstofuitscheidingen vinden plaats. Bij het eutectoïde van 738 °C zet
de austeniet om in ferriet en koolstof.
Het resultaat is een geheel ferritische matrix (wit) met daarin zwarte
koolstofuitscheidingen. Deze soort gietijzer heet ferritisch grijs gietijzer. Zie
Figuur 76.
2b. overgang naar metastabiele diagram boven 738°C
Ergens tussen de twee driefase-evenwichten vindt de overgang naar het
metastabiele Fe-F~C diagram plaats. Bij 727°C vindt dan vorming van perliet
plaats i. p. v. ferriet + koolstof. De structuur die dan ontstaat, noemt men
perlitisch grijs gietijzer. Zie Figuur 77.
2c. overgang naar stabiele diagram tijdens de omzetting van austeniet
naar ferriet
Tenslotte kan het nog gebeuren, dat bij 738 °C de austeniet die in direct
contact met de grafiet is zich omzet in ferriet en grafiet, terwijl de verder
verwijderde austenietkristallen bij 727°C overgaan in perliet. De matrix bestaat
dan uit ferriet met daarin grafiet, omgeven door perliet.
Men noemt dit gewoon grijs gietijzer met een ferritisch-perlitische grondmassa
Figuur 78.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
79
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 79
Gemêleerd gietijzer (V= 500x)
3. Gemêleerd gietijzer
Ook moet nog genoemd worden het gemêleerde gietijzer (Figuur 79) waarbij
de stolling gedeeltelijk volgens het stabiele en gedeeltelijk volgens het
metastabiele diagram heeft plaatsgevonden. Deze structuur kan men
aantreffen als overgangszone tussen wit en grijs gietijzer, wanneer een
gietstuk door snelle afkoeling aan de buitenkant wit en binnenin grijs gestold
is (bijv. zgn. harde schil gietijzer voor walsrollen).
De bovengenoemde grijze structuren komen ook voor bij het nodulaire
gietijzer (Figuur 82), waarbij de grafiet in compacte, bolvormige manier is
uitgescheiden. Het nodulaire gietijzer zal later besproken worden, evenals het
zgn. smeedbare gietijzer dat door gloeibehandelingen uit wit gietijzer te
verkrijgen is.
5.3.2 De matrix van gietijzer
De matrix van gietijzer verschilt in wezen niet veel van die van staal; door
warmtebehandelingen en legeren kan men allerlei andere structuren
verkrijgen, zoals martensiet, troostiet, bainiet en austeniet.
Er is echter een belangrijk verschil bij de warmtebehandeling; wanneer bij het
austeniteren van staal de laatste resten ferriet en perliet zijn omgezet, heeft
men een homogene austenitische grondmassa als uitgangsstructuur voor de
verdere omzetting. Bij gietijzer echter zal nooit een homogene austeniet
worden verkregen, omdat de grafiet of de cementiet slechts gedeeltelijk
kunnen oplossen.
Omdat de instelling van het koolstofevenwicht tussen de grafiet en de
austeniet zeer langzaam gaat, moet de austeniteertijd langer zijn dan die voor
staal.
80
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Warmtebehandelingen met lamellair gietijzer worden vrij weinig toegepast, die
van nodulair en wit (en smeedbaar) gietijzer daarentegen zijn van groot
belang. Door harden of veredelen kunnen hierbij de eigenschappen sterk
worden verbeterd. Bij lamellair gietijzer heeft verbetering van de structuur van
de matrix minder zin, omdat de kerfwerking van de grafietlamellen bepalend is
voor de eigenschappen.
5.3.3 Grafietvorm
Koolstof als grafiet kan in verschillende vormen aanwezig zijn
1.
Lamellair
Hoe de lamellaire uitscheidingsvorm ontstaat, is reeds besproken. Daarnaast
is de verdeling van de lamellen in de matrix nog een variabele.
Door ASTM/AFS, is daarbij een indeling gemaakt in 5 types.
Figuur 80
Vormen van lamellaire grafiet volgens ASTM / AFS
Type A—gelijkmatige verdeling, willekeurig georiënteerd; Type B—rozetten; Type
C—grove lamellen; Type D—interdendritische segregatie, willekeurig georiënteerd;
Type E— interdendritische segregatie, met voorkeursrichting.
a:
Type B: rozetten, willekeurig georiënteerd
Figuur 81
b:
detail van foto a
Rozetvormige koolstofuitscheiding
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
81
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
2.
Nodulair
Door vlak voor het gieten een entmiddel toe te voegen aan de smelt (meestal
Mg) blijkt de koolstof zich bolvorming uit te scheiden.
Dit heeft grote voordelen: de sterkte en de taaiheid zijn hoger, de lasbaarheid
wordt beter, de slink wordt minder.
Door ASTM/AFS is ook voor nodulair gietijzer een typeaanduiding gemaakt,
die internationaal gebruikt wordt.
Ferritisch nodulair
Figuur 82
Ferritisch-perlitisch nodulair
Nodulaire gietijzersoorten
3
Grafietnesten
In wit gietijzer kan de cementiet door een warmtebehandeling uiteenvallen
waardoor er grafietuitscheidingen ontstaan, niet mooi bolvormig, maar grillig
gevormd.. (“grafietnesten”).
Hoe die warmtebehandeling wordt uitgevoerd, komt verderop aan de orde:
hier wordt volstaan met de structuur.
De matrix, kan daarbij ferritisch, perlitisch, martensitisch, etc zijn.
Figuur 83
Amerikaans smeedbaar gietijzer met matrix van ferriet/perliet (v= 500x)
(pearlitic malleable cast iron, Temperguss))
82
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.4 De invloed van andere elementen op de structuur
Silicium is reeds genoemd als normaal voorkomend element in gietijzer;
boven 3 %Si kan men van gelegeerd gietijzer spreken. Het heeft dan een
duidelijk waarneembare gunstige invloed op de hittevastheid. Silicium werkt
sterk grafitiserend, waardoor het grijs stollen dus bevorderd wordt.
Koper en nikkel werken eveneens grafitiserend, in wat mindere mate dan
silicium. In tegenstelling tot Si hebben Cu en Ni een perliet-stabiliserende
invloed, wat van belang is voor kwaliteitsgietwerk met geheel perlitische
grondmassa. In gelegeerd gietijzer ontstaat met toenemend nikkelgehalte
resp. de bainitische, de martensitische en de austenitische structuur.
Chroom werkt carbide-stabiliserend, bevordert dus de witstolling met
perlitische matrix.
Zwavel is weinig oplosbaar, vertoont een sterke segregatie en vormt de
verbinding FeS (met laag smeltpunt), die zich langs de korrelgrenzen afzet.
Dit geeft kans op scheuren tijdens de afkoeling (warmscheuren) en slechte
mechanische eigenschappen. Bovendien geeft zwavel grove grafiet. Het is
dus nodig de aanwezige zwavel met mangaan te binden.
Mangaan is goed oplosbaar in ferriet en austeniet, het bindt de zwavel en
werkt perliet-stabiliserend.
Fosfor kan in het ternaire eutecticum Fe-Fe3C-FeP, het zgn. steadiet
voorkomen. Dit bevat ca. 2 %C en 7 %P en heeft een smeltpunt van 950°C.
Als laagsmeltend bestanddeel vult het de overgebleven holtes en kan door
zijn grillige vorm gemakkelijk herkend worden (Figuur 84).
Het lage stolpunt van het eutecticum maakt, dat het gietijzer dunvloeibaar en
goed gietbaar is, zodat dunwandige gietstukken vervaardigd kunnen worden.
Het steadietnetwerk, dat bij wat hogere fosforgehaltes kan ontstaan, maakt
het gietijzer wel bros, maar ook goed bestand tegen slijtage, zodat het
toegepast wordt waar goede loopeigenschappen van het oppervlak gewenst
worden.
Figuur 84
Steadiet uitscheiding
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
83
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.4.1 Weicheltdiagram
Verschillende onderzoekers hebben gepoogd de samenhang tussen
structuur, samenstelling en afkoelsnelheid van gietijzer vast te leggen. Vooral
het werk van Weichelt, die staven van verschillende diktes goot in groen zand
(d.i. niet gedroogd zand) en dan de structuren onderzocht, is bekend
geworden.
Figuur 85 geeft een ruimtelijk Weichelt-diagram weer, waarvan Figuur 86 een
doorsnede is voor de staaf van 30 mm, die meestal als maatgevend wordt
beschouwd.
Bij geringere wanddikte, dus grotere afkoelsnelheid, zal het witte gebied (I)
groter worden en de begrenzingslijnen zullen naar rechts schuiven.
De bovenste lijn in het diagram geeft het verloop weer van het eutectische
punt. als functie van het Si-gehalte; een samenstelling op deze lijn heeft dus
een koolstoffactor = 1, daaronder is Sc < 1.
Figuur 85
Ruimtelijk
Weicheltdiagram.
Bij toenemende
afkoelsnelheid wordt het
gebied “wit gietijzer”
groter. (vergelijk de
voor en achterkant)
Figuur 86
De van I tot V genummerde
gebieden duiden resp. aan het
witte, het gemêleerde, het grijs
perlitische, het gewone grijze en
het grijs ferritische gietijzer.
84
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.5 De mechanische eigenschappen
De mechanische eigenschappen van gietijzer worden bepaald door twee
factoren:
− de structuur en de samenstelling van de matrix.
− de hoeveelheid, de vorm en de verdeling van de grafiet.
Het niet speciaal behandelde of gelegeerde gietijzer heeft een matrix, die
bestaat uit een mengsel van ferriet en perliet met een treksterkte van 7001000 N/mm2. Deze waarden zijn hoog in vergelijking met normaal
constructiestaal; dit is toe te schrijven aan het meestal vrij hoge perlietaandeel
en het feit, dat gietijzer meer elementen bevat (zoals silicium) die de ferriet
verstevigen.
De grafiet neemt 5-15 volume-procenten van het metaal in. Daar men de
grafietlamellen kan beschouwen als holtes in het metaal, gevuld met grafiet,
dat geen trekkrachten (wel drukkrachten) kan opnemen, valt dus te rekenen
met een overeenkomstige vermindering van de werkzame doorsnede.
Veel belangrijker is echter de vorm en de ligging van de grafietuitscheiding op
het spanningsverloop; Figuur 87 geeft hiervan schematisch een voorbeeld.
Opgemerkt moet worden, dat het microscopische beeld van een (meestal
ongeëtst) preparaat ons een doorsnede geeft van een ruimtelijke
grafietuitscheiding, die de vorm kan hebben van platen, rozetten of enigszins
gedeformeerde scheepsschroeven (Figuur 88). Men spreekt bij het gewone
gietijzer meestal van bladgrafiet.
Figuur 87
Invloed van de grafietvorm op spanningsconcentraties
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
85
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 88
Driedimensionale voorstelling van een
grafietuitscheiding (rozet)
Figuur 89
Gebroken trekstaaf
Wegen het brosse gedrag is de meetlengte van
een trekstaaf uit wit gietijzer in het midden
dunner.
gietijzer met
bladgrafiet
(lamellair)
nodulair
gietijzer
staal
Figuur 90
E-modulus van staal vergeleken
met die van gietijzer
86
Figuur 91
Dempingskarakteristieken
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
De American Society for Testing Materials (A.S.T.M.) heeft een indeling in 5
klassen gemaakt naar het voorkomen van de bladgrafiet, genummerd van 1
tot 8 naar de grootte (dat is dus anders dan de typeanduiding).
Ook voor de bolvormige grafiet in nodulair gietijzer en de temperkool in
smeedbaar gietijzer zijn dergelijke indelingen gemaakt, die in de meeste
landen ter karakterisering gebruikt worden.
Uit Figuur 87 blijkt duidelijk hoe de scherpe uiteinden van de grafietlamellen
bij trekbelasting een grote spanningsconcentratie geven in de matrix,
waardoor daar ter plaatse reeds kleine plastische vervormingen kunnen
optreden, lang voordat de gemiddelde spanning de elasticiteitsgrens van de
matrix heeft bereikt. Bij toenemende belasting zullen de lamellen steeds
wijder open gaan staan en het verder doorlopen van de scheurtjes zal het
materiaal spoedig bros doen breken. De gevolgen van dit gedrag voor de
mechanische eigenschappen zijn:
een vrij grote elastische rek, een zeer kleine plastische rek en dus een brosse
breuk met het breukvlak loodrecht op de as van de trekstaaf (Figuur 89).
een lage elasticiteitsmodulus, die sterk afhangt van het grafietgehalte van het
gietijzer en die bovendien kleiner wordt bij toenemende belasting.
De wet van Hooke is dus niet geldig; het trekdiagram vertoont namelijk geen
rechte moduluslijn, zoals bij staal.
Men geeft als de E vaak de geëxtrapoleerde waarde op bij een belasting = 0.
In Figuur 90 is de trekkromme van gietijzer vergeleken met die van staal. Bij
druk gedraagt gietijzer zich heel anders; het heeft dan een trekkromme en
een elasticiteitsmodulus die lijkt op die van staal.
een lage treksterkte; veel lager dan de eigenlijke treksterkte van de matrix; de
druksterkte is echter hoog.
een grote demping; hieronder verstaat men het uitsterven van trillingen, die
door uitwendige oorzaken in het materiaal opgewekt worden. Door deze
trillingen worden de grafiet lamellen telkens opengetrokken en weer
dichtgedrukt, waarbij de eerder genoemde spanningsconcentraties en kleine
plastische vervormingen optreden. Hierdoor wordt trillingsenergie in warmte
omgezet (inwendige wrijving), zodat de amplitude van de trillingen snel
afneemt.
In Figuur 91 is de demping van gietijzer met bladgrafiet vergeleken met die
van nodulair gietijzer en van staal. Een groot dempingsvermogen is van
belang van fundaties en frames van machines (b.v. motoren of
gereedschapswerktuigen) daar hierdoor het rustig lopen en de
nauwkeurigheid van de bewerking worden bevorderd.
De vermoeiingssterktes van gietijzer liggen laag door de aanwezigheid van de
grafietlamellen, om deze reden is echter ook de kerffactor gelijk aan een (1),
zodat de afwerking van het oppervlak er niet toe doet.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
87
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.6 Toepassingen van wit en grijs gietijzer
Wit gietijzer met een hardheid van 300 - 500 HV30 wordt gebruikt waar een
grote weerstand tegen slijtage vereist is, zoals kogels in kogelmolens, bekken
van ertsbrekers enz. Door legeren kan men zelfs een geheel martensitisch wit
gietijzer verkrijgen; d.w.z. de perliet is dan omgezet in martensiet, de
cementiet blijft natuurlijk onveranderd. De hardheid hiervan bedraagt 550 700 HV afhankelijk van de ont1aattemperatuur.
Voor walsrollen wordt vaak het harde-schil-gietijzer toegepast. Door een
juiste keuze van samenstelling en afkoelsnelheid verkrijgt men dan een
buitenlaag van bijvoorbeeld enkele cm' s dik, die wit gestold is en dus goed
bestand is tegen slijtage, terwijl de kern bestaat uit grijs gietijzer, dat niet zo
bros is. Tussen deze structuren in bevindt zich een overgangslaag van
gemêleerd gietijzer.
Wit gietijzer wordt ook bereid om als uitgangsproduct te dienen voor het nog
te bespreken smeedbare gietijzer. Het is een minder goede gietlegering dan
het grijze gietijzer, doordat de samenstelling meesta1 verder van het
eutektikum ligt en omdat het de grafietuitscheiding mist, die bij het grijze
gietijzer in staat is de slink bij het stollen op te heffen.
Gewoon grijs gietijzer is het normaal.toegepaste gietijzer in de
machinebouw, onder andere voor frames van machines, fundatieplaten,
tandwielkasten, kussenblokken enz., dit vanwege de grote
dempingseigenschappen.
Het sterkere perlitische gietijzer gebruikt men voor zwaar belaste
onderdelen in de machinebouw; door zijn weerstand tegen slijtage is het ook
geschikt voor loopvlakken. Toepassingsvoorbeelden zijn: motorblokken,
cilindervoeringen, zuigers en zuigerveren, remblokken, tandwielen,
geleidingen, bedden voor draaibanken, spoorwielen.
Belangrijke factoren bij deze toepassingen zijn de slijtvastheid en de goede
loopeigenschappen van het gietijzeroppervlak. Deze kunnen toegeschreven
worden aan de gemengde structuur met zachte en hardere delen (vooral door
o.a. steadiet) en aan de grafiet, die het oppervlak als het ware poreus maakt,
waardoor het smeermiddel goed uitgespreid en vastgehouden wordt.
Veel minder dan vroeger wordt gietijzer gebruikt voor potten en pannen,
haarden, kachels, verwarmingsradiateuren, waterleidingbuizen,
vuilwaterafvoeren in de bouw, straalkolken, putdeksels e.d.
Op deze gebieden wordt het verdrongen door staalplaat, aluminium of
kunststoffen
Door zijn goedkoopte, goede gietbaarheid en goede bewerkbaarheid (index =
80 tegen automaatstaal 100 vindt het toch nog op aller1ei gebieden
toepassing.
De corrosievastheid is niet bijzonder groot, maar het roesten vindt zeer
gelijkmatig plaats, zodat bijvoorbeeld putdeksels jarenlang onbeschermd in de
buitenlucht meegaan.
88
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
In het volgende gedeelte zal besproken worden hoe de brosheid, die een
nadelige factor is bij de toepassing van gietijzer, vermeden kan worden door
beïnvloeding van de uitscheidingsvorm van de koolstof.
5.7 Smeedbaar gietijzer
Deze naam is misleidend; het bedoelde materiaa1 zal in de praktijk nooit
worden gesmeed, maar is wel goed vervormbaar. Men onderscheidt twee
soorten smeedbaar gietijzer:
5.7.1 Frisijzer, ook wel wit of Europees smeedbaar gietijzer genoemd.
Hierbij worden de gewenste eigenschappen verkregen door, uitgaande van
normaa1 wit gietijzer, de koolstof uit het gietstuk te verwijderen door oxidatie
(gloeifrissen). De werkstukken worden ingepakt in ijzererts en gegloeid op
900 à 950°C. Aan het metaaloppervlak wordt de koolstof door de zuurstof van
de lucht tot CO2 geoxideerd. Dit is in staat om nog meer koolstof tot CO te
oxideren. Nadat de luchtstikstof uit de gloeikist te verdreven, hebben we dus
te maken met het evenwicht
CO2 + C ~ 2CO
Bij genoemde temperatuur ligt dit evenwicht sterk naar rechts ligt, namelijk bij
97 %CO.
Het CO zal nu in contact met het erts volgende reactie geven:
CO + 3 Fe2O3 ⇄ CO2 + 2 Fe3O4
Deze nieuwgevormde CO2 is weer in staat om koolstof te oxideren enz. De
som van de reacties aan het metaaloppervlak en aan het erts is:
3 Fe2O3 ⇄ CO + 2 Fe3O4.
Er ontwijkt dus CO, dat met een blauwe vlam buiten de gloeikist verbrandt. Bij
nieuwere uitvoeringen van dit proces werkt men met een licht oxiderende
atmosfeer in de oven; het inpakken in erts kan dan achterwege blijven.
Uit het metaaloppervlak verdwijnt koolstof; door diffusie zal dit weer aangevuld worden, maar dan daalt dus het koolstofgehalte van de austeniet,
zodat de cementiet zal gaan oplossen. Dit proces gaat door tot het koolstofgehalte overal in het metaal gelijk is.
Gezien de ligging van het evenwicht is dit praktisch nul; de structuur bestaat
na het afkoelen dus uit ferriet. Bij dit proces is de wanddikte beperkt tot max.
5 mm omdat anders de diffusiewegen voor de koolstof te lang worden en de
gloeitijden wel een week kunnen duren. Bovendien bestaat dan de kans, dat
de ontleding van de cementiet een rol gaat spelen en er binnen in het
werkstuk koolstofnesten ontstaan. Men spreekt dan van zwartkern gietijzer.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
89
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.7.2 Temperijzer, ook wel zwart of Amerikaans smeedbaar gietijzer genoemd.
Uitgaande van wit gietijzer laat men hier de cementiet ontleden door langdurig
gloeien in een neutrale atmosfeer waarbij de koolstof zich in de vorm van
nesten afzet (temperkool, fig. 5.2l).
Deze nesten missen de kerfwerking van de bladgrafiet; zij veroorzaken dus
door het ontbreken van de spanningsconcentraties geen brosheid. Het voor
temperen geschikte gietijzer bevat wat meer silicium dan het frisijzer.
De samenstelling ligt bij de grens van het witte gebied, wat uiteraard weer een
wanddiktebeperking inhoudt.
Om een zo volledig mogelijke afscheiding van de koolstof te krijgen gloeit
men in twee trappen.
Eerst vindt een snelle ontleding plaats bij 900 à 950°C; wanneer alle
cementiet verdwenen is, verkeert bij die temperatuur de uitgescheiden
temperkool in evenwicht met austeniet met een koolstofgehalte van + l,5 %.
Door nu langzaam in de oven te laten afkoelen tot 650 à 700 °C, enige tijd op
deze temperatuur te houden en vervolgens in lucht te koelen kan een volledig
ferritische matrix met temperkoolnesten verkregen worden.
Koelt men na de eerste gloeiing van ongeveer de perliet-temperatuur in lucht
af, dan zal -de . grondmassa van -het temperijzer perlitisch zijn; sterker maar
minder taai dan het ferritische.
5.7.3 Toepassingen van smeedbaar gietijzer
Het gloeifrisproces is omslachtig en langdurig, leent zich minder goed tot
massaproductie en verliest terrein aan het temperen. Door de vrij strenge
wanddiktebeperking wordt het vooral voor kleine dunwandige werkstukken
gebruik hierbij ondervindt het concurrentie van het sinterproces.
Als voordeel van het frisijzer kan de lasbaarheid genoemd worden; door de
afwezigheid van koolstof kan er dan naast de las geen harding optreden.
Frisijzer wordt vooral gebruikt voor onderdelen van schrijf- en naaimachines,
pijpfittingen, lugs voor het verbinden van de buizen van fietsframes, kleine
auto-onderdelen.
Temperijzer past men in de automobielindustrie veel toe voor onderdelen van
de stuurinrichting, differentieelhuizen, pedalen, nokkenassen en tandwielen,
zelfs krukassen en drijfstangen.
Het perlitische temperijzer is voor tandwielen e.d. zeer geschikt wegens zijn
goede bewerkbaarheid en slijtvastheid. De auto-industrie gebruikt zeer veel
temperijzer per jaar.
90
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.8 Nodulair gietijzer
Dit is in wezen grijs gietijzer waarin de grafiet in compacte bolvorm (nodulen)
is uitgescheiden.
Hierdoor worden de mechanische eigenschappen van de matrix veel minder
beïnvloed dan door de grafietlamellen, zodat rek en treksterkte van het
nodulaire gietijzer veel hoger zijn dan van gietijzer met bladgrafiet.
Men bereikt deze bolvorm door behandeling van de smelt met magnesium;
het mechanisme van de nodulevorming is nog niet geheel bekend.
Een eis is hierbij wel, dat het zwavelgehalte zeer laag is. b.v. 0,0l %; het
nodulaire gietijzer wordt dan ook meestal in elektrische ovens uit zuivere
grondstoffen bereid. De grondmassa kan weer verschillende structuren
hebben, die eventueel door legeren en/of warmtebehandelingen worden
verkregen.
De mechanische eigenschappen van niet gelegeerd nodulair gietijzer worden
voornamelijk bepaald door de structuur en eigenschappen van de matrix.
De invloed van de bolvormige C is beperkt.
Zo zijn goede sterktes en taaiheden te bereiken, zeker als de structuur
bainitisch is (bijvoorbeeld Rm =800 N/mm2; A =5-12% met een bainitische
matrix en Rm= 350 N/mm2; A=22% met een ferritische matrix).
Nodulair gietijzer ligt met zijn eigenschappen tussen die van gietijzer en
gietstaal in. Het is aanzienlijk sterker en taaier dan gietijzer met lamellaire
grafiet, maar in het algemeen wat brosser dan gietstaal. De gietbaarheid en
de slink bij het gieten zijn veel gunstiger dan bij gietstaal (laag smeltpunt,
eutectisch!).
De weerstand tegen vermoeiing en de loopeigenschappen van nodulair
gietijzer zijn goed: de weerstand tegen slijtage is, vooral bij een perlitische
matrix, uitstekend te noemen. De demping ligt tussen die van grijs gietijzer en
van staal in.
Enkele voorbeelden van toepassingen van nodulair gietijzer zijn hier
weergegegeven
Figuur 92
Krukas van aan personenauto
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
91
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
Figuur 93
Diverse onderdelelen van een vrachtauto
5.9 Bijzondere gietijzersoorten
Door legeren en/of warmtebehandelingen kan de structuur van de
grondmassa worden gewijzigd waardoor gietijzersoorten met speciale
eigenschappen worden verkregen. Dit kan bijvoorbeeld nodig zijn in verband
met de slijtvastheid waarvoor naast het gewone witte gietijzer vooral soorten
met een martensitische structuur gebruikt worden. Deze kan worden
verkregen door legeren met nikkel of met chroom, eventueel in combinatie
met een hardingsbehandeling. Hittevast gietijzer kan worden verkregen door
legeren met silicium, nikkel, chroom en aluminium; corrosievast gietijzer met
silicium, chroom en nikkel. Austenitische gietijzersoorten zijn, afhankelijk van
het carbidegehalte, niet of weinig magnetisch en worden daarom in de
elektrotechniek gebruikt.
Op deze soorten zal hier niet verder worden ingegaan.
92
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
Inleiding staal en gietijzer
5.10 Normalisatie
De laatste jaren is er veel gewijzigd op het gebied van naamgeving van
gietijzer.
Bekend zijn de aanduidingen G, GG en GGG voor diverse soorten grijs
gietijzer
De letters worden gevolgd door aanduidingen over de toestand, de sterkte of
de aanwezige legeringselementen.
NEN 6002
(1966)
DIN
(verschillende)
GG 35
GG 35
grijs gietijzer met lamellaire grafiet;
Rm = 340 N/mm2 (= 35 kg/mm2)
GSmT 35
GTS 35
temperijzer, Rm = 340 N/mm2
GSmP 50
GTS 50
smeedbaar gietijzer, Rm = 490 N/mm2
GN 60
GGG 60
nodulair gietijzer, Rm = 690 N/mm2
GGG-120B
GGG NiCr20 2
nodulair gietijzer met bainitische matrix
Rm = 1200 N/mm2
nodulair gietijzer, gelegeerd met 20% Ni en
2% Cr (austenitische matrix)
Tabel 6 Oude naamgeving voor verschillende soorten gietijzer.
(de letters GGG staan voor Gegossen, Globular Gusseisen)
Thans wordt in NPR-ISO/TR 15931:2004 en de naamgeving voor gietijzer
geregeld
Daarin bestaat de naamgeving uit 4 posities:
Positie 1
Er wordt verwezen naar de norm die het type gietijzer beschrijft
Positie 2
Er wordt verwezen naar het type gietijzer
Positie 3
bevat informatie over de mechanische eigenschappen of de
chemische samenstelling
Positie 4
bevat nadere specificatie
In Tabel 7 worden enkele voorbeelden weergegeven, in Tabel 8 de
betreffende normen.
Zonder kennis van die normen is de naamgeving niet eenvoudig te
doorgronden.
april 2007; © C.A. Brak
Gietijzer
93
Hogeschool Utrecht - Centrum voor Techniek
ISO185/JL/200/SH
ISO1083/JS/400-18LT/U
ISO 5922/JMWF/36012/W
Inleiding staal en gietijzer
ISO 185
norm voor grijs lamellair gietijzer
JL
grijs gietijzer met lamellaire grafiet
200
Rm = 200 Nmm2
S, H
spanningsarm gegloeid
ISO 1083
norm voor nodulair gietijzer
JS
nodulaire grafiet
400-18 Rm = 400 Nmm2; A =18%;
LT
kerfslagwaarte bij lage temperatuur vereist
(min 12 J bij -20°C)
U
proefstuk uit gietstuk genomen
ISO 5922
norm voor smeedbaar gietijzer
JMWF
wit smeedbaar grafiet met ferritische matrix
360-12
Rm = 360 Nmm2; A =12%;
W
lasbaar
Tabel 7
Nieuwe naamgeving voor verschillende soorten gietijzer volgens NPR-ISO/TR 15931:2004 en
The aims of this Technical Report are: - to make the designation of cast irons and pig irons as simple and as
understandable as possible, bearing in mind language barriers world-wide;- to define cast iron and pig iron
designations by a simple code consisting of relevant letters and numbers only, taking into account the guidance
given in Technical Report ISO/TR 7003;- to ensure that the agreed system is user-friendly from the point of view
of the casting designer, the manufacturer (founder) and the user;- to ensure that the designation system clearly
defines the materials described by standards and details all of the important attributes of mechanical properties,
chemical composition and additional features that need to be described
ISO TR 7003
ISO 185
ISO 1083
ISO 2892
ISO 5922
Format voor de naamgeving van metalen
Grijs lamellair gietijzer
nodulair gietijzer
austenitisch gietijzer
smeedbaar gietijzer
Tabel 8
reeds verschenen nieuwe normen voor diverse soorten gietijzer
94
Gietijzer
april 2007; © C.A. Brak