Warmtebehandelingenvan staal

vm 128

Vereniging FME-CWMvereniging van ondernemers in detechnologisch-industriële sector

Boerhaavelaan 40

Postbus 190, 2700 AD ZoetermeerTelefoon: (079) 353 11 00Telefax: (079) 353 13 65E-mail: info@fme.nlInternet: http://www.fme.nl

© Vereniging FME-CWM/december 2009 - versie 02

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaaktdoor middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke ander wijze ookzonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Hoewel grote zorg is besteed aan de waarborging van een correcte en, waarnodig, volledige uiteenzetting van relevante informatie, wijzen de bij detotstandkoming van de onderhavige publicatie betrokkenen alleaansprakelijkheid voor schade als gevolg van onjuistheden en/ofonvolkomenheden in deze publicatie van de hand.

Vereniging FME-CWMafdeling Techniek en InnovatiePostbus 190, 2700 AD Zoetermeertelefoon: 079 - 353 11 00telefax: 079 - 353 13 65e-mail: info@fme.nlinternet: http://www.fme.nl

Warmtebehandelingen van staal

toelichting:Deze voorlichtingspublicatie is bedoeld voor allen die te maken hebben of te maken krijgen met deselectie, toepassing en uitvoering van warmtebehandelingen. Daarbij moet gedacht worden aanconstructeurs, lastechnici, werkvoorbereiders, enzovoorts.Deze voorlichtingspublicatie is een update van de bestaande NIL-voorlichtingspublicatie V990906(september 1999) "Warmtebehandeling van metalen in relatie tot de lastechniek".

De updating was noodzakelijk omdat er enerzijds geen document beschikbaar was met een duidelijkoverzicht van de (belangrijkste) warmtebehandelingen en anderzijds omdat de ontwikkelingen in onderandere de nieuwe staalsoorten beperkingen (kunnen) stellen aan de uitvoering van warmtebehandelingen.

De in deze voorlichtingspublicatie genoemde warmtebehandelingen zijn die, welke veel voorkomen in destaalverwerkende industrie en dus ook in de lastechniek. De meest belangrijke warmtebehandelingenworden in beknopte vorm behandeld.Doel van deze publicatie is voornamelijk basisinformatie te verschaffen over de warmtebehandelingen.

Warmtebehandelingen hebben effecten op de metaalkundige aspecten, zoals de structuur en de daaraangerelateerde mechanische eigenschappen. Daarom wordt in een aantal hoofdstukken aandacht besteedaan de opbouw (kristalstructuur) van de metalen, alsmede de invloed van het opwarmen naar en (snel)afkoelen vanaf een bepaalde warmtebehandelingstemperatuur.

Daarnaast wordt ook beknopt ingegaan op de uitvoering van warmtebehandelingen. Het is echtergeenszins de bedoeling met deze publicatie volledig te zijn.

samengesteld door:W. Pors IWE (NIL); als co-lezers hebben H. de Jong † IWE (NIL) en H. Bodt IWE (NIL) gefungeerd.Eindredactie: P. Boers (Vereniging FME-CWM).

technische informatie:Nederlandse Instituut voor Lastechniek (NIL)- bezoekadres Boerhaavelaan 40, Zoetermeer- correspondentie-adres Postbus 190, 2700 AD ZOETERMEER- telefoon 088 - 400 85 60- telefax 079 - 353 11 78- e-mail info@nil.nl- website www.nil.nl

informatie over en bestelling van VM-publicaties, TI-bladen en praktijkaanbevelingen:Vereniging FME-CWM / Industrieel Technologie Centrum (ITC)- bezoekadres Boerhaavelaan 40, Zoetermeer- correspondentie-adres Postbus 190, 2700 AD ZOETERMEER- telefoon 079 - 353 11 00- telefax 079 - 353 13 65- e-mail info@fme.nl- website www.fme.nl

4

Inhoud

Symbolen en verklaringen

Overzicht van de warmtebehandelingen

1 Inleiding

2 Doel van warmtebehandelingen

3 Opbouw van de metalen3.1 Inleiding3.2 Wijze van stolling van metalen3.3 Opbouw van de metalen (roostervormen)3.4 Legeringsvormen3.5 Toestandsdiagrammen.

3.5.1 Volkomen oplosbaarheid3.5.2 Onvolkomen oplosbaarheid3.5.3 Gedeeltelijke oplosbaarheid3.5.4 Beperking

4 De warmte-beïnvloede zone naast de las

5 Afkoeling5.1 Inleiding5.2 Warmte-inbreng5.3 Materiaalsoort5.4 Plaatdikte5.5 Voorwarmtemperatuur5.6 Ligging van de lasrups ten opzichte van het

werkstuk5.7 Bepaling van de afkoelsnelheid

6 Afkoeldiagrammen6.1 Isotherme diagrammen6.2 Afkoel CCT-diagram (Continuous Cooling

Transformation diagram)6.3 PTAT-diagram (PiekTemperatuur AfkoelTijd

diagram)

7 Warmtebehandeling7.1 Voorwarmen7.2 Beheersing van de tussenlagentemperatuur7.3 Waterstofarm gloeien7.4 Spanningsarmgloeien7.5 Oplossend gloeien7.6 Harden7.7 Ontlaten7.8 Veredelen7.9 Normaalgloeien7.10 Precipitatieharden7.11 Homogeengloeien7.12 Rekristalliserend gloeien7.13 Zachtgloeien7.14 Oppervlakteharding

8 Uitvoering van warmtebehandelingen8.1 Door aanvullende lasrupsen8.2 Gasbranders8.3 Elektrische verwarmingselementen.8.4 Infrarood stralers8.5 Inductieverwarming8.6 Gloeiovens

9 Meten en registratie van de gloeitemperatuur

10 Literatuurverwijzing

Bijlage 1 Het ijzer-koolstofdiagram

Bijlage 2 Diagram ter bepaling van de voorwarmtem-peratuur volgens BS 5135

blz.

5

6

7

7

7 7 7 8 8 8 8 91010

10

111111111111

1111

1212

12

13

131314141415151617171818181920

20202020202121

22

22

23

24

5

Symbolen en verklaringen

Symbolenα aanduiding van de ferritische structuurγ aanduiding van de austenitische structuurδ aanduiding van de primair ferritisch gestolde structuurσv aanduiding van de vloeispanningσR aanduiding van de treksterkteA1-temp temperatuur waarbij de structuur van staal overgaat van austenitisch/ferritisch in ferritisch/perlitischA3-temp temperatuur waarbij de structuur van staal overgaat van austenitisch/ferritisch in volledig austenitischAC1 ook wel A1-temperatuur genoemdAC3 ook wel A3-temperatuur genoemdCeq koolstofequivalentCEV koolstofequivalentFe3C ijzer-koolstofverbinding, cementiet genaamdHAZ heat affected zone; door de laswarmte beïnvloede zone naast de lasHDP hexagonale bolstapelingHRc hardheid gemeten volgens de Rockwell-cone methodeKRG kubisch ruimtelijk gecentreerde structuur, bestaande uit 9 atomenKVG kubisch vlakken gecentreerde structuur, bestaande uit 14 atomenL liquide (vloeistof)S solidus (vaste stof)t8–5 afkoeltijd tussen 800 en 500 ºC∆t8/5 afkoeltijd tussen 800 en 500 ºCWBZ warmte-beïnvloede zone; door de laswarmte beïnvloede zone direct naast de las

Verklaringenausteniet kubisch vlakken gecentreerde structuur (KVG)bainiet mildere vorm van martensiet met betere mechanische eigenschappencementiet chemische verbinding van ijzer met koolstof, Fe3Celementaire cel basisopbouw uit atomen van een kristalferriet kubisch ruimtelijk gecentreerde structuur (KRG)legeren in vloeibare toestand vermengen van meerdere elementen teneinde de eigenschappen te verbeterenlegering vermenging van elementenliquidus vloeibare toestand van een metaalliquiduslijn lijn in een toestandsdiagram aangevende die temperatuur waarbij de stolling begint bij afkoeling c.q.

volledig smelten een feit is bij opwarmingliquidustemperatuur temperatuur waarbij stolling begint c.q. volledig smelten een feit ismartensiet structuurvorm die ontstaat door snelle afkoeling van staaloriëntatie richting van de elementaire cellen in een kristalperliet lamellair naast elkaar voorkomen van cementiet en ferrietprecipitaat chemische verbinding die de regelmatige opbouw van het kristalrooster verstoortsolidus vaste toestand van een metaalsoliduslijn lijn in een toestandsdiagram aangevende die temperatuur waarbij stolling is voltooid bij afkoeling

c.q. vorming van de eerste vloeistof bij opwarmingsolidustemperatuur temperatuur waarbij stolling is voltooid c.q. de eerste vloeistof wordt gevormd

6

Overzicht van de warmtebehandelingen

Warmtebehandeling Doel Temperatuur-gebied [ºC] (ca.) Opmerking §

Voorwarmen - Verlagen afkoelsnelheid- Voorkomen van bindingsfouten --

Voorwarmtemperatuur hangt af van het te lassenstaalsoort, het waterstofgehalte van het lastoevoeg-materiaal, het warmtegeleidingsvermogen van het

7.1

Beheersen tussenlagen-temperatuur

Behouden mechanische eigen-schappen van zowel las- alsbasismateriaal

-- Tussenlagentemperatuur hangt af van het toe tepassen lastoevoegmateriaal en het te lassen staal 7.2

Waterstofarm gloeien Verlagen waterstofgehalte omwaterstofscheuren te voorkomen 200 - 250 7.3

Spanningsarmgloeien Verlagen inwendige spanningen 580 - 620 Bij lagere temperatuur (300-400 ºC) worden alleende piekspanningen afgebouwd 7.4

Oplossend gloeien Oplossen precipitaten in dekristalstructuur 1050 - 1100 7.5

Harden Verhogen hardheid en sterktevan een constructiedeel

50 ºC inaustenietgebied Snelle afkoeling vereist 7.6

OntlatenOmzetten martensiet (gevormddoor het harden) in bainiet (eenmildere en minder brosse vorm)

Temperatuur is afhankelijk van de gewenstemechanische eigenschappen 7.7

Veredelen Verhogen van sterkte en taaiheidna het harden Veredelen=harden+ontlaten op hoge temperatuur 7.8

NormaalgloeienVerbeteren van de vervormbaar-heid van de structuur na eenkoude deformatie

50 ºC inaustenietgebied 7.9

PrecipitatiehardenGeven van hardheid aan hetmateriaal door vorming vanroosterverstoringen (precipitaten)

Temperatuur is afhankelijk van de legering en degewenste hardheid 7.10

Homogeengloeien Elementen homogeen over destructuur verdelen Temperatuur is afhankelijk van de legering 7.11

Rekristalliserendgloeien

Korrelverfijning na een bepaaldemate van koudvervormen

Afhankelijk van de legering en de mate vankoudvervorming 7.12

Zachtgloeien Harde structuur weer goedverspaanbaar maken

50 ºC inaustenietgebied 7.13

Oppervlakteharding Geven van hardheid alleen aanhet oppervlak

50 ºC inaustenietgebied 7.14

7

1 InleidingIn de staalverwerkende industrie en in de lastechniek in hetbijzonder komt het veelvuldig voor dat een warmtebehande-ling moet worden uitgevoerd. Een warmtebehandeling kanzowel vóór, tijdens als ná de lasbewerking worden uitgevoerd.Onder een warmtebehandeling, ook wel gloeien genoemd,wordt het proces verstaan dat is opgebouwd uit: opwarmen; op temperatuur houden; afkoelen.

Schematisch is dit proces weergegeven in figuur 1.1.

figuur 1.1 Schematische weergave van een warmtebehan-deling

Een warmtebehandeling kan (moet) worden uitgevoerd of-wel tijdens één van de fasen van productie, ofwel als hetproduct gereed is. In het eerste geval kan gedacht wordenaan montagewerkzaamheden tijdens nieuwbouw, laswerk-zaamheden in het veld of bij reparatiewerkzaamheden.De installatie waarmee de warmtebehandeling moet wordenuitgevoerd, moet zowel op het product, als op de omstan-digheden waaronder gegloeid moet worden, zijn afgestemd.De warmtebehandeling kan worden uitgevoerd in ovens(meestal als het product gereed is), of kan er, als er lokaalmoet worden gegloeid, gebruik worden gemaakt van kera-mische gloei-elementen, inductieverwarming of een brander.

Warmtebehandelingen worden vaak toegepast na produc-tieprocessen als walsen, gieten, lassen en vervormen.Deze processen hebben een grote en vaak nadelige invloedop de structuur en de bijbehorende mechanische eigenschap-pen van het materiaal. Met de juiste warmtebehandelingna een productieproces kunnen de gewenste eigenschap-pen of structuren worden verkregen.

2 Doel van warmtebehandelingenKort gezegd is het doel van warmtebehandelingen om hetstaal de juiste mechanische eigenschappen te geven voorde gekozen toepassing of om de gewenste bewerking tekunnen uitvoeren.

Globaal kan gezegd worden dat warmtebehandelingenvoor de verschillende staalsoorten toegepast worden om: ongewenste effecten van een voorgaand productieproces

te corrigeren (spanningsarmgloeien, rekristalliserendgloeien, homogeengloeien of oplosgloeien);

het materiaal sterker te maken (normaalgloeien); het materiaal zachter te maken voor verdere bewerking

(zachtgloeien); het materiaal te harden en slijtvaster te maken (harden,

ontlaten of veredelen).

Hoewel er nog meer warmtebehandelingen voor staal be-staan, zijn dit de belangrijkste en de meest toegepaste.

Warmtebehandelingen om ongewenste effecten van eenvoorgaand productieproces te corrigeren, worden toege-past om de eigenschappen te verbeteren. Hierdoor kan de

levensduur van onderdelen aanzienlijk worden verlengd.Voorbeelden van dit soort warmtebehandelingen zijn span-ningsarmgloeien en rekristalliserend gloeien en harden.

Ook kunnen warmtebehandelingen worden uitgevoerdvóór of tijdens het lasproces zelf. Te denken valt hierbijaan het voorwarmen voor het lassen en het aanhoudenvan de tussenlagentemperatuur. Zeker deze laatste wordtmeestal niet als "warmtebehandeling" gezien.

3 Opbouw van de metalen3.1 InleidingVoor het kiezen van een warmtebehandeling en het op dejuiste wijze uitvoeren ervan is kennis van de metalen eenabsolute voorwaarde. Zo moet men inzicht hebben in ondermeer de volgende aspecten: wijze van stolling van metalen; opbouw van de metalen (roostervormen); legeringsvormen; toestandsdiagrammen.

Op deze aspecten wordt beknopt ingegaan

3.2 Wijze van stolling van metalenDe atomen waaruit de enkelvoudige metalen zijn opge-bouwd, zijn op een regelmatige wijze gerangschikt in eenzogenaamde elementaire cel. De basis voor deze elemen-taire cel is de kubus. Meerdere van deze cellen vormen eenkristal.De stolling van een metaal vanaf de smelttemperatuur ge-beurt door vorming van de eerste elementaire cellen. Tijdenshet stollingsverloop zullen deze elementaire cellen in derichting van hun vlakken aangroeien. Omdat dit proces opverschillende plaatsen in het smeltbad tegelijkertijd optreedt,zullen dus ook gelijktijdig meer kristallen ontstaan. Dezekristallen, ook vaak "korrels" genoemd, zullen op een gege-ven moment tegen elkaar aangegroeid zijn, waardoor schei-dingsvlakken ontstaan. De ontstane scheidingsvlakken noe-men we de kristalgrenzen (korrelgrenzen). Het verloop vande stolling wordt schematisch weergegeven in figuur 3.1 atot en met f.

a) d)

b) e)

c) f)figuur 3.1 Wijze van stolling; van begin stolling (a) tot volle-

dig gestold (f)

Omdat de kristallen in verschillende richtingen groeien, duseen verschillende oriëntatie hebben, is de aansluiting met

8

een buurkristal niet optimaal. Hierdoor ontstaan onregel-matige kristalgrenzen. Deze wijze van kristalliseren treedtop bij zowel zuivere metalen als ook de legeringen ervan.

3.3 Opbouw van de metalen (roostervormen)De kristallen zijn opgebouwd uit regelmatig geordende ato-men, de zogenaamde elementaire cel.Binnen de metalen komt het volgende drietal elementairecellen het meeste voor: kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster; ook wel de ferri-

tische structuur genoemd; kubisch vlakken gecentreerd rooster; ook wel de auste-

nitische structuur genoemd; een hexagonaal rooster.

Het kubisch ruimtelijk gecentreerd rooster (KRG) bestaatper cel uit 9 atomen, namelijk op iedere hoek van de kubusen in het hart van de kubus een atoom. Deze vorm komtbij kamertemperatuur voor bij onder andere ijzer, chroom,wolfraam en molybdeen. Deze vorm wordt ook wel ferrietgenoemd.

Het kubisch vlakken gecentreerd rooster (KVG) bestaat uit14 atomen, namelijk op iedere hoek van de kubus en in hetmidden van elk vlak van de kubus een atoom. Deze vormkomt bij kamertemperatuur voor bij onder andere alumini-um, koper en nikkel en bij hogere temperatuur bij ijzer.Deze vorm wordt ook wel austeniet genoemd.

Het hexagonale rooster (HDP) is een van beide afwijkendevorm. Metalen waar deze vorm in voorkomt zijn zink enmagnesium. Bovendien kan deze vorm door een warmte-behandeling uit een van de andere vormen ontstaan.In figuur 3.2 zijn de drie vormen schematisch weergegeven.

figuur 3.2 Voorkomende vormen van elementaire cellen

De kristalstructuren hebben de volgende kenmerkendeeigenschappen: het kubisch ruimtelijk gecentreerde rooster (KRG of ferriet):

is magnetisch; heeft een hoge sterkte.

het kubisch vlakken gecentreerde rooster (KVR of auste-niet): is niet magnetisch; heeft een hoge taaiheid; is warmscheurgevoelig.

Daarnaast hebben de kristallen zelf de volgende kenmer-kende eigenschappen: grove kristallen leiden tot een lage sterkte en lage taai-

heid; kleine kristallen leiden tot een hoge sterkte en hoge taai-

heid; kristallen willen onder invloed van warmtetoevoer groeien.

3.4 LegeringsvormenDe metalen worden bijna nooit in hun zuivere vorm gebruikt.Dit omdat de eigenschappen in die vorm onvoldoende zijnvoor de meeste toepassingen. Daarom worden metalen ge-legeerd. Een legering van metalen ontstaat door in vloei-bare toestand twee of meer metalen bij elkaar te voegen.Hierdoor worden atomen van de verschillende metalen doorelkaar in het rooster opgenomen. Er ontstaat een metaalmet andere en vaak betere mechanische of corrosie-eigen-

schappen dan een van de beide materialen afzonderlijk. Ookde structuur van de legering (de opbouw van de kristallen)is anders dan van de afzonderlijke metalen.

Er is een drietal manieren van opname van atomen in eenbestaand rooster, namelijk Substitutioneel; het vreemde atoom neemt de plaats in van

een eigen atoom. Hiertoe moeten de atoomafmetingenongeveer overeenstemmen. Bekende substitutionelelegeringselementen in staal zijn silicium (Si), mangaan(Mn), chroom (Cr), nikkel (Ni) en molybdeen (Mo).

Interstitieel; het vreemde atoom neemt een plaats intussen de eigen atomen. Dit kan alleen als het vreemdeatoom relatief klein is, zoals koolstof (C), stikstof (N),zuurstof (O) en waterstof (H). Er treedt een sterke versto-ring van het rooster op, waardoor slechts een gering aantalatomen kan worden opgenomen; met andere woorden:de oplosbaarheid is gering.

Chemische verbinding: de atomen vormen een chemischeverbinding, zoals bijvoorbeeld Fe3C, WC, enz. Deze ver-bindingen zijn vaak hard en bros en daarom veelal onge-wenst in de metalen. De vorming van deze verbindingenis echter niet altijd te voorkomen.

In figuur 3.3 is schematisch de mogelijke atoomordeningin een homogene stof weergegeven.

a) b) c)figuur 3.3 Atoomordening in een homogene stof:

a) zuiver metaal;b) substitutioneel mengkristal;c) interstitieel mengkristal

3.5 ToestandsdiagrammenZoals vermeld is, om een warmtebehandeling goed te kun-nen uitvoeren, inzicht hebben in de metaaleigenschappenvereist. Belangrijk is onder meer te weten welke uitgangs-structuur een metaal heeft. Door een warmtebehandelingkunnen de structuren, door de fabrikant bewust daaraangegeven, teniet worden gedaan. Hierdoor zullen de oor-spronkelijke eigenschappen verloren gaan. Inzicht in welkestructuur er ontstaat tijdens stollen en welke structuur eenmetaal heeft bij een bepaalde temperatuur en na afkoeling,is noodzakelijk. Hiertoe kunnen de zogenaamde toestands-diagrammen informatie verschaffen.

De zuivere metalen hebben een stolpunt, zijnde één tempe-ratuur waarbij het metaal smelt bij opwarming en stolt bijafkoeling. In legeringen kunnen voorkomen: een stoltraject (een verloop van de temperatuur tijdens

het stollen); een stolpunt; combinaties daarvan.

Een en ander is afhankelijk van de mate van oplosbaarheidvan de verschillende atomen in elkaars rooster.

Zo onderkennen we: volkomen oplosbaarheid; onvolkomen oplosbaarheid; gedeeltelijke oplosbaarheid.

Bij deze drie vormen behoren eigen toestandsdiagrammen.Deze drie vormen worden nu beknopt besproken.

3.5.1 Volkomen oplosbaarheidFiguur 3.4 geeft het toestandsdiagram van het stelsel vanlegeringen van koper en nikkel weer. Hierin is boven debovenste gebogen lijn te onderkennen dat alles nog vloei-

9

figuur 3.4 Toestandsdiagram van het stelsel koper - nikkel

stof is, aangegeven met de letter L van Liquidus. Onder deonderste gebogen lijn is alles gestold, aangegeven met deletter S van Solidus. Tussen beide lijnen bevindt zich hetgebied van deegachtige toestand, namelijk vaste stof incombinatie met vloeibaar metaal. Te zien is dat een lege-ring van 60% koper en 40% nikkel begint te stollen bij ca.1300 ºC en dat alles vast is bij ca. 1180 ºC. Hier is dussprake van een stoltraject. Tijdens de stolling ontstaan zo-genaamde mengkristallen.

3.5.2 Onvolkomen oplosbaarheidFiguur 3.5 geeft het toestandsdiagram van het stelselbismut - cadmium weer. Dit diagram wijkt volledig af vandat van het stelsel koper - nikkel. Het gebied ingeslotentussen de schuin verlopende lijnen is het gebied waar allesvloeibaar is, terwijl het gebied onder de horizontale lijn(144 ºC) het gebied aangeeft waar alles vast is. Verdervalt op dat één bepaalde legering bij één temperatuur stolt:namelijk 60% cadmium en 40% bismut stolt middels eenstolpunt bij 144 ºC.

figuur 3.5 Toestandsdiagram van het stelsel bismut - cadmium

10

De legering die bij dit stolpunt behoort noemen we eeneutectische legering en het stolpunt het eutecticum. Inlegeringen met minder dan 60% bismut stolt in eerste in-stantie het cadmium en in legeringen met minder dan 40%cadmium stolt in eerste instantie het bismut. Hierdoor wordthet vloeibare deel armer aan cadmium respectievelijk bis-mut, waardoor tot slot alles in één keer als eutecticum stoltbij 144 ºC. De kristallen die ontstaan, zijn zuivere kristallencadmium resp. bismut met daaromheen de eutectische sa-menstelling, zoals weergegeven in figuur 3.5. In het onder-ste deel van figuur 3.5 zijn de verschillende stadia tijdensde stolling van een legering 90% cadmium en 10% bismutweergegeven.

3.5.3 Gedeeltelijke oplosbaarheidEr zijn legeringen die een volledige oplosbaarheid combine-ren met een onvolkomen oplosbaarheid. Een zeer bekendelegering is ijzer en koolstof. Het toestandsdiagram van hetsysteem ijzer en koolstof, beter bekend onder de naamijzer-koolstofdiagram, is weergegeven in bijlage 1.

Uit het diagram is te lezen dat de legering ijzer met ca. 0,2% C(ongeveer de hoeveelheid die in normale constructiestaal-soorten voorkomt) stolt in de ferritische structuur, over-gaat bij ca. 1400 ºC in de austenitische structuur en bijca. 900 ºC weer een structuurverandering ondergaat. Bijkamertemperatuur heeft dit staal uiteindelijk een structuurbestaande uit ferriet met daarin opgenomen perliet. Perlietis een structuur van ferriet en cementiet die laagvormignaast elkaar voorkomen.Opgemerkt wordt dat bij 0,77% C de structuur bij kamer-temperatuur volledig uit perliet bestaat. Dit staal noemtmen een perlitisch staal, terwijl men het eerder genoemdestaal met ca. 0,2% C onderperlitisch noemt.

3.5.4 BeperkingOpgemerkt wordt dat de toestandsdiagrammen hun beper-kingen hebben. Zij gelden namelijk alleen voor oneindiglangzame afkoeling; deze condities zijn alleen in laborato-riumomstandigheden te benaderen. In de praktijk tredentotaal andere afkoelcondities op, waardoor andere structurenzullen ontstaan dan volgens de toestandsdiagrammen ver-wacht mogen worden. Daarom hebben de toestandsdiagram-men voor de lastechniek weinig betekenis. Bovendien be-staan veel legeringen uit meer dan twee afzonderlijke ele-menten, waardoor de toestandsdiagrammen er anders uit zien.

4 De warmte-beïnvloede zone naast de lasBij het lassen wordt een zone, grenzend aan de lasrups,door de laswarmte beïnvloed. Deze zone wordt dan ook dewarmte-beïnvloede zone, veelal afgekort tot wbz, genoemd.In deze zone treden grotere afkoelsnelheden op dan diewelke optreden bij het opstellen van de toestandsdiagram-men. Daarom zijn de toestandsdiagrammen niet direct bruik-baar in de lastechniek.Wel kan, wat staal betreft, gebruik worden gemaakt vanhet ijzer-koolstofdiagram om aan te geven welke structuur-veranderingen in de warmte-beïnvloede zone optreden.Hiertoe kan figuur 4.1 behulpzaam zijn.

De warmte-beïnvloede zone van een ongelegeerd staal metca. 0,20% koolstof is in figuur 4.1 schematisch ingedeeldin verschillende zones. De temperaturen en de grootte vande daarbij behorende zones zijn sterk afhankelijk van hetlasproces en de warmtehuishouding.

Zone van onvolledige aansmeltingDit gedeelte ligt direct naast de smeltlijn. Deze zone bereiktde hoogste temperatuur van de warmte-beïnvloede zone.Het materiaal is niet helemaal vloeibaar geweest.

Zone van oververhittingDe hoogste temperaturen liggen tussen de soliduslijn (waar-onder alles vast is) en circa 1100 ºC. Door de hoge tem-peratuur treedt korrelgroei op en ontstaat er een grofkor-relige structuur.

Zone van normaliserend gloeienTe herkennen is een genormaliseerde structuur in de warmte-beïnvloede zone. Het ferriet en perliet zijn fijnkorrelig engelijkmatig verdeeld. De korrelverfijning is het gevolg vanhet doorlopen van een fasetransformatie, waarbij kiemvor-ming en kiemgroei optreedt.

Zone van onvolledige rekristallisatieHier vindt onvolledige rekristallisatie plaats.

Zone van rekristallisatieRekristallisatiezone; hierin bereikt de temperatuur waar-den tot A1. De cementietlamellen van de perliet vormenzich om tot bolvormige cementiet.

Zone waarin geen structuurverandering plaats vindtHier komt de temperatuur niet boven de 400 ºC en zullenmet de lichtmicroscoop geen structuurveranderingen tevinden zijn ten opzichte van de basisstructuur. Dat wilniet zeggen dat er geen veranderingen plaatsvinden.

figuur 4.1 De warmte-beïnvloede zone van een ongelegeerd staal met ca. 0,2%C, schematisch ingedeeld in verschillende zones

11

Het is mogelijk dat er uitscheidingen zijn, zoals uithardingof veroudering. Ook kunnen aanwezige spanningen ge-deeltelijk worden opgeheven (spanningsarmgloeien).

De vergelijking van de structuren in de warmte-beïnvloedezone met de verkregen gloeistructuren gaat niet helemaalop. De verblijftijden en de afkoelsnelheid van de warmte-beïnvloede zone zijn vele malen sneller dan bij het gloeien(zie figuur 4.2). Wel geeft het een idee van wat er in dewarmte-beïnvloede zone plaatsvindt.

figuur 4.2 De verblijftijden en de afkoelsnelheid van dewarmte-beïnvloede zone zijn vele malen snellerdan bij het gloeien

5 Afkoeling5.1 InleidingDe wijze van afkoeling alsmede de daarmee te realiserenafkoelsnelheid heeft grote invloed op de uiteindelijke struc-tuur die ontstaat. Kennis van toestandsdiagrammen en af-koeldiagrammen is daarbij noodzakelijk.Echter, onder 3.5.4 is de beperking ten aanzien van het ge-bruik van toestandsdiagrammen in de lastechniek aange-haald. Het lassen is eigenlijk ook een warmtebehandeling,waarbij de ingebrachte laswarmte naar het omringendemateriaal wordt afgevoerd. Onder ongunstige omstandig-heden kan deze warmteafgifte, feitelijk de afkoelsnelheid,zo groot zijn, dat bijvoorbeeld in staal hardingsverschijn-selen zullen optreden in de door de laswarmte beïnvloedezone naast de las. Van belang is dus te kennen hoe grootde afkoelsnelheid onder bepaalde omstandigheden is.

De afkoelsnelheid is afhankelijk van een aantal factoren: de hoeveelheid door de lasboog in het materiaal gebrachte

warmte, de zogenaamde warmte-inbreng; materiaalsoort; materiaaldikte; voorwarmtemperatuur; de ligging van de rups ten opzichte van het werkstuk.

Deze factoren worden beknopt behandeld.

5.2 Warmte-inbrengDe hoeveelheid laswarmte die in het metaal wordt gebrachtis afhankelijk van de lasstroomsterkte, de boogspanning ende voortloopsnelheid. De warmte-inbreng wordt uitgedruktin kJ/mm laslengte en kan worden berekend aan de handvan de formule, zoals weergegeven in de normNEN-EN 1011-1: U×IQ=k× ×10–3 [kJ/mm] vwaarin:U = Boogspanning [V]I = Lasstroomsterkte [A]v = Lassnelheid [mm/sec]k = Thermisch rendement van het proces.

De waarden voor het thermisch rendement, volgensNEN-EN 1011-1, zijn weergegeven in tabel 5.1.

Onder het thermisch rendement wordt die factor verstaandie weergeeft welk aandeel van de in de lasboog ontwik-kelde warmte daadwerkelijk in het smeltbad komt. Facto-

ren onder 1 geven aan dat een deel van de warmte verlo-ren gaat aan uitstraling naar de omgeving.

tabel 5.1 Thermische rendementen voor verschillendelasprocessen

lasproces procesnummer rendements-factor k

Onder poeder lassen 12 1Bmbe rutiel 111 0,8MAG-lassen met massieve draad 135 0,8Bmbe basisch 111 0,8MAG gevulde draad 136 0,8MIG-lassen 131 0,8TIG-lassen 141 0,6Plasmalassen 15 0,6

In de lastechniek is de norm NEN-EN-1011-2: "Smeltlassenvan metallische materialen" van belang. In deze norm zijntabellen opgenomen, waarin men voor het lassen metbeklede elektroden, aan de hand van de elektrodediameter,de lengte van de elektrode en de uittreklengte ervan, dewarmte-inbreng kan bepalen.Onder de uittreklengte wordt de lengte van de gelegde las-rups verstaan, uitgaande van de elektrodelengte minus depeuklengte (nuttige lengte).

5.3 MateriaalsoortEen kenmerk van metalen is, dat zij de warmte goed gelei-den en dus ook de laswarmte goed kunnen afvoeren. Dewarmtegeleiding is niet voor alle metalen gelijk. Bekend isdat koper en aluminium de warmte beter geleiden dan bij-voorbeeld ongelegeerd staal, en dat corrosievast staal dewarmte weer minder goed geleidt dan ongelegeerd staal.De afkoelsnelheid wordt dus mede bepaald door het warm-tegeleidingsvermogen van het metaal.

5.4 PlaatdikteHet spreekt voor zich dat de afkoelsnelheid in een dikkeplaat groter is dan in een dunne plaat. Zo onderscheidenwe in de lastechniek een zogenaamde "tweedimensionale"en een "driedimensionale" warmteafvoer. Bij een driedimen-sionale warmteafvoer speelt de dikte van het materiaal eengrotere rol dan bij de tweedimensionale warmteafvoer. Dewarmteafvoersnelheid is bij driedimensionaal groter dan bijtweedimensionaal. Bij een gecombineerde te lassen plaat-dikte boven de ca. 25 mm moeten we rekening houden meteen driedimensionale warmteafvoer. Voorverwarming bij hetlassen zal dan waarschijnlijk eerder moeten plaats vinden.

5.5 VoorwarmtemperatuurAls een plaat op een bepaalde temperatuur is voorver-warmd, is het temperatuurverschil tussen lasnaad en plaatkleiner dan wanneer de plaat de omgevingstemperatuurheeft. De laswarmte zal bij voorgewarmde werkstukkendus minder snel wegvloeien dan bij niet voorgewarmdewerkstukken, dus de afkoelsnelheid zal hier dan lager zijn.

5.6 Ligging van de lasrups ten opzichte vanhet werkstuk

Zo maakt het verschil of de lasrups bijvoorbeeld aan de randvan een plaatveld of midden in een plaatveld ligt voor watbetreft de warmteafvoer. In het eerste geval zal de warmte-afvoer minder snel verlopen dan in het tweede geval.

5.7 Bepaling van de afkoelsnelheidAan de hand van de bovengenoemde punten hebben deonderzoekers Rykalin en Uwer-Degenkolbe formules ont-wikkeld, waarmee men de afkoelsnelheid van het staal inhet temperatuursgebied tussen 800 en 500 ºC kan bere-

12

kenen. Zeker bij staal is de tijd voor de afkoeling in dittemperatuursgebied belangrijk voor de vorming van al ofniet gewenste structuren. Hierop wordt later teruggekomen.Deze formules zijn weer bewerkt tot een nomogram, waar-mee op eenvoudige wijze de afkoeltijd kan worden bepaald.In figuur 5.1 is dit nomogram weergegeven.

Het nomogram bestaat uit drie hoofdlijnen: op de bovenste is de te lassen plaatdikte uitgezet; op de onderste is de warmte-inbreng uitgezet; op de middelste is de afkoeltijd T800-500 af te lezen.

Wordt een punt op de warmte-inbrenglijn verbonden meteen op die van de plaatdikte, in de figuur 5.1 de 2,0 kJ/mmmet de 20 mm plaatdikte, dan kan op het snijpunt met demiddelste lijn, de afkoeltijdlijn, de afkoeltijd worden afge-lezen. In het voorbeeld is deze 10 seconden.

Uit het nomogram wordt ook de invloed van voorwarmenduidelijk. In het voorbeeld heeft men een voorverwarmingvan 150 ºC uitgezet op de lijn van de afkoelsnelheid (van-uit punt D de maat "a" naar rechts tot punt D'). Met voor-warmen wordt bereikt dat de afkoelsnelheid van 10 secon-den afneemt naar ca. 30 seconden.

Al met al is dit nomogram een zeer waardevol hulpmiddelvoor de lastechnicus!

In de praktijk is veel ervaring opgedaan met afkoeltijden.Zo kan voor verschillende lassituaties uitgegaan wordenvan de afkoeltijden als weergegeven in tabel 5.2.

Voor de meest voorkomende staalsoorten zal men strevennaar een afkoeltijd tussen 10 en 40 sec; dit gebeurt doorsturing via de lasproceskeuze, de voorwarmtemperatuur ende lasparameters.

tabel 5.2 Gemiddelde afkoeltijden voor de verschillendelassituaties

lasproces afkoeltijd[sec]

handlassen op dikke plaat zonder voorverwarming ca. 5

handlassen op dikke plaat met voorverwarming op 100-150 ºC ca. 8

onder poeder op dikke plaat zonder voorverwarming ca. 20

onder poeder op dikke plaat met voorverwarming op 100 ºC ca. 40

6 AfkoeldiagrammenVoor de lastechniek hebben de zogenaamde afkoeldiagram-men, de zogenaamde TTT-diagrammen (Temperatuur-Tijd-Transformatie diagrammen) meer betekenis dan het ijzer-koolstofdiagram. De afkoeldiagrammen beschrijven name-lijk welke structuren er tijdens een (versnelde) afkoeling inhet metaal werkelijk ontstaan. Zo kennen wij isothermeTTT-diagrammen, CCT-diagrammen en PTAT-diagrammen.

6.1 Isotherme diagrammenDeze diagrammen zijn gebaseerd op een isotherm doorlo-pen van de temperatuur. Deze methode is slechts van toe-passing bij bepaling van de te realiseren hardheid bij hetharden van hardbare staalsoorten.Figuur 6.1 geeft een voorbeeld van een isotherm TTT-diagram.

figuur 6.1 Isotherm TTT-diagram

6.2 Afkoel CCT-diagram (Continuous CoolingTransformation diagram)

Het CCT-diagram zoals weergegeven in figuur 6.2, is geba-seerd op het werkelijke verloop van de afkoeling. Dit geefteen redelijk beeld van de te verwachten structuren. Iederstaalsoort heeft zijn eigen diagram.

figuur 6.2 Voorbeeld van een CCT-diagram

figuur 5.1 Nomogram voor bepaling van de afkoeltijd tussen 800 en 500 ºC

13

C %C%Mn

6(%Cr %Mo %V)

5(%Ni %Cu)

15eq = + ++ +

++

6.3 PTAT-diagram (PiekTemperatuurAfkoelTijd diagram)

Werd in de CCT-diagrammen rekening gehouden met eenvaste austeniteertemperatuur, in het PTAT-diagram wordtuitgegaan van een variabele temperatuur. Bij de opzet vandit diagram is uitgegaan van het feit dat de afkoelsnelheiden dus de afkoeltijd bij afkoeling in het temperatuurgebiedtussen 800 tot 500 ºC gelijk is voor al die punten in hetmateriaal die tijdens het lassen een temperatuur van meerdan 900 ºC hebben bereikt. In figuur 6.3 is een PTAT-dia-gram van een bepaald type staal weergegeven.

figuur 6.3 Voorbeeld van een PTAT-diagram

Opgemerkt wordt dat ieder staalsoort zijn eigen diagramheeft; deze zijn echter niet voor alle moderne staalsoortenbeschikbaar.

Indien de afkoeltijd, bepaald met behulp van het nomogramin figuur 5.1, op de onderste schaal van het PTAT diagram(figuur 6.3) wordt opgezocht en door dat punt een verticalelijn wordt getrokken, doorsnijdt men een aantal structuur-gebieden. Wordt vanuit de linker verticale as door een be-paalde piektemperatuur een lijn horizontaal getrokken, dangeeft het snijpunt van beide lijnen de structuur weer die teverwachten is bij die afkoeltijd en die piektemperatuur. Te-vens kan de hardheid van die structuur worden afgelezen.

Andersom kan men met behulp van dit diagram bepalenwat de afkoeltijd minimaal moet zijn, opdat men een struc-tuur met de daarbij behorende hardheid verkrijgt die accep-tabel is voor de constructie.

7 WarmtebehandelingZoals in hoofdstuk 2 al is opgemerkt, wordt een warmte-behandeling om verschillende redenen uitgevoerd. De hoofd-redenen zijn enerzijds de eigenschappen van de lasverbin-ding te beïnvloeden en anderzijds de eigenschappen vanhet materiaal te beïnvloeden.

De verschillende warmtebehandelingen die ten gevolge vanhet lassen kunnen worden toegepast zijn:

7.1 voorwarmen voor het lassen;7.2 beheersen tussenlagentemperatuur;7.3 waterstofarm gloeien;7.4 spanningsarmgloeien;7.5 oplosgloeien.

Warmtebehandelingen om de materiaaleigenschappen tebeïnvloeden zijn:

7.6 harden;7.7 ontlaten;7.8 veredelen;7.9 normaalgloeien;7.10 precipitatieharde;7.11 homogeengloeien;7.12 rekristalliserend gloeien;7.13 zachtgloeien;7.14 oppervlakteharding.

7.1 VoorwarmenHet doel van het voorwarmen voor het lassen is in hetalgemeen verlaging van de afkoelsnelheid. Dit voorwarmenkan nodig zijn ter: voorkoming van hardingsverschijnselen; voorkoming van waterstof geïnitieerde scheurvorming

(ook wel koudscheuren genoemd).

Ook wordt voorgewarmd ter: voorkoming van bindingsfouten; hoofdzakelijk toegepast

bij het lassen van dik aluminium en koper en bij proces-sen met een geringe warmte-inbreng;

vermindering van thermische spanningen; hoofdzakelijktoegepast bij dikwandige constructies.

Het voorkomen van bindingsfouten is een duidelijke zaak.Te meer als men bedenkt dat bij zeer snelle afvoer van deingebrachte laswarmte naar het omliggende materiaal, hetvloeibare materiaal te weinig warmte overhoudt om delaskanten nog aan te smelten. Het voorwarmen heeft dusin dit geval te maken met de executieve of operationelelasbaarheid en niet met metallurgische verschijnselen.

Het verminderen van thermische spanningen is het gevolgvan het feit dat de door het lassen ingebrachte laswarmteeen kleiner temperatuurverschil teweegbrengt wanneer hetdesbetreffende materiaal is voorverwarmd. Ook dit heeftdus niets te maken met metallurgische verschijnselen.

In de meeste gevallen echter wordt het voorwarmen toege-past om harde zones en daarmee het risico voor het ontstaanvan zogenaamde koudscheuren te voorkomen. Het effectis tweeledig: verlaging van de afkoelsnelheid geeft eenlagere hardheid in de warmte-beïnvloede zone en meer tijdvoor de waterstof om uit het kristalrooster te ontwijken.

Koudscheuren ontstaan onder gelijktijdige aanwezigheidvan de volgende vier factoren: temperatuur beneden 200 ºC; de aanwezigheid van spanningen; de aanwezigheid van harde structuren in de warmte-

beïnvloede zone; de aanwezigheid van waterstof.

Het ontstaan van harde structuren na een snelle afkoelingwordt bij het harden besproken. Als gelast moet worden indik materiaal en de toegepast warmte-inbreng is gering,dan kunnen harde zones ontstaan naast de las. Het lassenkan dus worden vergeleken met een hardingsproces. Hetbegrip warmte-inbreng is al besproken in § 5.2.

Ook de afkoeldiagrammen zijn in hoofdstuk 6 behandeld.Ondanks de afwezigheid van deze diagrammen kan metbehulp van het zogenaamde koolstofequivalent, het Ceq,veel gezegd worden over het al of niet ontstaan van hardezones tijdens het afkoelen.Het koolstofequivalent is namelijk een getal dat de invloedvan de legeringselementen ten opzichte van het elementkoolstof aangeeft op de hardbaarheid, dus het ontstaanvan hoge hardheden in het metaal. De formule voor hetkoolstofequivalent is in de norm NEN-EN-1011 deel 2:"Het lassen van metallische materialen. Het lassen vanferritische staalsoorten" gedefinieerd. Deze formule luidt:

Als uit deze formule een getal komt ≥ 0,45%, dan moetzeer zeker rekening worden gehouden met de noodzaaktot voorverwarming.

Bovendien is de aanwezigheid van waterstof een van devoorwaarden voor het ontstaan van koudscheuren. In dezevoorlichtingspublicatie wordt de bron van waterstof beperkttot de lastoevoegmaterialen; er zijn echter nog meer bron-nen van waaruit waterstof kan worden ontwikkeld.

Voor bepaling van de voorwarmtemperatuur werd voorheenvoor de "oude" genormaliseerde staalsoorten de BritishStandard 5135 gebruikt. In deze standaard is een diagramopgenomen aan de hand waarvan de voorwarmtemperatuur

14

kan worden bepaald. Dit diagram is in bijlage 2 van dezepublicatie opgenomen, omdat het nog steeds kan wordengebruikt voor de bepaling van de voorwarmtemperatuur bijreparaties aan oude genormaliseerde staalsoorten, zoals hetSt 52-3N. Het werken ermee wordt in de bijlage beknoptbesproken.

Met de ontwikkeling van de moderne staalsoorten met eenlager koolstofgehalte en dus een lager koolstofequivalent enlastoevoegmaterialen met een laag gehalte aan diffundeer-bare waterstof, ontstond de vraag naar een nauwkeurigerbepaling van de voorwarmtemperatuur. Onderzoekingenhebben geresulteerd in de norm NEN-EN 1011-2, waarmeede voorwarmtemperatuur voor deze moderne staalsoortenkan worden bepaald.In deze norm NEN-EN 1011-2 gaat men nu uit van een 5-talverschillende niveaus aan waterstof die in lasmetalen aan-wezig kunnen zijn. Deze niveaus zijn in tabel 7.1 weerge-geven.

tabel 7.1 Waterstofniveaus volgens NEN-EN 1011-2

hoeveelheid diffundeerbare waterstof inml/100 gram neergesmolten lasmetaal waterstofschaal

> 15 A10 - 15 B5 - 10 C3 - 5 D< 3 E

Voorts gaat men in deze norm uit van een te lassen gecom-bineerde plaatdikte.Al met al resulteert dit in een serie grafieken, waarvan infiguur 7.1 een voorbeeld is gegeven, aan de hand waarvanmen de minimale voorwarmtemperatuur kan bepalen.

figuur 7.1 Voorbeeld van een diagram uit NEN-EN 1011-2

Op het snijpunt van een verticale lijn door de toe te passenwarmte-inbreng met een horizontale door de gecombineerdeplaatdikte, is de toe te passen voorwarmtemperatuur af telezen.

Men moet zich wel realiseren dat elke opgenomen grafiekeen eigen geldigheidsgebied heeft. Zo geldt de grafiek infiguur 7.1 alleen voor de voorwaarden zoals aangegeven intabel 7.2.Andere combinaties van koolstofequivalent en gehaltenaan diffundeerbare waterstof vereisen een andere grafiek.

Ook zijn in de norm NEN-EN 1011-2 aanwijzingen in tabel-vorm opgenomen voor het voorwarmen van zowel de kruip-vaste alsook de nikkelgelegeerde staalsoorten. Ook hierbijis onderscheid gemaakt naar de hoeveelheid diffundeerbarewaterstof in het lasmetaal.

tabel 7.2 Geldigheid diagram in figuur 7.1

waterstofschaal maximum Ceq

A 0,34B 0,39C 0,41D 0,46E 0,48

7.2 Beheersing van de tussenlagentemperatuurIn de lastechniek is beheersing van de tussenlagentempe-ratuur een belangrijke parameter, hoewel hij niet tot eenwarmtebehandeling wordt gerekend. De tussenlagentem-peratuur, ook vaak "interpass temperature"genoemd, is demaximale temperatuur die het staal op een bepaald puntmag hebben, vóórdat de lasboog dat punt weer passeert.De maximum tussenlagentemperatuur wordt onder anderebepaald door de gevoeligheid van een staal voor het ont-staan van warmscheuren; denk bijvoorbeeld aan bepaaldecorrosievaste staalsoorten.Anderzijds leidt een te hoge tussenlagentemperatuur toteen ontoelaatbare achteruitgang van de mechanische eigen-schappen van ofwel het basismateriaal dan wel het lastoe-voegmateriaal. Exacte temperaturen kunnen hier niet wor-den gegeven. Deze kunnen voor het basismateriaal wordenverstrekt door de staalleverancier en voor de lastoevoeg-materialen door de fabrikanten van lasmaterialen.

7.3 Waterstofarm gloeienHet doel van deze behandeling is de eventueel aanwezigewaterstof uit te drijven (diffunderen), zodat het gevaar voorhet optreden van de waterstof geïnduceerde scheuren(koudscheuren) afneemt. Deze behandeling wordt aanslui-tend aan het lassen doorgevoerd en wel op een tempera-tuur van ca. 200 tot 250 ºC. De tijd dat deze temperatuurwordt aangehouden is ca. 2 uur. Door het toevoeren vanwarmte zal de diffusiesnelheid van de waterstof toenemen,zodat deze gemakkelijker kan ontwijken uit het materiaal.

7.4 SpanningsarmgloeienZoals de naam al doet vermoeden, is het doel van dezewarmtebehandeling de inwendige spanningen in het mate-riaal te verminderen. Hierbij verandert de structuur, sterkteen/of hardheid van het materiaal nauwelijks.Inwendige spanningen ontstaan tijdens het vervaardigenvan een werkstuk door bijvoorbeeld het deformeren, buigen,zetten, lassen of gieten. Bij processen waarbij plastische (ofblijvende) deformatie optreedt, neemt de dislocatiedicht-heid in het materiaal toe. Het atoomrooster wordt plaatselijkvervormd waardoor spanningen in het rooster ontstaan.Bij het lassen koelt het lasmetaal af van de smelttempera-tuur tot kamertemperatuur. Het lasmetaal wil krimpen, maarwordt tegengehouden door het omringende koude plaat-materiaal. Dit resulteert dan ook in trekspanningen in enrondom de las.Bij gietstukken kunnen inwendige spanningen ontstaan doorbijvoorbeeld ongelijkmatige afkoeling en volumecontractiestijdens het stollen.

Materiaal dat moet worden verspaand, kan inwendigespanningen bezitten van het voorgaande productieproces.Tijdens het verspanen kan dit leiden tot ongewenste maat-afwijkingen. De statische trek- en drukspanningen in hetmateriaal zijn namelijk in evenwicht. Als dit evenwichtwordt verstoord, zullen de spanningen zich gaan herver-delen en zal vervorming optreden.De spanningen kunnen oplopen tot aan de waarde van derekgrens. Waarden hoger dan de rekgrens zijn niet moge-lijk, omdat het materiaal dan gaat vloeien (plastisch defor-meren). De inwendige spanningen kunnen maat- en vorm-veranderingen van het werkstuk veroorzaken. Ook kunnener macroscopische of microscopische scheuren ontstaan,die tijdens de gebruiksfase van het onderdeel verder kunnengroeien.

15

Het spanningsarmgloeien van staal wordt doorgaans uitge-voerd in het temperatuursgebied van ca. 580 tot 620 ºC.De gloeitemperatuur is sterk afhankelijk van de warmvast-heid van het materiaal. Bij een hogere temperatuur neemtde sterkte en de vloeigrens van het materiaal drastisch af(zie figuur 7.2).

figuur 7.2 Invloed van de temperatuur op de sterkte vanstaal S235

Wordt het verloop van de rekgrens van een type staal bijverschillende temperaturen bepaald en grafisch uitgezet,dan ontstaat een verloop zoals aangegeven in figuur 7.3.

Door het verhogen van de temperatuur zullen dislocatieszich herrangschikken, waardoor de roostervervorming enhet spanningsniveau afneemt. Dit gaat gepaard met eengeringe volumeverandering van het werkstuk, resulterendin een verlaging van de vloeigrens.

figuur 7.3 Verloop vloeigrens met de temperatuur

Bij het spanningsarmgloeien is het belangrijk dat het op-warmen en afkoelen langzaam gebeurt, zodat er geennieuwe spanningen ontstaan als gevolg van temperatuur-verschillen in het werkstuk. Hoe groter de wanddikte ende complexiteit van het werkstuk, des te groter het gevaarvoor ongelijkmatige opwarming/afkoeling.

Het afkoelen aan rustige lucht of in gesloten ovens dientdubbel zo langzaam te gaan als het opwarmen. Alle span-ningen die ontstaan tijdens het afkoelen blijven namelijk inhet werkstuk.

Ook de houdtijd is van invloed op het uiteindelijke spannings-niveau. Als richtwaarde voor de houdtijd kan 2 min/mmwanddikte worden aangehouden met een minimum van30 minuten en een maximum van 2 uur. Helaas kunnen demechanische eigenschappen (rekgrens en treksterkte) vanhet materiaal achteruit gaan door het langdurig (meer dan2 uur) gloeien in het spanningsarm gloei-temperatuurs-gebied (zie tabel 7.3).

tabel 7.3 Achteruitgang van de vloeigrens als gevolg vanspanningsarmgloeien van S235

gloeitemperatuur en gloeitijd vloeigrens [MPa]1 uur op 600 ºC –205 uur op 600 ºC –351 uur op 625 ºC –25

0,5 uur op 650 ºC –254 x 0,5 uur op 650 ºC –55

Voor het spanningsarmgloeien zijn er twee temperatuurs-gebieden. Het is mogelijk de piekspanningen af te doenlaten nemen door gloeien op een relatief lage temperatuur.Hierbij moet worden gedacht aan ca 300 - 400 ºC, hetzogenaamde laag-spanningsarmgloeien.

De meest voorkomende behandeling is echter in het gebiedvan ca 580 - 620 ºC. De keuze van de temperatuur is af-hankelijk van het type staal. Als gloeiduur/houdtijd wordt2 minuut per mm wanddikte aangehouden.

Een andere methode om spanningen af te doen laten nemenis het zogenaamde spanningsarm trillen. Bij deze bewerkingworden trillingen, ook een bepaalde vorm van energie, inhet materiaal gebracht. Hierdoor zullen de spanningen af-nemen en blijft de vormvastheid behouden (claimt men).Deze methode wordt weinig toegepast en daardoor is erweinig praktische ervaring.

7.5 Oplossend gloeienIndien warmte aan een materiaal wordt toegevoerd, zoalsbij het lassen gebeurt, kunnen ongewenste chemische ver-bindingen ontstaan, die een negatieve invloed hebben opde verbinding. In deze kan men denken aan het ontstaanvan de chroomcarbiden op de kristalgrenzen bij het lassenvan sommige typen corrosievast staal met een hoger kool-stofgehalte (boven 0,03 %).Door een warmtebehandeling, het oplossend gloeien, kun-nen deze precipitaten en carbiden weer worden opgelost inhet kristalrooster. Het gloeien moet op hoge temperatuurplaats vinden, ca. 1100 ºC. Na het gloeien moet men ervoor zorgen dat de ongewenste precipitaten en carbidenniet weer kunnen ontstaan, zodat men vaak relatief snelmoet afkoelen.

7.6 HardenHet harden van staal wordt uitgevoerd met als doel desterkte- en slijtage-eigenschappen van het staal te verbe-teren. De warmtebehandeling bestaat uit het verhitten vanhet materiaal tot in het austenietgebied, gevolgd door eenzeer snelle afkoeling. Dit wordt ook wel afschrikken ge-noemd. Een en ander is weergegeven in figuur 7.4.

figuur 7.4 Schematische weergave van het harden van staal

16

De snelheid waarmee moet worden afgeschrikt kan wordenbepaald met behulp van een TTT- of een CCT-afkoeldiagram.Hieruit kan namelijk worden afgelezen welke structurenworden verkregen bij een bepaalde afkoelsnelheid.De hardingsbehandeling wordt vaak gevolgd door een ont-laatbehandeling. Doel hiervan is om de verkregen hardestructuur wat taaier (minder bros) te maken.De combinatie van de behandelingen harden en ontlatenwordt veredelen genoemd.

Moderne staalsoorten kunnen, indien hun chemische samen-stelling daarop is afgestemd, hun fijne kristalstructuur methoge sterkte verkrijgen door een veredelingsbehandeling.Deze staalsoorten zijn bekend onder de naam QT-staal-soorten. QT staat voor: quenched and tempered (geharden ontlaten).

Ontstaan van hardingsstructurenHet staal wordt verhit tot in het austenietgebied (boven A3in figuur 7.4) en op temperatuur gehouden totdat de gehelestructuur austenitisch is geworden. De aanwezige koolstofen een deel van de legeringselementen lossen op in deaustenietstructuur. Tijdens de snelle afkoeling vanuit hetaustenietgebied klapt de kubisch vlakken gecentreerdestructuur bij circa 200 ºC in één keer om naar de marten-sietstructuur. Gedurende de transformatie worden de kool-stofatomen als het ware ingevangen in het kristalrooster enkrijgen ze niet de tijd om zich naar de grotere holten van dekubisch ruimtelijk gecentreerde structuur te verplaatsen.Het rooster van de ijzeratomen wordt een beetje opgerekten er ontstaat een tetragonale martensietstructuur (figuur7.5). Hierdoor ontstaan er hoge spanningen in het rooster.

De verkregen structuur wordt martensiet genoemd en iszeer hard en bros. De hardheid wordt vooral bepaald doorde hoeveelheid koolstof in het materiaal. Hoe meer koolstofer zich in het staal bevindt, des te meer spanningen in hetrooster zullen ontstaan na een hardingsbehandeling en deste harder de martensiet zal worden. Vanaf ongeveer 0,3%koolstof is het mogelijk om staal te harden.

figuur 7.5 Het rooster van de ijzeratomen wordt iets opge-rekt, waardoor een tetragonale structuur ontstaat

Bij het harden treedt een volumeverandering op. Martensietheeft namelijk een groter volume (ca. 1,3 procent) dan ferrieten austeniet. Bij het vervaardigen van een onderdeel moethiermee rekening worden gehouden. De verkregen volumetoe-name na het harden kan een extra slijpbewerking betekenen.

Om de martensietstructuur te verkrijgen moet een snelleafkoeling plaatsvinden. De afkoelsnelheid wordt bepaalddoor de kritische afkoelsnelheid van het materiaal. Het isvan groot belang dat deze kritische afkoelsnelheid wordtgehaald. Hiervoor wordt vaak water of olie gebruikt. Overi-gens komen hier ook de termen water- en oliehardend staalvandaan.Als het staal veel legeringselementen bevat, kan het zelfsluchthardend zijn. Dit betekent dat bij afkoelen in lucht dekritische afkoelsnelheid al wordt gehaald. Deze afkoelsnel-heid is kleiner naar gelang de hoeveelheid legeringselemen-ten toeneemt. Ook de hardingsdiepte neemt toe met hetpercentage legeringselementen.

RestaustenietZoals beschreven moet austeniet snel worden afgekoeldom martensiet te verkrijgen. De onderkoeling zorgt voor dedrijvende kracht van de martensitische transformatie. Hetblijkt dat als de koolstof in het staal toeneemt, het staaltot een lagere temperatuur moet worden afgekoeld en hetmartensietstartpunt (Ms) daalt. Blijkbaar verloopt de trans-formatie niet zo gemakkelijk. Door de spanningen in hetmateriaal wordt martensiet gevormd en wordt de verderetransformatie bemoeilijkt. Bij hoge koolstofgehalten in staalzal bij kamertemperatuur niet al het austeniet transformeren.Het overblijvende austeniet wordt restausteniet genoemd,dat niet stabiel is en bij verdere afkoeling zal worden omge-zet naar martensiet. Ook zal door deformatie van het staalde transformatie verder gaan.Door het werkstuk na het harden gelijk te verwarmen oplagere temperatuur krijgt de restausteniet de kans om zichom te zetten in stabiele martensiet. Deze behandeling wordtontlaten genoemd.

Het legeren van staal leidt ook tot het verkrijgen van eenhogere hardheid en een grotere doorhardingsdiepte. Onderde doorhardingsdiepte verstaan we die dikte van de hardelaag die wordt verkregen na een snelle afkoeling. Kleinewerkstukken zullen tot in de kern een martensitische struc-tuur krijgen, maar bij grotere werkstukdikten is de afkoel-snelheid in de kern lager dan aan de buitenkant.

In veel gevallen zijn werkstukken vereist met alleen eenharde buitenlaag, terwijl de kern nog over voldoende taai-heid moet beschikken. Een oppervlakteharding is dan feite-lijk voldoende. Maar een staalsoort met hoge taaiheid heefteen relatief laag koolstofgehalte en laat zich dus niet har-den. Door aan het oppervlak bijvoorbeeld koolstof toe tevoegen, carboneren genoemd, wordt een harde buitenlaagverkregen na het afschrikken.Ook kan men een warmtebehandeling in een stikstofatmos-feer of stikstof-koolstofatmosfeer geven, waardoor hetoppervlak stikstof en koolstof opneemt, waarna het opper-vlak eveneens hard wordt na een aanvullende oppervlakte-hardingsbehandeling (nitreren en carbonitreren).

7.7 OntlatenDoor harden krijgt het materiaal de martensitische struc-tuur; een structuur die hard en bros is. Het gevaar van hetoptreden van scheuren is niet ondenkbeeldig. Om dit gevaarte doen laten afnemen geeft men geharde werkstukken di-rect na het harden nog een aanvullende warmtebehande-ling voordat ze geheel zijn afgekoeld. Deze warmtebehan-deling wordt ontlaten (ook wel temperen) genoemd. Hier-mee kan de brosheid na het harden zoveel mogelijk wordenweggenomen.

Doel van ontlaten is tweeledig:1. Spanningen door het harden opheffen, restausteniet

omzetten in bainiet.2. Gunstige hardheid en taaiheid verkrijgen voor de be-

oogde toepassing.

De hoogte van de ontlaattemperatuur wordt bepaald doorde samenstelling van het staal en de gewenste eigenschap-pen na het ontlaten. Bij de meeste stalen ligt de ontlaat-temperatuur tussen de 150 en 350 ºC. Door het verhogenvan de temperatuur kunnen diffusieproblemen optreden.Ontlaten bij een lagere temperatuur vermindert de inwen-dige spanningen in het werkstuk, maar de restausteniet zalniet worden omgezet. Het ontlaten boven 200 ºC zal detaaiheid verbeteren, maar resulteert ook in een daling vande hardheid. Bij deze temperatuur wordt alle restaustenietomgezet in bainiet.

Samenvattend geldt: hoe hoger de ontlaattemperatuur,des te groter de taaiheid en des te lager de hardheid. Hetis dus van belang om voor het beoogde doel de juiste ont-laattemperatuur te kiezen. Ontlaten bij temperaturen vanca. 500 ºC of hoger wordt hoog ontlaten of veredelen ge-noemd.

17

7.8 VeredelenVeredelen is harden en aansluitend daarop ontlaten op eenzo hoge temperatuur, dat daardoor een belangrijke verho-ging van de sterkte en taaiheid optreedt in vergelijking metonbehandeld staal. Het doel van veredelen is het verkrijgenvan een zeer fijne verdeling van carbiden (vooral cemen-tiet) in een fijnkorrelige ferritische kristalstructuur. Dezestructuur zorgt voor de hoge sterkte en taaiheid.

Het veredelen vindt plaats in het temperatuursgebied tus-sen de 400 en 700 ºC, gevolgd door langzame afkoeling ineen oven of olie. De voorschriften van de staalfabrikantenmoeten nauwkeurig worden opgevolgd om het gewensteresultaat te behalen. Te hoge veredeltemperaturen zullenleiden tot een lagere treksterkte of taaiheid dan gewenst.Het veredelproces is een diffusieproces; dezelfde resulta-ten zijn haalbaar door lang te ontlaten bij lagere tempera-tuur of korter te ontlaten bij hogere temperatuur.

De resultaten van het veredelen zijn sterk afhankelijk vande mate van doorharding die bij het harden verkregen is.Bij onvolledige doorharding zijn de eigenschappen van derand en de kern verschillend.Tijdens de veredelingsbehandeling krijgt de kern de tijd omdoor middel van diffusie de juiste structuur te verkrijgen,waardoor de mechanische eigenschappen verbeteren. Hetvoordeel hiervan is, dat het verschil tussen kern en rand naveredelen minder groot is dan direct na het harden.

Het is moeilijk om bij grotere doorsneden een goede door-harding tot in de kern te krijgen. Tijdens het afkoelen heeftdik materiaal meer tijd nodig, waardoor in de kern de ge-wenste eigenschappen niet worden verkregen. Door lege-ringselementen toe te voegen wordt de vereiste afkoel-snelheid verlaagd, waardoor er ook in de kern doorhardingwordt bereikt. Noodzakelijke legeringselementen zijn naastkoolstof ook chroom, mangaan en molybdeen. Bij groteremateriaaldikten zijn steeds meer legeringselementen nodig.Zo moet veredelstaal minimaal 0,3% koolstof bevatten. Bijideale harding kan men staal met een koolstofgehalte van0,4% harden tot een hardheid van ca 60 HRc.

Hoe hoger de ontlaattemperatuur des te lager de treksterkteen des te hoge de taaiheid. Er is altijd sprake van een com-promis tussen hogere sterkte en taaiheid. Hoge veredelings-temperaturen geven een lage sterkte maar hoge taaiheid,terwijl lage veredelingstemperaturen een hoge sterkte eneen verminderde taaiheid geven (zie ook figuur 7.6).

figuur 7.6 Relatie tussen ontlaattemperatuur en demechanische eigenschappen

Spanningsarmgloeien van veredeld materiaalIn de ketel- en apparatenbouw worden vaak veredelings-staalsoorten toegepast. Typische veredelingsstaalsoortenzijn gelegeerd met chroom en molybdeen. Soms is het nood-zakelijk om een werkstuk na bijvoorbeeld diverse lasbewer-kingen spanningsarm te gloeien. Hierbij moet niet wordenvergeten, dat het veredelde staal nooit verwarmd mag wor-den boven de veredelingstemperatuur. Doet men dit wel,dan zal er ongewenste achteruitgang van de mechanischeeigenschappen optreden. Daarom is het belangrijk altijdminimaal 50 ºC onder de veredelings- of ontlaattemperatuurvan het staal te blijven. De ontlaat- of veredelingstempera-tuur hoort op het materiaalcertificaat of materiaalattest teworden vermeld door de materiaalfabrikant. Als dit certifi-caat er niet is, is het veilig om 50 ºC onder de minimaleveredelingstemperatuur van het betreffende staal te blijven.

De moderne staalsoorten met verhoogde sterkte kunnenhun sterkte verkrijgen door aansluitend aan het walsen hetmateriaal versneld af te koelen (harden) en te ontlaten.Hierdoor ontstaan de veredelde constructiestaalsoorten.Deze zijn ook bekend onder de Quenched and Tempered(QT) staalsoorten.

7.9 NormaalgloeienDoor het toepassen van de juiste warmtebehandeling kun-nen de mechanische eigenschappen van het staal wordenverbeterd. De fijnere structuur resulteert in een hogeresterkte en betere taaiheid. Normaalgloeien is de warmtebe-handeling waarmee dit resultaat kan worden bereikt.

Door de verschillende behandelingen (gieten, walsen, lassenen bijvoorbeeld koudvervormen) kunnen ongelijkmatige engrove structuren in het materiaal ontstaan die tot lageremechanische eigenschappen leiden. Bij het normaalgloeienwordt de structuur als het ware "genormaliseerd": in nor-male toestand gebracht. Hierbij ontstaan fijne korrels enbetere mechanische eigenschappen. Tevens worden deaanwezige inwendige spanningen tot een minimum gere-duceerd. Het werkstuk wordt verwarmd tot temperaturenin het austenietgebied dicht boven A3 (ca. 30 tot 70 ºC infiguur 7.9). Bij bovenperlitisch staal gloeit men ca. 30 tot70 ºC boven A1. Voor de verblijftijd wordt minimaal dertigminuten aangehouden plus twee minuten per millimeterwanddikte. Hierna volgt een afkoeling aan rustige lucht.

De afkoelsnelheid ligt iets hoger dan bij spanningsarm-gloeien. Zolang men nog in het austenietgebied zit, kanopnieuw korrelgroei optreden met grove korrels tot gevolg.Daardoor wordt het korrelverfijnend effect van het normaal-gloeien tenietgedaan.

Doordat bij deze gloeiing twee keer een fasetransformatieplaatsvindt, namelijk van ferriet met perliet naar austenieten omgekeerd, zal er twee keer een korrelverfijning optre-den. Dit komt, omdat er bij de transformatie meerderegroeikiemen per kristal ontstaan. Zo ontstaat een fijnkorre-lige perlietstructuur die karakteristiek is voor het betreffendestaal.

Het normaalgloeien wordt overwegend toegepast bij onge-legeerd staal, laaggelegeerd staal en bij gietstaal. De kool-stofgehalten van deze staalsoorten liggen meestal beneden0,8 procent. Bovenperlitische staalsoorten (bijvoorbeeldgereedschapsstaal met een koolstofgehalte van meer dan0,8 procent) worden meestal niet normaalgegloeid, omdatde gewenste structuurverbetering beperkt blijft. Bij dezematerialen moet op hogere temperaturen boven de Acm-lijn(figuur 7.9) worden gegloeid. Hierdoor neemt de kans opkorrelgroei toe. Tevens wordt bij afkoelen op de korrel-grenzen pro-eutectoidisch cementiet gevormd. Hierdoorontstaat een bros cementietnetwerk. Deze staalsoortenworden daarom zachtgegloeid.

In tabel 7.4 wordt de invloed van het normaalgloeien op demechanische eigenschappen van een aantal gietstaalsoor-ten weergegeven.

18

tabel 7.4 Gietstaalsoorten en de verandering van mechani-sche eigenschappen als gevolg van normaalgloeien

warmte-behandeling

koolstof-gehalte

rek-grens

trek-sterkte rek kerfslag-

waarde[%] [MPa] [MPa] [%] [J]

ongegloeid 0,11 180 410 26 40

gegloeid op 900 ºC 260 420 30 170

ongegloeid 0,26 230 430 13 30

gegloeid op 900 ºC 290 480 24 90

ongegloeid 0,53 250 620 7 13

gegloeid op 900 ºC 350 700 16 35

ongegloeid 0,85 300 620 1 14

gegloeid op 900 ºC 320 720 9 20

Opmerking:Als een gelaste constructie moet worden normaalgegloeid,moet bij de keuze van het toe te passen lastoevoegmate-riaal daarmee rekening worden gehouden. De standaardtoevoegmaterialen zijn namelijk niet ontwikkeld voor dezegloeibehandeling; de sterkte en de taaiheid nemen aan-zienlijk af. Er zijn toevoegmaterialen ontwikkeld speciaalgeschikt voor het normaliserend gloeien na het lassen.

7.10 PrecipitatiehardenDeze warmtebehandeling wordt eerder uitgevoerd aan alu-miniumlegeringen dan aan staalsoorten. Het legeringsele-ment wordt bij hoge temperatuur opgelost in het aluminiummengkristal. Na afschrikken wordt nagewarmd op ca. 200 ºC.Hierdoor worden fijne deeltjes uitgescheiden, precipitatengenaamd, waardoor het als een soort wapening aan hetaluminium een grote sterktetoename geeft. Koper is eenvoorbeeld van een precipiterend element. De AlCu-legeringenvinden door de combinatie van gewicht en sterkte veeltoepassing in de vliegtuigbouw. Deze warmtebehandelingwordt ook wel (kunstmatige) veroudering genoemd.

7.11 HomogeengloeienGietstructuren van meer dan twee legeringselementen ver-tonen chemische inhomogeniteiten, segregatie. Hiermeeworden plaatselijke concentratieverschillen tussen de ver-schillende legeringselementen bedoeld. Deze inhomogeni-teiten kunnen verschillen in hardheid en inwendige span-ningen veroorzaken in het gegoten blok of plak.Door te gloeien op temperaturen tussen ca. 1000 en 1300 ºC(net onder de solidustemperatuur) kunnen legeringsele-menten zoals chroom en molybdeen door het staal diffun-deren. Hierdoor ontstaan er minder sterke concentratie-verschillen door het gehele gietblok.

Homogeengloeien wordt voornamelijk toegepast voor micro-segregatie. Voor het bereiken van macrosegregatie neemtde gloeitijd toe. Deze gloeibehandeling kan niet altijd wordenuitgevoerd, omdat het gevaar bestaat dat er interkristallijnescheurvorming optreedt. Deze kans bestaat, doordat bij dehoge gloeitemperatuur de laagsmeltende fasen/bestanddelenop de korrelgrenzen vloeibaar worden (warmscheuren).Daarom wordt deze gloeibehandeling eigenlijk alleen toege-past door staalfabrikanten en niet door staalverwerkers.

7.12 Rekristalliserend gloeienHet rekristalliserend gloeien wordt toegepast op sterk gede-formeerd of koudvervormd staal om de taaiheid en de ver-vormbaarheid te herstellen. Vaak zijn dit staalsoorten meteen laag koolstofgehalte, omdat staalsoorten met een hoogkoolstofgehalte niet of moeilijk koud te vervormen zijn.Door koudvervormen neemt de dislocatiedichtheid en dusde inwendige spanning in het materiaal toe. Deze inwen-dige spanningen en de daaraan verbonden energie zorgenervoor dat als de temperatuur wordt verhoogd, nieuwe kor-rels worden gevormd met een nieuw kristalrooster, waarinde dislocatiedichtheid laag is.

Om rekristallisatie te laten optreden is een minimale defor-matiegraad nodig (zie figuur 7.7).

figuur 7.7 Relatie vervormingsgraad en kristalgrootte

De kritische vervormingsgraad waarboven rekristallisatieoptreedt ligt voor staal bij ca. 10%.Onder deze drempelwaarde treedt geen rekristallisatie op,maar slechts afbouw van de spanningen (spanningsarm-gloeien). Net boven de kritische deformatiegraad zijn erslechts weinig kiemen aanwezig en is een hoge tempera-tuur nodig om rekristallisatie te verkrijgen. Dit beperkteaantal kiemen zal dan - ook vanwege de hoge temperatuur -kunnen uitgroeien tot grote korrels. Dit is het geval bij be-werkingen als knippen, ponsen, buigen en richten. Door re-kristalliserend gloeien treedt korrelgroei op met een grovestructuur met slechte mechanische eigenschappen als ge-volg (zie tabel 7.5).

tabel 7.5 Invloed rekristallisatietemperatuur op de mecha-nische eigenschappen en korrelgrootte van 90%koudgewalst koolstofstaal met 0,09% C (gloei-tijd 1 uur)

Gloeitemp. ºC 20 400 550 600 650 750 950Treksterkte (MPa) 860 850 760 640 420 390 360Rek (%) 5 9 13 22 28 31 32Korrelgrootte (µm) – – – – 4,7 6,2 21,0

Is de deformatiegraad groter, dan zullen er meer kiemplaat-sen worden gevormd en kan met een lagere gloeitempera-tuur worden volstaan om te rekristalliseren. Ook blijft dekorrelgroei beperkt. Als een fijne rekristallisatiestructuur isgewenst, moet de koudvervorming minstens dertig procentbedragen. Dit is haalbaar bij dieptrekken.

Rekristallisatie en de uiteindelijke korrelgrootte van het staalis dus het resultaat van een combinatie van deformatie-graad en gloeitemperatuur. De rekristallisatietemperatuur isgeen materiaalconstante, maar afhankelijk van de zuiver-heid van de ferriet, het perlietpercentage en de vervormings-graad. Om in staal rekristallisatie te bewerkstelligen, moeter worden gegloeid net onder de A1-lijn (figuur 7.9) in hetijzer-koolstofdiagram. De temperatuur moet relatief snelworden verhoogd, anders wordt het materiaal spannings-arm gegloeid en verdwijnen de kiemplaatsen voor rekristal-lisatie.Het ferriet rekristalliseert tussen de 550 en 650 ºC, de be-staande perlietvelden zullen niet veranderen. Perliet rekris-talliseert pas bij veel hogere temperaturen.

19

In een ferritisch-perlitisch staal zal eerst het ferriet deforme-ren; hierdoor ontstaan dus eerder kiemplaatsen. Voor eenvolledig structuurherstel moet worden normaalgegloeid.

Tijdens het rekristalliseren ontstaan op verschillende pun-ten, voornamelijk op de korrelgrenzen, kiemen van nieuwekorrels. Deze kiemen groeien verder uit ten koste van oudekorrels (zie figuur 7.8). Er zal ongewenste korrelgroei op-treden als op te hoge temperatuur wordt gegloeid of als erte lang wordt gegloeid.

a b

c dfiguur 7.8 Schematische voorstelling van rekristallisatie.

a: beginnende rekristallisatieb en c: verschillende stadia tijdens rekristallisatiec: structuur van de rekristallisatie

7.13 ZachtgloeienZachtgloeien en veredelen zijn gloeibehandelingen waarbijhet staal zachter wordt.Het doel van zachtgloeien is het staal een zodanige struc-tuur te geven, dat het beter verspaanbaar en vervormbaaris. Ook verkleint het de kans op scheuren bij eventuelehardingsbehandelingen. Door de gloeiing neemt de trek-sterkte en hardheid zo'n 10 tot 25% af; daarentegenneemt de taaiheid iets toe.Er wordt een structuur verkregen met globulaire (bolvor-mige) carbiden in een ferritisch kristalrooster. Door de glo-bulaire carbiden breekt de spaan tijdens het verspanen be-ter en zal het metaaloppervlak ook gladder worden dan bijniet gegloeid staal.Het staal wordt verhit tot net onder het austenietgebied(zie figuur 7.9), gevolgd door zeer langzaam afkoelen.

Een andere manier is om de temperatuur te laten schomme-len rond de 720 ºC (AC1 in figuur 7.10), waarbij slechts eenklein deel van de structuur wordt omgezet in austeniet.Deze uitvoering van de gloeibehandeling wordt voornamelijktoegepast bij staalsoorten met een hoog koolstofgehalte,bijvoorbeeld gelegeerde veredelingsstalen. De gloeiduur isca. 5 tot 24 uur (afhankelijk van de staalsoort) en wordtgevolgd door langzaam afkoelen in de oven.

Het zachtgloeien is een diffusieproces en berust op de nei-ging van de carbiden om de oppervlakte-energie te verla-gen door een bolvorm aan te nemen. Ze gaan over van delamellaire carbiden in bolvormige. Bij ongelegeerd staalhoeft alleen de koolstof te diffunderen. In gelegeerd staalmoeten naast de koolstof ook de substitioneel opgelosteelementen worden verplaatst. Hierdoor is het zachtgloeien

figuur 7.9 Gebieden voor de verschillende gloeibehandelingen,weergegeven in het relevante deel van het ijzer-koolstofdiagram

figuur 7.10 Schematische voorstelling van het zachtgloeien,pendelen rond AC1

vooral in gelegeerde staalsoorten een langdurig proces. Dehoogste diffusiesnelheid van de elementen in het ferrietwordt bereikt vlak onder de overgangstemperatuur.Daarom wordt het staal bij zachtgloeien verwarmd tot vlakonder de A1-temperatuur (ca. 680 tot 710 ºC in figuur 7.9).Bij ongelegeerd staal zorgt deze methode gewoonlijk in vijftot tien uur voor het gewenste doel. Bij gelegeerde staal-soorten zijn soms gloeitijden van 24 uur of langer nodig.Ook daarna is de bereikte hardheid nog meestal niet optimaal.

Zachtgloeien wordt voornamelijk toegepast bij staalsoortenmet een koolstofgehalte van 0,9 procent of meer, voorna-melijk gereedschapsstaal.Voor staalsoorten met minder dan 0,9 procent koolstof (ge-legeerde veredelingsstaalsoorten) wordt het zachtgloeienwel eens gebruikt om het staal beter verspaanbaar te maken.Voor staalsoorten met minder dan 0,5 procent koolstof isde zachtgegloeide toestand voor verspanende bewerkingongunstig, omdat het materiaal zo zacht wordt dat het ma-teriaaloppervlak onder de beitel zal vervormen (smeren) inplaats van snijden. Bij deze materialen geeft normaalgloeiende beste verspaanbaarheid.In het algemeen kan worden gesteld: staalsoorten met min-der dan 0,5 procent koolstof worden normaalgegloeid, ter-wijl staalsoorten met koolstofgehalten boven 0,5 procentworden zachtgegloeid.

20

7.14 OppervlaktehardingSoms is het gewenst dat het oppervlak van een werkstukeen bepaalde hardheid en slijtvastheid moet hebben, ter-wijl de kern ervan een hoge taaiheid moet bezitten. Denkbijvoorbeeld aan de flanken van tandwielen. Het hardenvan het oppervlak is dan gewenst.Echter, de begrippen hoge hardheid en hoge taaiheid staanlijnrecht tegenover elkaar. Een hoge hardheid wordt in prin-cipe verkregen door een hoger koolstofgehalte, terwijl meteen lager koolstofgehalte eerder een hoge taaiheid wordtverkregen.Door nu met bepaalde diffusieprocessen het koolstofgehaltein het oppervlak van het werkstuk te verhogen, kan menhet werkstuk via snel afkoelen vanuit het austenietgebiedalleen aan het oppervlak harden. Ook kan diffusie van stik-stof (en eventueel koolstof) in het oppervlak worden be-vorderd (zie ook § 7.6). Deze warmtebehandeling wordtoppervlakteharding genoemd.

8 Uitvoering van warmtebehandelingenWarmtebehandelingen kunnen op de volgende manierenworden uitgevoerd:

8.1 in (tijdelijke) ovens.8.3 met elektrische verwarmingselementen;8.4 door infrarood stralers;8.5 door inductieverwarming;8.2 door gebruik van gasbranders;8.1 door aanvullende lasrupsen;

8.1 GloeiovensHet gloeien op hoge temperatuur zal meestal plaatsvindenin ovens. Hiervoor kunnen zowel vaste ovens, alsook tijde-lijke/mobiele ovens worden gebruikt.Vaste ovens zijn ovens die op één vaste plaats, meestal bijhet bedrijf dat de gloeiing uitvoert, staan opgesteld. Dezeovens zijn er ook in velerlei afmetingen. De grootte van deoven wordt bepaald door de grootte van het te gloeienwerkstuk. Figuur 8.1 geeft een voorbeeld van een vasteoven. Bij gloeiwerkzaamheden met deze ovens worden dete gloeien werkstukken naar de ovens gebracht.

figuur 8.1 Vaste gloeioven

Het kan ook zo zijn dat de te gloeien werkstukken te grootof te complex zijn om te vervoeren naar een vaste oven.

Dan kunnen zogenaamde mobiele of tijdelijke ovens omhet werkstuk worden gebouwd. Figuur 8.2 geeft een voor-beeld van een dergelijke oven.

figuur 8.2 Tijdelijke gloeioven

In het algemeen moet worden opgemerkt dat gloeiwerk-zaamheden aan werkstukken, met uitzondering van het voor-verwarmen, specialistisch werk is. Het is dan ook raadzaamhiervoor gespecialiseerde bedrijven in te schakelen.

8.3 Elektrische verwarmingselementenDeze elementen zijn in veel verschillende uitvoeringen enafmetingen beschikbaar. De stroom, veelal geleverd doorspeciale laagspanningstransformatoren, ondervindt weer-stand in de elementen. Deze worden heet en geven hunwarmte af aan het werkstuk. Door regeling van de stroom-sterkte door deze elementen kan men de ontwikkeldewarmte regelen en daarmee de temperatuur sturen. Viathermokoppels op het werkstuk, verbonden met de stroom-bron, kan een optimale regeling plaatsvinden. Deze methodevan verwarmen vindt plaats bij het voorverwarmen van las-naden alsook het lokaal uitgloeien van lassen. Figuur 8.3geeft een voorbeeld van deze wijze van uitgloeien van eenlasnaad weer.

figuur 8.3 Uitgloeien van een lasnaad met elektrischeweerstandselementen

8.4 Infrarood stralersDe door een regelbare stroom ontwikkelde infrarood stralenverhitten het werkstuk. Deze methode wordt toegepastvoor het voorverwarmen van onder andere lasnaden.Figuur 8.4 geeft hiervan een voorbeeld.

21

figuur 8.4 Voorwarmen van een lasplaats via infraroodstraling

8.5 InductieverwarmingDoor een geïnduceerde stroom zal het werkstuk, ingebrachtin de inductiespoel, warm worden. Voor relatief kleine werk-stukken, meestal pijpverbindingen, wordt deze methodevan uitgloeien veelvuldig toegepast.Figuur 8.5 geeft hiervan een voorbeeld. Hierbij zijn de ka-bels waardoor de regelbare elektrische stroom gaat terweerszijde van de lasnaad om de pijp gewikkeld.

figuur 8.5 Gloeien via de inductiemethode

8.2 GasbrandersGas-zuurstofbranders voor het uitvoeren van warmtebehan-delingen zijn er in vele maten en vele soorten. Gasbrandersworden hoofdzakelijk gebruikt bij het voorwarmen van telassen werkstukken. Veel gebruikte gas-zuurstofcombinatieszijn acetyleen-zuurstof en propaan-zuurstof.

In vele gevallen is echter het gebruik van gasbranders af teraden. Enerzijds omdat er vanuit de gasvlam vocht kan neer-slaan op het werkstuk, waardoor de kans op het ontstaanvan koudscheuren toeneemt. Anderzijds zijn de brandersveelal slecht afgesteld, waardoor een roetende vlam ont-staat. Hierdoor slaat roet neer op het werkstuk. Roet isniets anders dan onverbrande koolstof. Deze komt in delasnaad terecht, met als gevolg opkoling en meer kans ophet ontstaan van scheuren.

8.1 Door aanvullende lasrupsenDeze methode is ook bekend onder de naam "temper beadmethode". In feite is het een warmtebehandeling uitge-voerd door een extra lasrups, met als doel de warmte-beïnvloede zone te ontlaten.De normale wijze van vullen van lasnaden is rupsen lassenin lengterichting van de lasnaad, beurtelings beginnendevanaf beide naadflanken (zie figuur 8.6).

figuur 8.6 Normale wijze van vulling van een lasnaad

Het lassen van de sluitlaag verschilt in zoverre van de daar-onder liggende lagen, dat het lasmetaal van de sluitlaagniet opnieuw een warmtebehandeling ondergaat als gevolgvan het lassen van de volgende lagen.De sluitlaag wordt daarom zodanig gelast, dat eerst tweelasrupsen worden gelegd tegen beide plaatkanten. Vervol-gens wordt de sluitlaag tussen deze lasrupsen gelast.De meest kritische punten met betrekking tot martensiet-vorming, namelijk de overgang van lasmateriaal naar plaat-materiaal, krijgen op deze wijze toch nog een warmtebehan-deling als gevolg van het lassen van de volgende rupsen.Om een effectief uitgloeien van eventueel gevormd marten-siet in de overgangszone te bewerkstelligen, dient de over-lapping van de eerst gelegde lasrupsen voldoende groot tezijn (zie figuur 8.6). Deze methode van lassen met hetuitgloei-effect van de warmte-beïnvloede zone noemt mende "temper bead methode".

Er zijn echter situaties, waarbij deze wijze van vullen vande naad niet kan plaatsvinden. Denk bijvoorbeeld aan hetvullen van een naad "uit de zij" (positie PC). De sluitendelasrups wordt aan de bovenzijde gelegd en uitgloeien vande warmte beïnvloede zone door het leggen van deze rupsvindt niet meer plaats. Door het leggen van een "temper-snoer" op de laatst gelegde lasrups zal deze de warmte-beïnvloede zone uitgloeien, zodat harde zones worden weg-genomen (zie figuur 8.7).

figuur 8.7 Uitvoering van de "temper bead"

22

Bij deze techniek last men na het vullen van een lasnaadmet opzet nog een snoer op de laatst gelegde lasrups.Door de laswarmte van deze extra rups wordt het onder-liggende materiaal uitgegloeid. De positionering van dezerups is zeer kritisch. Een afstand van 1,5±0,5 mm ten op-zichte van de smeltlijn van het onderliggende snoer is juist.

9 Meten en registratie van de gloei-temperatuur

Er zijn veel methoden voor het meten van de temperatuur.Te denken valt aan: thermokoppels; thermokrijtjes (tempelsticks); contactmeting; infraroodmeting.

Via thermokoppels, direct bevestigd aan het te gloeienwerkstuk, kan zeer nauwkeurig de temperatuur wordengemeten. Bovendien kan met deze methode via een terug-koppeling naar de stroombron die de stroom aan de gloei-elementen levert, de temperatuur zeer nauwkeurig wordengeregeld.

Het meten met thermokrijtjes is een benaderingsmethode.Bij het ene type krijtje verandert de kleur van de aange-brachte streep bij een bepaalde temperatuur, terwijl bij hetandere type krijtje het krijt bij een bepaalde temperatuurverweekt, zodat er gemakkelijk een streep op het werkstukkan worden gezet. Registratie en dus sturing hiermee vande temperatuur is niet mogelijk.

Bij contactmeting kunnen handmeters worden gebruikt.Met deze methode, mits juist uitgevoerd, is een nauwkeu-riger temperatuurmeting mogelijk dan met krijtjes.

Bij infraroodmeting kan contactloos en veelal op afstandworden gemeten.

Wat betreft de kwaliteitsaspecten bij het uitvoeren vangloeiactiviteiten moet verwezen worden naar een ISO- norm:ISO 17663 "Welding - Guidelines for quality requirementsfor heat treatment in connection with welding and alliedprocesses".

In dit document wordt uitvoerig ingegaan op het uitvoerenvan de warmtebehandelingen.Zo is een tabel opgenomen, waarin is aangegeven welketemperatuurverschillen er mogen zijn tussen verschillendemeetpunten op één werkstuk. De verschillen zijn op hunbeurt weer gerelateerd aan de gloeitemperatuur.Bovendien is aangegeven hoeveel meetpunten er op eenwerkstuk moeten worden aangebracht. Het aantal puntenis afhankelijk van de inhoud van de gloeioven of de groottevan het te gloeien product.Ook zijn eisen opgenomen ten aanzien van de registratievan de gloeitemperatuur.

10 Literatuurverwijzing[1] Materialenkennis voor de laspraktijk nr 6: IJzer-koolstof-

diagram; Lastechniek nr 2 d.d. februari 2007; auteur:G. van den Handel.

[2] Materialenkennis voor de laspraktijk nr 8: Warmtebe-handelingen; Lastechniek nr 4 d.d. april 2007; auteur:G. van Krieken.

[3] Materialenkennis voor de laspraktijk nr 9: Warmtebe-handelingen deel 2; Lastechniek nr 5 d.d. mei 2007;auteur: G. van Krieken.

[4] Materialenkennis voor de laspraktijk nr 17: Voorwar-men voor het lassen; Lastechniek nr 2 d.d februari2008; auteur: M. Hermans.

[5] NIL-lesmateriaal voor de opleiding IWE en IWT.[6] CEN rapport CR ISO 17663, dd maart 2001: Guide-

lines for quality requirements for heat treatment inconnection with welding and allied processes

[7] ISO 17663: Guidelines for quality requirements forheat treatment in connection with welding and alliedprocesses

23

Bijlage 1Het ijzer-koolstofdiagram

figuur B.1 Het ijzer-koolstofdiagram

24

Bijlage 2Diagram ter bepaling van de voorwarmtemperatuur volgens BS 5135

Het diagram bestaat uit drie delen: de schalen A tot en met D, voorstellend de koolstofequi-

valenten met verschillende gehalten aan diffundeerbarewaterstofgehalten van de lastoevoegmaterialen;

de rechter grafiek, waar langs de horizontale as de warmte-inbreng is aangegeven en waarin opgenomen een waaieraan lijnen voorstellende de gecombineerde te lassen plaat-dikte;

de rechter grafiek, waarin opgenomen lijnen voorstellendede aan te houden minimale voorwarmtemperatuur in ºC.

De schalen A tot en met D vergen uitleg. Beklede rutiel-elektroden geven, vanwege de samenstelling van de be-kleding meer diffundeerbare waterstof af dan basischeelektroden. Deze op hun beurt geven weer meer waterstofaf dan de massieve draden voor het MAG-lassen.Zo gelden de volgende waarden voor de schalen A tot enmet D voor de lastoevoegmaterialen: schaal A: diffundeerbare hoeveelheid waterstof meer

dan 15 ml per 100 gram lasmetaal; schaal B: diffundeerbare hoeveelheid waterstof tussen

10 en 15 ml per 100 gram lasmetaal; schaal C: diffundeerbare hoeveelheid waterstof tussen 5

en 10 ml per 100 gram lasmetaal; schaal D: diffundeerbare hoeveelheid waterstof minder

dan 5 ml per 100 gram lasmetaal.

De werkwijze is als volgt: bereken het koolstofequivalent van het te lassen staal; bepaal het lasproces en het type lastoevoegmateriaal

(lees: het gehalte aan diffundeerbare waterstof), waar-mee de lasverbinding wordt gemaakt;

bepaal het punt op een van de betreffende schalen A toten met D;

trek een verticale lijn door dit punt; bereken de warmte-inbreng; bereken de gecombineerde te lassen plaatdikte; trek een verticale lijn door het punt van de warmte-inbreng; trek een horizontale lijn naar links door het snijpunt van

de verticale lijn van de warmte-inbreng en de gecombi-neerde plaatdikte;

het snijpunt van deze lijn met de verticaal getrokken lijndoor het betreffende koolstofequivalent is de toe te pas-sen voorwarmtemperatuur.

figuur B.2 Diagram volgens de oude BS 5135 ter bepaling van de voorwarmtemperatuur