Harderij

Om inzicht te krijgen in het fenomeen harden is eerst wat materiaal kennis nodig daarom een beknopte samenvatting.

IJzer en staal

IJzer oftewel in vaktermen Ferro ( chemische afkorting Fe ) genoemd komt vrijwel hoofdzakelijk voor in combinatie met koolstof  ( chemische afkorting C ) en andere elementen.

De hoeveelheid aanwezige koolstof beïnvloed de eigenschappen van het materiaal. Met het gehalte koolstof kan onderscheid worden aangegeven tussen:   – Gietijzer of ruwijzer met meer dan 2 % gewicht C

– Staal met minder dan 2% gewicht C

De structuur van gietijzer is vrij bros en heeft een laag smeltpunt in tegenstelling heeft staal een fijnere structuur en is daardoor sterker; een lager C gehalte maakt staal smeedbaar, walsbaar en lasbaar. De bijzondere bruikbaarheid van ijzer is te danken aan het gedrag t.o.v. andere elementen.

Terug

Het element Fe 

Fe komt voor in vaste toestand in drie verschillende fasen met elk een verschillende kristal structuur, die elk in een bepaald temperatuurgebied stabiel zijn.

– Delta  ( δ ) boven 1400 ˚C

– Gamma ( γ ) tussen 910 – 1400 ˚C ( Austeniet )

– Alpha ( ά) onder 910 ˚C ( Ferriet )

Koolstof heeft een grote invloed op de structuur en eigenschappen van gietijzer en staal.

Daarnaast kan men een mengsel van kristallen aantreffen zoals

– Perliet, bestaand uit fijne lamellen van ferriet en cemantiet

– Ledebriet bestaand uit austeniet en cementiet

Bij een toenemend C-gehalte ( 0 – 4,3 % daalt het smeltpunt hierdoor daalt het temperatuurgebied voor het warm vervormen.

In principe zijn alleen staalsoorten met minder dan 1,5%C nog warm te smeden.

Terug

Warmtebehandeling 

Om een bepaalde structuur of eigenschappen te verkrijgen worden warmtebehandelingen toegepast.

Door het verkleinen van de kristallen (Korrelverfijning ) zal de rekgrens en kerfslag verhogen zonder dat de rek sterk verminderd ( normaliserend gloeien en veredelen ). Om het staal of gietijzer harder of slijtvaster te maken wordt het materiaal tot in het austenietgebied verhit en vervolgens snel afgekoeld.

Hierdoor heeft de koolstof niet de kans om zich in de vorm van cementiet af te scheiden; de ontstane structuur wordt martensiet genoemd.

Bij deze overgang worden als het ware de ijzer atomen door de koolstof atomen uit elkaar geperst; de hoge spanning die hierdoor onststaat in het ferriet rooster, leid tot een toename van hardheid. Bij de structuur overgang van austeniet naar martensiet treed tevens een volumeverandering op.

In het algemeen zal verhoging van hardheid en treksterkte gepaard gaan met verlies van taaiheid.

Door het materiaal na het harden te ontlaten ( het harde brosse martensiet te verwarmen ) kan de gewenste combinatie tussen hardheid, treksterkte en taaiheid worden verkregen.

Terug

Koolstofgehalte 

Zoals eerder genoemd heeft koolstof een grote invloed op de eigenschappen van staal en gietijzer.

Terug

Legeringselementen

Van ongelegeerd staal zijn de eigenschappen vaak niet voldoende om aan bepaald gestelde eisen te voldoen, daarom worden er tal van legeringselementen aan het staal toegevoegd. Dit ter verbetering van slijtvastheid, taaiheid, rekgrens, treksterkte, grotere doorharding etc.
Deze staalsoorten worden in de volgende groepen onderverdeeld: Laaggelegeerd staal en hooggelegeerd staal.

Laaggelegeerd staal tot 5% legeringsbestanddelen

Deze staalsoorten zijn kenmerkend door de veranderingen die deze staalsoorten doorbrengen door toevoeging van legeringsbestanddelen. De legeringsbestanddelen kunnen zich oplossen in het austeniet. Bij afkoeling uit het austenietgebied verhinderen ze het snel “wegdiffunderen” van koolstof uit het austeniet. Deze vertragende invloed leid tot een aanmerkelijke verlaging van de kritische afkoelsnelheid Hierdoor kan de snelle afkoeling in water vervangen worden door een langzamere afkoeling in olie of lucht. Voordelen: geringere afkoelspanning waardoor minder kans op vervorming en scheuren, groter bereik in hardingsdiepte soms zelfs tot volledige doorharding.
Hooggelegeerd staal> 5% legeringsbestanddelen
Deze staalsoorten kenmerken zich door de veranderingen die door deze legeringsbestanddelen ondervinden. De structuurovergangslijnen verschuiven aanzienlijk onder de invloed van legeringselementen. Bij 15% Chroom of meer leid dit tot het geheel verdwijnen van het austenietgebied, waardoor het materiaal niet meer hardbaar is.Omdat het materiaal bij elke temperatuur uit ferriet bestaat wordt het ook wel ferritisch Cr-staal genoemd.
Het omgekeerde effect treed op bij meer dan 8% Nikkel en Mangaan. Omdat het materiaal over het gehele temperatuurgebied austenitisch blijf wordt hett ook wel ausenitisch staal genoemd. Eveneens is dit materiaal niet hardbaar.

Terug

Carboneren, inzetten, opkolen, cementeren

Materiaal met een koolstofgehalte van minder dan 0,25% niet of onvoldoende mogelijk. Wanneer er bepaalde eigenschappen zijn vereist waaraan het materiaal niet voldoende voldoet hardheid of slijtvastheid dan dient het materiaal met koolstof te worden verrijkt tot een gehalte van ongeveer 0,8%Doordat in het austenietgebied door middel van diffusie koolstof in het materiaal kan oplossen dient het materiaal bepaalde tijd in een koolstofhoudende omgeving tot in het austenietgebied te worden verhit. Tijdsduur variërend afhankelijk van de gewenste laagdikte 0,5 – 30 uur.
De hoge temperatuur wordt na de diffusiefase teruggebracht tot de hardingstemperatuur. Aansluitend wordt het materiaal snel afgekoeld waarbij de tot 0,8% koolstof verrijkte laag martensiet wordt gevormd. In de overgangszone loopt het koolstofgehalte en daarmee ook de hardheid geleidelijk van 0,8% terug tot de waarde van de kern. Bij langdurig verblijf op hoge temperatuut treed grofkorreligheid op. Dit is nadelig voor de mechanische eigenschappen van het materiaal. Dit kan worden opgeheven door het materiaal na het inzetten normaal te gloeien en de ingezette laag vervolgens af te harden.

Terug

Carbonitreren

Hierbij worden tijdens het proces behalve koolstof ook stikstof aan de atmosfeer toegevoegd. Deze methode is vooral van belang voor ongelegeerde staalsoorten. Inzetdieptes van 0,05 – 0,15 mm kunnen beter worden beheerst door het trager verlopen van het diffusieproces bij lagere temperatuur.
Doordat de afkoelsnelheid minder kritisch is kan gebruik worden gemaakt van een milder afschrikmiddel bijv. olie, hierdoor treed minder vervorming op in het werkstuk.

Terug

(Gas)nitreren

Bij deze behandeling wordt gebruik gemaakt van het verschijnsel stikstofdiffusie. Hierbij gaan de stikstofatomen die in het materiaal dringen verbindingen aan met ijzer en aanwezige legeringselementen. De hierdoor gevormde nitriden verlenen het oppervlak een hoge hardheid en slijtvastheid waarbij tevens een geringe verhoogde corrosiebestendigheid wordt bereikt.Nitreren vind plaats bij relatief geringe temperaturen 500 – 580 °C waardoor er nagenoeg geen vervorming plaats vind hierdoor behoeven de werkstukken veelal niet meer te worden nabewerkt. Vooraf dient het werkstuk echter wel spanningarm te worden gegloeid op een temperatuur die 25° boven de nitreer temperatuur ligt. Het nitreren vind plaats in gasdichte ovens waarbij met enige overdruk amoniakgas wordt toegevoegd. De procestemperatuur bedraagt 500 – 530 °C hierbij ontleed een gedeelte van het gas in stikstof, die in dat stadium in het oppervlak kan diffunderen. De laagdikte is afhankelijk van de procesduur 0,1 – 0,7 mm diep. De laag bestaat uit een dunne stikstofrijke verbindingszone enigzins bros en ook wel witte laag genoemd en een diffusiezone. Oppervlakte hardheid wordt door het materiaal bepaald en ligt voor specifieke nitreerstalen ( met Al ) op een waarde tussen 1000 – 1300 Hardheid Vickers ( HV )

Terug

Ontlaten

Omdat er tijdens het harden grote spanningen ontstaan wordt het materiaal “ontlaten” de grote spanningen maken het materiaal wat erg bros en hard is nog brosser en daardoor scheurgevoelig. Deze spanningen kunnen deels worden weggenomen door het materiaal gedurende tijd te verwarmen op een temperatuur van b.v. 180 – 260 °C hierdoor kunnen de atomen zich beter zetten ten opzichte van elkaar, waardoor tevens het scherp naaldvormig karakter een meer afgeronde en fijnere vorm krijgt waardoor de brosheid en scheurgevoeligheid evenredig met verhoging van temparatuur afnemen.
Helaas nemen hardheid en trekvastheid af zodat de ontlaat temperatuur zodanig moet worden bepaald zodat de gewenste combinatie van taaiheid, hardheid en trekvastheid ontstaat. Na het harden is het noodzakelijk om te ontlaten m.u.v bainietharden.

Terug

Invloeden van oppervlaktebehandeling van gereedschappen

Stoomontlaten

Voorkomt het koudlassen van de spanen aan het gereedschap

Nitreren

Verhoogd de oppervlakte hardheid van het gereedschap waardoor minder wrijving ontstaat tussen gereedschap en het te verspanen materiaal, wordt voornamelijk toegepast op tappen voor het bewerken van gietijzer silumin enz.

Hardverchromen

Een verouderde methode maar wordt nog steeds toegepast bij tappen waarbij de oppervlakte een hardheid van 68 HRc bereikt.
Deze tappen zijn bijzonder geschikt voor materialen waarbij de tap snel stomp wordt.

Titaniumnitride ( TiN )

Deze geelkleurige coating wordt verkregen door de PVD techniek deze coating geeft een laag wrijving coëfficiënt aan het gereedschap en bereikt een zeer hoge oppervlakte hardheid van 2000 – 2200 HV. Max. werktemperatuur 660°C

Titaniumcarbide ( TiCN )

Deze coating bereikt een oppervlaktehardheid van 3000 HV hierdoor worden lange standtijden bereikt bij hoge snijsnelheden en hoge voedingen de kleur is grijs-paars Max. werktemperatuur 750°C

Titanaluminiumnitride ( TiAlN )

Bij deze paars-grijze coating is aan de titaniumnitride aluminium toegevoegd waardoor een hardheid van 3500 HV wordt bereikt, hierdoor is de coating uitermate geschikt voor het verpanen onder hoge temperatuur hierdoor bijzonder geschikt voor het droog verspanen van abresieve materialen zoals o.a. gietijzer Max. werktemperatuur 800°C

Terug

Staalharderij Bodycote http://www.bodycote.nl
Literatuur
Een praktisch handboek in klare taal geschreven is verkrijgbaar bij de firma Snijstaal b.v.
De titel van het boek: Harderij raadgever.
Het boek legt op speelse manier de basiskennis van het harden uit en het is een echte aanrader.

Gegevens: ISBN 90-70649-05-5
Auteur A. Heil sr.
Uitgever: Snijstaal b.v.
http://www.snijstaal.com
mailto:info@snijstaal.com

Terug

Hardheidsmeting

Hardheid van een materiaal wordt doorgaans gemeten door indrukking van een extreem hard lichaam in het materiaal met een vooraf bepaalde belasting (druk) afhankelijk van materiaal, dikte van het materiaal en van de microstructuur.
De omvang van de permanente indrukking bepaalt de hardheid, hoe minder indrukking hoe harder het materiaal.
In figuur links zijn de 3 voornaamste druklichamen en de vorm van de indrukking van de drie belangrijkste methoden van hardheidsmetingen weergegeven resp. Brinell, Rockwel C en Vickers.

Brinell

Hardheid Brinell wordt gemeten door middel van een stalen kogel (standaard diameters 2,5 – 5 en 10mm) met een bepaalde belasting in het te onderzoeken materiaal te drukken. De belasting is afhankelijk van de diameter van de gekozen kogel en ligt tussen ca. 15 en 3000 kg.de diameter van de afdruk in het materiaal bepaald de hardheid die volgens Brinell kan worden berekend.
Omdat de hardheid van de kogels beperkt is wordt Brinell doorgaans beperkt tot materialen met een hardheid tot plm. 400 HB
Hardheidsmeting in Brinell draagt een fundamentele onnauwkeurigheid in zich omdat deze methode een evenredigheid tussen de belasting en de indrukking verondersteld die er echter niet is.

Terug

Rockwell

Rockwell wordt gemeten door middel van een diamant kegel met een tophoek van 120° en een afgeronde punt, deze methode maakt gebruik van een ingebouwde meetklok waarmee de indrukdiepte gemeten wordt. Om te voorkomen dat door onregelmatigheden in het oppervlak van het te meten object invloed uitoefenen wordt de kegel met een voorlast van 10 kg op het object geplaatst.
Dit stadium vormt de nulstand voor de daaropvolgende meting waarbij een additionele belasting van 140 kg wordt aangebracht.
De gemeten hardheid wordt aangeduid met Rockwell C of HRc. Ook wordt de Rocwell methode gebruikt in combinatie met de stalen kogel in plaats van de diamanten kegel. De gemeten waarde wordt dan aangeduid als HRb.
De C van HRc en de B van HRb staan voor C=Cone=Kegel en B=Ball=Kogel

Terug

Vickers
Bij het meten van Vickers hardheid wordt gebruik gemaakt van een vierzijdige diamanten piramide met een tophoek van 136° de indrukking zal zich dan ook laten zien als een vierkant. In tegenstelling tot de Brinell methode is er bij Vickers meting wel een evenredig verband tussen belasting en oppervlak van de indrukking. De belasting kan worden gevarieerd van 1 tot 120 kg.

Terug