Neerslagverharding: proces, soorten en voordelen

"Precipitatieharden, leeftijdsharden, of deeltjesharden, is een warmtebehandelingsproces van metalen dat wordt gebruikt om de vloeigrens van het metaal en een breed scala aan structurele legeringen te verbeteren."

Deze methode werd voor het eerst ontdekt door Alfred Wilm terwijl hij probeerde de sterkte van aluminiumlegeringen te vergroten. In 1906 kreeg hij precipitatiegehard aluminium, en dit resulteerde in de productie van de eerste door veroudering hardbare aluminium-koperlegering genaamd Duralumin. 

Vervolgens zijn de principes van verouderingsharding in de loop der jaren op andere materialen toegepast. Tegenwoordig wordt dit proces gebruikt voor koolstofstaal en verschillende metaallegeringen om hun sterkte, hardheid en roestbestendigheidseigenschappen te vergroten.

Wat is neerslagverharding? 

Neerslag verharding

Verouderingsharden is een specifiek type warmtebehandeling dat helpt het rendement en de treksterkte van metaallegeringen te vergroten door ze in de loop van de tijd harder te maken. Het werkt door een aantal componenten in de legering te scheiden, waardoor de combinatie steviger op zijn plaats wordt gehouden en de beweging van het ene deel van het materiaal ten opzichte van het andere wordt beperkt. 

Het principe lijkt enigszins op dat van gewapend beton. Versterking van beton met stalen staven verhoogt de treksterkte van de constructie in grote mate. Wanneer er een trekbelasting wordt uitgeoefend, nemen de stalen staven de spanning op en zorgen ze er dus voor dat het beton niet uitzet. Op dezelfde manier worden de onzuiverheden die tijdens de legering in de legering worden opgenomen geval verharding proces verbetert ook de algemene sterkte van de legering. 

Het gebruik van precipitatieharding kan resulteren in een aanzienlijke toename van de vloeigrens en hardheid. Gegloeid 0.3% koolstofstaal heeft bijvoorbeeld in het algemeen een vloeigrens van ongeveer 300 MPa. Als dit staal wordt onderworpen aan verharding, bedraagt ​​de vloeigrens van dit materiaal ongeveer 600 MPa. Bij precipitatieharding kan de vloeigrens echter oplopen tot wel 1500 MPa. Dit toont aan dat er een vijfvoudige verbetering is in de vloeigrens, waardoor de voordelen van het proces bij het verbeteren van de prestaties van een legering worden aangetoond.

Wat is het mechanisme van neerslagverharding?

Het proces omvat drie belangrijke fasen: De gebruikelijke processen omvatten oplossingsbehandeling, blussen en veroudering. Alle fasen hebben hun eigen belang bij het vergroten van de sterkte en hardheid van het gegeven materiaal. 

Oplossing Behandeling: De eerste stap, gewoonlijk oplossingsbehandeling of oplossingsbehandeling genoemd, omvat het verwarmen van de legering tot een hoge temperatuur om een ​​oplossing te bereiken. Deze temperatuur ligt boven het solvuspunt, wat garandeert dat het neerslag in oplossing is in het basismetaal. Bijvoorbeeld; beryllium in koper of koper in aluminium. 

Om het begrijpelijker te maken, lost u suiker op in heet water. De hoeveelheid suiker die kan oplossen neemt toe met de stijging van de watertemperatuur. Aan de andere kant, als het water koud wordt, kan een deel van de opgeloste suiker kristalliseren. De Solvus-temperatuur is de hoogste temperatuur waarbij het neerslag in oplossing is. Dit komt omdat we door de legering tot deze temperatuur te verwarmen een maximale oplosbaarheid kunnen bereiken en dus een oververzadigde vaste oplossing. Deze fase wordt ook wel weken genoemd, waarbij de legering een bepaalde tijd op deze hoge temperatuur blijft. 

Blussen: Nadat de legering maximaal is opgelost, wordt deze snel afgekoeld tot kamertemperatuur via een proces dat bekend staat als blussen. Deze snelle afkoeling vergrendelt de oververzadigde oplossing in een metastabiele toestand. Het neerslag bezinkt dus niet. 

Metastabiele fase: Een metastabiele fase is een onstabiele fase die niet zou moeten bestaan ​​bij lagere temperaturen, maar door uitdoving wordt de atomaire structuur in die fase vergrendeld. Deze snelle afkoeling elimineert de kans op kiemplaatsen waar neerslag zich zou kunnen vormen als de afkoeling langzamer zou verlopen. Na het afschrikken is de legering een zachte, vaste oplossing en heeft deze een lage sterkte vergeleken met andere staten van de legering. 

Veroudering: In de verouderingsfase wordt de legering verwarmd tot een temperatuur die lager is dan die van de oplossingsbehandelingsfase, maar hoger dan de kamertemperatuur. Dit leidt tot de vorming van fijne neerslagen in de vaste oplossingsmatrix van de legering. Deze kleine neerslagen produceren spanningsvelden die de sterkte en hardheid van de legering aanzienlijk vergroten. 

Er zijn twee manieren om te verouderen: natuurlijke veroudering, wat veroudering bij kamertemperatuur is, en kunstmatige veroudering, wat veroudering bij hoge temperaturen is. Het verouderingsproces is afhankelijk van de tijd; naarmate de tijd verstrijkt, stijgen de hardheid en sterkte van het materiaal tot een bepaald punt. Op dit optimale punt is het materiaal op zijn sterkst omdat de neerslag de atomaire beweging het meest efficiënt hindert. 

Als het materiaal te lang of bij een te hoge temperatuur verouderd, raakt het oververouderd. Oververouderde materialen hebben een vermindering in sterkte en hardheid ten opzichte van de maximale waarde en hebben daarom slechte mechanische eigenschappen.

Neerslagharden van roestvrij staal

Neerslagharden van roestvrij staal

Precipitatieharden van roestvast staal is een speciale groep legeringen die de beste eigenschappen hebben van zowel martensitische als austenitische roestvast staalsoorten. Deze legeringen worden met warmte behandeld op een manier die hen een hoge sterkte en tegelijkertijd een goede verwerkbaarheid en taaiheid geeft. Ze kunnen echter een treksterkte bereiken tussen 850 MPa en 1,700 MPa, wat ze geschikt maakt voor meerdere toepassingen. 

Het proces kent verschillende belangrijke fasen. Het begint met een oplossingsbehandeling waarbij neerslagen worden opgelost; vervolgens wordt het materiaal snel afgekoeld om een ​​oververzadigde vaste oplossing te vormen. Tenslotte wordt een verouderingsproces uitgevoerd om fijne neerslagen te produceren die gelijkmatig verdeeld zijn in de matrix van de legering. Een dergelijke reeks behandelingen leidt tot een toename van de sterkte met een factor 1-5, slijtvastheid met een factor 2-2 en corrosieweerstand met een factor 3-2. 

Vanwege de verbeterde eigenschappen van door precipitatie gehard roestvrij staal worden ze veel gebruikt in verschillende industrieën, zoals de olie- en gasindustrie, de lucht- en ruimtevaartindustrie en vele andere. Deze materialen worden gewaardeerd vanwege hun hoge weerstand tegen zware omstandigheden en hoge mechanische belastingen. Na het lezen van dit artikel zou u in staat moeten zijn deze uitzonderlijke klasse roestvrij staal en de toepassingen ervan in verschillende industrieën te begrijpen.

Verschil tussen temperen en neerslagharden

Tempererend staal

Temperen en precipitatieharden zijn twee metalen warmtebehandeling processen die worden gebruikt om de eigenschappen van metalen te veranderen. Ze verschillen echter qua functie en toepassing op metalen. Hoewel ze allemaal de processen van verwarming, koeling en opwarming omvatten, zijn hun impact en de metalen waarop ze worden toegepast behoorlijk verschillend. 

Tempereren wordt meestal toegepast om de taaiheid en ductiliteit van gelegeerd staal te vergroten. Eerst wordt het staal verwarmd tot martensiet, een harde fase die echter bros is, en vervolgens opnieuw verwarmd tot een lagere temperatuur. Deze herverhitting zorgt ervoor dat de koolstofatomen kunnen bewegen, interne spanningen kunnen verlichten en de martensitische structuur kunnen veranderen voor een stabielere structuur. De hardheid van het materiaal wordt dus enigszins verminderd, terwijl de taaiheid en ductiliteit merkbaar toenemen. Dit maakt gehard staal minder gevoelig voor scheuren onder spanning. 

Ondertussen wordt verouderingsharding gebruikt om de hardheid en sterkte van metalen zoals aluminium, nikkellegeringen en roestvrij staal te verbeteren. Dit proces omvat de vorming van fijne neerslagen in de metaalmatrix, waardoor de beweging van dislocaties in het kristalrooster wordt beperkt, waardoor het materiaal harder wordt. Maar deze toename in hardheid en sterkte kan ook leiden tot broosheid van het gebruikte materiaal. Neerslagharding, ook wel veroudering genoemd, vindt plaats bij lagere temperaturen en gedurende een langere tijd in vergelijking met temperen en dit maakt het mogelijk om deze fijne neerslagen te vormen. 

De belangrijkste verschillen zijn gebaseerd op de impact op de mechanische eigenschappen van het materiaal, de te behandelen metalen en de proceseigenschappen. Het temperen verbetert de taaiheid en ductiliteit van de gelegeerde staalsoorten en vermindert de hardheid in kleine mate. Het is specifiek voor gelegeerd staal vanwege de vorming van de martensietfase. Neerslagharden daarentegen verhoogt de hardheid en sterkte van het metaal, maar maakt het tegelijkertijd brozer en wordt meestal gebruikt op aluminium, nikkel en roestvrij staal. Temperen omvat ook het uitlogen van koolstof uit het BCT-rooster om interne spanningen te verlichten, terwijl precipitatie of veroudering door veroudering de vorming van fijne deeltjes met zich meebrengt die de beweging van dislocaties in de metaalmatrix beperken.

Typisch gebruikte materialen voor neerslagharding

Neerslag- of verouderingsharding wordt toegepast op een groot aantal metaallegeringen. De meest voorkomende materialen die vaak worden behandeld zijn aluminiumlegeringen, waaronder 2024, 6061 en 7075, precipitatiehardend roestvrij staal, zoals 17-4 PH en 15-5 PH, en titanium- en magnesiumlegeringen. 

Zelfs moderne materialen zoals de op nikkel gebaseerde superlegeringen zoals Inconel 718, Waspaloy en René 41 zijn niet immuun voor de warmtebehandeling door neerslag. Dankzij deze techniek kunnen ingenieurs de mechanische eigenschappen van een groot aantal legeringen verbeteren en oplossingen bieden die hoge sterkte, corrosieweerstand en uiterlijk omvatten.  

Voordelen van neerslagverharding

Het precipitatiehardingsproces resulteert in een aantal verbeterde eigenschappen van het materiaal in vergelijking met het niet-behandelde materiaal. Hier zijn enkele van de belangrijkste voordelen: 

Verhoogde kracht  

Het grote voordeel van precipitatieharden is de grote verbetering van de vloeigrens van het materiaal. Dit proces verhoogt de plasticiteit en sterkte van de legering door de beweging van dislocatie te beperken. In de aluminiumlegering 6061 bijvoorbeeld, wanneer behandeld met T6-verouderingsharding, neemt de vloeigrens toe van 124 MPa naar 276 MPa, meer dan het dubbele van de oorspronkelijke waarde. Deze dramatische verbetering laat zien hoe cruciaal neerslagversterking is voor de verbetering van de sterkte van het materiaal. 

Verbeterde taaiheid 

Verouderingsharding heeft ook invloed op de verbetering van de taaiheid. Het proces helpt ook om interne spanningen op te heffen en de structuur homogener te maken, waardoor de weerstand van het materiaal tegen schokken en spanningsscheuren toeneemt. De treksterkte van aluminium 6061 stijgt bijvoorbeeld van 117 MPa naar 310 MPa na behandeling met T6; dit toont het effect van neerslagverharding op de taaiheid. 

Verbeterde hardheid 

Neerslagharding verhoogt ook de hardheid van de legering aanzienlijk vanwege de toename van de weerstand tegen de beweging van dislocaties. Bij het spuitgieten moet de matrijs die wordt gebruikt om het onderdeel te maken bijvoorbeeld zeer sterk zijn en bestand tegen slijtage, aangezien deze wordt gebruikt om duizenden onderdelen tegelijk te produceren. Aan deze eisen wordt voldaan door precipitatiegeharde stalen of aluminium matrijzen, die een langere levensduur hebben en geschikter zijn voor productie in grote volumes. 

Betere dimensionale stabiliteit 

De verbeteringen in sterkte en taaiheid resulteren ook in een betere maatvastheid. Het materiaal krijgt een verhoogde thermische en plastische vervormingsweerstand en vervormt niet onder mechanische en thermische belastingen. Dit is vooral gunstig in de techniek, waar componenten hun vorm moeten behouden tijdens andere veeleisende processen zoals snijden en polijsten. 

Kostenefficiënt toezicht  

Neerslagverharding kan ook bijdragen aan het verlagen van de productiekosten. De verbeterde mechanische eigenschappen zijn meestal voldoende om de kosten van de warmtebehandeling te rechtvaardigen. Het is dus niet nodig om duurdere legeringen met vergelijkbare eigenschappen te gebruiken. Door precipitatie gehard roestvrij staal kan bijvoorbeeld net zo sterk zijn als dure titaniumlegeringen en kan daardoor veel geld besparen.

Moeilijkheden en aanbevelingen voor behandeling met neerslagverharding

Hoewel precipitatieharding een van de meest effectieve methoden is om metalen te versterken, brengt het een aantal problemen met zich mee die moeten worden beheerd en gecontroleerd. In dit deel worden de belangrijkste problemen beschreven die inherent zijn aan het proces en worden aanbevelingen gedaan om deze te vermijden. 

Uitdagingen van neerslagverharding

De procesgerelateerde uitdagingen omvatten;

Neerslag homogeniteit  

Neerslaghomogeniteit wordt vaak aangetroffen bij het gebruik van de precipitatiehardingsmethode, wat het vermogen is om een ​​uniforme grootte en verdeling van neerslagen in het materiaal te verkrijgen. Dit is vooral een uitdaging bij grote of ingewikkelde onderdelen. Onvoldoende verwarming of afschrikking kan resulteren in de vorming van onregelmatige neerslagen, wat een negatieve invloed heeft op de mechanische eigenschappen van het materiaal. 

Oververoudering 

Oververoudering is de toestand waarin het materiaal wordt blootgesteld aan hoge temperaturen of langdurig verouderd, wat leidt tot de vorming van grote neerslagen. Dit verzwakt het materiaal en kan de voordelen van het warmtebehandelingsproces teniet doen. 

Resterende spanningen 

Bij blussen gaat het om een ​​snelle afkoeling van het materiaal, en bij veroudering gaat het om het verwarmen van het materiaal. Beide processen kunnen restspanningen in het materiaal veroorzaken. Deze spanningen kunnen leiden tot maatveranderingen, scheuren en variabiliteit in mechanische eigenschappen. Om dit te voorkomen, moet men de thermische gradiënten tijdens verwarming en koeling verminderen en spanningsverlichtende behandelingen toepassen, zoals koude compressie. 

Hier zijn enkele tips die u zullen helpen in het proces. 

Optimaliseer de warmtebehandelingsparameters  

Het precipitatiehardingsproces is afhankelijk van de temperatuur, de tijd en de verwarmings- en afkoelsnelheden. Deze parameters moeten maximaal worden begrepen en geoptimaliseerd. Het toepassen van een onjuist koelmedium tijdens het blussen zal bijvoorbeeld de afkoelsnelheid verminderen en dus grotere neerslagen produceren die minder effectief zijn. Het vinden van de juiste balans kan een proces van vallen en opstaan ​​zijn, en daarom is het belangrijk om de juiste testtechnieken te gebruiken en voldoende tijd te nemen om de juiste balans te vinden. 

Nauwkeurige temperatuurregeling 

Temperatuurbeheersing is erg belangrijk tijdens de oplossingsbehandeling en verouderingsprocessen. Aluminium 6061 ondergaat bijvoorbeeld gewoonlijk een oplossingsbehandeling bij ongeveer 529°C en veroudering bij ongeveer 160°C. Het handhaven van de temperaturen binnen het bereik van deze waarden is van cruciaal belang om de gewenste mechanische eigenschappen te verkrijgen. Exploitanten moeten ervoor zorgen dat ze over nauwkeurige temperatuurcontrole-instrumenten beschikken om de optimale temperaturen te handhaven. 

Kwaliteit testen 

Het versterken van de kwaliteitscontroles in verschillende stadia van het proces kan nuttige informatie opleveren over de effectiviteit van de warmtebehandeling. Methoden voor niet-destructief onderzoek en hardheidstesten zijn zeer effectief voor het bepalen van de eigenschappen van het materiaal en voor het opsporen van problemen. Dergelijke praktijken als monitoring en testen zijn effectief om ervoor te zorgen dat het eindproduct voldoet aan de vereiste specificaties en prestatienormen.  

 Als deze uitdagingen het hoofd moeten worden geboden en de volgende tips moeten worden gevolgd, kunnen ingenieurs de efficiëntie van precipitatieharding verbeteren en zo sterker en betrouwbaarder materiaal verkrijgen.

Neerslagharden versus gloeien en afschrikken

Warmtebehandeling is een proces dat behandelingen omvat zoals precipitatieharden, gloeien en afschrikken. Bij al deze processen worden legeringen gedurende een bepaalde tijd op bepaalde temperaturen geplaatst; qua doel en aanpak zijn ze echter niet hetzelfde.  

Neerslagharden versus gloeien

Gloeien  

Het primaire doel van precipitatieharden is het verbeteren van de sterkte en hardheid van een materiaal. Dit proces omvat het verwarmen van de legering om een ​​oververzadigde vaste oplossing te vormen, het afschrikken ervan en het uiteindelijk temperen ervan om fijne neerslagen te vormen die de beweging van dislocaties belemmeren. Aan de andere kant is gloeien bedoeld om de interne spanning te verminderen, de ductiliteit te vergroten en de bewerkbaarheid van het materiaal te verbeteren. Bij het gloeien wordt de legering verwarmd tot de herkristallisatietemperatuur en vervolgens langzaam afgekoeld, meestal in stilstaande lucht, om het materiaal zachter en kneedbaarder te maken. 

Beide processen zijn in het begin gelijk, waarbij de oven de legering verwarmt tot een temperatuur die dicht bij de herkristallisatietemperatuur ligt. Bij precipitatieharding wordt de hete, vaste oplossing in de volgende stap afgeschrikt of snel afgekoeld. Aan de andere kant laat men bij het uitgloeien de verwarmde legering veel langzamer en op een gecontroleerde manier afkoelen. Deze langzame afkoeling vermindert de interne spanningen en verhoogt de taaiheid, terwijl tegelijkertijd de sterkte niet in grote mate toeneemt.  

Neerslagverharding versus afschrikken 

Afschrikken 

Afschrikken, dat wordt besproken als een van de deelprocessen van precipitatieharden, wordt gebruikt om het materiaal uit te harden door het snel af te koelen vanaf een hoge temperatuur. Deze snelle afkoeling bevriest de microstructuur van de legering in een harde en brosse toestand, waardoor de hardheid van het materiaal toeneemt, maar het ook brosser wordt. Dit afschrikproces maakt deel uit van het precipitatieharden, maar daarnaast wordt het afgeschrikte materiaal opnieuw verwarmd tot een lagere temperatuur om fijne neerslagen te vormen. Deze neerslagen verbeteren de sterkte en hardheid omdat ze de beweging van dislocaties beperken. 

Bij beide processen wordt de legering als eerste stap tot een hoge temperatuur verwarmd. Bij het afschrikken wordt de verwarmde legering echter sneller afgekoeld tot kamertemperatuur om de microstructuur van de legering te vergrendelen. Bij precipitatieharding wordt de legering na de eerste afschrikking opnieuw gedurende een langere periode op een lagere temperatuur verwarmd, veroudering genoemd. Deze herverhitting maakt het neerslaan van deeltjes mogelijk die de mechanische eigenschappen van de legering verbeteren. 

Kennis van deze verschillen stelt ingenieurs in staat het juiste warmtebehandelingsproces te kiezen om de vereiste materiaaleigenschappen te bereiken. Gloeien verbetert de taaiheid en bewerkbaarheid van het materiaal, afschrikken verhoogt de hardheid van het materiaal en precipitatieharden verbetert zowel de sterkte als de hardheid van het materiaal.

Van alle soorten harding kan precipitatieharding worden beschouwd als een van de belangrijkste productiemethoden vanwege de aanzienlijke bijdrage ervan aan de toename van de sterkte, hardheid en maatvastheid van metaallegeringen. 

Prolean biedt een breed scala aan bewerkingsdiensten, waaronder CNC-metaalbewerking, vacuümgieten, 3D-printen en snelle gereedschappen. Ons bedrijf richt zich op het gebruik van verschillende metaallegeringen, vooral legeringen die onderworpen zijn aan precipitatieharding, om precies aan uw behoeften te voldoen. 

Ons team bestaat uit ervaren professionals met professionele vaardigheden die individueel maatwerk leveren diensten voor warmtebehandeling voor al uw productontwikkelingsactiviteiten. Vanaf het plaatsen van een bestelling tot de uiteindelijke levering is Prolean Tech gefocust op het leveren van kwaliteitsdiensten met een garantie voor betrouwbaarheid. Leer meer over onze aangepaste bewerkingsdiensten door nu contact met ons op te nemen en de details van uw project toe te lichten. 

Veelgestelde vragen

Q1. Wat is het effect van de verouderingstemperatuur en -duur op de eigenschappen van precipitatiehardende legeringen? 

Temperatuur en tijd zijn de kritische factoren die de omvang van het proces en de verkregen resultaten bepalen. Wanneer de temperatuur wordt verhoogd of de blootstellingstijd langer is, kunnen grovere neerslagen worden geproduceerd, wat de positieve impact van verouderingsverharding kan verminderen.

Vraag 2. Wat zijn de belangrijkste moeilijkheden die verband houden met het probleem van het verkrijgen van uniforme neerslag op complex gevormde onderdelen? 

De geometrie van complexe onderdelen is een uitdaging bij het bereiken van uniforme eigenschappen door het hele onderdeel heen. Enkele van de uitdagingen waarmee we te maken kunnen krijgen, zijn onder meer: ​​Om deze uitdagingen effectief te overwinnen, kunnen de volgende benaderingen worden geïmplementeerd; 

Q3. Welk effect heeft de keuze van het blusmedium op de eigenschappen van een door precipitatie geharde legering? 

De keuze van het afschrikmedium, of het nu water, olie of een polymeeroplossing is, bepaalt de snelheid waarmee het materiaal afkoelt tijdens het afschrikken en daarmee de microstructuur ervan. De koelsnelheden kunnen de hardheid, sterkte en restspanningen variëren, wat kan leiden tot de kwaliteit van de geproduceerde onderdelen.