Het harden van Non Ferro metalen

Precipitatieharden of veroudering is een warmtebehandeling voor het opvoeren van de vloeigrens van metalen, waaronder legeringen van aluminium, magnesium, nikkel, titanium en enkele roestvaste staalsoorten. Precipitatieharden is gebaseerd op verandering in oplosbaarheid van fijne deeltjes in het moedermetaal als functie van de temperatuur. De deeltjes hinderen (als ankers) het glijden (vloeien) van de atomen, waardoor voor het vloeien grotere kracht nodig is m.a.w. het metaal krijgt een hogere vloeigrens. Plastische vervorming treedt op door het wandelen van dislocaties, dat zijn fouten in het atoomrooster. Het is deze beweging van microscopische dislocaties in het metaal waardoor het werkstuk plastisch vervormt.

Kouddeformatie

Plastische vervorming beneden de rekristallisatie temperatuur noemen we per definitie kouddeformatie. Bij een niet-homogene structuur zal eerst een gemakkelijk vervormbare (microscopische) regio vervormen tot door versteviging andere plaatsen aan de beurt komen. Zo ontstaan bijvoorbeeld de sliplijnen (banden).

Gegeven een ideale foutloze monokristal van ijzer waarin:

• Tm =schuifspanning N/mm2
• G=glijdingdodulus N/mm2
• E=elasticiteitsmodules is voor koolstofstaal circa 210.000 N/mm2
• V=Poisson ratio is voor koolstofstaal circa 0,30

Uit theoretische berekeningen aan een ideale monokristal blijkt dat:

• Tm=G/2Pi

En:

• G=E/2(1+v)

Hieruit volgt na substitutie van G in Tm:

• Tm=E/4Pi(1+v)

Hieruit volgt voor koolstofstaal:

• Tm=210.000/16,33=12.860 N/mm2

Deze uitkomst zou wijzen op een vloeigrens in een foutloos ideaal kristal, die 50 maal zo hoog is als in werkelijkheid. De oorzaak vormen de dislocaties (roosterfouten) in het metaal die de plastische deformatie 50x lichter maken, m.a.w. het staal is 50x minder sterk. Door kouddeformatie neemt het aantal dislocaties toe. In onvervormd metaal bevinden zich ongeveer 10↑6 dislocaties per cm³, dat aantal kan oplopen tot 10↑12 per cm³ in zwaar vervormd metaal. Foutloze metalen vervaardigen, d.w.z. zonder dislocaties, zou een gigantische impact hebben op de technologische ontwikkelingen. Misschien dat ze in de gewichtloze ruimte vervaardigd kunnen worden of foutloos gestold in een elektrostatisch of magnetisch veld.

Deformatie van een metaal door bijvoorbeeld smeden, buigen enz. komt tot stand door het verplaatsen van atomen van het moedermetaal. De verplaatsing van de atomen gebeurt d.m.v. dislocaties. Om de sterkte van een metaal te verhogen moeten we deze dislocaties hinderen in hun beweging.

Bij analyse van de Invloed van legeringselementen op de plastische eigenschappen en dus de sterkte van een enkelvoudig metaal, onderscheidt men drie elkaar opvolgende fasen van verharding (versteviging):

• Invloed van de vaste oplossing
• Invloed van de uitscheiding van de tweede fase
• Het precipitatieharden

Invloed vaste oplossing

Door de atoomrooster vervorming veroorzaakt door de interstitiele en substitutionele atomen in het rooster van enkelvoudig metaal A, stijgt de weerstand tegen de beweging van de dislocaties die verantwoordelijk zijn voor de plastische deformatie van het materiaal. Door de vreemde B atomen in rooster A zijn grotere krachten nodig voor deformatie m.a.w. het metaal is sterker dan voorheen.

Verharding door het ontstaan van de tweede fase

De oplosbaarheid van β in moederrooster α loopt terug bij dalende temperatuur, er vindt dus uitscheiding plaats als de temperatuur daalt. De uitscheidingen gaan vaak chemische verbindingen met elkaar aan die veel harder zijn als het moedermetaal, ze vormen harde stukken in een relatief zachte matrix en zijn een obstakel voor de bewegende dislocaties, wat tot uiting komt in een sterker en harder metaal.

Uitscheidingsharden (precipitatieharden)

Bij afschrikken vanaf gloeitemperatuur in olie of water vindt geen uitscheiding plaats er is geen tijd voor diffusie van de β atomen om uit het α rooster te ontsnappen; de toestand is ingevroren. Door zeer langzame diffusie vindt vindt bij kamertemperatuur uitscheiding plaats, dus uitharding bij kamertemperatuur gedurende 1 à 2 jaar dan is de maximale sterkte bereikt. Bij 200 ºC gaat het uitscheiden veel sneller, des te hoger de temperatuur des te sneller verloopt de uitscheiding.

Dispersieharding

Dispersie is een substantie van fijn verdeelde vaste-stof-deeltjes in een vloeistof. In tegenstelling tot een 'oplossing' waarbij geen vaste-stof-deeltjes meer aanwezig zijn. Er worden fijne deeltjes toegevoegd aan het metaalbad als dispersie die het vaste metaal versterken doordat ze obstakels vormen voor de wandelende dislocaties die de vervormbaarheid van het metaal bepalen. Voorbeeld is de aluminiumoxide deeltjes in een matrix van aluminium geven een hoge slijtvastheid gekoppeld aan redelijke taaiheid van de matrix (moedermetaal) in feite een mengsel van metaal en keramiek. Cermets zijn hiervan een voorbeeld.

Cermets

Een cermet is een samengesteld materiaal bestaande uit keramiek (CER) en metaal (MET). Een cermet heeft de eigenschappen van keramisch materiaal, zoals hoge temperatuurbestendigheid en hardheid, en van een metaal, zoals de plastische vervormbaarheid. Het metaal is de matrix voor een oxide, boride of carbide. In het algemeen wordt voor de matrix, nikkel, molybdeen en kobalt gebruikt. Cermets worden gebruikt bij de vervaardiging van weerstanden, condensatoren en andere elektronische componenten die moeten kunnen werken bij hogere temperatuur.

Cermets worden gebruikt in plaats van wolfraamcarbide in zagen en andere gesoldeerde gereedschappen vanwege hun superieure weerstand tgen slijtage en corrosie. Titaniumnitride (TIN), Titanium carbonitride (TiCN), titaancarbide (TiC) en dergelijke kunnen worden gesoldeerd als tungsten carbide.

Korrelgrootte

Korrelgrootte heeft grote invloed op de mechanische eigenschappen. Omdat de korrels verschillende kristallografische oriëntaties hebben, moeten dislocaties steeds opnieuw van richting veranderen en dat kost veel energie. Korrelgrenzen fungeren als een obstakel voor de wandelende dislocaties.

Bewerkingsvolgorde

• Oplossend gloeien.
• Bewerkingen voor het harden.
• Precipitatieharden.

Blootstelling van deze geharde legeringen aan hoge te temperaturen kan leiden tot verlies van sterkte door over-veroudering.

Nawoord

Duralumin bestaat honderd jaar. Met duralumin is het veredelen door veroudering van de nonferro-metalen begonnen. Zonder deze ontwikkeling was bijvoorbeeld de commerciële luchtvaart niet van de grond gekomen.