Thermische en chemische behandeling van metalen
Inhoudsopgave
Moderne technische constructies vereisen materialen met een hoge oppervlaktehardheid en een hoge weerstand tegen slijtage, vermoeidheid en chemische stoffen, terwijl de ductiliteit en taaiheid van de kern behouden blijven. Deze gewenste combinatie van eigenschappen kan worden bereikt door middel van thermische en chemische behandeling.
Thermische en chemische behandeling omvat een reeks technologische processen waarbij de oppervlaktelaag van metalen elementen wordt verzadigd met actieve chemische elementen (zoals koolstof, stikstof, boor, chroom), terwijl warmte wordt toegepast. Als gevolg van deze behandelingen treden er structurele en chemische veranderingen op in de oppervlaktelaag van het metaal, waardoor de eigenschappen ervan ingrijpend veranderen.
Het resultaat van een goed uitgevoerde thermische en chemische behandeling is een harde, slijtvaste oppervlaktelaag met behoud van een ductiele en vervormbare kern, wat de duurzaamheid van machineonderdelen en gereedschappen aanzienlijk verhoogt.
Afhankelijk van het gebruikte element en het proces, zijn er verschillende soorten thermochemische behandelingen, waarvan de meest voorkomende carbureren, nitreren en carbonitreren (ook bekend als cyanideren) zijn, evenals meer gespecialiseerde methoden zoals verchromen, aluminiumbekleding en boorbekleding.
In de volgende paragrafen van dit artikel gaan we dieper in op de mechanismen van deze processen, hun praktische toepassingen en hun invloed op de microstructuur en eigenschappen van de oppervlaktelaag van metalen.
Werkingsmechanisme – diffusie van elementen
De basis van alle warmte- en chemische behandelingsprocessen is het fenomeen diffusie, d.w.z. de spontane verplaatsing van atomen van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie. In dit geval gaat het om de diffusie van een actief chemisch element (bijv. koolstof, stikstof) in het metaal, meestal ijzer. Het proces van metaaloppervlakteverzadiging bestaat uit drie fasen:
- Adsorptie van actieve atomen – atomen van het verzadigende element zetten zich op het metaaloppervlak af en vormen een zogenaamde overgangslaag.
- Oppervlaktediffusie – atomen bewegen zich over het oppervlak op zoek naar geschikte plaatsen om de kristalstructuur binnen te dringen.
- Interne (volumetrische) diffusie – bij een voldoende hoge temperatuur diffunderen de atomen in het metaal en nestelen zich in de vrije ruimtes van het kristalrooster (meestal tussen de knooppunten, in de zogenaamde roosteropeningen).
De temperatuur speelt hier een cruciale rol: hoe hoger de temperatuur, hoe sneller de diffusie, hoe groter de verzadigingsdiepte van de laag, maar ook hoe groter het risico op korrelgroei en veranderingen in de kern van het materiaal.
Afhankelijk van het type element gaan de diffunderende atomen een interactie aan met ijzeratomen en vormen zo verschillende vaste oplossingen of chemische verbindingen (bijv. nitriden, carbiden, boriden). Hun aanwezigheid is verantwoordelijk voor de verhoogde hardheid van de oppervlaktelaag, verhoogde slijtvastheid en vermoeiingsweerstand en verbeterde corrosie- en hittebestendigheid.
Het diffusieproces verloopt volgens de concentratiegradiënt, wat betekent dat de concentratie van het verzadigende element afneemt naarmate de diepte toeneemt. Dit resulteert in een karakteristieke gelaagde structuur: een verzadigde zone (oppervlak) – zeer hard, een overgangszone – met geleidelijk veranderende eigenschappen, en een kern – die de oorspronkelijke eigenschappen van het metaal behoudt.
Het is juist deze geleidelijke structurele en chemische verandering die warmtebehandeling een voordeel geeft ten opzichte van andere oppervlaktetechnologieën, zoals coaten of spuiten.
Carbureren
Carbureren is een warmtebehandelingsproces waarbij het oppervlak van een stalen onderdeel wordt verzadigd met koolstof om de hardheid, slijtvastheid en vermoeiingsweerstand te verhogen. Het wordt vooral gebruikt voor koolstofarme staalsoorten, die op zichzelf niet geschikt zijn voor harding. Na het carbureren krijgen ze echter een hard oppervlak met behoud van de ductiliteit van de kern.
Werkingsprincipe
Bij het carbureren wordt staal verwarmd tot de austenitisatietemperatuur (ca. 880-950 °C) en gedurende een bepaalde tijd (van enkele tot enkele tientallen uren), afhankelijk van de gewenste laagdikte, in een koolstofrijke atmosfeer gehouden.
Gedurende deze tijd adsorberen koolstofatomen aan het oppervlak en diffunderen vervolgens in het staal, waar ze de tussenruimtes van het austenietkristalrooster innemen. Na verzadiging worden de componenten gehard en getemperd, waardoor een hoge laaghardheid (vaak meer dan 60 HRC) wordt verkregen met behoud van een ductiele kern.
Soorten carbureren
Poedercarbureren
- Traditioneel gebruikt in een bed van houtskool en activatoren (bijv. BaCO₃),
- Niet erg nauwkeurig, moeilijk te controleren,
- Momenteel wordt deze methode minder vaak gebruikt, voornamelijk bij de productie van kleine series gereedschappen en antieke onderdelen.
Gascarbureren
- Meest gebruikt in de industrie,
- Wordt uitgevoerd in een atmosfeer van carburatiegassen (bijv. CO, CH₄) in gasdichte ovens,
- Maakt nauwkeurige regeling van temperatuur, tijd en samenstelling van de atmosfeer mogelijk.
- Maakt het mogelijk een uniforme carboneringslaag met een diepte tot enkele mm te verkrijgen.
Vacuüm (lagedruk) carbureren
- Een moderne methode waarbij cyclisch carboneringsgas onder vacuümomstandigheden wordt toegevoerd.
- Maakt een hoge zuiverheid van de laag mogelijk, zonder oxidatie en vervorming.
- Speciaal aanbevolen voor precieze mechanische onderdelen (bijv. tandwielen, lagers).
Structuur en eigenschappen van de gecarbureerde laag
Na het harden ontstaat in de oppervlaktelaag een structuur van met koolstof verzadigd martensiet, die naar binnen toe overgaat in bainiet, ferriet of perliet. De gecarbureerde laag bereikt een hardheid van meer dan 62 HRC, en wordt gekenmerkt door een hoge slijtvastheid en contactmoeidingsweerstand, maar heeft een lage weerstand tegen hoge temperaturen en corrosie (wat de toepassingsmogelijkheden beperkt).
Nitreren
Nitreren is een proces waarbij een metaaloppervlak wordt verzadigd met stikstof, waardoor de hardheid, slijtvastheid, corrosiebestendigheid en vermoeiingsweerstand worden verhoogd zonder dat harding nodig is. In tegenstelling tot carbureren wordt nitreren doorgaans uitgevoerd bij lagere temperaturen (meestal 500-580 °C), waardoor het risico op vervorming wordt geminimaliseerd, de maatnauwkeurigheid van het werkstuk behouden blijft en de kernstructuur intact blijft.
Tijdens het nitreren adsorberen stikstofatomen aan het oppervlak van het staal, diffunderen ze in de kristalstructuur en vormen ze bindingen met legeringsmetaalatomen (zoals Al, Cr, Mo, V), wat leidt tot de vorming van intermetallische nitriden (bijv. AlN, CrN, VN). Deze verbindingen zijn verantwoordelijk voor de hoge hardheid en oppervlakteweerstand.
Soorten nitreren
Gasnitreren
- Wordt uitgevoerd in een ammoniak (NH₃) atmosfeer, die uiteenvalt in actieve stikstof en waterstof.
- Populair, goedkoop en algemeen erkend.
- Procesduur: 10 tot 100 uur.
- Laagdikte tot 0,5 mm, hardheid tot 1100 HV.
Ionen nitreren (plasma)
- Wordt uitgevoerd onder lagedruk met behulp van een elektrisch veld.
- Het metaaloppervlak fungeert als kathode en stikstofmoleculen worden aangetrokken en in het materiaal “gedreven”.
- Maakt nauwkeurige controle van de diepte en het profiel van de laag mogelijk.
- Het proces is schoon, snel, energiezuinig en ideaal voor precisieonderdelen.
Zoutbadnitreren
- Minder vaak gebruikt, waarbij onderdelen worden ondergedompeld in een oplossing van cyaniden en nitraten.
- De omstandigheden zijn moeilijker te controleren, maar de laag kan beter bestand zijn tegen corrosie.
De effectiviteit van nitreren hangt af van het gehalte aan stikstofvormende elementen (bijv. Al, Cr, Mo, V), evenals van de microstructuur en eerdere warmtebehandeling. Het staal moet vooraf worden warmtebehandeld en het oppervlak moet grondig worden gereinigd (vrij van aanslag, vet en roest).
Een typische laag bestaat uit twee zones: een gebonden laag, die zeer hard en dun is (10-20 μm) en voornamelijk uit nitriden bestaat, en een diffusie-ondersteunende laag, die dikker is (tot 0,5 mm) en verantwoordelijk is voor de belastingsoverdracht.
Kenmerkend zijn een hardheid van 900-1200 HV, uitstekende slijtvastheid en vermoeiingsweerstand, hoge corrosiebestendigheid, vooral bij gebruik van roestvast staal, en geen harding na het proces, wat vervorming en kosten vermindert.
Carbonitreren (cyanideren)
Carbonitreren, ook bekend als cyanideren, is een thermochemisch behandelingsproces waarbij het metaaloppervlak gelijktijdig wordt verzadigd met koolstof en stikstof. De behandeling heeft tot doel een harde, dunne oppervlaktelaag te verkrijgen die een hoge weerstand biedt tegen slijtage, schuren en vermoeidheid, met een kortere behandelingstijd in vergelijking met klassieke carbureren.
In vergelijking met carbureren is de procestemperatuur lager, meestal tussen 700 en 900 °C, is de verzadigingstijd korter en is de resulterende laag dunner maar harder door de aanwezigheid van nitriden.
Bij carbonitreren wordt staal tot de juiste temperatuur verwarmd en in een omgeving met zowel koolstof als stikstof gehouden, bijvoorbeeld in de vorm van gassen (CH₄ + NH₃) of zoutbaden (cyanaten, cyaniden).
Tijdens dit proces adsorberen koolstof- en stikstofatomen aan het oppervlak en diffunderen vervolgens in het materiaal, waardoor een gemengde diffusielaag ontstaat die carbiden en nitriden van ijzer en legeringselementen bevat.
Na carbonitreren is de hardheid maar liefst 850-1000 HV, heeft de laag een hoge slijtvastheid en een goede weerstand tegen oxidatie en corrosie (beter dan na alleen carbureren). De laag is doorgaans 0,2-0,5 mm dik en er is zeer weinig vervorming; vaak is geen verdere warmtebehandeling nodig. Dankzij deze eigenschappen wordt carbonitreren onder andere gebruikt voor tandwielen, assen, bussen, schroeven en onderdelen die een hoge oppervlakteweerstand en maatnauwkeurigheid vereisen.
Soorten carbonitreren
Gascarbonitreren
- Wordt uitgevoerd in een atmosfeer van een mengsel van verzadigde gassen (bijv. ammoniak en koolwaterstofgassen).
- Wordt het meest gebruikt in de industrie.
- Maakt controle van de procesparameters mogelijk en levert een harde laag op met een dikte van 0,1-0,5 mm.
Badcarbonitreren (cyanideren)
- Wordt uitgevoerd in cyanidezoutoplossingen (NaCN, KCN).
- Een zeer snel proces, maar schadelijk voor het milieu (cyanidevergiftiging).
- Momenteel wordt deze methode steeds minder gebruikt en vaak vervangen door niet-giftige cyanidering (bijv. met cyanaten).
Ion-carbonitreren
- Een moderne methode die onder vacuümomstandigheden wordt uitgevoerd.
- Maakt een nauwkeurige vormgeving van de diffusielaag mogelijk.
- Wordt gebruikt bij de productie van onderdelen met complexe geometrieën en hoge precisie-eisen.
Andere soorten diffusie-impregnering
Naast carbureren, nitreren en carbonitreren zijn er nog verschillende andere thermochemische behandelingsprocessen waarbij het metaaloppervlak wordt geïmpregneerd met verschillende elementen om speciale eigenschappen te verkrijgen, zoals weerstand tegen hoge temperaturen, corrosie, erosie of oxidatie.
Met elk van deze processen kan de oppervlaktelaag worden aangepast aan zeer specifieke bedrijfsomstandigheden waar standaardmethoden (zoals harden) ontoereikend blijken. Het gebruik ervan verhoogt vaak de levensduur en betrouwbaarheid van belangrijke onderdelen in apparatuur die in extreme omstandigheden wordt gebruikt. De belangrijkste daarvan worden hieronder voorgesteld:
Diffusieverchromen
Hierbij wordt het metaaloppervlak bij hoge temperatuur (900-1100 °C) verzadigd met chroom. Dit gebeurt in een gasatmosfeer (bijv. chroomchloriden) of in poederbaden.
Diffusieverchromen zorgt voor een laag ijzerchromide, die wordt gekenmerkt door:
- zeer goede corrosie- en oxidatiebestendigheid,
- hardheid en slijtvastheid,
- bestendigheid tegen gassen en agressieve chemicaliën.
Wordt gebruikt in de chemische, petrochemische en energie-industrie (bijv. ketelbuizen, kleppen, reactorcomponenten).
Alumineren (aluminering)
Een proces waarbij een oppervlak wordt verzadigd met aluminium, meestal bij een temperatuur van 800–1050 °C. Dit leidt tot de vorming van FeAl of Fe₃Al intermetallische verbindingen. De belangrijkste voordelen zijn:
- hoge weerstand tegen oxidatie bij hoge temperaturen,
- bescherming tegen gaserosie en metallurgische slakken,
- verbeterde weerstand tegen corrosie onder invloed van zwavel en chloriden.
Wordt gebruikt in turbines, warmtewisselaars, ketels en straalmotoren.
Boriumeren (boreren)
Boriumeren is een oppervlaktebehandeling waarbij borium in de structuur van het metaal wordt gediffundeerd. Boriumeren leidt tot de vorming van harde boriden, zoals FeB, Fe₂B, met een laaghardheid tot 1800-2000 HV. Boriumeren wordt gekenmerkt door:
- uitstekende slijtvastheid,
- bestendigheid tegen zuren, basen en pekel,
- broosheid, waardoor het gebruik in dynamische componenten beperkt is.
Gebruikt voor: snijgereedschappen, matrijzen, stempels en wrijvingselementen.
Siliciumeren
Siliciumeren is het verzadigen van het oppervlak met silicium bij een temperatuur van ongeveer 1000 °C. Dit resulteert in de vorming van ijzersiliciden, die weerstand bieden tegen oxidatie en corrosie bij hoge temperaturen en zorgen voor een hogere hardheid en vermoeiingssterkte. Wordt gebruikt in de metallurgie, in onderdelen die worden blootgesteld aan hoge temperaturen en contact met slakken.
Thermische en chemische behandeling van metalen – samenvatting
Thermische en chemische behandelingen behoren tot de belangrijkste instrumenten in de materiaalkunde en maken het mogelijk om de eigenschappen van metaaloppervlakken gericht te wijzigen zonder de interne structuur aan te tasten. Dankzij processen zoals carbureren, nitreren, carbonitreren en verchromen is het mogelijk om een combinatie van hoge oppervlaktehardheid, ductiliteit en kernsterkte te bereiken.
Deze behandelingen verhogen de weerstand tegen slijtage, corrosie, vermoeidheid en hoge temperaturen, wat zich direct vertaalt in een langere levensduur van machine- en apparatuuronderdelen. Door een vakkundige keuze van het procestype, de thermische parameters en het uitgangsmateriaal kunnen ingenieurs hun ontwerpen optimaliseren voor de werkelijke bedrijfsomstandigheden.
De moderne industrie kan niet functioneren zonder nauwkeurige methoden voor oppervlaktebehandeling. Daarom blijft thermochemische behandeling niet alleen een belangrijk wetenschappelijk onderwerp, maar vooral een praktisch hulpmiddel voor het vergroten van de duurzaamheid, betrouwbaarheid en veiligheid van technische constructies.
