GETRAPT HARDEN / WARMBAD HARDEN

getrapt harden ofwel warmbadharding

In de beginperiode, tijdens snelle afkoeling, ontstaan er onontkoombare spanningsverschillen tussen het snel afkoelende krimpende, werkstukoppervlak en de trager afkoelende kern. Tevens ontstaan er spanningen tussen dikke- en dunne gedeelten. Omdat het werkstuk nog heet is, kunnen deze spanningen zich als plastische vervormingen manifesteren. Bij voortgezette afkoeling wordt het martensietpunt gepasseerd en ontstaat er een plotselinge volume vergroting.

Het ontstaan van spanningen of scheuren

Hierboven zien we enkele eenvoudige voorbeelden van gevaarlijk gevormde werkstukken, die bij het harden gemakkelijk zouden kunnen scheuren. Waarom, zal men vragen! Laten we eens nagaan wat er in werkstuk A gebeurt als het, na austeniteren, snel in olie afgekoeld wordt. Tijdens het begin van deze afkoeling zal het staal gaan krimpen. De dunne neus echter zal veel eerder het kritische 200°C punt bereikt hebben dan het dikkere gedeelte. Op dit moment wordt de neus hard en zet dus plotseling uit. Dit alles gebeurt terwijl het dikke gedeelte nog volop aan het krimpen is … wat spanningen oproept. Even later heeft ook het dikke gedeelte het 200°C punt bereikt en begint op zijn beurt uit te zetten en te harden. Er ontstaat daardoor, in het hard wordende werkstuk, een tragische combinatie van tegengerichte spanningen … een soort harmonica effect. Vooral scherpe overgangen van dik op dun, vormen een bron van scheuren. Iets dergelijks geldt voor werkstuk B, waar de spanningen zich bij de scherpe punt zullen concentreren. Door zgn. getrapt harden, een in de praktijk veel toegepaste methode, kan er gehard worden met aanzienlijk minder spanningen.

Bovenstaande schets illustreert hoe eenvoudig getrapt harden is. Heeft men een zoutbad op een temperatuur van omstreeks 200°C dan kan het staal erin ondergedompeld worden waardoor de feitelijke harding korte tijd uitgesteld wordt (de temperatuur blijft immers boven de martensietgrens van ca. 200°). Na enige tijd  is het temperatuurverschil tussen werkstuk en bad vereffend en heeft de kern de gelegenheid gekregen om de temperatuur van de rand aan te nemen. Nu tilt men het werkstuk uit het bad om in rustige lucht verder af te koelen tot flink handwarm. Tijdens deze milde afkoeling passeert het staal de 200°C grens en begint zich het harde Martensiet te vormen. Dit gebeurt gelijkmatig over de gehele doorsnede van het werkstuk. Omdat men in het kritische (brosse) hardingsgebied 200° tot 100°C de afkoeling traag laat verlopen, ontstaan er aanzienlijk minder hardingsspanningen, minimale vervorming en meer taaiheid. De eindhardheid is praktisch gelijk aan olieharding. De methode is niet kritisch en zeer gemakkelijk toe te passen op zowel laag- als hoger gelegeerde staalsoorten. De schets illustreert het principe. Na getrapt harden mag men niet verzuimen te ontlaten. Een groot bijkomend voordeel van afkoelen in vloeibaar warm zout in een ontlaatbad is dat er geen dampblazen kunnen ontstaan. Bij olieafkoeling ontwikkelen zich, zoals bekend dampblazen, waardoor vervormingrisico aanwezig is door ongelijkmatige warmteonttrekking aan het werkstuk. Een ontlaatbad daarentegen onttrekt, door het intensieve en gelijkmatige contact van het vloeibare zout met het werkstukoppervlak, de warmte uniform aan het hete staal waardoor vervormingen beperkt of geheel vermeden worden.

Ontlaatbaden zijn naast ontlaten ook geschikt voor:

• Warmbadharden of getrapt harden (olieafkoelbaden kunnen dan eventueel vervallen)
• Bainietharden
• Blauwen (aanloopkleuren, zie onderaan ..)
• Nitro-zwarten ( . ..)

PRAKTISCHE TOEPASSING VAN GETRAPT HARDEN

Getrapt hardbaar zijn alle olie- en luchthardbare (dus in het algemeen gelegeerde) staalsoorten. De afschrikwerking van het warme zout is slechts weinig minder dan van olie. Laaggelegeerde soorten als bijvoorbeeld 2510, kunnen tot niet té grote afmetingen getrapt gehard worden om nog ca. 60 HRC te kunnen bereiken. Bij hooggelegeerde soorten heeft men, wat dit betreft, minder beperkingen.  Temperatuurafwijkingen zijn (binnen ruime grenzen) van weinig invloed op de bereikbare hardheid. Dit is belangrijk omdat de badtemperatuur, door het onderdompelen van het hete staal, iets zal stijgen. Na het onderdompelen het werkstuk korte tijd heen en weer bewegen. Meestal kiest men de bovengrens van de toegestane hardingstemperatuur (vooral bij groter werk). Het staal bij voorkeur oxidatievrij verhitten in kisten of d.m.v. foliebescherming. Of: laaggelegeerd staal niet té lang in de oven laten vertoeven om té veel oxidatie te vermijden.

HET HARDINGSPROCES

•  Badtemperatuur: bij Laaggelegeerde olieharders ca. 180 tot 220°C. Bij hooggelegeerde staalsoorten kan (meestal) iedere badtemperatuur tussen 180 à 550°C gekozen worden. Gewoonlijk kiest men 180 à 250°C.
• Badverblijftijd. Het werkstuk zo lang in het bad houden tot het temperatuurverschil tussen zout en werkstuk verdwenen is. Dit is ongeveer vier minuten voor kleine en tien à vijftien minuten voor grotere werkstukken. Laaggelegeerde stalen niet langer in het bad houden om ongewenste omzettingen in zachtere bestanddelen te vermijden. Hoger gelegeerde staalsoorten zijn in dit opzicht minder kritisch.
• Afkoeling. Daarna afkoelen in rustige lucht tot flink handwarm (ca. 40 à 60°C) en vervolgens direct gaan ontlaten. Bijvoorbeeld door het werkstuk weer in het bad te brengen. Zou de badtemperatuur te laag zijn – omdat er bijv. op 320°C ontlaten moet worden – dan het werk na ca. één uur uit het bad nemen en tot kamertemperatuur laten afkoelen. De meeste spanningen zijn dan verdwenen en later (wanneer het lage ontlaattemperatuurwerk achter de rug is) het bad op laten lopen tot 320°C en nogmaals ontlaten. Twee keer ontlaten kan overigens nooit kwaad.  Bij hardingstemperaturen boven ca. 980°C: om ongewenste reacties tussen bad en staal oppervlak te vermijden, het werkstuk – buiten de oven – eerst tot ca. 940-900°C (deze temperaturen zijn niet kritisch) af laten koelen, om het daarna in het bad te dompelen. Dit heeft geen invloed op de eindhardheid.

Enkele praktische voorbeelden van getraptharden

Werkstof nummer 1.2363 leent zich goed voor getrapt harden, wat een gunstig effect heeft op de maatvastheid en taaiheid.

1.  verhitten op ca. 960-980°C
2. in zoutbad afkoelen van ca. 180-210°C
3. als het temperatuurverschil verdwenen is, in lucht tot kamertemperatuur laten dalen en daarna ontlaten.

Werkstofnummer 1.2510 is ook uitermate geschikt om getrapt te harden:

1.  verhitten op ca. 820-850°C
2. in zoutbad afkoelen van ca. 180-210°C
3. aanhoudtijd in het zoutbad max. 5-10 minuten
4. daarna in lucht afkoelen tot ca. 70°C en dan direct ontlaten.

Werkstof nummer 1.2767 kan ook prima getrapt gehard worden

1.  Verhitten op ca. 850°C
2. In zoutbad afkoelen van 300-400°C
3. Na ca. 15 min. uit bad nemen en in lucht afkoelen.