Värmebehandling

Värmebehandling av stål genomförs för att nå önskade förändringar i mikrostrukturen och i de mekaniska egenskaperna. Mjukglödgning och normalisering används för att minska hårdheten, förfina kornstorleken för att underlätta för vidarebearbetning av stålet. Härdningsprocesser såsom sätthärdning och härdning genomförs för att öka hårdheten av stålet inför slutanvändning. Medans nitrokarburering och nitrering används för att utveckla specifika ytegenskaper inför slutändamålet. Läs mer om de olika processerna nedan.

Electro Heat Sweden AB tillverkar, konstruerar och tillhandahåller industriugnar för olika typer av ändamål och processer. Tillverkningen, konstruktion och försäljning sker i våra lokaler i Göteborg. Vi har en rad olika standardlösningar samtidigt som vi har lång erfarenhet att utveckla innovativa värmebehandlingsanläggningar anpassade efter våra kunders unika behov.

I vår verkstad i Göteborg har vi dessutom möjligheten att erbjuda värmebehandling i våra egna ugnar. Vi kan hjälpa er med glödgning, mjukglödgning, avspänningsglödgning, normalisering, torkning och vanlig uppvärmning. Vi har kapaciteten att värma ett objekt upp till 1300°C. Om objektet skulle vara för stort för någon av våra många ugnar kan en kundanpassad temporärugn installeras för att säkerställa att objektet når den önskvärda temperaturen. Vi har också tekniker ute på fält som arbetar med mobil värmebehandling såsom förvärmning och avspänningsglödgning. Vi kan snabbt och effektivt mobilisera både tekniker och utrustning till vilken plats som helst.

Normalisering

Normalisering utförs för att ge stålet en jämn och finkornig struktur som medför förutsägbara och önskade hållfasthetsegenskaper och som förbättrar bearbetbarheten. Efter t ex varmsmidning, varmvalsning och gjutning av stål är mikrostrukturen inte homogen utan kan bestå av alltför stora, men också små, korn och innehålla icke önskvärda strukturbeståndsdelar, såsom bainit och karbidutskiljningar. En sådan mikrostruktur är negativ för såväl hållfasthet och seghet som för bearbetningsegenskaperna.

Normalisering börjar med värmning till en temperatur i austenitområdet, 800 – 920°C, med kort hålltid, där nya och mindre austenitkorn bildas från den ursprungliga, vanligen ferrit-perlitiska, strukturen. Därefter sker svalning med kontrollerad och tillräckligt hög hastighet, varvid en ferrit-perlitisk mikrostruktur bildas. Denna struktur är mer finkornig och har mer homogen kornstorleksfördelning än den tidigare.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2.1)

Glödgning

Med glödgning i allmän betydelse avses behandlingar som sänker stålets hårdhet eller åstadkommer en struktur som underlättar efterföljande behandlingar, såväl skärande som plastiska. När endast ordet glödgning används menas ofta mjukglödgning. För tydlighetens skull bör det alltid specificeras vilken typ av glödgning som avses.

Glödgningsoperationer läggs in i tillverkningskedjan för att ge stålet en mikrostruktur som underlättar fortsatt behandling och medför förutsägbara hållfasthetsegenskaper. Många glödgningsoperationer utförs inte av slutanvändaren utan av stålproducenten. Exempel är glödgning av halvfabrikat såsom band, stång, rör, smiden och gjutna ämnen.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2)

Avspänningsglödgning

Syftet med avspänningsglödgning är att sänka eller avlägsna oönskade restspänningar, som byggts upp i materialet vid såväl spånavskiljande som plastisk bearbetning och som skulle kunna ge upphov till formförändring vid senare värmebehandling eller vid komponentens användning. Avspänningsglödgning utförs på svetsade detaljer och konstruktioner och på kallformade eller maskinbearbetade detaljer. Avspänningsglödgning utförs vid lägre temperatur än rekristallisationsglödgning.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2.5)

Rekristallisation

Vid kallbearbetning av stål ökar hårdheten genom deformationshärdning, och möjligheterna till fortsatt plastisk bearbetning minskar. Rekristallisationsglödgning utförs därför mellan kalldeformationsstegen vid kallvalsning av band, kalldragning av tråd, djupdragning av plåt eller efter annan plastisk formning, som är så kraftig att fortsatt plastisk bearbetning försvåras.

Vid glödgning över ca 600°C rekristalliserar stålet, vilket innebär att nya, spänningsfria, odeformerade korn kärnbildas och tillväxer, på bekostnad av de deformerade kornen. Mikrostrukturen är ofta mer finkornig än den ursprungliga. På grund av deformationshårdnande är hårdheten hög före rekristallisation, varvid den sjunker till hårdheten för den ursprungliga, odeformerade strukturen, då nya korn bildats efter rekristallisation.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2.4)

Karbonitrering

Karbonitrering är en variant av sätthärdning och inte en nitreringsprocess. Karbonitrering innebär att, förutom kol, även kväve tillförs stålet genom en tillsats av ammoniak till ugnsatmosfären under uppkolningen. Karbonitreringen går att utföra både vid gasuppkolningen och lågtryckprocesser. Kväve ökar ythärdbarheten markant. Detta gör att lägre legerade stålsorter kan användas. Härdbarhetsökningen motverkar också sänkningen av härdbarheten som orsakats av förluster av legeringselementen från grundmaterialet genom inre oxidation (gasuppkolning) eller manganeffusion (vakuumuppkolning).

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.4.9)

Nitrokarburering

Nitrokarburering påminner om nitrering, men förutom kväve tillförs även kol till stålets yta från ett kolavgivande medium. Temperaturen är något högre än vid nitrering, ca 550-580 °C. Användandet av nitrokarburering växte anmärkningsvärt , då saltbadsprocessen Tenifer (Tuffride) började utvecklas och då gasprocessen Nitemper utvecklades på 1960-talet. Processnamnen är varumärken från Durferrut GmbH resp Ipsen. Vid nitrokarburering bildas en föreningszon, ca 0-30 µm, bestående av  ɛ-och/ellery’-fas. I området under föreningzonen bildas en diffusionzon, 0,05 – 0,8 mm. Liksom nitrering kan nitrokarburering utföras i gas, plasma eller saltbad. Nedan beskrivs nitrokarburering generellt samt med tonvikt på gasprocesser.

Jämfört med nitrering är nitrokarburering en korttidsprocess, med en processtid på mellan 30 minuter och fem timmer. Tiden måste styras efter den tjocklek och de egenskaper på förenings- och diffusionzon som krävs för att uppnå eftersträvad komponentegenskaper. Nitrokarburering i gas föregås ofta av förvärmning/-oxidering, antigen i en separat ugn eller i nitrokarbureringsugnen. Eftersom kol, och inte bara kväve, ska transporteras till stålytan, måste atmosfären, förutom ammoniak, även innehålla ett kolavgivande medium. Som kolkälla har tidigare använts, och används fortfarande, endogas eller exogas, som båda innehåller kolmonoxid, som är den aktiva kolöverförande gasen. Idag används även andra kolkällor, framförallt koldioxid, som reagerar med vätgas under bildning av kolmonoxid enligt:

CO₂ + H₂ –> CO + H₂O

Vätgasen kan dels fås genom sönderfallet av ammoniak, ekvationen ovan, dels som separat tillsats. Det är möjligt att använda ren kolmonoxid, men det alternativet hålls tillbaka av kostnadsskäl. Nitrokarbureringsprocessen sker i stort sett på samma sätt som nitrerprocessen. Efter rengöring, ilastning i ugn och värmning till processtemperaturen, 560 – 580 °C, följer en nitrokarbureringstid som ger önskad skikttjocklek och/eller diffusionsdjup. Liksom vid nitrering är det viktigt med god temperaturjämnhet i ugnen för att säkerställa föreningszonens tjocklek och diffusionszonens djup. Tidigare har man, av praktiska skäl, använt en konstant gassammansättning och ett konstant gasflöde under nitrokarbureringsprocessen. I och med att nya styrsystem utvecklas med utökade möjligheter att styra processen, går man mer och mer över till mer optimerade gasflöde och gassammansättningar.

Huvudsakligen kan samma ugnstyper som för gasnitrering användas. Vilken kylmedel som används vid nitrokarburering beror på vilka egenskaper man efterstävar hos komponenten. Kylningshastigheten har stor betydelse för hårdhet och restspänningar i diffusionszonen, framförallt för låglegerade material. När en hög utmattningshållfasthet eller hög lastkapacitet krävs, göra man därför en snabb kylning, normalt i en härdolja. Vanligaste är att att använda samma typ av universalugn med oljekar som vid sätthärdning. Om det istället är nötnings- och/eller korrosionsmotstånder som är syftet med nitrokarbureringen, är det föreningszonens egenskaper som är avgörande, vilket i stort sett är oberoende av kylningshastigheten. För att minimera formförändringen är det bättre att använda en låg kylningshastighet, vilket man får genom att kyla i gas. Gaskylning görs ofta i samma kammare som nitrokarbureringen. För att öka korrosionsmotståndet ytterligare görs vid behov en postoxidering efter nitrokarbureringsteget.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.12.8)

Klockugn – SYSTEM 250/251

Anlöpning

Efter härdning till martensitisk stuktur har stålet en relativt låg seghet. Genom anlöpning, dvs värmning till temperaturer mellan 150 och 650 ºC kan segheten ökas avsevärt.

Anlöpningen ska utföras inom kort tid efter härdningen och i vissa fall redan när stålet kylts eller svalnat till 50 – 75 ºC. Beroende på kolhalt och legeringsinnehåll är vissa stål benägna att spricka om de får svalna ända till rumstemperatur i samband med kylning efter härdning. Orsaken är att stora dragspänningar kan bildas under kylningen pga termiska gradienter, fasomvandlingar, skillnader i tvärsnittstjocklek, avkolning eller andra kemiska avvikelser. Eftersom den oanlöpta martensiten oftast är spröd kan sådana dragrestspänningar orsaka sprickbildning.

Vid anlöpning till lägre temperaturer, upp till 450 ºC med måttliga krav på ytfinish, äger vanligen processen rum i en konvektionsugn med luftatmosfär. Vid högre temperaturer, eller då kraven på ytfinish är stora, krävs skyddsgasatmosfär såsom kväve eller kväve/väte-blandningar för att undvika oxidation. Vid lokal anlöpning kan värmningen ske med gaslåga eller induktiv värmning. Vid induktiv värmning och tunna sektioner kan mycket korta anlöpningstider användas, 5 – 10 sekunder, men med betydligt högre temperatur än konventionellt.

I många anlöpningsprocesser kan själva anlöpningen ske i skyddsgas med efterföljande oxidation som färgar materialet.

Vid ånganlöpning tillförs vatten (ånga) eller annat oxiderande medel för att åstadkomma en tjock eller tunn oxid.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.11, 8.11.1)

Härdning

Härdning är ett samlingsnamn för de termiska metoder som syftar till att skapa en martensitisk eller bainitisk struktur för att höja ett ståls hårdhet och hållfasthet.

Den termiska processen består av uppvärmning av stålet till härdtemperatur (austenitisering) följt av kylning i lämpligt kylmedel, som väljs med hänsyn till stålsortens härdbarhet och detaljernas dimension. Kylningen kan göras antingen som direkthärdning, etapphärdning eller bainithärdning. Direkthärdning är den vanligaste härdningsmetoden. Efter härdning till martensitiskt tillstånd följer normalt anlöpning.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.3)

Mjukglödgning

Mjukglödgning är den metod som gör stålet så mjukt som möjligt och utförs på verktygsstål och låglegerade stål med höga kolhalter för att underlätta bearbetning med skärande verktyg.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2.2)

Släckglödgning (Austenitglödgning)

Släckglödgning används för rostfria austenitiska stål, och innebär homogeniseringsglödgning eller i vissa fall en rekristallisationsglödgning. Vid långsam svalning efter (upp)värmningen utskiljs sekundärfaspartiklar i de austenitiska stålen. Utskiljningen sker vanligen i korngränserna. För rostfria, austenitiska stål innebär detta en minskning av kromhalten nära korngränserna, vilket försämrar korrosionsbeständigheten lokalt och kan resultera i interkristallin korrosion (krongränsfrätning). Utskiljningen kan även ske genom (uppvärmning) i temperaturområdet 500-850°C. Släckglödgningen utförs för att undvika problemen som sekundärfaspartiklarna kan ge. Släckglödgningen innebär (upp)värmning till en temperatur, där austeniten är homogen, vanligen 1000-1100°C, följt av en snabb kylning, t ex i vatten. Vid klena dimensioner kan luftsvalning vara tillräcklig. Djuppressade plåtdetaljer med godstjocklekar upp till 4 – 5 mm släckglödgas oftas i vakuumugn med forcerad gaskylning. Grundmassan i de austenitiska stålen genomgår inte någon fasomvandling som ger kornförfininf vid (upp)värmning eller (av)kylning. Vid släckglödgning får man i stället räkna med en kornförgrovning, men den har normalt ingen nämnvärd inverkan på segheten. Austenitiska stål som kallbearbetas rekristalliserar vid släckglödgning, vilket leder till att hårdheten sjunker och duktiliteten höjs. Vid vissa kombinationer av reduktionsgrad, temperatur och tid, t ex strax under kritisk deformationsgrad, kan abnorm korntillväxt ske.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.2.6)

Nitrering

Vid nitrering tillförs kväve till stålets yta från ett kväveavgivande medium vid en temperatur på 500-550 °C. Under processen bildas en föreningszon, ca 0 – 20 µm, huvudsakligen bestående av y’-fas, men även en viss mängd ɛ-fas, beroende av stålsort. I området under föreningszonen bildas en diffusionszon, ca 0,05-0,8 mm. För att uppnå stora härddjup blir nitrertiderna mycket långa, från tio till hundratals timmer, efter som diffusionshastigheten för kväve är låg vid aktuella temperaturer. Nitrering kan utföras i gas, plasma eller saltbad.

Nedan beskrivs grunderna för nitrering med tonvikt på gasprocesser. Nitrering utförs normalti konvektionsugnar med en atmosfär av ammoniak som kvävegivande medium. Ammoniaken kan spädas med kväve eller väte. Komponterna som ska nitreras lastas på fixturer eller i korgar och förs in i ugnen, varefter ugnen stängs. Det är viktigt att nitrerugnarna är täta både av säkerhetsskäl och för att ammoniakgasen luktar illa. Den är dessutom hälsovådlig, men först vid högre koncentrationer än den som ger tydlig lukt.

Inom ett speciellt koncentrationsområde bildar ammoniak och syrgas en explosiv blandning (eftersom ammoniak krackar till vätgas). För att eliminera explosionsrisken måsten därför ugnen av säkerhetsskäl evakueras på syre innan ammoniaken kan tillsättas. Det kan göras antigen genom att man applicerar vakuum eller spolar med kväve. Genom att utföra värmningen till nitrertemperatur i kvävegas kan utrymmet spolas rent från syre under värmningstiden, så att ammoniak kan tillsättas direkt när nitreringstemperaturen är nådd. I början ska ammoniakflödet vara högt för att bygga upp kväveaktiviteten så snabbt som möjligt.

Så snart föreningszonen har börjat bildas på stålytan, styr/begränsas nitreringshastigheten av diffusionen genom skiktet in i stålet. Ammoniakflödet kan då sänkas för att anpassa kvävetransporten från gas till stål, så att den stämmer överens med diffusionshastigheten av kväve in i stålet. Nitreringen fortsätter tills man har fått önskad nitrerdjup. Då stängs ammoniaken av. Kvävespolningen fortsätter till dess att ammoniaken försvunnit ur ugnsatmosfären. För att undvika missfärgningar p g a oxidation bör kylning göras i kväve. För gropugnar är det normalt att retorten lyfts ur ugnen och placeras i kylgrop. I ugnar utan retort äger kylningen rum i ugnen.

Vid nitrerprocesser är det viktigt med en god temperaturjämnhet i ugnen, eftersom temperaturen har en stor inverkan på föreningszonens tjocklek och diffusionszonens djup. Det är även av stor vikt att gassammansättningen är densamma i hela ugnsvolymen för att ge ett jämnt resultat på alla behandlade detaljer. Fläktar som ger påtvingad gascirkulation är därför nödvändiga (även om nitrerugnar utan gascirkulation förekommer). Gascirkulationen gynnar också värmeöverföringen, som huvudsakligen är styrd av konvektionen, eftersom temperaturen är relativt låg.

Ref. Stål- och värmebehandling – En handbok (8.12.7)

Klockugn – SYSTEM 250/251

Kontakta oss för mer information

Behöver ni hjälp med att hitta en effektiv och prisvärda värmebehandlingsanläggningen? Vänligen kontakta oss, så hjälper vi er att ta fram ett förslag på en kostnadseffektiv lösning anpassat efter ert behov.