Richtlijn voor het verantwoord uitvoeren
- Inleiding
In de metaalverwerkende industrie worden regelmatig spanningsarm gloeiingen uitgevoerd, verreweg in de meeste gevallen op onderdelen en constructies vervaardigd uit on- en laag gelegeerd staal. Deze richtlijn beperkt zicht tot deze materiaalgroep.
Spanningsarm gloeien kan om verschillen redenen toegepast worden, bijvoorbeeld:
- Om het gevaar van brosse breuk te verminderen bij gelaste constructies in dik materiaal.
- Om vervorming te voorkomen tijdens het verspanend bewerken van onderdelen of constructies waarin inwendige spanningen aanwezig zijn.
Inwendige spanningen ontstaan veelal door thermische processen zoals snijden en lassen, door deformatie of als gevolg van speciale warmtebehandelingen.
Tijdens het spanningsarm gloeien worden de inwendige spanningen in het onderdeel of de constructie verlaagd door een temperatuur- en tijd afhankelijk proces wat veel overeenkomsten vertoont met het kruipproces.
Het effect van de temperatuur en de tijd zijn parametrisch gecorreleerd volgens de Larson-Miller vergelijking:
Thermisch effect = T9log t + 20)10–³
Binnen bepaalde grenzen kunnen temperatuur en tijd gevarieerd worden met hetzelfde thermische effect. In de onderstaande figuur is dit weergegeven.
Gloeitemperatuur versus Gloeitijd
De grafiek geeft weer welke gloeiingen effect op de inwendige spanningen opleveren.
Bijvoorbeeld:
Een gloeiing van 1 uur op 570°C geeft hetzelfde effect als een gloeiing van 3 uur op 550°C. Hieruit blijkt dat de invloed van de temperatuur veel groter is dan die van tijd. Om bij een 20°C lagere temperatuur dezelfde spanningsverlaging te krijgen moet 3x zo lang gegloeid worden.
Het blijkt dus een groot belang te zijn om zeker te stellen dat de te gloeien objecten de juiste temperatuur hebben.
Wat dit betekent voor de uitvoering van de gloeiing zal hierna beschreven worden1.
- De praktische consequenties
In de inleiding is aan de hand van een voorbeeld aangegeven dat de temperatuur de belangrijkste parameter2 is bij het spanningsarm gloeien. De gloeier dient dus zeker te stellen dat het te gloeien object de vereiste temperatuur, over de gehele dikte, bereikt. Om dit zeker te kunnen stellen moeten er eisen gesteld worden aan de temperatuurmeting en aan de uitvoering van de gloeiing.
- Temperatuurmeting
In principe dient gemeten te worden aan het te gloeien object en m.b.v. gekalibreerde thermokoppels3.
Verder dient de meetlocatie zorgvuldig gekozen te worden.
Wanneer de spanningsarm gloeiing moet worden uitgevoerd volgens een bepaalde Code (in Nederland bijvoorbeeld de Stoomwezen “Regels voor (onderdelen) van Toestellen onder druk”) is in de Code (meestal) aangegeven hoeveel koppels gebruikt moeten worden en op welke locaties gemeten moet worden.
Indien niet volgens een Code gewerkt wordt is het de verantwoording van de gloeier om op de juiste locaties te meten.
Bij dikwandige objecten dient bedacht te worden dat directe verhitting (door gas- of oliebranders of door elektrische elementen) alleen aan het buitenoppervlak plaats vindt en dat voor het doorwarmen (door geleiding) een bepaalde tijd nodig is. Om dit effect in de meting te verdisconteren kan bijvoorbeeld overwogen worden om 1 (of meerdere) koppel(s) op het binnen oppervlak (bij holle objecten) aan te brengen. Indien dit niet mogelijk (massieve objecten) of praktisch moeilijk uitvoerbaar is dient het doorwarmeffect verdisconteerd te worden in de uitvoering van de gloeiing4+5.
Indien dit effect niet verdisconteerd wordt kan dit gemakkelijk leiden tot een “schijngloeiing”. De gloeier levert een prachtige gloeigrafiek maar deze heeft alleen betrekking op het direct aangestraalde (of convectief verwarmde, zie hieronder) materiaal. Een groot deel van het object heeft de gloeitemperatuur niet bereikt of is veel te kort op de gewenste temperatuur geweest.
- Uitvoering van de gloeiing.
In de inleiding is duidelijk gemaakt dat de gloeitemperatuur de belangrijkste factor is bij het spanningsarm gloeien. In paragraaf 2.1 is aangegeven hoe dit in de temperatuurmeting meegenomen dient te worden. Echter is ook aangegeven dat het niet altijd mogelijk is om de temperatuur op de gewenste plaats te meten. In dat geval dient door een beheerste uitvoering zeker gesteld te worden dat het gehele object gedurende de voorgeschreven tijd op de gewenste temperatuur geweest is.
Wat heeft dit voor consequenties ?
De verhitting van het te gloeien object vindt plaats door straling, geleiding en convectie. Alleen het buitenoppervlak van het werkstuk wordt direct verhit door straling van de branders of de elementen6.
Indien de ovenlading uit meerdere, gestapelde objecten bestaat, vindt ook verhitting plaats door straling van de eerder verhitte buitenste objecten. Echter draagt straling pas in belangrijkst mate door tot doorwarming bij wanneer de temperatuur van de buitenste objecten de 500°C bereikt heeft, d.w.z. aan de bovenkant van het temperatuur traject. Daaronder moet het doorwarmen plaatsvinden door geleiding en convectie.
Bij enkelvoudige objecten is doorwarming d.m.v. geleiding niet problematisch. Het warmtegeleidingsvermogen van on- en laag gelegeerd staal is vrij hoog.
De zaak wordt echter anders indien de ovenlading bestaat uit meerdere, op elkaar gestapelde objecten. In dit geval is warmtebehandeling nauwelijks van invloed omdat er vrijwel altijd een grotere of kleinere luchtspleet tussen de te gloeien objecten aanwezig zal zijn die een effectieve geleiding barrière vormt. Het doorwarmen moet dan geheel bereikt worden door convectie.
Voor convectieve warmteoverdracht dienen echter wel de nodige maatregelen getroffen te worden. De te gloeien objecten dienen niet direct op de ovenbodem geplaatst te worden maar op een rooster van bijvoorbeeld vuurvaste steen. Bij gestapelde objecten dienen ook tussen de verschillende lagen spleten aangebracht te worden (ook d.m.v. vuurvaste steen of op een andere wijze) om convectie mogelijk te maken.
Wanneer al deze maatregelen getroffen zijn kan de gloeier de doorwarming alleen nog beïnvloeden door het aanpassen van de gloeiparameters, d.w.z. de opwarmsnelheid en eventueel de gloeiduur.
Door de opwarmsnelheid aan te passen aan de aard en de afmetingen van het te gloeien object kan bereikt worden dat het gehele object (of de gehele verzameling van objecten) bij het begin van de eigenlijke gloeiing de vereiste temperatuur heeft.
Bij gloeiingen volgens een Code dient de door de Code gespecificeerde opwarmsnelheid aangehouden te worden. Dan nog echter dient de gloeier zich bewust te zijn van b.g. factoren en, afhankelijk van de belading van de oven, desnoods de opwarmsnelheid nog verder te verlagen.
Ervaring speelt hierin een belangrijke rol, maar ook economische overwegingen. Een lagere opwarmsnelheid kan leiden tot zeer langdurige gloeiingen die uiteraard kostbaar zijn. Hierin speelt ook een rol dat afnemers zich van al deze overwegingen vaak nauwelijks bewust zijn en puur op de kostprijs afgaan.
Gloeien is toch gloeien.
In het voorgaande is ingegaan op slechts enkele belangrijke aspecten van het uitvoeren van spanningsarm gloeiingen. Aspecten die vaak over het hoofd gezien worden en daarom het resultaat van een gloeiing negatief kunnen beïnvloeden of de gloeiing zelfs totaal onzinnig kunnen maken. De afnemer komt hier pas in een later stadium, vaak door schade en schande, achter.
Gerealiseerd dient te worden dat alle maatregelen die genomen moeten worden om een juist uitgevoerde gloeiing te realiseren (goed stapelen, langzaam opwarmen etc.) tijd en geld kosten. Een onjuist uitgevoerde gloeiing kost echter vaak veel meer ! Een kostbaar werkstuk dat niet goed spanningsarm gegloeid is kan tijdens de verspanende bewerking dermate vervormingen vertonen dat het niet of alleen tegen zeer hoge kosten nog bruikbaar gemaakt kan worden.
_______________________________________________________________________________________________________
1 In deze richtlijn beperken we ons tot ovengloeiingen. Lokale gloeiingen (bijv. d.m.v. inductieve of
weerstandsverhitting) brengen extra complicaties met zich mee.
2 Hiermee wil uiteraard niet gezegd zijn dat de gloeitijd er niet toe doet. De metaalkundige processen die tot spanningsverlaging leiden zijn tijdsafhankelijk en een te korte gloeiing zal niet het gewenste effect opleveren. Echter heeft een afwijking van de temperatuur een veel groter effect dan een iets kortere gloeitijd. Ook is de gloeitijd gemakkelijker te bewaken dan de temperatuur.
3 Soms is een objectmeting praktisch niet uitvoerbaar en moet volstaan worden met een ovenmeting, bijv. in doorloopovens. In dit geval dient d.m.v. speciale kalibratiemetingen het verband tussen de oventemperatuur en de objecttemperatuur vastgesteld te worden. Het meten van de objecttemperatuur m.b.v. pyrometers is minder betrouwbaar dan meting met thermokoppels en dient dan ook alleen in uitzonderingsgevallen toegepast te worden.
4 Dezelfde overwegingen gelden ook voor objecten met grote verschillen in wanddikte.
5 In het voorgaande is buiten beschouwing gebleven dat ook (de plaatsing van) het koppel zelf een belangrijke invloed kan hebben. Het minst problematisch zijn thermokoppels die d.m.v. condensatorontlading direct op het werkstuk bevestigd (gelast) worden, mits de las van een goede kwaliteit is. In dit geval is de kans gering dat een onjuiste meting verkregen wordt. Mantel thermokoppels die met hulpmiddelen aan het oppervlak bevestigd worden kunnen tot grote meetafwijkingen leiden indien de bevestiging niet solide is. In dit geval wordt nl. niet de werkstuktemperatuur gemeten maar de temperatuur van de ovenatmosfeer die 9vele) tientallen graden hoger kan zijn dat de werkstuktemperatuur.
6 Ten overvloede wordt hier nog gemeld dat direct contact van de vlam met het werkstuk alle omstandigheden uitgesloten dient te zijn.
Opdrachtgever: Gloeitechniek Brabant BV
Ref. Opdrachtgever: U.L. Poppelier
Rapportnummer: SL 00/2336
Datum rapport: 23-10-2000
Opsteller: J. Quist
Distributie: Gloeitechniek Brabant BV
Schielab archief
Geautoriseerd: Ir. L.H. Brantsma
