Hoe verhoog je de slijtageweerstand van staal?

Carboneren is een thermochemisch diffusieproces waarbij koolstof wordt toegevoegd aan het oppervlak van een onderdeel om een hogere hardheid te verkrijgen.

Hoge hardheid vermindert kans op plastische vervorming
Een variant van het carboneren is carbonitreren, waar men het oppervlak niet alleen met koolstof, maar ook met een kleine hoeveelheid stikstof gaat verrijken. Beide processen zijn ideale technieken om de slijtageweerstand en de vermoeiingsweerstand van staal te verhogen. Daarbij kan de inzetdiepte en de hardheid bijzonder nauwkeurig ingesteld worden.
 

 carboneer-img_3974-snij

Carboneren VS Carbonitreren

Bij carboneren (ook cementeren, opkolen of inzetten genoemd) wordt het oppervlak van staal verrijkt met koolstof. Die behandeling heeft als doel een hard en slijtvast oppervlak te realiseren in combinatie met een taaie kern. Als alternatief voor carboneren wordt bij ongelegeerde materialen carbonitreren toegepast. Naast koolstof wordt ook stikstof aan het oppervlak toegevoegd, zodat beperkt hardbare staalsoorten kunnen voorzien worden van een hard oppervlak. Beiden zijn thermochemische diffusieprocessen.

Carboneren

Tijdens de eerste processtap carboneren wordt koolstof in een staaloppervlak gebracht door het te behandelen werkstuk in een koolstofafgevende omgeving te plaatsen en tot circa 850°C à 1.000°C te verhitten. Het koolstofprofiel en de indringdiepte zijn afhankelijk van de verhittingstijd, de hoeveelheid aangeboden koolstof, temperatuur en het gebruikte staal. De tweede processtap is het afharden of afschrikken van de gecarboneerde werkstukken. Dat kan apart van, aansluitend aan of gecombineerd met het carboneren plaatsvinden. Typische cementeerstalen bevatten een koolstofgehalte van 0,10% à 0,25% koolstof en kunnen goed verspaand worden. De gelegeerde cementeerstalen bevatten als belangrijkste elementen chroom, nikkel en molybdeen. Deze verhogen in belangrijke mate de hardbaarheid van staal. De kritische of minimale afkoelsnelheid ligt bij gelegeerde stalen lager. Hierdoor kunnen massievere werkstukken alsnog gehard worden. Bijkomend kan een minder drastisch afkoelmedium aangewend worden, wat op zijn beurt de vervormingen ten goede komt. Enkele concrete toepassingen van het carboneren zijn tandwielen, nokken, nokkenassen en kettingwielen.

Carbonitreren

Bij het carbonitreren, een variant van carboneren, wordt gelijktijdig met het inbrengen van de koolstof een kleine hoeveelheid stikstof in het staaloppervlak gebracht. Deze extra verrijking verhoogt de hardbaarheid van de randzone. Dat gebeurt door het te behandelen werkstuk in een koolstof- en stikstofafgevende omgeving te plaatsen en te verhitten. De stikstof doet hierbij dienst als legeringselement. Carbonitreren vindt plaats bij hoge temperatuur (870°C) met weinig stikstof en veel koolstof. Het wordt hoofdzakelijk toegepast op ongelegeerde carboneerstalen zoals C15, constructiestalen en automatenstaal, en tot geringe dieptes. Het carbonitreren mag niet vergeleken worden met het nitrocarboneren, een proces dat bij een veel lagere temperatuur (circa 550°C – 600°C) wordt uitgevoerd en waarbij veel stikstof en weinig koolstof wordt toegevoerd. Carbonitreren wordt toegepast bij onder meer scharnieren, sloten, houtschroeven en spindels.

Parameters

Aan het oppervlak streeft men naar hardheden van 58 à 62 HRC (Rockwellhardheid). Deze hardheden kunnen gemakkelijk en nauwkeurig gemeten worden met de Rockwell hardheidsmeter. De kern die ook gehard wordt, verkrijgt door het lagere koolstofgehalte een hardheid van 25 à 45 HRC. Deze waardes zijn afhankelijk van de staalsamenstelling (hardbaarheid), de geometrie of massiviteit van het werkstuk, het koolstofprofiel en het afkoelmedium. De carboneerdieptes variëren naargelang de toepassing van 0,10 à 0,25 mm (spaanplaatschroeven) tot 2,5 à 3 mm (zware transmissieonderdelen). Alleen kwalitatief hoogstaande staalsoorten leveren de verwachte kwaliteit die aan een gecarboneerd product mag gesteld worden. Bepalende parameters voor de behandeling zijn de behandelingstemperatuur, de duur van het proces, de samenstelling van de procesgassen en het koolstofafgevend vermogen van het medium. Het temperatuursbereik is naar boven toe beperkt om ongewenste korrelgroei te vermijden. De behandelingsduur van het carboneren verloopt bij benadering kwadratisch met de diepte. De inzetdiepte is de verticale afstand van het oppervlak waarbij de hardheid tot een gedefinieerde waarde is gedaald. De inzetdiepte met de daarbijhorende grenshardheid en proeflast moet afhankelijk van het materiaal en de toepassing bepaald worden in samenspraak met de klant. Deze parameters worden door de verschillende installaties bewaakt en gestuurd tijdens de volledige duur van het proces.

Procestechnieken

Om voldoende koolstof te kunnen opnemen moet het staal geaustenitiseerd worden. Bij deze temperaturen (850°C en hoger) moet het werkstuk beschermd worden tegen overmatige oxidatie. De carboneertemperatuur ligt meestal bij 900°C – 950°C, omdat de koolstofopname en diffusie hier sneller verlopen. De werkstukken bevinden zich hierbij in een koolstofafgevend milieu en verblijven hierin gedurende meerdere uren in functie van de gewenste inzetdiepte. Nadat het correcte koolstofgehalte bereikt is, wordt de temperatuur verlaagd naar hardingstemperatuur. Aansluitend worden de onderdelen afgehard door afschrikken in olie of zoutbad. In de meeste gevallen worden de onderdelen nog ‘ontlaten’ (180°C – 200°C) om de maximale hardingsspanningen te verminderen en de slijpscheurgevoeligheid te verminderen. Het opkolend medium kan gasvormig zijn (gascarboneren), vloeibaar (zoutbadcarboneren) of vast (poedercarboneren).

carboneer-img_3971-snij

Kameroven met geïntegreerd afschrikbad

Gasstroom

Dit is momenteel de meest toegepaste techniek. In speciale ovens wordt continu procesgas (bestaande uit een mengsel van CO, H2 en N2) over de werkstukken geleid. Het opkolend vermogen en de temperatuur zijn flexibel te regelen door toepassing van in-situ sensoren en gasanalysetechnieken (O2-sondes, lambdasondes, CO-/CO2-infraroodmeting). Het procesgas zelf wordt verkregen door onvolledige verbranding of kraking van koolstofhoudende gassen of vloeistoffen, hetzij door rechtstreekse inspuiting in de oven, hetzij met behulp van externe gasgeneratoren. Zowel carboneren als carbonitreren kunnen op deze manier gebeuren. Partieel opkolen is mogelijk met speciale afschermpasta’s. De moderne regeltechniek biedt grote voordelen op het vlak van procesoptimalisatie, reproduceerbaarheid en kwaliteitsborging. Bijkomend voordeel is de brede keuze in beschikbare types oveninstallaties en dus in verscheidenheid aan te behandelen werkstukgeometrieën.

Varianten van het gascarboneren

Onderdrukopkolen en plasma opkolen zijn varianten van het gascarboneren. Deze technieken kunnen het fenomeen van randoxidatie onderdrukken. Ze worden uitgevoerd in vacuümovens en gecombineerd met een hoge druk gasafschrikking. Het staal wordt eerst (oxidatievrij) onder vacuüm tot de opkolingstemperatuur verhit. Daarna volgt het kolingsproces waarbij methaan, onder lage druk, wordt toegevoerd. Na de opkoling worden de restgassen weggepompt en kan de koolstof zich gelijkmatig verspreiden in het staaloppervlak. Dit is het zogenaamde diffusiegloeien, wat vaak bij gasopkolen wordt toegepast om een hoog randkoolstofgehalte terug te brengen tot ca. 0,9%, zonder steile afval naar binnen toe. Een groot voordeel van het vacuümopkolen is dat er absoluut geen oppervlakteoxidatie ontstaat.

Wervelbed

De wervelbedtechniek wordt zelden toegepast en valt in wezen onder gascarboneren. Het voordeel ligt in de hogere warmteoverdracht door het gebruik van de rondwervelende vaste deeltjes (bv. Al2O3). Bij deze methode wordt procesgas met een overdruk door een warmteoverdragend medium gestuurd (bv. Al2O3), waardoor dit in een wervelende beweging wordt gebracht (wervelbed). Het contact met het te behandelen werkstuk zorgt voor een snelle warmteoverdracht.

Gesmolten zout 

Hierbij worden bepaalde zouten in een zoutbadoven gesmolten, waarna het werkstuk er wordt in gehangen. Het zoutbad bestaat hoofdzakelijk uit mengsels met bijvoorbeeld NaCN, Na2CO3, NaCl en BaCl. Nadat de opgekoolde laag van voldoende dikte is, kunnen voorwerpen gehard worden door afschrikking. Deze techniek wordt gebruikt bij carboneren en carbonitreren. Tegenover de voordelen van de snelle opwarming van de onderdelen en de mogelijkheid voor warmbadharden staat de beperkte koolstofregeling.

Poeder

Het poedercarboneren is de oudste carboneermethode die vaak gebruikt wordt voor het carboneren van kleinere aantallen werkstukken. Wanneer er al een hardingsoven aanwezig is, is op deze manier carboneren, vrij eenvoudig in eigen beheer uit te voeren. Het poeder bestaat uit koolstofafgevende, deels organische materialen. De werkstukken worden in gesloten stalen kisten gepakt die met dit poeder zijn gevuld en vervolgens in een oven worden verhit. Deze techniek is niet van toepassing bij carbonitreren. Per uur carboneertijd dringt de koolstof 0,1 mm diep in het werkstuk, na bijvoorbeeld 7 uur carboneren is een carboneerdiepte bereikt van 0,7 mm. Daarna begint de overgangszone diffusie zone en na de diffusiezone bevindt zich de relatief zachte kern.

Carboneerkorrels Er bestaan momenteel 2 verschillende carboneerkorrels, te weten KG 6.2 en KG 30.2, beide carboneerkorrels zijn meermalig bruikbaar, het verbruik is ca 10% per keer. De KG 6.2 is een mild opkolingsmiddel en wordt gebruikt voor gelegeerde staalsoorten, de KG 30.2 is een krachtiger opkolingsmiddel speciaal geschikt voor lagergelegeerde staalsoorten. Direct afharden is mogelijk maar ook met tussentijds afkoelen kan het werkstuk uiteindelijk gehard worden. Gedeelten van werkstukken welke niet gecarboneerd mogen worden, kunnen we beschermen met een anti carboneerpasta.

Installaties

Voor slanke onderdelen die verticaal behandeld moeten worden, kan men gebruik maken van putovens. Kamerovens met geïntegreerd oliebad dienen vooral voor een batchgewijze behandeling. Doorstootovens en bandovens maken een continue aanvoer en doorstoot van de batches of kleine onderdelen in bulk mogelijk. Meestal wordt op het einde een afschrikbad geïntegreerd. De verwarming gebeurt bij kleinere installaties elektrisch. De grotere installaties zijn voorzien van aardgasbranders.

Voordelen: Hoge slijtage- en vermoeiingsweerstand

Gecarboneerde en gecarbonitreerde onderdelen worden gekenmerkt door een hoge slijtageweerstand en een hoge vermoeiingsweerstand. Door de hoge hardheid aan het oppervlak wordt de kans op plastische vervorming sterk verminderd. De randzone die door het verrijken met koolstof en na afharding onder drukspanning komt te staan, zorgt voor een verhoogde vermoeiingsweerstand. Trekspanningen door belasting van het werkstuk bereiken hierdoor niet de vermoeiingssterkte. Ook de kern die tijdens het carboneren weliswaar niet is verrijkt met koolstof, vertoont na het afharden een hogere treksterkte.

Nadelen: Vervormingen onvermijdelijk

Door de structuurtransformaties bij het opwarmen en afkoelen en door thermische spanningen tijdens het afschrikken, treden er onvermijdelijk vervormingen op. Nabewerkingen zijn dan ook noodzakelijk.

Investeringen

Wie aan carboneren wil doen, moet rekening houden met een investering met betrekking tot de oveninstallatie, de procesregeling, hittebestendige- en ophanggereedschappen. Bij grotere series en een kleine verscheidenheid aan werkstukgeomtrieën, kan wel overwogen worden om de thermische behandeling in eigen beheer uit te voeren. Dat biedt vooral voordelen op vlak van logistiek en doorlooptijden.

Milieuhinder

Bij het gascarboneren voorkomt het affakkelen van het procesgas de uitstoot van gevaarlijke gassen. Moderne reinigingsinstallaties zorgen voor de reiniging van de onderdelen. De uitgesleepte hardingsolie kan worden afgescheiden en afgevoerd. Door recuperatie en regeneratietechnieken in de moderne zoutbadinstallaties, is ook de milieu impact van het zoutbad carboneren beperkt. Ecologisch gezien heeft elk carboneerproces op zich een hoge CO2-afdruk door het energie intensief karakter.

Heeft u vragen of aanvullingen naar aanleiding van dit stuk, neem dan contact met ons op.

Dit stuk verscheen eerder in Metallerie.