Opsætning og indsætningshærdning: Grundlæggende

Ideen

Nogle dele har brug for to modstridende egenskaber: en overflade, der modstår slid og kontaktudmattelse, og en kerne, der absorberer stød uden at revne. Opsætning leverer begge dele fra ét stykke lavkulstofstål. Delen holdes ved omtrent 880–950 °C i en kulstofrig atmosfære; kulstof diffunderer ind i overfladen, og en efterfølgende hærdning hærder kun det berigede lag — indsatsen — mens kernen med lavt kulstofindhold forbliver forholdsvis blød og sej.

Indsatsdybde

Indsatsdybde specificeres som den dybde, hvor hårdheden falder til et defineret niveau — almindeligvis 550 HV i europæisk praksis (CHD, indsætningshærdningsdybde). To dybder betyder noget:

• Effektiv indsatsdybde (til 550 HV): typisk omkring 0.3–2.5 mm for tandhjul og aksler, afstemt efter kontaktspændingen og tandhjulets modul.
• Total indsatsdybde: den fulde diffusionszone, altid dybere end den effektive dybde.

Dybere indsatser kræver uforholdsmæssigt længere ovntid, fordi diffusionsdybden vokser med kvadratroden af tiden — en fordobling af dybden tager omtrent fire gange så lang tid.

Kulstofpotentiale

Ovnatmosfæren styres til et kulstofpotentiale — det overfladekulstofniveau, som atmosfæren vil frembringe i rent jern ved temperaturen. Det køres typisk noget under eller tæt på området fra eutektoid til mætning, ofte omkring 0.8–1.0% C ved overfladen i boost-fasen. Et for højt potentiale danner sod, karbidnetværk og overskydende restaustenit; et for lavt giver en lav, blød indsats. Produktionscyklusser bruger ofte et boost–diffuse-mønster: højt potentiale til at drive kulstof hurtigt ind, derefter en fase med lavere potentiale til at fastlægge det endelige overfladekulstof og gradienten.

Kerne versus indsats efter hærdning

Efter opsætning hærdes delen (direkte, eller efter en genopvarmning for kornforfining) og anløbes ved lav temperatur, omtrent 150–200 °C. Indsatsen med højt kulstofindhold omdannes til hård martensit, typisk omkring 58–62 HRC ved overfladen. Kernen — stadig kun omkring 0.15–0.25% kulstof — hærdes kun så langt, som dens hærdbarhed tillader, forbliver meget blødere og giver den sejhed, som delen er designet omkring.

Stål designet til opsætning

Indsætningsstål har lavt kulstofindhold efter design, legeret for kernestyrke og hærdbarhed:

• 8620 (AISI): det universelle nordamerikanske tandhjulsstål, Ni-Cr-Mo-kerne.
• 20CrMnTi (GB): det kinesiske standardtandhjulsstål; titan fastholder kornet under lange opsætningscyklusser.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): den europæiske arbejdshest til små og mellemstore tandhjul.
• Varianter til højere belastning tilføjer nikkel (f.eks. 18CrNiMo7-6), hvor kernestyrke i store sektioner er kritisk.

At specificere en opsat del betyder at specificere indsatsdybde, overfladehårdhed og kernehårdhed sammen — enhver af dem alene er et ufuldstændigt krav.

Gas-, pak- og lavtryksvarianter

Traditionel pakopsætning i fast kulstofforbindelse er nu stort set historisk. Moderne produktion bruger gasopsætning i atmosfæreovne, hvor kulstofpotentialet måles og styres kontinuerligt, eller lavtryksopsætning (vakuumopsætning), hvor kulbrintegasimpulser i en vakuumovn giver meget ensartede indsatser på komplekse tandhjulsgeometrier uden overfladeoxidation — typisk efterfulgt af gashærdning under højt tryk. Den metallurgi, konstruktøren specificerer, er den samme i alle tre; det, der ændrer sig, er ensartethed, renhed, cyklusøkonomi og deformationsadfærden, som tandhjulsfærdiggørelsen skal absorbere.