Ενανθράκωση και Επιφανειακή Σκλήρυνση: Τα Βασικά

Η ιδέα

Ορισμένα εξαρτήματα χρειάζονται δύο αντιφατικές ιδιότητες: μια επιφάνεια που αντιστέκεται στη φθορά και στην κόπωση επαφής, και έναν πυρήνα που απορροφά κρούσεις χωρίς ρωγμάτωση. Η ενανθράκωση προσφέρει και τα δύο από ένα κομμάτι χάλυβα χαμηλού άνθρακα. Το εξάρτημα διατηρείται σε περίπου 880–950 °C σε ατμόσφαιρα πλούσια σε άνθρακα· ο άνθρακας διαχέεται στην επιφάνεια, και μια επακόλουθη βαφή σκληραίνει μόνο αυτό το εμπλουτισμένο στρώμα — τη στιβάδα — ενώ ο πυρήνας χαμηλού άνθρακα παραμένει συγκριτικά μαλακός και δύσθραυστος.

Βάθος στιβάδας

Το βάθος στιβάδας ορίζεται ως το βάθος στο οποίο η σκληρότητα πέφτει σε ένα καθορισμένο επίπεδο — συνήθως 550 HV στην ευρωπαϊκή πρακτική (CHD, βάθος επιφανειακής σκλήρυνσης). Δύο βάθη έχουν σημασία:

• Ενεργό βάθος στιβάδας (έως 550 HV): συνήθως περίπου 0.3–2.5 mm για γρανάζια και άξονες, προσαρμοσμένο στην τάση επαφής και το module του γραναζιού.
• Συνολικό βάθος στιβάδας: η πλήρης ζώνη διάχυσης, πάντα βαθύτερη από το ενεργό βάθος.

Οι βαθύτερες στιβάδες χρειάζονται δυσανάλογα μεγαλύτερο χρόνο κλιβάνου, επειδή το βάθος διάχυσης αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα του χρόνου — ο διπλασιασμός του βάθους διαρκεί περίπου τέσσερις φορές περισσότερο.

Δυναμικό άνθρακα

Η ατμόσφαιρα του κλιβάνου ελέγχεται σε ένα δυναμικό άνθρακα — το επίπεδο άνθρακα στην επιφάνεια που θα παράγει η ατμόσφαιρα σε καθαρό σίδηρο σε θερμοκρασία. Συνήθως λειτουργεί κάπως κάτω ή κοντά στην περιοχή ευτηκτοειδούς έως κορεσμού, συχνά γύρω στο 0.8–1.0% C στην επιφάνεια στο στάδιο ενίσχυσης. Πολύ υψηλό δυναμικό σχηματίζει αιθάλη, δίκτυα καρβιδίων και περίσσεια παραμένοντος ωστενίτη· πολύ χαμηλό δίνει μια ρηχή, μαλακή στιβάδα. Οι κύκλοι παραγωγής συχνά χρησιμοποιούν ένα μοτίβο ενίσχυσης–διάχυσης: υψηλό δυναμικό για γρήγορη εισαγωγή άνθρακα, στη συνέχεια ένα στάδιο χαμηλότερου δυναμικού για τον καθορισμό του τελικού άνθρακα επιφάνειας και της βαθμίδας.

Πυρήνας έναντι στιβάδας μετά τη βαφή

Μετά την ενανθράκωση, το εξάρτημα βάφεται (απευθείας, ή μετά από επαναθέρμανση για εξευγενισμό κόκκου) και επαναφέρεται σε χαμηλή θερμοκρασία, περίπου 150–200 °C. Η στιβάδα υψηλού άνθρακα μετασχηματίζεται σε σκληρό μαρτενσίτη, συνήθως γύρω στα 58–62 HRC στην επιφάνεια. Ο πυρήνας — ακόμη μόνο περίπου 0.15–0.25% άνθρακας — σκληραίνει μόνο όσο επιτρέπει η βαφητότητά του, παραμένοντας πολύ μαλακότερος και παρέχοντας τη δυσθραυστότητα γύρω από την οποία σχεδιάζεται το εξάρτημα.

Χάλυβες σχεδιασμένοι για ενανθράκωση

Οι χάλυβες επιφανειακής σκλήρυνσης είναι χαμηλού άνθρακα εξ σχεδιασμού, κραματωμένοι για αντοχή πυρήνα και βαφητότητα:

• 8620 (AISI): ο χάλυβας γραναζιών γενικής χρήσης της Βόρειας Αμερικής, πυρήνας Ni-Cr-Mo.
• 20CrMnTi (GB): ο τυπικός κινεζικός χάλυβας γραναζιών· το τιτάνιο συγκρατεί τον κόκκο κατά τη διάρκεια μακρών κύκλων ενανθράκωσης.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): ο ευρωπαϊκός χάλυβας εργασίας για μικρά και μεσαία γρανάζια.
• Οι παραλλαγές υψηλότερης καταπόνησης προσθέτουν νικέλιο (π.χ. 18CrNiMo7-6) όπου η αντοχή πυρήνα σε μεγάλες διατομές είναι κρίσιμη.

Ο καθορισμός ενός ενανθρακωμένου εξαρτήματος σημαίνει καθορισμό βάθους στιβάδας, σκληρότητας επιφάνειας και σκληρότητας πυρήνα μαζί — οποιοδήποτε μόνο του είναι μια ελλιπής απαίτηση.

Παραλλαγές αερίου, σκόνης και χαμηλής πίεσης

Η παραδοσιακή ενανθράκωση σε σκόνη σε στερεή ένωση άνθρακα είναι πλέον σε μεγάλο βαθμό ιστορική. Η σύγχρονη παραγωγή χρησιμοποιεί ενανθράκωση αερίου σε κλιβάνους ατμόσφαιρας, όπου το δυναμικό άνθρακα μετράται και ελέγχεται συνεχώς, ή ενανθράκωση χαμηλής πίεσης (κενού), όπου παλμοί αερίου υδρογονανθράκων σε κλίβανο κενού δίνουν πολύ ομοιόμορφες στιβάδες σε σύνθετες γεωμετρίες γραναζιών χωρίς οξείδωση επιφάνειας — συνήθως ακολουθούμενη από βαφή αερίου υψηλής πίεσης. Η μεταλλουργία που καθορίζει ο σχεδιαστής είναι η ίδια και στις τρεις· αυτό που αλλάζει είναι η ομοιομορφία, η καθαριότητα, η οικονομία του κύκλου και η συμπεριφορά παραμόρφωσης που πρέπει να απορροφήσει το φινίρισμα του γραναζιού.