Hiiletys ja pintakarkaisu: perusteet

Ajatus

Jotkin osat tarvitsevat kaksi ristiriitaista ominaisuutta: pinnan, joka kestää kulumista ja kosketusväsymistä, ja ytimen, joka absorboi iskua halkeilematta. Hiiletys tuottaa molemmat yhdestä niukkahiilisen teräksen kappaleesta. Osa pidetään noin 880–950 °C hiilirikkaassa atmosfäärissä; hiili diffusoituu pintaan, ja seuraava sammutus kovettaa vain tämän rikastetun kerroksen — kuoren — kun taas niukkahiilinen ydin pysyy verraten pehmeänä ja sitkeänä.

Kuoren syvyys

Kuoren syvyys spesifioidaan syvyytenä, jossa kovuus laskee määriteltyyn tasoon — yleisesti 550 HV eurooppalaisessa käytännössä (CHD, hiiletyssyvyys). Kaksi syvyyttä merkitsevät:

• Tehollinen kuoren syvyys (550 HV): tyypillisesti noin 0.3–2.5 mm hammaspyörille ja akseleille, sovitettuna hammaspyörän kosketusjännitykseen ja moduuliin.
• Kokonaissyvyys: täysi diffuusiovyöhyke, aina tehollista syvyyttä syvempi.

Syvempi kuori tarvitsee suhteettoman pidempää uuniaikaa, koska diffuusiosyvyys kasvaa ajan neliöjuuren mukana — syvyyden kaksinkertaistamiseen kuluu karkeasti nelinkertainen aika.

Hiilipotentiaali

Uunin atmosfääri valvotaan hiilipotentiaaliin — pintahiilitasoon, jonka atmosfääri tuottaa puhtaassa raudassa lämpötilassa. Sitä ajetaan tyypillisesti hieman eutektoidin ja kylläisyyden alueen alapuolella tai lähellä, usein noin 0.8–1.0% C pinnalla tehostusvaiheessa. Liian korkea potentiaali muodostaa nokea, karbidiverkkoja ja liiallista jäännösausteniittia; liian matala antaa matalan, pehmeän kuoren. Tuotantosyklit käyttävät usein tehostus–diffuusio -kuviota: korkea potentiaali hiilen ajamiseksi sisään nopeasti, sitten alemman potentiaalin vaihe lopullisen pintahiilen ja gradientin asettamiseksi.

Ydin vastaan kuori sammutuksen jälkeen

Hiiletyksen jälkeen osa sammutetaan (suoraan tai uudelleenlämmityksen jälkeen raehienonnusta varten) ja päästetään matalaan lämpötilaan, karkeasti 150–200 °C. Korkeahiilinen kuori muuttuu kovaksi martensiitiksi, tyypillisesti noin 58–62 HRC pinnalla. Ydin — yhä vain noin 0.15–0.25% hiiltä — karkenee vain niin pitkälle kuin sen karkenevuus sallii, pysyen paljon pehmeämpänä ja tarjoten sitkeyden, jonka ympärille osa on suunniteltu.

Hiiletykselle suunnitellut teräkset

Pintakarkaisuteräkset ovat suunnittelultaan niukkahiilisiä, seostettuja ytimen lujuutta ja karkenevuutta varten:

• 8620 (AISI): yleiskäyttöinen Pohjois-Amerikan hammaspyöräteräs, Ni-Cr-Mo-ydin.
• 20CrMnTi (GB): vakiokiinalainen hammaspyöräteräs; titaani sitoo rakeen pitkien hiiletyssyklien aikana.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): eurooppalainen työjuhta pienille ja keskisuurille hammaspyörille.
• Korkeamman käytön muunnokset lisäävät nikkeliä (esim. 18CrNiMo7-6) siellä, missä ytimen lujuus suurissa poikkileikkauksissa on kriittinen.

Hiiletetyn osan spesifiointi tarkoittaa kuoren syvyyden, pinnan kovuuden ja ytimen kovuuden spesifiointia yhdessä — mikä tahansa yksinään on epätäydellinen vaatimus.

Kaasu-, pakkaus- ja matalapaineismuunnokset

Perinteinen pakkahiiletys kiinteässä hiiliyhdisteessä on nykyään suurelta osin historiaa. Moderni tuotanto käyttää kaasuhiiletystä atmosfääriuuneissa, joissa hiilipotentiaali mitataan ja valvotaan jatkuvasti, tai matalapaineista (tyhjiö)hiiletystä, jossa hiilivetypulssit tyhjiöuunissa antavat erittäin tasaiset kuoret monimutkaisille hammaspyörägeometrioille ilman pinnan hapettumista — tyypillisesti korkeapainekaasusammutuksen seuraamana. Metallurgia, jonka suunnittelija spesifioi, on sama kaikissa kolmessa; muuttuvaa on tasaisuus, puhtaus, syklien talous ja vääntymäkäyttäytyminen, jonka hammaspyörän viimeistelyn täytyy absorboida.