Carboneren en oppervlakteharden: de basis

Het idee

Sommige onderdelen hebben twee tegenstrijdige eigenschappen nodig: een oppervlak dat bestand is tegen slijtage en contactvermoeiing, en een kern die schokken absorbeert zonder te scheuren. Carboneren levert beide uit één stuk laagkoolstofstaal. Het onderdeel wordt op ongeveer 880–950 °C gehouden in een koolstofrijke atmosfeer; koolstof diffundeert in het oppervlak, en een daaropvolgende afschrikking hardt alleen die verrijkte laag — de randzone — terwijl de laagkoolstof-kern betrekkelijk zacht en taai blijft.

Randzonediepte

De randzonediepte wordt gespecificeerd als de diepte waarop de hardheid tot een gedefinieerd niveau daalt — in de Europese praktijk doorgaans 550 HV (CHD, case hardening depth). Twee diepten zijn van belang:

• Effectieve randzonediepte (tot 550 HV): doorgaans ongeveer 0.3–2.5 mm voor tandwielen en assen, afgestemd op de contactspanning en de module van het tandwiel.
• Totale randzonediepte: de volledige diffusiezone, altijd dieper dan de effectieve diepte.

Diepere randzones vereisen onevenredig langere oventijd, omdat de diffusiediepte groeit met de vierkantswortel van de tijd — verdubbeling van de diepte duurt ongeveer vier keer zo lang.

Koolstofpotentieel

De ovenatmosfeer wordt geregeld op een koolstofpotentieel — het koolstofgehalte aan het oppervlak dat de atmosfeer bij temperatuur in zuiver ijzer zal produceren. Het wordt doorgaans iets onder of nabij het eutectoïde-tot-verzadigingsgebied gehouden, in de boostfase vaak rond 0.8–1.0% C aan het oppervlak. Een te hoog potentieel vormt roet, carbidenetwerken en overmatig restausteniet; een te laag potentieel geeft een ondiepe, zachte randzone. Productiecycli gebruiken vaak een boost–diffuse-patroon: hoog potentieel om koolstof snel naar binnen te drijven, daarna een fase met lager potentieel om het uiteindelijke oppervlaktekoolstofgehalte en de gradiënt in te stellen.

Kern versus randzone na afschrikken

Na het carboneren wordt het onderdeel afgeschrikt (direct, of na opnieuw verhitten voor korrelverfijning) en bij lage temperatuur ontlaten, ongeveer 150–200 °C. De hoogkoolstofrandzone transformeert naar hard martensiet, doorgaans rond 58–62 HRC aan het oppervlak. De kern — nog steeds slechts ongeveer 0.15–0.25% koolstof — hardt alleen zover als haar hardbaarheid toelaat, blijft veel zachter en levert de taaiheid waar het onderdeel omheen is ontworpen.

Staalsoorten ontworpen voor carboneren

Oppervlaktehardingsstaalsoorten zijn van ontwerp laag in koolstof, gelegeerd voor kernsterkte en hardbaarheid:

• 8620 (AISI): het universeel inzetbare Noord-Amerikaanse tandwielstaal, Ni-Cr-Mo-kern.
• 20CrMnTi (GB): het standaard Chinese tandwielstaal; titaan fixeert de korrel tijdens lange carboneercycli.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): het Europese werkpaard voor kleine en middelgrote tandwielen.
• Varianten voor zwaardere belasting voegen nikkel toe (bijv. 18CrNiMo7-6) waar kernsterkte in grote doorsneden kritisch is.

Een gecarboneerd onderdeel specificeren betekent randzonediepte, oppervlaktehardheid en kernhardheid samen specificeren — elk afzonderlijk is een onvolledige eis.

Gas-, pak- en lagedrukvarianten

Traditioneel pakcarboneren in vaste koolstofverbinding is nu grotendeels historisch. Moderne productie gebruikt gascarboneren in atmosfeerovens, waar het koolstofpotentieel continu wordt gemeten en geregeld, of lagedrukcarboneren (vacuümcarboneren), waar koolwaterstofgaspulsen in een vacuümoven zeer uniforme randzones geven op complexe tandwielgeometrieën zonder oppervlakteoxidatie — doorgaans gevolgd door afschrikken met gas onder hoge druk. De metallurgie die de ontwerper specificeert is in alle drie dezelfde; wat verandert is uniformiteit, reinheid, cycluseconomie en het vervormingsgedrag dat de tandwielafwerking moet opvangen.