Karburering og settherding: Det grunnleggende

Ideen

Noen deler trenger to motstridende egenskaper: en overflate som motstår slitasje og kontaktutmatting, og en kjerne som absorberer støt uten å sprekke. Karburering gir begge deler fra ett stykke lavkarbonstål. Delen holdes ved omtrent 880–950 °C i en karbonrik atmosfære; karbon diffunderer inn i overflaten, og en etterfølgende herding herder kun det anrikede laget — settet — mens kjernen med lavt karboninnhold forblir forholdsvis myk og seig.

Settdybde

Settdybde spesifiseres som dybden der hardheten faller til et definert nivå — vanligvis 550 HV i europeisk praksis (CHD, settherdingsdybde). To dybder betyr noe:

• Effektiv settdybde (til 550 HV): vanligvis omtrent 0.3–2.5 mm for tannhjul og aksler, tilpasset kontaktspenningen og modulen til tannhjulet.
• Total settdybde: hele diffusjonssonen, alltid dypere enn den effektive dybden.

Dypere sett krever uforholdsmessig lengre ovnstid, fordi diffusjonsdybden øker med kvadratroten av tiden — å doble dybden tar omtrent fire ganger så lang tid.

Karbonpotensial

Ovnsatmosfæren styres til et karbonpotensial — overflatekarbonnivået atmosfæren vil skape i rent jern ved temperatur. Den kjøres vanligvis noe under eller nær området fra eutektoid til metning, ofte rundt 0.8–1.0% C på overflaten i boost-trinnet. For høyt potensial danner sot, karbidnettverk og overflødig restaustenitt; for lavt gir et grunt, mykt sett. Produksjonssykluser bruker ofte et boost–diffuse-mønster: høyt potensial for å drive karbon raskt inn, deretter et trinn med lavere potensial for å fastsette det endelige overflatekarbonet og gradienten.

Kjerne kontra sett etter herding

Etter karburering herdes delen (direkte, eller etter en ny oppvarming for kornraffinering) og anløpes ved lav temperatur, omtrent 150–200 °C. Settet med høyt karboninnhold omdannes til hard martensitt, vanligvis rundt 58–62 HRC på overflaten. Kjernen — fortsatt bare omtrent 0.15–0.25% karbon — herdes bare så langt herdbarheten tillater, forblir mye mykere og gir seigheten delen er konstruert rundt.

Stål utviklet for karburering

Settherdingsstål har lavt karboninnhold etter design, legert for kjernestyrke og herdbarhet:

• 8620 (AISI): det allsidige nordamerikanske tannhjulstålet, med Ni-Cr-Mo-kjerne.
• 20CrMnTi (GB): det standard kinesiske tannhjulstålet; titan binder kornet under lange karbureringssykluser.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): den europeiske arbeidshesten for små og mellomstore tannhjul.
• Varianter for høyere belastning tilsetter nikkel (f.eks. 18CrNiMo7-6) der kjernestyrke i store tverrsnitt er avgjørende.

Å spesifisere en karburert del betyr å spesifisere settdybde, overflatehardhet og kjernehardhet sammen — hver for seg alene er et ufullstendig krav.

Varianter med gass, pakke og lavt trykk

Tradisjonell pakkekarburering i fast karbonforbindelse er nå i stor grad historisk. Moderne produksjon bruker gasskarburering i atmosfæreovner, der karbonpotensialet måles og styres kontinuerlig, eller lavtrykks- (vakuum-) karburering, der hydrokarbongasspulser i en vakuumovn gir svært jevne sett på komplekse tannhjulgeometrier uten overflateoksidasjon — vanligvis etterfulgt av høytrykksgassherding. Metallurgien konstruktøren spesifiserer, er den samme i alle tre; det som endres, er jevnhet, renhet, syklusøkonomi og deformasjonsoppførselen som ferdigbearbeidingen av tannhjul må absorbere.