Uppkolning och sätthärdning: Grunderna

Idén

Vissa delar behöver två motstridiga egenskaper: en yta som motstår slitage och kontaktutmattning, och en kärna som absorberar stötar utan att spricka. Uppkolning ger båda från ett enda stycke lågkolstål. Delen hålls vid ungefär 880–950 °C i en kolrik atmosfär; kol diffunderar in i ytan, och en efterföljande härdning härdar endast det anrikade skiktet — sätthärdningsskiktet — medan kärnan med låg kolhalt förblir jämförelsevis mjuk och seg.

Sätthärdningsdjup

Sätthärdningsdjupet specificeras som det djup vid vilket hårdheten faller till en definierad nivå — vanligtvis 550 HV i europeisk praxis (CHD, case hardening depth). Två djup är viktiga:

• Effektivt sätthärdningsdjup (till 550 HV): vanligtvis cirka 0.3–2.5 mm för kugghjul och axlar, anpassat till kontaktspänningen och kugghjulets modul.
• Totalt sätthärdningsdjup: hela diffusionszonen, alltid djupare än det effektiva djupet.

Djupare skikt kräver oproportionerligt längre ugnstid, eftersom diffusionsdjupet växer med kvadratroten ur tiden — att fördubbla djupet tar ungefär fyra gånger så lång tid.

Kolpotential

Ugnsatmosfären styrs till en kolpotential — den kolhalt i ytan som atmosfären kommer att ge i rent järn vid temperaturen. Den körs vanligtvis något under eller nära området från eutektoid till mättnad, ofta runt 0.8–1.0% C vid ytan i boost-steget. För hög potential bildar sot, karbidnätverk och överskott av restaustenit; för låg ger ett grunt, mjukt skikt. Produktionscykler använder ofta ett boost–diffuse-mönster: hög potential för att snabbt driva in kol, sedan ett steg med lägre potential för att ställa in den slutliga ytkolhalten och gradienten.

Kärna jämfört med ytskikt efter härdning

Efter uppkolning härdas delen (direkt, eller efter en återuppvärmning för kornförfining) och anlöps vid låg temperatur, ungefär 150–200 °C. Ytskiktet med hög kolhalt omvandlas till hård martensit, vanligtvis runt 58–62 HRC vid ytan. Kärnan — fortfarande endast cirka 0.15–0.25% kol — härdas endast så långt dess härdbarhet tillåter, förblir mycket mjukare och ger den seghet som delen är konstruerad kring.

Stål konstruerade för uppkolning

Sätthärdningsstål har låg kolhalt enligt konstruktionen, legerade för kärnhållfasthet och härdbarhet:

• 8620 (AISI): det allmänna nordamerikanska kugghjulsstålet, Ni-Cr-Mo-kärna.
• 20CrMnTi (GB): det kinesiska standardkugghjulsstålet; titan binder kornet under långa uppkolningscykler.
• 16MnCr5 (EN 1.7131): den europeiska arbetshästen för små och medelstora kugghjul.
• Varianter för högre belastning lägger till nickel (t.ex. 18CrNiMo7-6) där kärnhållfasthet i stora tvärsnitt är avgörande.

Att specificera en uppkolad del innebär att specificera sätthärdningsdjup, ythårdhet och kärnhårdhet tillsammans — något av dem ensamt är ett ofullständigt krav.

Gas-, pack- och lågtrycksvarianter

Traditionell packuppkolning i fast kolförening är nu till stor del historisk. Modern produktion använder gasuppkolning i atmosfärugnar, där kolpotentialen mäts och styrs kontinuerligt, eller lågtrycksuppkolning (vakuumuppkolning), där kolvätegas pulserar i en vakuumugn och ger mycket jämna skikt på komplexa kugghjulsgeometrier utan ytoxidation — vanligtvis följt av högtrycksgashärdning. Den metallurgi som konstruktören specificerar är densamma i alla tre; det som förändras är jämnhet, renhet, cykelns ekonomi och formförändringsbeteendet som kugghjulsbearbetningen måste hantera.