Het vermogen om slijtage te weerstaan en weerstand te bieden tegen indeuken zijn twee zeer belangrijke kenmerken van bepaalde soorten metalen. Bij het selecteren van een type metaal is een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden de hardheid, die een maatstaf is voor die eigenschappen. Het buitenste oppervlak van een metaal is misschien wel het meest cruciale onderdeel om de ideale hardheid voor te bepalen. Dit komt doordat dit het oppervlak is dat het meest direct wordt geraakt en geschuurd. Sommige metalen ondergaan een proces dat case hardening wordt genoemd om hun oppervlaktehardheid te veranderen om te garanderen dat de hardheid van een metalen substraat geschikt is.
Wat is case-harding?
Case harden is een warmtebehandelingsproces dat het oppervlak van een metalen substraat verhardt terwijl een zachtere kern behouden blijft. Hierdoor kunnen de beste eigenschappen van zacht en hard metaal in één onderdeel worden gecombineerd.
Vergeleken met een harde substantie is een zacht materiaal veel beter bestand tegen impactdrukken. Bovendien is het sterker, taaier en taaier, maar de slijtvastheid is onvoldoende. Om ervoor te zorgen dat het materiaal niet door slijtage of wrijving verslijt, is een goede slijtvastheid essentieel. Door alleen de buitenkant te verharden, kunnen we materiaalslijtage sterk minimaliseren zonder andere kwaliteiten op te offeren.
Een dun, gehard oppervlak kan op verschillende manieren worden verkregen, onder meer door extra componenten aan het oppervlak toe te voegen of door de kristalstructuur te veranderen. Maar voor het harden van de behuizing zijn bijna altijd hoge temperaturen nodig, ongeacht de methode.
Waarom Case Harden?
Er zijn verschillende redenen om een materiaal te harden in plaats van te proberen een volledig metalen voorwerp te harden. Eén reden is efficiëntie. Er is minder energie en minder tijd nodig om het buitenste oppervlak van een metaal te verwarmen, in tegenstelling tot de gehele dwarsdoorsnede. Deze efficiëntieverbeteringen kunnen resulteren in enorme kostenbesparingen bij grootschalige productieactiviteiten. Een andere reden waarom case hardening op grote schaal wordt gebruikt, is vanwege de prestaties. Het kan voordelig zijn om een metaal te hebben met een harde buitenschaal en een meer ductiel interieur. Een voorbeeld hiervan is wanneer een metaal nodig is om weerstand te bieden tegen slijtage, maar nog steeds een impact moet kunnen absorberen zonder een volledige brosse breuk te veroorzaken.
Tsoorten hardingsmethoden
Het case hardening-principe is vrij eenvoudig. We willen dat het oppervlak een harde structuur vormt die bekend staat als martensiet. Maar deze structuur ontstaat alleen wanneer stalen componenten bij hoge temperaturen worden afgeschrikt en op voorwaarde dat het koolstofgehalte van de staallegering hoog genoeg is.
Als het koolstofgehalte voldoende is, hoeven we het onderdeel alleen maar te verwarmen en te blussen. Maar als het koolstofgehalte laag is of als we extreme hardheid nodig hebben, moeten elementen zoals koolstof en stikstof aan het oppervlak van het materiaal worden toegevoegd. Laten we nu kijken naar de verschillende processen die worden gebruikt om case hardening te bereiken op basis van de bovengenoemde principes.
Verwarmen en afschrikken
Traditioneel worden verhitting en afschrikken gebruikt om het harden van een reeks metalen uit te voeren. Eén methode om metaal te harden is door een directe zuurstofgasvlam op het stalen onderdeel aan te brengen. Het gebruik van inductieve verwarming komt af en toe voor. In beide scenario's neemt de oppervlaktetemperatuur van het stalen onderdeel snel toe. Als gevolg hiervan vervangt de austenietkristalstructuur de perlietkristalstructuur.
Zodra een ingestelde temperatuur is bereikt, wordt het onderdeel snel afgekoeld, vaak door het in water onder te dompelen. Hierdoor verandert de kristalstructuur opnieuw, dit keer van austeniet naar martensiet, wat een bijzonder harde structuur is.
Omdat alleen het oppervlak de verandering in de kristalstructuur ondergaat, hardt het onderdeel alleen aan het oppervlak uit. Maar om het onderdeel van deze methode te laten profiteren, moet er voldoende koolstof in het originele materiaal zitten. In het geval van een laag koolstofgehalte (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
Opkolen
Als de koolstofniveaus lager zijn dan 0,3%, moeten we meer koolstof aan het onderdeel toevoegen voordat we het onderwerpen aan verhitting en afschrikken. Een onderdeel door het carburatieproces laten gaan is één manier om dat te doen.
Bij het carboneren wordt het stalen onderdeel gedurende een vooraf bepaalde tijdsduur verwarmd terwijl er een externe koolstofbron aanwezig is. De koolstof uit de koolstofhoudende substantie diffundeert bij hoge temperaturen in het metaal. Meer warmte en langere verwarmingstijden zorgen ervoor dat koolstof dieper in het metaaloppervlak wordt geabsorbeerd.
Zodra het carboneren het koolstofgehalte van de stalen oppervlaktelaag verhoogt, laten we deze door middel van vlamharden of inductieharden om de hardheid te vergroten.
Nitreren
Voor een staallegering die elementen als aluminium, chroom en molybdeen bevat, kunnen we voor het harden gebruik maken van nitreren.
Het onderdeel wordt verwarmd in aanwezigheid van stikstofgas en gedissocieerde ammoniak om nitriden te vormen. De nitriden verhogen ook de hardheid van het materiaal.
Omdat het artikel wordt verwarmd tot 620 graden (1150 graden F), vindt nitreren meestal plaats bij lagere temperaturen. De diffusie en de daaruit voortvloeiende hardheid zullen dieper zijn naarmate het langer op deze temperatuur wordt gehouden.
Welke soorten metalen kunnen worden gehard?
Metalen die kunnen worden gehard, zijn over het algemeen beperkt tot ferromaterialen, hoewel er speciale gevallen zijn, zoals het nitreren van sommige titanium- of aluminiumlegeringen. De ferrometalen die gewoonlijk worden gehard, zijn:
Laag koolstofstaal
Hoog koolstofstaal
Gietijzer
Laaggelegeerd staal met hoge sterkte
Gereedschapsstaal
Roestvrij staal
Enkele veel voorkomende componenten die gehard zijn, zijn onder meer:
Versnellingen
Bevestigingsmiddelen
Nokkenassen
Staven
Pinnen
