Blog Ko Buijs: Koolstofstaal slijtvaster maken

Het is algemeen bekend dat koolstofstaal gehard kan worden dankzij een speciale warmtebehandeling. In de praktijk komt dat neer op het verhitten van het staal tot in het austeniet gebied (circa 800⁰C) gevolgd door afschrikken. Op die hoge temperatuur lost het aanwezige koolstof op in het austeniet. Schrikt men dit werkstuk daarna af, dan blijft het koolstof gevangen in het austeniet want er is geen tijd voor de koolstofatomen om zich te verplaatsen. De structuur wordt dan martensitisch waardoor het component door en door hard wordt. Na het ontlaten op een bepaalde temperatuur, kan het dan gebruikt worden voor het doel waarvoor het is gemaakt.

Door Ko Buijs - Innomet Consultancy BV

Er is uiteraard nog veel meer over te zeggen over dit onderwerp, maar met dit blog willen we vooral stilstaan bij speciale oppervlaktetechnieken die stalen componenten een slijtvaste laag geven. Als alleen het oppervlak hard en slijtvast wordt, dan betekent dat tevens dat er een taaie kern over blijft. Gehard staal kan door een te hoge mechanische impact spontaan tot breuk leiden. Maar zodra de kern taai blijft, is dat risico feitelijk geëlimineerd. Twee bekende oppervlaktetechnieken zijn carboneren en nitreren. Ook een combinatie van beiden is mogelijk.
 

Carboneren

Tijdens het carboneerproces, wordt er door het staal koolstof opgenomen bij hoge temperaturen dankzij diffusie. Een andere naam voor dit thermochemische proces is cementeren of opkolen. De staalsoorten, die ermee behandeld worden, zijn veelal laag gelegeerd en bezitten meestal een relatief laag koolstofgehalte. De diepte van de koolstofopname is afhankelijk van de tijdsduur en temperatuur waar het component aan het koolstof wordt blootgesteld. Veelal is deze diepte tussen 2 en 4 mm. De temperatuur van het carboneerproces varieert meestal tussen de 850 en 1000⁰C. Dit proces vindt veelal plaats in ovens en ook wel in doorloopovens alsmede in zoutbaden.

 

Na de opname van koolstof, wordt het component kortstondig afgeschrikt in olie of in een waterige oplossing. Hierdoor wordt de periferie zeer hard maar de kern blijft taai. Daarna wordt het component ontlaten en met deze warmtebehandeling worden de aanwezige piekspanningen verlaagd. Dat is van belang om scheurvorming te voorkomen. Zo ontstaat er een verrijkte koolstoflaag in het oppervlak. Het koolstofpercentage hiervan ligt tussen 0,7 en 0,9% terwijl het startmateriaal slechts circa 0,2% koolstof bevat. De toepassingen zijn legio en daarbij kan gedacht worden aan componenten voor huishoudelijk gebruik, werktuigbouw en zelfs voor de luchtvaartsector. Een van de bekendste toepassingen zijn tandwielen die aan het oppervlak slijtvast moeten worden maar van binnen taai moeten blijven.




Tandwielen worden extra op slijtage belast (foto Köbo Nederland)

Nitreren

Ook met nitreren kan een hoge slijtvastheid van het staal bereikt worden. Het element dat daarvoor gebruikt wordt is stikstof. Vooral componenten die een extra zware belasting te verduren krijgen, kunnen hiermee behandeld worden. De hoge oppervlaktehardheid zorgt niet alleen voor een uitstekende slijtvastheid maar ook de neiging tot vreten wordt feitelijk geëlimineerd. Dankzij het stikstof ontstaan er harde naaldjes in het oppervlak die bestaan uit ijzernitriden. Dat bewerkt een inwendige drukspanning en het gevolg daarvan is een aanzienlijk verbeterde vermoeiingssterkte en slijtvastheid. Meestal vindt dit proces plaats met het zogenaamde gasnitreren. Dit nitreerproces speelt zich af bij een lagere temperatuur dan bij carboneren. Veelal is dat net boven de 500⁰C, wat inhoudt dat het product veel minder thermisch wordt belast. Dat leidt dan ook weer tot minder vervorming en oxidatie. Toepassingen zijn het slijtvaster maken van matrijzen, kruk- en nokkenassen, kleppen en gereedschappen.

Genitreerde krukas (foto AvtokTachi)

De effectiviteit van het nitreren wordt verder verhoogd als er elementen in het staal aanwezig zijn, die met stikstof ook nitriden vormen. Voorbeelden zijn de elementen vanadium, chroom en molybdeen. Dat geeft extra voordelen voor hoogwaardige gereedschapsstalen.

 

Carbonitreren

Carbonitreren is qua thermochemische behandeling te vergelijken met carboneren. Naast koolstof wordt er ook stikstof toegevoegd. Hiermee bereikt men dat de slijtvastheid, hardheid en vermoeiingsterkte verder wordt verhoogd. Veelal wordt dit proces toegepast op kleinere producten en is het ook goed te automatiseren. Dankzij de toevoeging van stikstof kan de temperatuur wat lager worden aangehouden wat de vormvastheid ten goede komt. Toepassingen vindt men in de behandeling van lagers, tandwielen, zuigers alsmede hydraulische systemen. Dank is o.a. verschuldigd aan Prof. Ir. Albert de Sy en Prof. Dr. Julien Vidts voor informatie voortkomend uit hun literatuur.