Hardenen

Hærdning (overfladehærdning) – Styrkelse af overfladens holdbarhed i CNC-bearbejdning

Overfladehærdning er baseret på princippet om at ændre metaloverfladens mikrostruktur ved hjælp af varmebehandling. Det sker ved at diffundere elementer som kulstof eller nitrogen ind i metallets ydre lag, efterfulgt af kontrolleret afkøling (quenching) for at fastsætte hårdheden. Kernen forbliver upåvirket og bevarer sine oprindelige mekaniske egenskaber, såsom sejhed og fleksibilitet.

Ved høje temperaturer trænger kulstof- eller kvælstofatomer ind i metallets ydre lag. Ved hurtig afkøling fører det ofte til dannelse af martensit, en hård og skør fase. Denne diffusion kan opnås ved forskellige metoder, f.eks. karbonisering, nitrering og karbonitrering, afhængigt af anvendelse og materiale. Ved karbonisering udsættes metallet f.eks. for et kulstofrigt miljø ved høje temperaturer efterfulgt af afkøling, som indfanger kulstoffet i overfladens mikrostruktur, hvilket resulterer i et hærdet ydre lag.

Temperaturen for overfladehærdning varierer normalt mellem 850 °C og 950 °C, afhængigt af ståltypen og de ønskede egenskaber. Afkølingsmedier som olie, vand eller gas vælges ud fra den ønskede afkølingshastighed; hurtigere afkøling giver normalt højere hårdhed.

Typer og varianter af overfladehærdning

Der findes forskellige typer overfladehærdning, som hver især har specifikke fordele afhængigt af de ønskede egenskaber ved det endelige produkt:

• Karbonisering: Denne proces involverer opvarmning af emnet i en kulstofrig atmosfære, hvilket får kulstofatomer til at diffundere ind i overfladen. Den bruges i vid udstrækning til dele af stål med lavt kulstofindhold og skaber et hærdet ydre lag, mens kernen forbliver duktil.
• Nitrering: I denne proces diffunderer nitrogen ind i overfladen ved lavere temperaturer end ved karbonisering, typisk mellem 500 °C og 550 °C. Nitrering giver et meget hårdt og slidstærkt ydre lag uden behov for slukning, hvilket gør det velegnet til dele, der skal kunne modstå høje overfladebelastninger uden at blive deformeret.
• Karbonitrering: En hybridproces, hvor både kulstof og kvælstof spredes ved et lidt lavere temperaturområde (omkring 820 °C til 900 °C). Karbonitrering bruges til at hærde materialer med et tyndere hærdet lag og øger slidstyrken på f.eks. fastgørelseselementer, tandhjul og små bildele.
• Induktionshærdning: Denne lokaliserede overfladehærdning bruger elektromagnetisk induktion til at opvarme metaloverfladen efterfulgt af afkøling. Det er velegnet til store dele eller specifikke områder, som f.eks. tandhjul eller lejeskiver.

Hver af disse processer giver unikke fordele med hensyn til hærdningsdybde, overfladefinish og anvendelsesmuligheder.

Materialets egnethed og forberedelse

Overfladehærdning anvendes oftest på stål med lavt kulstofindhold. Efter diffusion af kulstof eller kvælstof dannes et hårdt ydre lag, mens kernen forbliver blød. Stål med mellemhøjt og højt kulstofindhold kan også behandles, men effekten er svagere på grund af det højere oprindelige kulstofindhold.

Korrekt forberedelse er afgørende for en vellykket hærdningsproces. Delene skal rengøres grundigt for at fjerne eventuelle overfladeforureninger, der kan forstyrre kulstof- eller kvælstofdiffusionen. I nogle tilfælde er forvarmning nødvendig for at sikre ensartethed i det hærdede lag.

Materialer som aluminium og de fleste ikke-jernholdige metaller er uegnede til traditionelle overfladehærdningsprocesser, fordi de ikke indeholder det nødvendige kulstof eller ikke gennemgår de nødvendige faseomdannelser. Legeringer som titanium kan dog undergå alternativ overfladehærdning, som f.eks. nitrering.

Forbedringer af ydeevne og fordele

Den største fordel ved overfladehærdning er den betydelige forøgelse af overfladehårdheden, der fører til forbedret slidstyrke. Processen kan øge hårdheden af stålkomponenter til helt op til 60 HRC (Rockwells hårdhedsskala). Det gør overfladehærdede komponenter usædvanligt holdbare under slibende forhold og forlænger deres levetid i barske arbejdsmiljøer.

Udover hårdhed forbedrer overfladehærdning også udmattelsesmodstanden, da den hårde indre kerne absorberer stød og forhindrer revner i at sprede sig gennem materialet. Det er især en fordel for komponenter som tandhjul og aksler, der udsættes for cykliske belastninger og høj rotationsstress.

Anvendelser og relevans efter branche

Overfladehærdning er afgørende i industrier, hvor komponenterne skal kunne tåle barske forhold. I bilindustrien sikrer overfladehærdede tandhjul, knastaksler og krumtapaksler langvarig ydeevne under konstant slid og stress. I luft- og rumfart nyder komponenter som lejer og landingsstel godt af øget overfladehårdhed og holdbarhed, hvilket er afgørende for sikkerhed og pålidelighed. Hærdede dele, som f.eks. tungt værktøj og køretøjsdele, bruges også i vid udstrækning inden for byggeri og forsvar på grund af deres høje overfladebestandighed og sejhed.

Tilpasning og procesoptimering

Vi tilbyder omfattende tilpasningsmuligheder inden for vores overfladehærdningsprocesser. Vi tilpasser temperaturprofiler, ventetider og slukningsmedier, så de opfylder de specifikke krav i hvert enkelt projekt. Vores præcise kontrol af kulstof- og kvælstofdiffusion gør det muligt for os at skræddersy dybden og hårdheden af det hærdede lag til kundens behov. Uanset om du har brug for et tyndt, hårdt lag til små, hurtige komponenter eller et dybt hærdet lag til tunge komponenter, kan vi skræddersy processen.