Hardenen

Hardenen (Oppervlakteharding) – Versterking van de Oppervlakteduurzaamheid in CNC-bewerking

Oppervlakteharding is gebaseerd op het principe van het veranderen van de microstructuur van het metaaloppervlak door warmtebehandeling. Dit gebeurt door elementen zoals koolstof of stikstof in de buitenste laag van het metaal te diffunderen, gevolgd door gecontroleerde koeling (afschrikken) om de hardheid te fixeren. De kern blijft onaangetast, waardoor het zijn oorspronkelijke mechanische eigenschappen, zoals taaiheid en flexibiliteit, behoudt.

Bij hoge temperaturen dringen koolstof- of stikstofatomen de buitenlaag van het metaal binnen. Dit leidt bij snelle afkoeling vaak tot de vorming van martensiet, een harde en brosse fase. Deze diffusie kan worden bereikt met verschillende methoden, zoals carboneren, nitreren en carbonitreren, afhankelijk van de toepassing en het materiaal. Bij carboneren bijvoorbeeld, wordt het metaal blootgesteld aan een koolstofrijke omgeving bij hoge temperaturen, gevolgd door afschrikken, waardoor de koolstof wordt opgesloten in de oppervlakte-microstructuur, wat resulteert in een geharde buitenlaag.

De temperatuur voor oppervlakteharding varieert doorgaans tussen 850°C en 950°C, afhankelijk van het type staal en de gewenste eigenschappen. Afschrikmedia, zoals olie, water of gas, worden gekozen op basis van de gewenste koelsnelheid; een snellere afkoeling levert meestal een hogere hardheid op.

Typen & Varianten van Oppervlakteharding

Er zijn verschillende typen oppervlakteharding, elk met specifieke voordelen afhankelijk van de vereiste eigenschappen van het eindproduct:

• Carboneren: Dit proces omvat het verwarmen van het onderdeel in een koolstofrijke atmosfeer, waardoor koolstofatomen in het oppervlak diffunderen. Het wordt veel gebruikt voor onderdelen van laagkoolstofstaal, waarbij een geharde buitenlaag ontstaat terwijl de kern ductiel blijft.
• Nitreren: Hierbij diffundeert stikstof in het oppervlak bij lagere temperaturen dan bij carboneren, meestal tussen 500°C en 550°C. Nitreren levert een zeer harde en slijtvastige buitenlaag zonder dat afschrikken nodig is, wat het geschikt maakt voor onderdelen die hoge oppervlaktelasten moeten weerstaan zonder vervorming.
• Carbonitreren: Een hybride proces waarbij zowel koolstof als stikstof worden gediffundeerd bij een iets lagere temperatuurrange (rond 820°C tot 900°C). Carbonitreren wordt gebruikt om materialen met een dunnere geharde laag te harden en verhoogt de slijtvastheid van bijvoorbeeld bevestigingsmiddelen, tandwielen en kleine auto-onderdelen.
• Inductieharden: Deze lokale oppervlakteharding maakt gebruik van elektromagnetische inductie om het oppervlak van het metaal te verhitten, gevolgd door afschrikken. Het is geschikt voor grote onderdelen of specifieke zones, zoals tandwielvertandingen of lagerbanen.

Elk van deze processen biedt unieke voordelen qua diepte van harding, oppervlakte-afwerking en mogelijke toepassingen.

Materiaalgeschiktheid & Voorbereiding

Oppervlakteharding wordt het meest toegepast op laagkoolstofstaal. Na diffusie van koolstof of stikstof ontstaat een harde buitenlaag terwijl de kern zacht blijft. Middel- en hoogkoolstofstalen kunnen ook worden behandeld, maar het effect is minder sterk door het hogere initiële koolstofgehalte.

Een goede voorbereiding is cruciaal voor een geslaagd hardingsproces. De onderdelen moeten grondig worden gereinigd om eventuele oppervlakteverontreinigingen te verwijderen die de diffusie van koolstof of stikstof kunnen verstoren. In sommige gevallen is voorverwarming vereist om uniformiteit in de geharde laag te garanderen.

Materialen zoals aluminium en de meeste non-ferrometalen zijn ongeschikt voor traditionele oppervlaktehardingsprocessen omdat ze niet de benodigde koolstof bevatten of niet de vereiste fasetransformaties ondergaan. Legeringen zoals titanium kunnen echter alternatieve oppervlakteharding ondergaan, zoals nitreren.

Prestatieverbeteringen & Voordelen

Het belangrijkste voordeel van oppervlakteharding is de aanzienlijke toename in oppervlaktehardheid, wat leidt tot verbeterde slijtvastheid. Het proces kan de hardheid van stalen componenten verhogen tot wel 60 HRC (Rockwell-hardheidsschaal). Hierdoor worden oppervlaktegeharde onderdelen uitzonderlijk duurzaam onder abrasieve omstandigheden, wat hun levensduur in zware werkomgevingen verlengt.

Naast hardheid verbetert oppervlakteharding ook de vermoeiingsweerstand, doordat de taaie binnenkern impact absorbeert en voorkomt dat scheuren zich door het materiaal verspreiden. Dit is vooral voordelig voor componenten zoals tandwielen en assen, die blootstaan aan cyclische belastingen en hoge rotatiestress.

Toepassingen & Relevantie per Industrie

Oppervlakteharding is essentieel in industrieën waar componenten zware omstandigheden moeten doorstaan. In de automotive sector zorgen oppervlaktegeharde tandwielen, nokkenassen en krukassen voor langdurige prestaties onder constante slijtage en stress. In de lucht- en ruimtevaart profiteren onderdelen zoals lagers en landingsgestellen van verhoogde oppervlaktehardheid en duurzaamheid, wat cruciaal is voor veiligheid en betrouwbaarheid. Ook in de bouw en defensie worden geharde onderdelen, zoals zwaar gereedschap en voertuigonderdelen, veelvuldig gebruikt vanwege hun hoge oppervlakteweerstand en taaiheid.

Maatwerk & Procesoptimalisatie

Wij bieden uitgebreide maatwerkmogelijkheden binnen onze oppervlaktehardingsprocessen. We passen de temperatuurprofielen, wachttijden en afschrikmedia aan om te voldoen aan de specifieke eisen van elk project. Onze nauwkeurige controle over de diffusie van koolstof en stikstof stelt ons in staat om de diepte en hardheid van de geharde laag precies af te stemmen op de behoeften van de klant. Of u nu een dunne, harde laag nodig heeft voor kleine, snelle componenten of een diepe geharde laag voor zware onderdelen, wij kunnen het proces op maat maken.