Carbureren (carboneren): definitie, methoden en oppervlakhardening van staal

Carbureren (carboneren) uitgelegd: definitie, methoden en oppervlakhardening van staal — technieken, voordelen en risico’s van koolstofbehandeling.

Carboneren (vaak ook carbureren genoemd) is het proces waarbij koolstof in een metaal wordt ingebracht, meestal om het oppervlak harder en slijtvaster te maken.

Doel en werking

Het doel van carboneren is het creëren van een harde buitenlaag (de zogenaamde 'case' of 'laag') met een taai, relatief laaggelegeerd kernmateriaal. De hardere laag verhoogt de draag- en slijtage-eigenschappen, terwijl de kern zijdelings schokken en taaie belastingen kan opvangen. Het proces berust op diffusie: bij verhitting diffunderen koolstofatomen vanuit een koolstofrijke omgeving in het staal en vormen daar een hoger koolstofgehalte in het oppervlak. De diepte en concentratieverdeling van koolstof hangen af van temperatuur, tijd en de gebruikte koolstofbron.

Belangrijke procesparameters

• Temperatuur: typisch tussen ongeveer 850 °C en 950 °C voor conventioneel gas- of pack-carbureren. Lage-temperatuur varianten (zoals carbonitreren) worden bij ~760–900 °C uitgevoerd.
• Tijdsduur: van enkele uren tot tientallen uren, afhankelijk van de gewenste case-diepte.
• Case-diepte: gebruikelijk 0,2 mm tot 2 mm voor veel toepassingen; voor speciale behoeften kan dit enkele millimeters bereiken.
• Koolstofprofiel: aan het oppervlak kunnen koolstofgehalten oplopen tot ~0,8–1,0 gewichtsprocent of meer (afhankelijk van staalsoort en proces), terwijl de kern laag blijft (bijvoorbeeld ~0,15–0,25%).

Methoden van carboneren

Er bestaan meerdere industriële methoden om koolstof in staal te introduceren. Historisch werd bijvoorbeeld houtskool direct op het metaal aangebracht (pack-carbureren); moderne methoden zijn efficiënter en beter regelbaar:

• Pack-carbureren (bergeren): onderdelen in een afgesloten bak met een koolstofhoudend medium (bijv. actieve kool of energizers) verhitten. Traditioneel en relatief eenvoudig, maar langzaam en minder controleerbaar dan gasprocessen.
• Gascarbureren: het meest gebruikte moderne proces. Stalen onderdelen worden blootgesteld aan koolstofrijke gassen (bijv. CO/CO2, of koolwaterstoffen zoals methaan) bij hoge temperatuur. Door regelbare gasmengsels en atmosferacontrole is het proces goed te sturen.
• Carbureren in zoutbaden (chemisch/zoutcarbureren): onderdelen in een gesmolten zoutbad met koolstofdragende componenten geplaatst. Dit geeft snelle opname maar kan gevaarlijke chemicaliën (zoals cyaniden) betreffen en vereist speciale behandeling.
• Plasma-/ioncarbureren: in een plasma (gloeidischarge) worden koolstofhoudende gassen geactiveerd zodat atomen sneller en zuiverder diffunderen. Dit proces biedt betere controle, minder oxidatie en vaak kortere behandeltijden.
• Carbonitreren: gelijktijdige toevoeging van koolstof en stikstof, wat bij lagere temperaturen harde, slijtvastende oppervlakken met specifieke eigenschappen geeft.

Nazorg: harden en nabehandeling

Na het carboneren volgt doorgaans een snelle afkoeling (quench) — meestal in olie of een ander quenchmedium — om het hoge koolstof in de oppervlaktelaag om te zetten in een hard martensitisch microstructuur. Daarna wordt vaak getemperd om de gewenste taaiheid te bereiken en spanningen te verminderen. Afwerken zoals slijpen of zorgvuldig nabewerken is gebruikelijk om toleranties en afmetingen te behouden.

Materialen en toepassingen

Carboneren wordt vooral toegepast op laaggelegeerd staal en case-hardenable constructiestalen (voorbeelden in Europa zijn lagen zoals 16MnCr5 / 20MnCr5). Typische toepassingen zijn tandwielen, nokkenassen, assen, tandheugels en andere onderdelen die een harde slijtlaag en een taaie kern vereisen.

Risico's en beperking: te veel koolstof en ontkoolding

Een te hoge concentratie koolstof in het hele stuk maakt metaal bros en moeilijk bewerkbaar. Daarom worden doorgaans staalsoorten met een laag kernkoolstofgehalte gekozen en wordt alleen het oppervlak verrijkt. Als ongewenst koolstofverlies optreedt, spreekt men van ontkoolding (decaburization): het oppervlak verliest koolstof en wordt zachter en slijtagegevoeliger. Omgekeerd kan plaatselijk te hoge koolstof of onjuiste warmtebehandeling leiden tot overscherpte, scheuren of overmatige brosheid, waardoor corrigerende bewerkingen of opnieuw behandelen noodzakelijk kunnen zijn.

Kwaliteitscontrole en milieuveiligheid

• Controle: microhardheidstests, metallografische doorsneden en koolstofprofielmetingen (bijv. microprobe, GDOES) worden gebruikt om case-diepte en hardheid te verifiëren.
• Procesbewaking: gasamenstelling, zuurstofpotentiaal en dewpoint worden bij gascarbureren bewaakt om consistentie te garanderen.
• Veiligheid en milieu: sommige methoden (zoutbaden met cyaniden, bepaalde energizers) zijn milieubelastend en vereisen strikte veiligheidsmaatregelen. Plasma- en gecontroleerde gasprocessen verminderen vaak emissies en geven betere reproducibiliteit.

Samenvatting

Carboneren is een beproefde methode om staal een harde, slijtvast oppervlakte-laag te geven terwijl de kern taai blijft. Er zijn meerdere technische routes (pack, gas, zout, plasma, carbonitreren) met elk eigen voor- en nadelen. De keuze van proces, temperatuur en tijd bepaalt de diepte en eigenschappen van de geharde laag. Correcte nazorg en kwaliteitscontrole zijn cruciaal om gewenste prestaties te bereiken en problemen zoals ontkoolding, oververhitting of brosheid te voorkomen.

Vragen en antwoorden

V: Wat is carboniseren?

V: Waarom wordt carboniseren gedaan?

V: Hoe wordt carboniseren vroeger gedaan?

V: Welke moderne technieken worden gebruikt voor carboniseren?

V: Wat is het effect van de tijdsduur en de temperatuur op carbonisatie?

V: Welke soorten metalen worden voornamelijk gebruikt voor carboniseren?

V: Wat gebeurt er als de koolstofconcentratie in een metaal te hoog wordt tijdens carboniseren?

Zoek op letter