Vergassing (Carburizing) uitgelegd: Definitie, Typen en het Proces Achter het Verharden van Staal

Wat is vergassing (carburizing)?

Vergassing is een randverhardingsproces waarbij koolstof diffuseert in de oppervlaktelaag van een staalonderdeel bij een temperatuur hoog genoeg om de korrelstructuur van het staal te veranderen. Deze verandering stelt het staal in staat om koolstof te absorberen. Het resultaat is een slijtvaste laag die vergassing een ideaal proces maakt in de productie van sterke, veilige metalen.

Vergassing is een warmtebehandeling waarbij ijzer of staal koolstof absorbeert terwijl het metaal wordt verwarmd in aanwezigheid van een koolstofdragend materiaal, zoals houtskool of koolstofmonoxide. De bedoeling is het metaal harder te maken.

Afhankelijk van de hoeveelheid tijd en temperatuur, kan het beïnvloede gebied variëren in koolstofgehalte. Langere vergassingstijden en hogere temperaturen verhogen doorgaans de diepte van koolstofdiffusie.

Wanneer het ijzer of staal snel wordt afgekoold door afschrikken (quenching), wordt het hogere koolstofgehalte aan de buitenkant hard door de transformatie van austeniet naar martensiet, terwijl de kern zacht en zwaartekrachtig blijft als een ferrietische en/of perlïtische microstructuur.

Dit productieproces kan gekenmerkt worden door de volgende kernpunten:

• Het wordt toegepast op laag-koolstofwerkstukken;
• Werkstukken zijn in contact met een hoog-koolstof gas, vloeistof of vast;
• Het produceert een hard werkstukoppervlak; de kernen behouden grotendeels hun zwaartekracht en duktiliteit;
• Het produceert randhardheidsdiepten tot 0,25 inch (6,4 mm).

In sommige gevallen dient het als remedie voor ongewenste ontkoolstofing (decarburization) die eerder in een productieproces plaatsvond.

Methode van vergassing

Vergassing van staal omvat warmtebehandeling van het metaaloppervlak met een bron van koolstof. Vergassing kan gebruikt worden om de oppervlaktehardheid van laag-koolstofstaal te verhogen. Vroegere vergassing gebruikte directe toepassing van houtskool gepakt rond het te behandelen monster, maar moderne technieken gebruiken koolstofdragende gassen of plasma's.

Het proces hangt primair af van de samenstelling van de omgevingsgas en de oventemperatuur, die zorgvuldig gecontroleerd moeten worden, aangezien de hitte ook de microstructuur van de rest van het materiaal kan beïnvloeden. Voor toepassingen waar grote controle over gascompositie gewenst is, kan vergassing plaatsvinden onder zeer lage druk in een vacuümkamer.

Plasmavergassing wordt steeds vaker gebruikt om de oppervlaktekenmerken van diverse metalen te verbeteren, met name roestvrij staal. Het proces is milieuvriendelijk. Het biedt ook een gelijkmatige behandeling van componenten met complexe geometrie, wat het erg flexibel maakt in termen van componentenbehandeling.

Het vergassingsproces werkt via de diffusie van koolstofatomen in de oppervlaktelagen van het metaal. Omdat metalen bestaan uit atomen die stevig in een metallisch kristalrooster gebonden zijn, diffunderen de koolstofatomen in de kristalstructuur van het metaal en blijven ze in oplossing of reageren ze met elementen in het gastheermetaal om carbiden te vormen.

Als de koolstof in een vaste oplossing blijft, wordt het staal vervolgens warmtebehandeld om het te verharden. Beide mechanismen versterken het oppervlak van het metaal: de eerste door vorming van perlïet of martensiet, de tweede via de vorming van carbiden. Beide materialen zijn hard en weerstand bieden tegen abrasie.

Gasvergassing wordt normaal uitgevoerd bij een temperatuur binnen het bereik van 900 tot 950 °C.

Bij oxy-aceteenlassen is een vergassingsvlam een vlam met weinig zuurstof, die een roetende, lagere-temperatuurvlam produceert. Dit wordt vaak gebruikt om metaal aan te laten, waardoor het meer smeedbaar en flexibel wordt tijdens het lassen.

Typen vergassing

In het verleden, afhankelijk van de koolstofbron, waren er drie typen vergassingsmethoden: vaste vergassing, vloeibare vergassing en gasvergassing. Houtskool, gesmolten zout en koolstofhoudende gassen zoals aardgas en propoaan worden dienovereenkomstig gebruikt.

Er zijn drie veelgebruikte typen vergassing:

• Gasvergassing
• Vloeibare vergassing
• Vaste vergassing

Alle drie de processen zijn gebaseerd op de transformatie van austeniet in martensiet tijdens afschrikken. De toename van koolstofgehalte aan het oppervlak na diffusie moet hoog genoeg zijn om resulterend in een martensitische laag met voldoende hardheid, typisch 700 HV, om een slijtvaste oppervlakte te bieden.

Het vereiste koolstofgehalte aan het oppervlak na diffusie is meestal 0,8 tot 1,0% C. Deze processen kunnen uitgevoerd worden op diverse koolstofstalen, legeringsstalen en gietijzers, waarin het koolstofgehalte in de massa maximaal 0,4% is en meestal minder dan 0,25%. Onjuiste warmtebehandeling kan leiden tot oxidatie of ontkoolstofing.

Hoewel het een relatief langzaam proces is, kan vergassing als continu proces gebruikt worden en is geschikt voor hoge volumes oppervlakteverharding.

1. Gasvergassing

Bij gasvergassing wordt koolstofstaal verwarmd tot de austenitiseringstemperatuur in aanwezigheid van een koolstofrijke atmosfeer. Het is gebruikelijk een dragergas te gebruiken, zoals endothermisch ('Endo') gas samen met koolwaterstofverrijking (aardgas of propoaan).

Het component wordt in een oven gehouden die een atmosfeer bevat van methaan of propoaan met een neutraal dragergas, meestal een mengsel van N2, CO, CO2, H2 en CH4. Bij de vergassingstemperatuur ontbindt methaan (of propoaan) op het componentoppervlak tot atoomaire koolstof en waterstof, waarbij de koolstof in het oppervlak diffuseert.

De temperatuur is typisch 925 °C en de vergassingstijden variëren van 2 uur voor een behuizing met een diepte van 1 mm tot maximaal 36 uur voor een behuizing met een diepte van 4 mm. Het afschrikmedium is meestal olie, maar kan water, zoutwater, kaustische soda of polymere zijn.

2. Vacuümvergassing

Dit vergassingsproces omvat een lage-druk, zuurstofvrije omgeving. Dit proces gebruikt gasvormige koolwaterstoffen zoals methaan. Omdat de omgeving vrij is van zuurstof, kan de vergassingstemperatuur verhoogd worden zonder zorgen over oxidatie. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de koolstofoplosbaarheid en diffusiesnelheid, wat de benodigde tijd voor randdiepte minimaliseert.

3. Vloeibare vergassing

Vloeibare vergassing is een proces voor randverharding van staal- of ijzeronderdelen. De onderdelen worden bij een temperatuur boven Ac1 in een gesmolten zout gehouden dat koolstof en stikstof, of alleen koolstof, in het metaal introduceert. De meeste vloeibare vergassingsbaden bevatten cyanide, wat zowel koolstof als stikstof in de rand introduceert.

Vloeistoffen of cyaniden worden vergast door het component in een zoutbad te plaatsen bij 845 tot 955 °C. Het zout is meestal een cyanide-chloride-carbonaatmengsel en is hoogst giftig. De cyanidezouten introduceren een kleine hoeveelheid stikstof in het oppervlak, wat de hardheid verder verbetert. Hoewel het het snelste vergassingsproces is, is het alleen geschikt voor kleine series.

4. Vaste vergassing (Pakketvergassing / Pack Carburizing)

Bij vaste of pakketvergassing ontbindt koolstofmonoxide afgeleid van een vast samengesteld materiaal op het metaaloppervlak in nascente koolstof en koolstofdioxide. Vergassingscontainers zijn gemaakt van koolstofstaal, aluminiumgecoat koolstofstaal, of ijzer-nikkel-chroom warmtebestendige legeringen.

De componenten worden omringd door een vergassingsmedium en in een gesealde doos geplaatst. Het medium is meestal cokes of houtskool gemengd met bariumcarbonaat. Het proces is eigenlijk een gasvergassingsproces, omdat het geproduceerde CO dissocieert in CO2 en koolstof die in het oppervlak van de componenten diffuseert.

Temperaturen zijn typisch 790 tot 845 °C voor tijden van 2 tot 36 uur. Pakketvergassing is de minst geavanceerde vergassingsmethode en blijft daarom een veelgebruikte methode.

Koolstofstikstofvergassing (Carbonitriding)

Koolstofstikstofvergassing wordt uitgevoerd op een vergelijkbaar staaltype, hoewel het koolstofgehalte per massa 0,4–0,5% kan zijn. De methode is bijzonder geschikt voor het verharden van het oppervlak van componenten die een gehardede kern vereisen, zoals tandwielen en assen.

Koolstofstikstofvergassing is een modificatie van gasvergassing waarbij ammoniaak wordt toegevoegd aan de methaan of propoaan en de bron van stikstof is.

Veelgestelde vragen

Wat is vergassing?

Vergassing is een randverhardingsproces waarbij koolstof diffuseert in de oppervlaktelaag van een staalonderdeel bij een temperatuur hoog genoeg om de korrelstructuur van het staal te veranderen. Deze verandering stelt het staal in staat om koolstof te absorberen.

Wat is het vergassingsproces?

Vergassen is een thermochemisch proces waarbij koolstof gediffunderd wordt in het oppervlak van laag-koolstofstalen om het koolstofgehalte te verhogen tot voldoende niveaus, zodat het oppervlak reageert op warmtebehandeling en een harde, slijtvaste laag produceert. Er zijn drie veelgebruikte typen: gasvergassing.

Wat zijn de drie typen vergassing?

Historisch zijn er drie typen vergassingsmethoden afhankelijk van de koolstofbron: vaste vergassing, vloeibare vergassing en gasvergassing. Houtskool, gesmolten zout en koolstofdragende gassen, zoals aardgas en propoaan, worden dienovereenkomstig gebruikt.

Wat zijn de typen vergassing?

Typen vergassing:

• Pakketvergassing
• Gasvergassing
• Vacuümvergassing
• Vloeibare vergassing

Wat is het doel van vergassing?

Het doel van dit proces is om het metaal harder en beter bewerkbaar te maken. De hardheid van staal met laag koolstofgehalte kan verbeterd worden door toevoeging van koolstof onder een bepaalde vorm van warmtebehandeling. Bij succesvolle uitvoering kan het de oppervlaktehardheid van het staal verbeteren.

Waarom wordt vergassing voor staal gedaan?

Vergassing verhoogt sterkte en slijtvasteheid door koolstof in het oppervlak van het staal te diffunderen, creërend een rand, terwijl een aanzienlijk lagere hardheid in de kern behouden blijft. Deze behandeling wordt toegepast op laag-koolstofstaalonderdelen na bewerking, evenals hoog-legeringsstaal lagers, tandwielen en andere componenten.

Wat is vergassing en nitrideren?

Nitrideren en vergassen zijn de twee meest voorkomende warmtebehandelingspraktijken voor oppervlakteverharding van functionele componenten. Het hoofdverschil is dat bij nitrideren stikstofatomen in het oppervlak van de te verwerken onderdelen diffunderen, terwijl bij vergassing koolstof wordt gebruikt.

Wat is het verschil tussen randverharding en vergassing?

Randverharding is het proces van het verharden van alleen het oppervlak van het onderdeel. Het is ook bekend als vergassing. Bij het vergassingsproces wordt het laag-koolstofcomponent in een oven geplaatst die een zorgvuldig gecontroleerde koolstofatmosfeer bevat.

Wat is de temperatuur van vergassing?

De vergassingsovens zijn ofwel gasgefocust of elektrisch verwarmd. De vergassingstemperatuur varieert van 870 tot 940 °C; de gasatmosfeer voor vergassing wordt geproduceerd uit vloeibare of gasvormige koolwaterstoffen zoals propoaan, butaan of methaan.

Wat is vloeibare vergassing?

Vloeibare vergassing is een proces dat meestal gebruikt wordt voor kleine en middelgrote onderdelen. In het zoutbad komt de te diffunderen koolstof uit een gesmolten zout dat een mengsel is van natriumcyanide (NaCN) en bariumchloride (BaCl2).

Welk staal kan vergast worden?

De microstructuur van de kern zal niet gewijzigd worden tijdens deze lage-temperatuurverwerking. Terwijl vergassing voornamelijk gebruikt wordt voor laag-koolstofstalen en laag-legeringsstalen, wordt nitrideren gebruikt voor laag-koolstofstalen, legeringsstalen, gereedschapsstalen en roestvrije stalen. Genitrided stalen kunnen superieure slijtvasteheid en hardheid hebben.

Wat zijn twee stappen voor vergassing?

Hoewel atmosfeervergassing uit verschillende processtappen bestaat, kan het vereenvoudigd worden tot twee hoofdprocessen: koolstofgeneratie in de oven en koolstofdiffusie in het werkstuk. De eerste levert koolstofatomen, de laatste bepaalt de koolstofconcentratiegradiënt.

Waarom wordt BaCO3 toegevoegd in vaste vergasser?

"Vergassingsproces wordt vaak gedaan om het oppervlak van het tandwiel en de nok of nok te verharden (Malau, V., 1999)". Om de penetratie van koolstof in het monster tijdens het vergassingsproces te versnellen, is het nodig om andere elementen toe te voegen zoals BaCO3, NaCO3 en anderen.

Welk van de volgende gassen wordt gebruikt voor gasvergassing?

Gasvergassing, inclusief koolstofstikstofvergassing of gasnitrideringsproces met ammoniak (NH3), wat nascente stikstof produceert dat de rand van het staal binnenkomt en de hardheid verhoogt.

Welke metalen genitrided kunnen worden?

Aluminium, chroom, molybdeen, titanium, wolfraam en vanadium combineren gemakkelijk met stikstof bij hoge temperaturen om nitriden van de respectieve metalen te vormen. Laag-koolstoflegeringen van staal die deze metalen bevatten, zijn typisch goede kandidaten voor nitrideren.

Wat is het verschil tussen vergassing en koolstofstikstofvergassing?

Het kernverschil tussen vergassing en koolstofstikstofvergassing is dat vergassing het proces is van het verharden van een staaloppervlak met koolstof, terwijl koolstofstikstofvergassing het proces is van het verharden van een staaloppervlak met koolstof en stikstof.

Is warmtebehandeling vereist na vergassing?

Het component kan ofwel direct vanaf de vergassingstemperatuur afgeschrikt worden, of herverwarmd tot de juiste austenitiseringstemperatuur en dan afgeschrikt. Direct afschrikken is minder tijdrovend en goedkoper, maar niet mogelijk in pakketvergassing. Daarom worden gepakket-vergaste onderdelen invariabel herverwart en afgeschrikt.

Verandert vergassing de afmetingen?

Het is praktisch onmogelijk om een werkstuk vergassing te laten ondergaan zonder dimensionele veranderingen. De mate van deze veranderingen varieert gebaseerd op het type materiaal, het vergassingsproces en de oorspronkelijke afmetingen en vorm van het werkstuk.

Wat is pakketvergassing?

De vroegste methode van randverharding, waarbij componenten in een geschikte doos werden gepakt, samen met koolstofdragende materialen zoals houtskool, hoeven, huiden, diervet en hoorn, en verwarmd tot de vergassingstemperatuur.

Wat voor type diffusie is vergassing?

In het vergassingsproces bepaalt de koolstofdiffusie de koolstofconcentratiegradiënt en hardheidsprofiel in de rand van het werkstuk. Hoewel vergassing een complex proces is, kan het opgedeeld worden in twee hoofdstappen: koolstofgeneratie in de oven en koolstofdiffusie in het werkstuk.

Krimpt metaal door warmtebehandeling?

Experimenteel werk is gedaan op veel materialen om de effecten van warmtebehandeling op grootteverandering te tonen. De effecten verschillen per materiaalkwaliteit. Bijvoorbeeld, een 3,15-inch kubus van D-2 gereedschapsstaal groeide met 0,08% in één dimensie tijdens verharding, terwijl het in de andere twee dimensies krimpte.

Waarom vindt randverharding plaats?

Randverharding is een materiaalverwerkingsmethode die gebruikt wordt om de hardheid van de buitenkant van een metaal te verhogen. Aangezien verhardingsprocessen de vormbaarheid en bewerkbaarheid verminderen, wordt randverharding meestal uitgevoerd nadat de meeste andere fabricageprocessen zijn voltooid.