karburisering

Bruk av fast stoff som karbongivende medium er den eldste av alle karburiseringsmetodene, men brukes lite i dag. Stålet pakkes inn i en metallbeholder i en blanding av kull eller trekull og et karbonat som virker som en katalysator, for eksempel 60 prosent trekull og 40 prosent bariumkarbonat. Innpakningen forsegles og varmes opp til karburiseringstemperaturen, hvor kullet dekomponerer og fyller beholderen med karbonmonoksid-gass. Etter dette virker pakksementering på nesten samme måte som gasskarburisering, se nedenfor. Martensittherdingen av ståloverflaten må gjøres i en separat gjenoppvarmings- og bråkjølingsprosess etter at stålet er tatt ut av beholderen. Metoden er i dag mest brukt av små verktøyprodusenter som mangler moderne utstyr for karburisering.

Også denne metoden brukes lite i dag, og er for det meste erstattet av gasskarburisering og vakuum-karburisering. Stålet senkes ned i et smeltet saltbad som inneholder cyanider, natriumcyanid eller bariumcyanid. Cyanid (for eksempel NaCN) inneholder både karbon og nitrogen og tilfører ståloverflaten noe nitrogen i tillegg til karbon. Nitrogenet bidrar til å øke stålets overflatehardhet. Metoden er egnet for masseproduksjon.

En nyere karburiseringsmetode innebærer induksjonsoppvarming av en stålkomponent som er nedsenket i et hydrokarbonbad som holder romtemperatur. Karburiseringen skjer ved at hydrokarbonene spaltes på den varme ståloverflaten og avgir karbon til stålet. Badet beskytter samtidig stålet mot oksidasjon og tjener som kjølemedium etter avsluttet karburisering.

Gasskarburisering foregår i en konvensjonell varmebehandlingsovn hvor kammeret tilføres en karbonholdig gass i form av karbonmonoksid eller en hydrokarbongass som propan, metan, butan eller metanol. Dette er den vanligste og mest kommersielt betydningsfulle metoden for karburisering. Metoden er enkel, gassens karbonpotensial (evne til å avgi karbon til stålet) kan lett kontrolleres, og metoden brukes blant annet til masseproduksjon av komponenter, for eksempel muttere til bilindustrien.

Gassens karbonpotensial kan enten holdes konstant under hele karburiseringsperioden, eller det kan være høyt i starten slik at ståloverflaten nesten mettes med karbon, for så å reduseres til en verdi som gir den ønskede overflatekonsentrasjonen ved at overskuddskarbonet diffunderer innover i stålet. Den sistnevnte metoden sparer tid.

En ulempe med gasskarburisering er at ovnsatmosfæren inneholder noe luft, og dette medfører at ståloverflaten utsettes for korngrenseoksidasjon som reduserer komponentenes utmattingsbestandighet hvis oksidene ikke fjernes.

Lavtrykk-karburisering er av noe nyere dato og er i dag den nest mest brukte karburiseringsmetoden. Metoden forutsetter bruk av vakuumovn. Tilstrekkelig vakuum for å unngå overflateoksidasjon etableres før et lavt trykk (5–15 millibar) av en hydrokarbongass som acetylen eller propan introduseres i ovnskammeret. Karburiseringen utføres ved å gjennomføre repeterte injeksjoner av hydrokarbongass atskilt med diffusjonsperioder i nitrogengass. I diffusjonsperiodene diffunderer karbonet innover i stålet. En høy konsentrasjon karbonatomer frigis til stålet når hydrokarbongassen spaltes på ståloverflaten, men uten at stålet mettes med karbon, og kontroll av karbonpotensialet er derfor ikke nødvendig. Dette gjør metoden enklere enn tradisjonell gasskarburisering, og prosesstemperaturen kan være så høy som 1050 °C. Den forhøyede temperaturen gjør at karburiseringstiden kan reduseres med 50–75 %. De avbrutte injeksjonene av hydrokarbongass blir gjentatt til ønsket karbonprofil i stålet er oppnådd.

Ovner for vakuumkarburisering er ofte utrustet slik at komponentene etter oppkullingen kan bråkjøles med en høytrykks inertgass av nitrogen eller helium (opptil 20 bar trykk). Dette er en mildere og mer skånsom kjølemetode enn olje- og vannkjøling, som forårsaker brattere temperaturgradienter i stålet med fare for formendring.

Plasmakarburisering er i prinsippet en lavtrykks karburiseringsmetode, som går ut på at det etableres en høy pulserende elektrisk spenning (omtrent 600 volt) mellom det oppvarmede arbeidsstykket som skal oppkulles og ovnsveggen som er jordet. Som prosessgass benyttes metan eller propan. Høyspenningen ioniserer karburiseringsgassen slik at den omvandles til et plasma. Hvis metan er prosessgass, dannes det positive CH₃⁺- og CH₄⁺-ioner som akselereres mot arbeidsstykket som er katode i prosessen. På overflaten av katoden spaltes ionene til karbon- og hydrogenatomer som diffunderer inn i stålet. Karbonet løses opp i stålets austenittgitter, mens hydrogenet diffunderer ut av stålet igjen.

Metoden har mange gode kvaliteter (redusert oppkullingstid, jevntykt oppkullingssjikt) og ble mye brukt i industrien i 1990-årene, men den har mistet mye av sin betydning på grunn av utviklingen av acetylen vakuumkarburisering på slutten av 1990-tallet.