Karbonisierung - was ist das und wie wird es für präzise Komponenten durchgeführt

Der Prozess, bei dem niederkohlenstoffhaltiger Stahl in hochkohlenstoffhaltigen Stahl umgewandelt wird, wird als Karburierung bezeichnet. Dies geschieht durch Aussetzung unter kohlenstoffreichen Bedingungen. Normalerweise werden die Elemente in Öfen, Kesseln und anderen geschlossenen Einrichtungen karburiert. Durch Erhitzen von Stahlblech in einer Atmosphäre dichten Kohlenstoffs haften die Atome auf molekularer Ebene an seiner Oberfläche. Während dieses Prozesses gewinnt der Stahl sowohl Härte als auch Festigkeit.

Vorteile der Carbonitrierung von Präzisionskomponenten 

Die Carbonitrierung ist eine der beliebtesten Formen der Härtung. Sie kann den Elementen verschiedene Härtegrade verleihen. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur der Carbonitrierung und je länger die Zeit, desto härter wird das carbonitrierte Objekt.

Die Hauptvorteile der Carbonitrierung:

  • Erzeugt eine harte Stahloberfläche durch Erhöhung des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche.
  • Erhöhte Oberflächenhärte führt zu erhöhter Verschleiß- und Materialermüdungsbeständigkeit.
  • Stahlkerne behalten weitgehend ihre Plastizität.
  • In einigen Fällen kann es als Heilmittel gegen unerwünschte Dekarbonisierung wirken, die in einem frühen Stadium des Produktionsprozesses auftritt.

Die Tiefe der karbonisierten Stahlschicht ist eine Funktion der Karbonisierungszeit und des verfügbaren Kohlenstoffpotenzials an der Oberfläche. Eine längere Karbonisierungszeit wird verwendet, um eine größere Tiefe der gehärteten Schicht zu erreichen, ein hohes Kohlenstoffpotenzial führt zu einem hohen Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche, was zu einem Überschuss an Restaustenit oder freien Karbiden führen kann. Diese beiden Mikrostrukturelemente haben einen negativen Einfluss auf die Verteilung der Eigenspannungen in den karbonisierten Elementen. 

Die Carbonitrieratmosphäre muss in der Lage sein, Kohlenstoff auf den Stahl zu übertragen, um die gewünschte Oberflächenhärte zu gewährleisten. Diese Übertragung muss streng in Bezug auf die Kohlenstoffkonzentration auf der Stahloberfläche kontrolliert werden, um die Anforderungen an die Härte-Toleranz zu erfüllen. Die Konzentration kann durch das Verhältnis (% Vol. CO) ²/ (% Vol. CO2) in der Ofenatmosphäre gesteuert werden.

Der Carbonitrierprozess von Präzisionskomponenten 

Während die Grundlagen der Karburierung seit ihrer Entstehung kaum verändert wurden, haben sich die Techniken zur Kohleeinbringung verbessert. Im Folgenden werden die in der Industrie häufig verwendeten Karburierungsprozesse vorgestellt.

  • Periodisches Aufkohlen — In diesem Prozess werden Elemente aus weichem Stahl in einer Umgebung mit hohem Kohlenstoffgehalt, wie zum Beispiel Gussspan oder Kohlenstoffpulver, umgeben. Diese Elemente werden erhitzt, um Kohlenmonoxid, ein Reduktionsmittel, zu erzeugen. Die Reduktion findet auf der Stahloberfläche statt, während die Freisetzung von Kohlenstoff unter dem Einfluss hoher Temperaturen an die Oberfläche diffundiert. Der Stahl härtet aus, wenn Kohlenstoff in das Innere des Elements aufgenommen wird und sein Gehalt an der Oberfläche zwischen 0,7% und 1,3% variiert, abhängig von der Prozessumgebung. Die Beschichtungstiefe beträgt etwa 0,1 mm bis 1,5 mm. Periodisches Aufkohlen ist schwer zu kontrollieren, da es problematisch ist, eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten. 
  • Gasaufkohlung - Während dieses Prozesses ist das Teil von einer Atmosphäre umgeben, die Kohlenstoff enthält und ständig nachgefüllt wird, wodurch ein hoher Kohlenstoffpotenzial aufrechterhalten wird. Obwohl die Aufkohlungsgeschwindigkeit in der Gasatmosphäre erheblich erhöht ist, erfordert diese Methode die Verwendung einer Mehrkomponentenatmosphäre, deren Zusammensetzung sehr streng kontrolliert werden muss, um schädliche Nebenwirkungen wie Oberflächen- und Kornrandoxide zu vermeiden. Darüber hinaus ist eine separate Ausrüstung zur Erzeugung der Atmosphäre und zur Kontrolle ihrer Zusammensetzung erforderlich. Der Prozess der Gasaufkohlung ist theoretisch ähnlich dem Prozess der periodischen Aufkohlung, mit dem Unterschied, dass Kohlenmonoxid (CO) in den Ofen eingeführt und Kohlenstoff abgebaut wird. Das CO-Gas muss sicher eingeschlossen sein. Trotz der erhöhten Komplexität ist die Gasaufkohlung die effizienteste und am weitesten verbreitete Methode zur Aufkohlung von Stahlteilen in großen Mengen geworden.
  • Flüssiges Carburieren - In diesem Prozess werden Stahlteile in einer flüssigen, kohlenstoffreichen Umgebung eingetaucht. Der Hauptbestandteil dieses Bades ist Cyanid. Aus Sicherheitsgründen wurden jedoch ungiftige Bäder entwickelt, die ähnliche Ergebnisse erzielen. Die Teile werden in geschmolzenem Salz konserviert, das Kohlenstoff in den Stahl einbringt. Er diffundiert schnell durch Abschrecken in das Innere und bildet eine gehärtete Schale. Die Beschichtungen, die durch das Carburieren erzeugt werden, ähneln denen, die durch das Gas-Carburieren erzeugt werden. Gehäuse, die durch flüssiges Carburieren hergestellt werden, zeichnen sich durch einen niedrigen Stickstoffgehalt und einen hohen Kohlenstoffgehalt aus.
  • Vakuumcarburieren — Der Prozess besteht darin, in einer sauerstofffreien Umgebung und bei niedrigem Druck zu carburieren. Die Atmosphäre ist deutlich einfacher, obwohl die Ofenhülle komplizierter ist. Es wird eine einkomponentige Umgebung verwendet, die einfache gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan enthält. Diese Anwendung zum Heizen ist sauerstofffrei, so dass die Carburierungstemperatur ohne Oxidation der Oberfläche oder der Kornbegrenzungen erheblich erhöht werden kann. Höhere Temperaturen erhöhen die Löslichkeit von Kohlenstoff und die Diffusionsgeschwindigkeit. Obwohl das Vakuumcarburieren einige Komplikationen des Gascarburierens überwindet, führt es ein neues ernstes Problem ein, das angegangen werden muss. Da das Vakuumcarburieren bei sehr niedrigem Druck stattfindet, ist die Intensität des Gasflusses zum Ofen sehr gering und das Kohlenstoffpotential des Gases in tiefen Vertiefungen und Durchgangslöchern wird vernachlässigbar. Wenn es nicht aufgefüllt wird, kann die Gehäusetiefe an der Oberfläche der Teile erheblich variieren. Wenn der Luftdruck stark erhöht wird, um dieses Problem zu überwinden, tritt ein anderes Problem in Form von Ablagerungen von freiem Kohlenstoff oder Ruß auf. Daher muss, um eine ausreichend gleichmäßige Tiefe bei Teilen mit komplizierten Formen zu erreichen, der Luftdruck periodisch erhöht werden, um die verarmte Atmosphäre in der Kavität aufzufüllen, und dann wieder auf den Arbeitsdruck abgesenkt werden. Es ist offensichtlich, dass es im Vakuumcarburierungsprozess ein delikates Gleichgewicht gibt: Die Prozessbedingungen müssen angepasst werden, um den besten Kompromiss zwischen der Homogenität der Hülle, dem Risiko der Rußbildung und der Carburierungsgeschwindigkeit zu erreichen.
  • Plasma-Carburierung — Bei dieser Methode lagert das Plasma positiv carburisierte Ionen auf der Oberfläche eines Stahlelements ab. Der Hauptunterschied zwischen der konventionellen Carburierung und der Plasma-Carburierung besteht in der verkürzten Zeit bei Verwendung der Plasmamethode. Die schnell erreichte Sättigung der Oberfläche führt auch zu einer schnelleren Diffusionskinetik. Darüber hinaus ermöglicht die Plasma-Carburierung eine sehr gleichmäßige Carburierungstiefe, auch bei Teilen mit unregelmäßigen Oberflächen. Es wird immer häufiger in großen Industrieanlagen eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften (wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Härte und Tragfähigkeit sowie massenabhängige Variablen) verschiedener Stahlsorten, insbesondere von Edelstahl, zu verbessern. Dieser Prozess wird angewendet, weil er umweltfreundlich ist (im Vergleich zur Gas-Carburierung). Es kann auch Teile mit komplexer Geometrie gleichmäßig bearbeiten (Plasma kann durch Löcher und schmale Spalten eindringen), was es sehr flexibel in der Bearbeitung von Teilen macht.

    • Vergütungsstahl 

    Der Kohlenstoffgehalt im vergüteten Stahl beträgt in der Regel etwa 0,2%, und der Kohlenstoffgehalt in der vergüteten Schicht wird allgemein im Bereich von 0,8% bis 1% kontrolliert. Die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche ist jedoch normalerweise auf 0,9% begrenzt, da ein zu hoher Gehalt zu Restaustenit und sprödem Martensit führt.

    Die meisten karbonisierten Stähle sind beruhigte Stähle (durch Zugabe von Aluminium entgast), die feine Körner bis zu etwa 1040°C behalten. Grobkörnige Stähle können karbonisiert werden, wenn eine doppelte Wärmebehandlung eine Zerkleinerung der Körner gewährleistet. Dies umfasst in der Regel eine direkte Wärmebehandlung, gefolgt von einer erneuten Wärmebehandlung bei niedrigerer Temperatur.

    Auswahl der Stahlsorten 

    Bei der Auswahl von Stahlsorten ist zunächst der Gehalt an Legierungen und Kohlenstoff erforderlich, um Aspekte der Kernhärte nach dem Austenitisieren, Härten und Anlassen zu erfüllen. Bei einer bestimmten Anforderung an die Kernhärte bedeutet dies, dass mit zunehmender Größe des bearbeiteten Teils der erforderliche Legierungsgehalt steigt. Die Härtbarkeit von aufgekohltem Stahl muss ausreichend gut sein, um eine martensitische Oberflächenschicht in die gewünschte Tiefe zu erzielen. Der Stahl zum Aufkohlen muss eine bestimmte Menge an Legierungselementen enthalten. Eine weitere Anforderung ist, dass der zum Aufkohlen verwendete Stahl feinkörnig sein muss. Dies bedeutet, dass der Stahl ein Legierungselement, meist Aluminium, enthalten sollte, das Ausscheidungen bildet. Diese wirken als Barriere für das Kornwachstum bis zu einer bestimmten maximalen Temperatur, in der Regel etwa 950°C.

    Härte des Kerns

    Viele legierte Stähle, die für die Oberflächenhärtung bestimmt sind, werden heute auf der Grundlage der Kernhärte definiert. Während dieselben Überlegungen im Allgemeinen für die Auswahl von uncarburierten Sorten gelten, gibt es bestimmte Besonderheiten bei carburierten Anwendungen. Vor allem bei der Carburation von Stahl muss die Härte des Kerns und der Schale berücksichtigt werden. Aufgrund des Unterschieds im Kohlenstoffgehalt haben die Schale und der Kern eine völlig unterschiedliche Härte, und für einige Stähle ist dieser Unterschied viel größer als für andere. Darüber hinaus erfüllen diese beiden Elemente während des Betriebs unterschiedliche Funktionen. Vor der Einführung von niedriglegierten Stählen mit Bor musste man sich keine Sorgen um die Härte der Schale machen, da der Legierungsgehalt in Kombination mit einem hohen Kohlenstoffgehalt immer eine ausreichende Härte gewährleistete. Denken wir jedoch daran, dass Stahl unmittelbar nach der Carburation gehärtet wird, um Kohlenstoff und Legierungselemente in der Austenit-Schale zu lösen, und im Falle von Teilen, die durch erneutes Erhitzen gehärtet werden, sowie von Teilen mit großen Querschnitten - die Anforderungen an die Härte der Schale und des Kerns müssen sorgfältig bewertet werden.

    Die Abhängigkeit zwischen dem thermischen Gradienten und dem Kohlenstoffgradienten während des Härten von carbonisierten Teilen kann einen messbaren Unterschied in der Einbrenntiefe und Härte darstellen. Dies bedeutet, dass bei einem gegebenen Kohlenstoffgehalt eine Erhöhung der Grundhärte zu einem größeren Anteil an Martensit führen kann, was zu einer größeren gemessenen Einbrenntiefe führt. Daher können ein flacheres Kohlenstoffprofil und eine kürzere Carbonisierungszeit verwendet werden, um das gewünschte Ergebnis in einem entsprechend ausgewählten Stahl zu erzielen.

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