Das Aufkohlen ist einer der am häufigsten verwendeten Prozesse. Es beinhaltet die Diffusion von Kohlenstoff in Weichstahl, um eine Oberfläche aus Hochkohlenstoffstahl zu erzeugen. Der Aufkohlungsprozess ist auch als Härten bekannt. Es handelt sich dabei um ein Wärmebehandlungsverfahren, das eine verschleißfeste Oberfläche gewährleistet, während die Zähigkeit und Festigkeit des Kerns erhalten bleiben. Der Aufkohlungsprozess hat sich mit den Fortschritten in den Wärmebehandlungstechniken weiterentwickelt, die die Härte und Langlebigkeit von Produkten erhöhen und zur Herstellung von Produkten wie Kohlenstoffstahldrahtfedern und Kohlenstoffstahl-Schmiedestücken verwendet werden. Während des Aufkohlungsprozesses wird der Stahl auf 850 bis 950 Grad Celsius erhitzt, in Gegenwart von kohlenstoffhaltigem Material wie Holzkohle oder Kohlenmonoxid. Dieses Verhalten wird durchgeführt, um den Stahl zu härten.
Stahl, der auf dieser Temperatur erhitzt wird, hat eine austenitische Struktur, die eine hohe Löslichkeit für Kohlenstoff hat und eine stabile Struktur ist. Je nach Zeit und Temperatur kann der Kohlenstoffgehalt im betroffenen Bereich variieren. Längere Karburierungszeiten und höhere Temperaturen erhöhen in der Regel die Diffusionstiefe des Kohlenstoffs. Wenn der Stahl schnell gehärtet wird, wird der höhere Kohlenstoffgehalt an der äußeren Oberfläche durch die Umwandlung von Austenit in Martensit gehärtet, während der Kern eine weiche und harte ferritische und/oder perlitische Mikrostruktur beibehält. Welche Elemente werden dem Karburierungsprozess unterzogen? Beeinflusst es die Festigkeit des Kerns? Wie viele Karburierungsmethoden haben wir? All das und mehr besprechen wir unten!
Carburizing Methode
Die Karburierung von Stahl ist eine thermische Behandlung von Metalloberflächen unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle. Die Karburierung kann zur Erhöhung der Härte von weichen Stahloberflächen angewendet werden. Frühe Karburierungsverfahren umfassten die direkte Anwendung von Holzkohle, die um das zu bearbeitende Muster gewickelt war, aber moderne Techniken verwenden Gas oder Plasma, das Kohlenstoff enthält. Der Prozess hängt weitgehend von der Zusammensetzung des umgebenden Gases und der Ofentemperatur ab und muss sorgfältig kontrolliert werden, da die Wärme auch die Mikrostruktur des restlichen Materials beeinflusst. Bei Anwendungen, die eine hohe Kontrolle der Gaszusammensetzung erfordern, kann die Karburierung in einer Vakuumkammer bei sehr niedrigen Drücken durchgeführt werden.
Immer häufiger wird die Plasmakarburierung zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften verschiedener Metalle, insbesondere von rostfreiem Stahl, eingesetzt. Der Prozess ist umweltfreundlich. Er ermöglicht auch eine gleichmäßige Bearbeitung von Teilen mit komplexer Geometrie, was ihn sehr flexibel in der Teilebearbeitung macht. Der Karburierungsprozess besteht aus der Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberflächenschicht des Metalls. Da Metalle aus Atomen bestehen, die eng mit dem Metallgitter verbunden sind, diffundieren die Kohlenstoffatome in die kristalline Struktur des Metalls und bleiben entweder in Lösung oder reagieren mit den Elementen im Muttermetall, um Karbide zu bilden.
Wenn der Kohlenstoff in der festen Lösung verbleibt, wird der Stahl einer Wärmebehandlung zur Härtung unterzogen. Beide Mechanismen stärken die Metalloberfläche, der erste durch die Bildung von Perlit oder Martensit, der zweite durch die Bildung von Karbiden. Beide Materialien sind hart und verschleißfest. Im Allgemeinen wird die Gas-Karburierung im Temperaturbereich von 900 bis 950°C durchgeführt. Bei der Acetylen-Sauerstoff-Schweißflamme ist die karburierende Flamme eine Flamme mit sehr wenig Sauerstoff, die Ruß erzeugt. Sie wird oft zum Glühen von Metallen verwendet, um sie während des Schweißens plastischer und elastischer zu machen.
Arten der Karburierung
In der Vergangenheit gab es je nach Kohlenstoffquelle drei Methoden der Karburierung: feste Karburierung, flüssige Karburierung und gasförmige Karburierung. Es werden entsprechend Holzkohle, geschmolzenes Salz und kohlenstoffhaltige Gase wie Erdgas und Propan verwendet.
Es gibt drei häufig verwendete Methoden der Karburierung:
- gasförmige Karburierung
- flüssige Karburierung
- feste Karburierung
Alle drei Prozesse basieren auf der Umwandlung von Austenit in Martensit während des Härtens. Der Anstieg des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche muss groß genug sein, um eine Martensitschicht mit ausreichender Härte, normalerweise 700 HV, zu erzeugen, die eine verschleißfeste Oberfläche gewährleistet. Der für die Diffusionsoberfläche benötigte Kohlenstoffgehalt liegt normalerweise zwischen 0,8 und 1,0% C. Diese Prozesse können auf verschiedenen Kohlenstoffstählen, Legierungsstählen und Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,4% Gewicht und normalerweise unter 0,25% Gewicht durchgeführt werden. Unsachgemäße Wärmebehandlung kann zu Oxidation oder Entkohlung führen. Obwohl das Aufkohlen ein relativ langsamer Prozess ist, kann es als kontinuierlicher Prozess für teure Oberflächenhärtung verwendet werden.
Prozesse und Methoden der Aufkohlung
Während die grundlegenden Prinzipien der Aufkohlung seit ihrer Entstehung kaum verändert wurden, hat sich die Technologie zur Kohlenstoffeinführung verbessert. Im Folgenden wird der in der Industrie häufig verwendete Aufkohlungsvorgang beschrieben.
Paket-Aufkohlung
In diesem Prozess werden Elemente aus weichem Stahl in einer Umgebung mit hohem Kohlenstoffgehalt, wie zum Beispiel Gussspan oder Kohlenstoffpulver, verpackt. Diese Bestandteile werden erhitzt, um Kohlenmonoxid zu erzeugen, das als Reduktionsmittel dient. Die Reduktion findet auf der Stahloberfläche statt, wobei Kohlenstoff freigesetzt wird, der aufgrund der hohen Temperatur an die Oberfläche diffundiert. Das Stahlelement härtet aus, wenn der Kohlenstoff im Inneren des Elements absorbiert wird. Je nach Prozessumgebung beträgt der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche zwischen 0,7% und 1,3%. Die Gehäusetiefe beträgt etwa 0,1 mm bis 1,5 mm. Die Kontrolle der Kohlenstoffanreicherung im Paket ist schwierig, da es schwer ist, eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten. Die hermetische Kohlenstoffanreicherung ist effektiv beim Einbringen von Kohlenstoff, aber diese Methode ist sehr langsam.
Gasveredelung
Während des Gas-Carburierens ist das Teil von einer ständig nachgefüllten Atmosphäre umgeben, die Kohlenstoff enthält, um das hohe Potential dieses Bestandteils aufrechtzuerhalten. Obwohl die Carburiergeschwindigkeit in der Gasatmosphäre erheblich verbessert wird, erfordert diese Methode die Verwendung einer mehrkomponentigen Atmosphäre, deren Zusammensetzung sehr streng kontrolliert werden muss, um schädliche Nebenwirkungen wie Oxide auf der Oberfläche und an den Kornrändern zu vermeiden. Zusätzlich wird separate Ausrüstung zur Erzeugung der Atmosphäre und zur Kontrolle ihrer Zusammensetzung benötigt. Der Gas-Carburierprozess ist theoretisch ähnlich dem Platten-Carburierprozess, mit dem Unterschied, dass Kohlenmonoxid (CO) in den beheizten Ofen eingeführt und Kohlenstoff abgebaut wird. Dieser Prozess beseitigt viele Probleme, die mit der Carburierung von Taschen verbunden sind. CO-Gas muss sicher abgeschaltet werden. Trotz der zusätzlichen Komplexität ist das Gas-Carburieren zur effizientesten und am häufigsten verwendeten Methode für die Massen-Carburierung von Stahlteilen geworden.
Flüssiges Carburieren
In diesem Prozess werden Stahlteile in einer kohlenstoffreichen, verflüssigten Umgebung eingetaucht. Der Hauptbestandteil dieses Bades ist Cyanid. Aus Sicherheitsgründen wurden jedoch ungiftige Bäder entwickelt, die ähnliche Ergebnisse erzielen können. Diese Elemente werden in geschmolzenem Salz gehalten, das Kohlenstoff in den Stahl einbringt. Der Kohlenstoff diffundiert nach innen und bildet eine gehärtete Schicht durch schnelles Abschrecken. Die durch die Kohlenstoffdiffusion erzeugte Schale ähnelt der durch Gascarbonisierung erzeugten. Die flüssig carbonisierte Hülle zeichnet sich durch einen niedrigen Stickstoffgehalt und einen hohen Kohlenstoffgehalt aus.
Vakuumcarburieren
Der Vakuumcarburierungsprozess besteht aus Carburierung in einer sauerstofffreien Umgebung bei niedrigem Druck. Obwohl die Ofenhülle komplexer ist, ist die Atmosphäre erheblich vereinfacht. Es wird eine einkomponentige Umgebung verwendet, die einfache gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan enthält. Da die zum Heizen verwendete Umgebung sauerstofffrei ist, kann die Carburierungstemperatur erheblich erhöht werden, ohne die Oberfläche oder die Kornränder zu oxidieren. Höhere Temperaturen erhöhen die Löslichkeit und Diffusionsrate von Kohlenstoff. Auf diese Weise wird die Zeit, die benötigt wird, um die Schale zu vertiefen, verkürzt. Während die Vakuumcarburierung einige der Komplexitäten der Gascarburierung überwindet, führt sie ein neues ernstes Problem ein, das gelöst werden muss. Da die Vakuumcarburierung unter sehr niedrigem Druck stattfindet und die Gasflussrate des Carburierungsgases in den Ofen sehr niedrig ist, wird das Kohlenstoffpotenzial des Gases in tiefen Vertiefungen und Durchgangslöchern schnell erschöpft. Wenn dieses Gas nicht aufgefüllt wird, können auf der Oberfläche des Teils große Unebenheiten in der Schalentiefe auftreten. Wenn der Gasdruck stark erhöht wird, um dieses Problem zu überwinden, entsteht ein anderes Problem, wie die Bildung von freiem Kohlenstoff oder die Ablagerung von Ruß. Daher muss der Luftdruck, um eine einigermaßen gleichmäßige Tiefe bei komplex geformten Elementen zu erreichen, periodisch erhöht werden, um die erschöpfte Atmosphäre in der Vertiefung aufzufüllen, bevor sie auf den Arbeitsdruck reduziert wird. Es ist offensichtlich, dass es ein empfindliches Gleichgewicht im Vakuumcarburierungsprozess gibt: Die Prozessbedingungen müssen angepasst werden, um das beste Gleichgewicht zwischen Schalenuniformität, dem Risiko der Rußablagerung und der Carburierungsgeschwindigkeit zu erreichen.
Plasma-Carburierung
Bei der Plasmacarbidierung werden positive Kohlenstoffionen auf die Oberfläche eines Stahlteils (Kathode) aufgebracht. Der Hauptunterschied zwischen der konventionellen Carbidierung und der Plasmacarbidierung ist die verkürzte Carbidierungszeit durch die Plasmamethode. Die schnell erreichte Sättigung der Oberfläche führt auch zu einer schnelleren Diffusionskinetik. Darüber hinaus gewährleistet die Plasmacarbidierung eine sehr gleichmäßige Carbidierungstiefe, auch bei Teilen mit unregelmäßigen Oberflächen. Die Plasmacarbidierung wird zunehmend in großen Industrieanlagen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften (wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Härte und Tragfähigkeit sowie qualitätsabhängige Variablen) verschiedener Stahlsorten, insbesondere von Edelstahl, eingesetzt. Dieser Prozess wird angewendet, weil er umweltfreundlich ist (im Vergleich zur Gas- oder Festcarbidierung). Es ermöglicht auch eine gleichmäßige Bearbeitung von Teilen mit komplexer Geometrie (das Plasma kann Löcher und enge Spalten durchdringen, während es die Oberflächenschicht sättigt), was es sehr flexibel in der Teilebearbeitung macht. Aufgrund des Fehlens von Sauerstoff in der Ofenatmosphäre wurde die Plasmacarbidierung eingesetzt.