Das Aufkohlen ist eines der am weitesten verbreiteten Aufkohlungsverfahren. Es wird schon seit langem verwendet. Bei diesem Verfahren wird Kohlenstoff in unlegierten Stahl eindiffundiert, so dass eine kohlenstoffreiche Stahloberfläche entsteht. Der Aufkohlungsprozess wird auch als Härten bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Wärmebehandlungsverfahren, das eine verschleißfeste Oberfläche erzeugt und gleichzeitig die Duktilität und Kernfestigkeit erhält.
Das Aufkohlungsverfahren hat sich mit den Fortschritten bei den Wärmebehandlungsverfahren weiterentwickelt, die die Härte und Haltbarkeit von Produkten wie Drahtfedern aus Kohlenstoffstahl und Schmiedestücken aus Kohlenstoffstahl erhöhen. Das Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Kohlenstoff freigesetzt wird, wenn Stahl in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials wie Holzkohle oder Kohlenmonoxid auf 850 bis 950 Grad Celsius erhitzt wird, um den Stahl zu härten. Stahl, der bei dieser Temperatur erhitzt wird, hat eine austenitische Struktur, die eine hohe Löslichkeit für Kohlenstoff aufweist und eine stabile Struktur ist. Je nach Zeit und Temperatur kann der Kohlenstoffgehalt des betroffenen Bereichs variieren. Längere Aufkohlungszeiten und höhere Temperaturen erhöhen im Allgemeinen die Tiefe der Kohlenstoffdiffusion. Wenn der Stahl durch Abschrecken schnell gehärtet wird, wird der höhere Kohlenstoffgehalt an der Außenfläche durch die Umwandlung von Austenit in Martensit gehärtet, während der Kern eine weiche und harte ferritische und/oder perlitische Mikrostruktur beibehält.
Aufkohlungsmethode
Aufkohlungsverfahren ist die Wärmebehandlung von Metalloberflächen unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle. Das Aufkohlen kann zur Erhöhung der Oberflächenhärte von Baustahl eingesetzt werden. Beim frühen Aufkohlen wurde Holzkohle direkt auf das Werkstück aufgetragen, während bei modernen Verfahren ein kohlenstoffhaltiges Gas oder Plasma verwendet wird.
Der Prozess hängt in hohem Maße von der Zusammensetzung des umgebenden Gases und der Temperatur des Ofens ab und muss sorgfältig kontrolliert werden, da die Hitze auch die Mikrostruktur des übrigen Materials beeinflusst. Bei Anwendungen, die eine genaue Kontrolle der Gaszusammensetzung erfordern, kann die Aufkohlung in einer Vakuumkammer bei sehr niedrigem Druck durchgeführt werden.
Die Plasmaaufkohlung wird zunehmend zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften verschiedener Metalle, insbesondere von Edelstahl, eingesetzt. Das Verfahren ist umweltfreundlich. Sie ermöglicht auch die gleichmäßige Bearbeitung von Teilen mit komplexen Geometrien und ist damit sehr flexibel bei der Bearbeitung von Teilen. Beim Aufkohlungsprozess diffundieren Kohlenstoffatome in die Oberflächenschicht des Metalls. Da Metalle aus Atomen bestehen, die fest an das Metallgitter gebunden sind, diffundieren die Kohlenstoffatome in die Kristallstruktur des Metalls und bleiben entweder in Lösung oder reagieren mit Elementen des Grundmetalls und bilden Karbide.
Bleibt der Kohlenstoff in fester Lösung, wird der Stahl wärmebehandelt, um ihn zu härten. Beide Mechanismen verstärken die Oberfläche des Metalls, 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 Gasaufkohlung in einem Temperaturbereich von 900 bis 950 °C durchgeführt.
Beim Acetylen-Sauerstoff-Schweißen ist die Aufkohlungsflamme eine Flamme mit einem sehr geringen Sauerstoffanteil, die Ruß erzeugt, eine Flamme mit niedrigerer Temperatur. Es wird häufig zum Glühen von Metallen verwendet, um sie beim Schweißen dehnbarer und flexibler zu machen.
Arten der Aufkohlung
In der Vergangenheit gab es je nach Kohlequelle drei Methoden der Aufkohlung: feste Aufkohlung, flüssige Aufkohlung und Gasaufkohlung. Verwendet werden Holzkohle, geschmolzenes Salz und kohlenstoffhaltige Gase wie Erdgas und Propan.
Es gibt drei gebräuchliche Aufkohlungsmethoden:
- Gasaufkohlung
- Flüssigkohlenstoffaufkohlung
- feste Aufkohlung
Alle drei Verfahren beruhen auf der Umwandlung von Austenit in Martensit während des Härtens. Der Anstieg des Kohlenstoffgehalts der Oberfläche muss groß genug sein, um eine martensitische Schicht mit ausreichender Härte (typischerweise 700 HV) zu erzeugen, die eine verschleißfeste Oberfläche bildet.
Der für eine Diffusionsoberfläche erforderliche Kohlenstoffgehalt liegt in der Regel zwischen 0,8 und 1,0 % C. Diese Verfahren können bei einer Vielzahl von Kohlenstoffstählen, legierten Stählen und Gusseisen mit einem Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,4 Gewichtsprozent und normalerweise weniger als 0,25 Gewichtsprozent durchgeführt werden. Eine unsachgemäße Wärmebehandlung kann zu Oxidation oder Entkohlung führen. Das Aufkohlen ist zwar ein relativ langsamer Prozess, kann aber als kontinuierliches Verfahren zur teuren Oberflächenhärtung eingesetzt werden.
Aufkohlungsprozesse und -methoden
Während sich die Grundprinzipien der Aufkohlung seit ihren Anfängen kaum verändert haben, hat sich die Technologie zur Einbringung der Kohle verbessert. Ein in der Industrie übliches Aufkohlungsverfahren wird im Folgenden beschrieben.
Packungsaufkohlung
Bei diesem Verfahren werden Bauteile aus unlegiertem Stahl in einer kohlenstoffreichen Umgebung verpackt, z. B. in Eisenspänen oder Kohlenstoffpulver. Bei der Erhitzung dieser Komponenten entsteht Kohlenmonoxid, das ein Mittel zur reduzieren. Die Reduktion erfolgt an der Stahloberfläche, wobei Kohlenstoff freigesetzt wird, der aufgrund der hohen Temperatur an die Oberfläche diffundiert ist. Die Stahlkomponente härtet, da der Kohlenstoff im Inneren der Komponente absorbiert wird. Je nach Prozessumgebung liegt der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche zwischen 0,7 % und 1,3 %. Die Tiefe des Gehäuses beträgt etwa 0,1 mm bis 1,5 mm. Die Kontrolle der Aufkohlung des Pakets ist schwierig, da es schwierig ist, eine gleichmäßige Temperatur zu halten. Die Einkapselungsaufkohlung ist eine wirksame Methode zur Einbringung von Kohlenstoff, aber sie ist sehr langsam.
Gasaufkohlung
Bei der Gasaufkohlung ist das Teil von einer sich ständig erneuernden kohlenstoffhaltigen Atmosphäre umgeben, um ein hohes Kohlenstoffpotenzial zu erhalten. Obwohl die Aufkohlungsrate in einer Gasatmosphäre stark verbessert wird, erfordert diese Methode eine Mehrkomponentenatmosphäre, deren Zusammensetzung sehr streng kontrolliert werden muss, um schädliche Nebeneffekte wie Oxide auf der Oberfläche und in den Korngrenzen zu vermeiden. Außerdem sind separate Anlagen zur Erzeugung der Atmosphäre und zur Kontrolle ihrer Zusammensetzung erforderlich. Der Gasaufkohlungsprozess ist theoretisch ähnlich wie der plattierte Aufkohlungsprozess, mit dem Unterschied, dass dem beheizten Ofen Kohlenmonoxid (CO) zugeführt wird und der Kohlenstoff zersetzt wird. Dieses Verfahren beseitigt viele der Probleme, die mit der Beutelaufkohlung verbunden sind. Das CO-Gas muss sicher abgeschaltet werden. Trotz der zusätzlichen Komplexität ist die Gasaufkohlung die effizienteste und am weitesten verbreitete Methode für die Massenaufkohlung von Stahlteilen geworden.
Flüssigaufkohlung
Bei diesem Verfahren werden die Stahlteile in eine kohlenstoffreiche, verflüssigte Umgebung getaucht. Der Hauptbestandteil dieses Bades ist Zyanid. Aus Sicherheitsgründen wurden jedoch ungiftige Bäder entwickelt, mit denen ähnliche Ergebnisse erzielt werden können. Die Elemente befinden sich in einem geschmolzenen Salz, das dem Stahl Kohlenstoff zuführt. Der Kohlenstoff diffundiert nach innen und bildet durch schnelle Aushärtung eine gehärtete Schale. Die durch Kohlenstoffdiffusion erzeugte Schale ähnelt der durch Gasaufkohlung erzeugten. Eine flüssige aufgekohlte Schale zeichnet sich durch einen niedrigen Stickstoff- und einen hohen Kohlenstoffgehalt aus.
Vakuumaufkohlung und Aufkohlungsverfahren
Bei der Vakuumaufkohlung erfolgt die Aufkohlungsverfahren in einer sauerstofffreien Umgebung bei niedrigem Druck. Obwohl der Ofenmantel komplexer ist, ist die Atmosphäre stark vereinfacht. Es wird eine Ein-Komponenten-Umgebung verwendet, die einfache gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan enthält. Da die zum Erhitzen verwendete Umgebung sauerstofffrei ist, kann die Aufkohlungstemperatur deutlich erhöht werden, ohne dass die Oberfläche oder die Korngrenzen oxidiert werden. Höhere Temperaturen erhöhen die Löslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit von Kohlenstoff. Dies verkürzt die Zeit, die für die Vertiefung der Kruste erforderlich ist. Bei der Vakuumaufkohlung werden zwar einige der mit der Gasaufkohlung verbundenen Schwierigkeiten überwunden, aber es wird ein großes neues Problem eingeführt, das es zu lösen gilt. Da die Vakuumaufkohlung bei sehr niedrigem Druck stattfindet und die Durchflussmenge des Aufkohlungsgases in den Ofen sehr gering ist, ist das Kohlenstoffpotenzial des Gases in den tiefen Hohlräumen und Sacklöchern schnell erschöpft. Wird dieses Gas nicht nachgefüllt, können an der Oberfläche des Teils große Inhomogenitäten in der Krustentiefe auftreten. Wird der Gasdruck deutlich erhöht, um dieses Problem zu überwinden, tritt ein weiteres Problem auf, z. B. die Bildung von freiem Kohlenstoff oder die Ablagerung von Ruß. Um bei Teilen mit komplexen Formen eine einigermaßen gleichmäßige Tiefe zu erreichen, muss der Luftdruck daher regelmäßig erhöht werden, um die verbrauchte Atmosphäre im Hohlraum wieder aufzufüllen, bevor er auf eine Betriebsdruck. Es liegt auf der Hand, dass die Vakuumaufkohlung ein heikles Gleichgewicht darstellt: Die Prozessbedingungen müssen so angepasst werden, dass ein optimales Gleichgewicht zwischen der Gleichmäßigkeit der Schale, dem Risiko der Rußablagerung und der Aufkohlungsrate erreicht wird.
Plasmaaufkohlung und Aufkohlungsverfahren
Bei der Aufkohlungsmethode werden positive Kohlenstoffionen durch ein Plasma auf die Oberfläche des Stahlteils (Kathode) aufgebracht. Der Hauptunterschied zwischen der herkömmlichen Aufkohlung und der Plasmaaufkohlung ist die kürzere Aufkohlungszeit des Plasmaverfahrens. Die schnell erreichte Oberflächensättigung führt auch zu einer schnelleren Diffusionskinetik. Darüber hinaus bietet die Plasmaaufkohlung eine sehr gleichmäßige Aufkohlungstiefe, selbst bei Teilen mit unregelmäßigen Oberflächen. Die Plasmaaufkohlung wird zunehmend in großen Industrieanlagen eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften (wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Härte und Belastbarkeit sowie qualitätsabhängige Größen) verschiedener Stähle, insbesondere von Edelstahl, zu verbessern. Das Verfahren wird eingesetzt, weil es umweltfreundlich ist (im Vergleich zur Gas- oder Feststoffaufkohlung). Es ermöglicht auch die gleichmäßige Bearbeitung von Teilen mit komplexen Geometrien (Plasma kann in Löcher und enge Spalten eindringen), was es sehr flexibel für die Bearbeitung von Teilen macht. Aufgrund des Sauerstoffmangels in der Ofenatmosphäre wurde die Plasmaaufkohlung eingesetzt.