Der Prozess, bei dem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in Stahl mit hohem Kohlenstoffgehalt umgewandelt wird, heißt Aufkohlen. Dies geschieht, indem der Stahl kohlenstoffreichen Bedingungen ausgesetzt wird. Üblicherweise werden die Bauteile in Öfen, Pfannen und anderen geschlossenen Anlagen aufgekohlt. Durch Erhitzen eines Stahlblechs in einer Atmosphäre aus dichtem Kohlenstoff werden diese Atome auf molekularer Ebene an der Oberfläche des Bauteils angelagert. Während dieses Prozesses gewinnt der Stahl sowohl an Härte als auch an Festigkeit.
Das Aufkohlen ist eine der gängigsten Formen des Härtens. Durch sie können Bauteile mit unterschiedlichen Härtegraden hergestellt werden. Im Allgemeinen gilt: Je höher die Aufkohlungstemperatur und je länger die Zeit, desto härter ist das aufgekohlte Bauteil.
Hauptvorteile des Aufkohlens:
- Erzeugt eine harte Stahloberfläche, indem der Kohlenstoffgehalt der Oberfläche erhöht wird.
- Die erhöhte Oberflächenhärte führt zu einer verbesserten Verschleiß- und Ermüdungsbeständigkeit.
- Die Stahlkerne behalten ihre Duktilität weitgehend bei.
- In einigen Fällen kann es als Abhilfe für unerwünschte Entkohlung dienen, die früh im Produktionsprozess auftritt.
Die Tiefe der aufgekohlten Stahlschicht hängt von der Aufkohlungszeit und dem an der Oberfläche verfügbaren Kohlenstoffpotenzial ab. Eine längere Aufkohlungszeit 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 wirken sich negativ auf die Spannungsverteilung in aufgekohlten Teilen aus.
Die Aufkohlungsatmosphäre muss in der Lage sein, Kohlenstoff in den Stahl zu übertragen, um die gewünschte Oberflächenhärte zu erreichen. Diese Übertragung muss in Bezug auf die Kohlenstoffkonzentration auf der Stahloberfläche streng kontrolliert werden, um die Härtetoleranzanforderungen zu erfüllen. Die Konzentration kann durch das Verhältnis (% vol CO) ²/ (% vol CO2) in der Ofenatmosphäre gesteuert werden.
Aufkohlungsprozess für Präzisionsbauteile
Während sich die Grundlagen der Aufkohlung seit ihren Anfängen kaum verändert haben, haben sich die Techniken zum Einbringen des Kohlenstoffs verbessert. Im Folgenden werden die in der Industrie üblichen Aufkohlungsprozesse beschrieben.
- Chargenaufkohlung – bei diesem Verfahren werden Bauteile aus unlegiertem Stahl von einer kohlenstoffreichen Umgebung umgeben, z. B. von Eisenspänen oder Kohlenstoffpulver. Diese Komponenten werden erhitzt, um Kohlenmonoxid, ein Reduktionsmittel, zu erzeugen. Die Reduktion findet an der Oberfläche des Stahls statt, während der freigesetzte Kohlenstoff bei hohen Temperaturen an die Oberfläche diffundiert. Der Stahl härtet durch die Aufnahme des Kohlenstoffs in das Bauteil, und der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche schwankt je nach Prozessumgebung zwischen 0,7 % und 1,3 %. Die Tiefe der Beschichtung beträgt etwa 0,1 mm bis 1,5 mm. Die Chargenaufkohlung ist schwierig zu steuern, da es problematisch ist, eine gleichmäßige Temperatur aufrechtzuerhalten.
- Gasförmige Aufkohlung – Bei diesem Verfahren ist das Teil von einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre umgeben, die ständig erneuert wird, so dass ein hohes Kohlenstoffpotenzial erhalten bleibt. Obwohl die Aufkohlungsrate in einer gasförmigen Atmosphäre stark erhöht ist, erfordert diese Methode eine Mehrkomponentenatmosphäre, deren Zusammensetzung sehr streng kontrolliert werden muss, um schädliche Nebeneffekte wie Oberflächen- und Korngrenzenoxide zu vermeiden. Außerdem sind separate Anlagen zur Erzeugung der Atmosphäre und zur Kontrolle ihrer Zusammensetzung erforderlich. Der Gasaufkohlungsprozess ähnelt theoretisch dem Chargenaufkohlungsprozess, mit dem Unterschied, dass Kohlenmonoxid (CO) in den Ofen geleitet wird und sich der Kohlenstoff zersetzt. Das CO-Gas muss sicher zurückgehalten werden. Trotz der höheren Komplexität hat sich die Gasaufkohlung zum effizientesten und am weitesten verbreiteten Verfahren für die Aufkohlung von Stahlteilen in großen Mengen entwickelt.
- Flüssigaufkohlung – bei diesem Verfahren werden die Stahlteile in eine flüssige, kohlenstoffreiche Umgebung getaucht. Der Hauptbestandteil dieses Bades ist Zyanid. Aus Sicherheitsgründen wurden jedoch nicht-toxische Bäder entwickelt, die ähnliche Ergebnisse erzielen. Die Teile werden in geschmolzenem Salz konserviert, das Kohlenstoff in den Stahl einbringt. Durch schnelles Abschrecken diffundiert er nach innen und bildet eine gehärtete Hülle. Die durch Aufkohlen erzeugten Schalen ähneln denen, die durch Gasaufkohlung erzeugt werden. Die durch Flüssigaufkohlung hergestellte Hülle hat einen niedrigen Stickstoff- und einen hohen Kohlenstoffgehalt.
- Vakuumaufkohlung – Bei diesem Verfahren erfolgt die Aufkohlung in einer sauerstofffreien Umgebung und bei niedrigem Druck. Die Atmosphäre ist viel einfacher, obwohl der Ofenmantel komplexer ist. Es wird eine Einkomponentenumgebung verwendet, die einfache gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan enthält. Diese Erhitzungsanwendung ist sauerstofffrei, so dass die Aufkohlungstemperatur deutlich erhöht werden kann, ohne dass die Oberfläche oder die Korngrenzen oxidiert werden. Höhere Temperaturen erhöhen die Löslichkeit des Kohlenstoffs und die Diffusionsgeschwindigkeit. Obwohl die Vakuumaufkohlung einige der mit der Gasaufkohlung verbundenen Komplikationen überwindet, führt sie ein wichtiges neues Problem ein, das es zu lösen gilt. Da die Vakuumaufkohlung bei sehr niedrigem Druck erfolgt, ist die Durchflussrate des Aufkohlungsgases in den Ofen sehr gering und das Kohlenstoffpotenzial des Gases in tiefen Hohlräumen und Sacklöchern bleibt vernachlässigbar. Wenn nicht nachgefüllt wird, kann die Tiefe der Ummantelung an der Oberfläche des Werkstücks erheblich variieren. Wird der Luftdruck deutlich erhöht, um dieses Problem zu lösen, tritt ein weiteres auf, und zwar in Form von Ablagerungen von freiem Kohlenstoff oder 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 aufzufüllen, und dann wieder auf den Betriebsdruck gesenkt werden. Es liegt auf der Hand, dass beim Vakuumaufkohlen ein empfindliches Gleichgewicht besteht: Die Prozessbedingungen müssen so angepasst werden, dass ein optimaler Kompromiss zwischen der Gleichmäßigkeit der Umhüllung, dem Risiko der Rußbildung und der Aufkohlungsgeschwindigkeit erreicht wird.
- Plasmaaufkohlung – Bei diesem Verfahren werden durch ein Plasma positiv aufgekohlte Ionen auf der Oberfläche des Stahlteils abgeschieden. Der Hauptunterschied zwischen der konventionellen Aufkohlung und der Plasmaaufkohlung besteht in der kürzeren Zeit bei der Plasmamethode. Die schnell erreichte Oberflächensättigung führt auch zu einer schnelleren Diffusionskinetik. Darüber hinaus ermöglicht die Plasmaaufkohlung eine sehr gleichmäßige Aufkohlungstiefe, auch bei Teilen mit unregelmäßigen Oberflächen. Es wird zunehmend in großen Industrieanlagen eingesetzt, um die Oberflächeneigenschaften (wie Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, Härte und Belastbarkeit sowie masseabhängige Größen) verschiedener Stähle, insbesondere von Edelstahl, zu verbessern. Das Verfahren wird eingesetzt, weil es umweltfreundlich ist (im Vergleich zur Gasaufkohlung). Außerdem können Teile mit komplexer Geometrie gleichmäßig bearbeitet werden (das Plasma kann durch Löcher und schmale Schlitze dringen), was es für die Bearbeitung von Teilen sehr flexibel macht.
Aufkohlen von Stahl
Der Kohlenstoffgehalt von aufgekohltem Stahl liegt im Allgemeinen bei 0,2 %, und der Kohlenstoffgehalt in der aufgekohlten Schicht wird im Allgemeinen im Bereich von 0,8 % bis 1 % gesteuert. Der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche ist jedoch in der Regel auf 0,9 % begrenzt, da ein zu hoher Gehalt zu Restaustenit und sprödem Martensit führt.
Bei den meisten aufgekohlten Stählen handelt es sich um verkalkte Stähle (desoxidiert durch den Zusatz von Aluminium), die ihre feine Korngröße bis zu einer Temperatur von etwa 1040 °C beibehalten. Grobkörnige Stähle können aufgekohlt werden, wenn durch doppeltes Abschrecken die Kornfeinheit erreicht wird. Dabei werden die Stähle in der Regel direkt abgeschreckt und anschließend bei einer niedrigeren Temperatur erneut gehärtet.
Auswahl der Stahlsorten
Bei der Auswahl von Stahlsorten ist zunächst der Legierungs- und Kohlenstoffgehalt ausschlaggebend, um die Anforderungen an die Kernhärte nach dem Austenitisieren, Abschrecken und Anlassen zu erfüllen. Für eine bestimmte Kernhärteanforderung bedeutet dies, dass mit zunehmender Größe des Werkstücks auch der erforderliche Legierungsgehalt steigt. Die Härtbarkeit von Aufkohlungsstählen muss gut genug sein, um eine martensitische Oberflächenbeschichtung in der gewünschten Tiefe zu erzeugen. Der Stahl für die Aufkohlung muss eine bestimmte Menge an Legierungselementen enthalten. Eine weitere Anforderung ist, dass der für die Aufkohlung verwendete Stahl feinkörnig sein sollte. Das bedeutet, dass der Stahl ein Legierungselement, in der Regel Aluminium, enthalten sollte, das Ausscheidungen bildet. Diese wirken als Barriere für das Kornwachstum, bis eine bestimmte Höchsttemperatur erreicht ist, in der Regel etwa 950 °C.
Kernhärtbarkeit
Viele legierte Stähle für die Oberflächenhärtung werden heute auf der Grundlage der Kernhärtbarkeit spezifiziert. Während für die Auswahl von nicht aufgekohlten Sorten im Allgemeinen die gleichen Überlegungen gelten, gibt es bei aufgekohlten Anwendungen einige Besonderheiten. In erster Linie muss bei aufgekohlten Stählen die Härtbarkeit von Kern und Mantel berücksichtigt werden. Aufgrund des unterschiedlichen Kohlenstoffgehalts haben Mantel und Kern eine völlig unterschiedliche Härtbarkeit, und bei einigen Stählen ist dieser Unterschied viel größer als bei anderen. Darüber hinaus erfüllen diese beiden Elemente im Betrieb unterschiedliche Funktionen. Vor der Einführung borhaltiger niedrig legierter Stähle brauchte man sich über die Härtbarkeit des Mantels keine Gedanken zu machen, da der Legierungsgehalt in Verbindung mit dem hohen Kohlenstoffgehalt immer für eine ausreichende Härtbarkeit sorgte. Es ist jedoch zu bedenken, dass der Stahl unmittelbar nach dem Aufkohlen gehärtet wird, um den Kohlenstoff und die Legierungselemente im Austenit des Einsatzes aufzulösen, und dass bei wiedererwärmungsgehärteten Teilen sowie bei Teilen mit großen Querschnitten die Anforderungen an die Härtbarkeit von Mantel und Kern sorgfältig geprüft werden müssen.