Was ist Aufkohlen? - Definition, Typen und Verfahren

Was ist Aufkohlen?

Aufkohlen ist ein Einsatzhärteprozess, bei dem Kohlenstoff bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Stahlkornstruktur zu verändern, in die Oberflächenschicht eines Stahlteils diffundiert. Diese Änderung ermöglicht es dem Stahl, Kohlenstoff zu absorbieren. Das Ergebnis ist eine verschleißfeste Schicht, die das Aufkohlen zu einem idealen Verfahren bei der Herstellung von starken, sicheren Metallen macht.

Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem Eisen oder Stahl Kohlenstoff absorbiert, während das Metall in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials wie Holzkohle oder Kohlenmonoxid erhitzt wird. Die Absicht ist, das Metall härter zu machen.

Je nach Zeit und Temperatur kann der Kohlenstoffgehalt des betroffenen Bereichs variieren. Längere Aufkohlungszeiten und höhere Temperaturen erhöhen typischerweise die Tiefe der Kohlenstoffdiffusion.

Wenn das Eisen oder der Stahl durch Abschrecken schnell abgekühlt wird, wird der höhere Kohlenstoffgehalt an der äußeren Oberfläche durch die Umwandlung von Austenit in Martensit hart, während der Kern als ferritisches und/oder perlitisches Gefüge weich und zäh bleibt.

Dieser Herstellungsprozess lässt sich durch folgende Kernpunkte charakterisieren:

• Es wird auf kohlenstoffarme Werkstücke angewendet;
• Werkstücke sind in Kontakt mit einem kohlenstoffreichen Gas, flüssig oder fest;
• Erzeugt eine harte Werkstückoberfläche; Werkstückkerne behalten ihre Zähigkeit und Duktilität weitgehend bei und
• Es erzeugt Einsatzhärtetiefen von bis zu 0,25 Zoll (6,4 mm).

In einigen Fällen dient es als Heilmittel für unerwünschte Entkohlung, die früher in einem Herstellungsprozess aufgetreten ist.

Methode der Aufkohlung

Das Aufkohlen von Stahl beinhaltet eine Wärmebehandlung der metallischen Oberfläche unter Verwendung einer Kohlenstoffquelle. Die Aufkohlung kann verwendet werden, um die Oberflächenhärte von kohlenstoffarmem Stahl zu erhöhen. Die frühe Aufkohlung verwendete eine direkte Anwendung von Holzkohle, die um die zu behandelnde Probe gepackt wurde, aber moderne Techniken verwenden kohlenstoffhaltige Gase oder Plasmen.

Der Prozess hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung des Umgebungsgases und der Ofentemperatur ab, die sorgfältig kontrolliert werden müssen, da die Hitze auch die Mikrostruktur des restlichen Materials beeinflussen kann. Für Anwendungen, bei denen eine große Kontrolle über die Gaszusammensetzung erwünscht ist, kann die Aufkohlung unter sehr niedrigen Drücken in einer Vakuumkammer stattfinden.

Die Plasmaaufkohlung wird zunehmend verwendet, um die Oberflächeneigenschaften verschiedener Metalle, insbesondere Edelstahl, zu verbessern. Das Verfahren ist umweltfreundlich. Es bietet auch eine gleichmäßige Behandlung von Komponenten mit komplexer Geometrie, wodurch es sehr flexibel in Bezug auf die Komponentenbehandlung ist.

Der Prozess der Aufkohlung funktioniert über die Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Oberflächenschichten des Metalls. Da Metalle aus Atomen bestehen, die fest in einem metallischen Kristallgitter gebunden sind, diffundieren die Kohlenstoffatome in die Kristallstruktur des Metalls und bleiben entweder in Lösung oder reagieren mit Elementen im Wirtsmetall, um Carbide zu bilden.

Wenn der Kohlenstoff in einer festen Lösung verbleibt, wird der Stahl anschließend wärmebehandelt, um ihn zu härten. Beide Mechanismen stärken die Oberfläche des Metalls, ersterer durch Bildung von Perlit oder Martensit, letzterer durch Bildung von Karbiden. Beide Materialien sind hart und abriebfest.

Die Gasaufkohlung wird normalerweise bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 950 °C durchgeführt.

Beim Sauerstoff-Acetylen-Schweißen ist eine aufkohlende Flamme eine mit wenig Sauerstoff, die eine rußige Flamme mit niedrigerer Temperatur erzeugt. Es wird häufig zum Tempern von Metall verwendet, wodurch es während des Schweißvorgangs formbarer und flexibler wird.

Aufkohlungsarten

In der Vergangenheit gab es je nach Kohlenstoffquelle drei Arten von Aufkohlungsverfahren:Festaufkohlung, Flüssigaufkohlung und Gasaufkohlung. Entsprechend kommen Holzkohle, Salzschmelze und kohlenstoffhaltige Gase wie Erdgas und Propan zum Einsatz.

Es gibt drei Arten der Aufkohlung, die üblicherweise verwendet werden:

• Gasaufkohlung
• Aufkohlende Flüssigkeiten
• Feststoffaufkohlung

Alle drei Verfahren beruhen auf der Umwandlung von Austenit in Martensit beim Abschrecken. Die Erhöhung des Kohlenstoffgehalts an der Oberfläche muss hoch genug sein, um eine martensitische Schicht mit ausreichender Härte, typischerweise 700 HV, zu ergeben, um eine verschleißfeste Oberfläche bereitzustellen.

Der erforderliche Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche nach der Diffusion beträgt üblicherweise 0,8 bis 1,0 % C. Diese Verfahren können an einer Vielzahl von Kohlenstoffstählen, legierten Stählen und Gusseisen durchgeführt werden, bei denen der Kohlenstoffgehalt in der Masse maximal 0,4 beträgt % und normalerweise weniger als 0,25 %. Eine falsche Wärmebehandlung kann zu Oxidation oder Entkohlung führen.

Obwohl es sich um einen relativ langsamen Prozess handelt, kann das Aufkohlen als kontinuierlicher Prozess verwendet werden und eignet sich für die großvolumige Oberflächenhärtung.

1. Gasaufkohlung

Beim Gasaufkohlen wird Kohlenstoffstahl in Gegenwart einer kohlenstoffreichen Atmosphäre auf Austenitisierungstemperatur erhitzt. Es ist üblich, ein Trägergas wie endothermes Gas („Endo“) zusammen mit einer Kohlenwasserstoffanreicherung (Erdgas oder Propan) zu verwenden.

Die Komponente wird in einem Ofen gehalten, der eine Atmosphäre aus Methan oder Propan mit einem neutralen Trägergas enthält, normalerweise eine Mischung aus N2, CO, CO2, H2 und CH4. Bei der Aufkohlungstemperatur zerfällt Methan (bzw. Propan) an der Bauteiloberfläche zu atomarem Kohlenstoff und Wasserstoff, wobei der Kohlenstoff in die Oberfläche eindiffundiert.

Die Temperatur beträgt typischerweise 925 °C und die Aufkohlungszeiten reichen von 2 Stunden für ein Gehäuse mit einer Tiefe von 1 mm bis maximal 36 Stunden für ein Gehäuse mit einer Tiefe von 4 mm. Das Abschreckmedium ist normalerweise Öl, aber es kann auch Wasser, Salzlösung, Natronlauge oder Polymer sein.

2. Vakuumaufkohlen

Dieser Aufkohlungsprozess umfasst eine sauerstofffreie Umgebung mit niedrigem Druck. Bei diesem Verfahren werden gasförmige Kohlenwasserstoffe wie Methan verwendet. Da die Umgebung sauerstofffrei ist, kann die Aufkohlungstemperatur erhöht werden, ohne sich Gedanken über Oxidation machen zu müssen. Je höher die Temperatur, desto höher die Kohlenstofflöslichkeit und Diffusionsgeschwindigkeit, wodurch die für die Härtetiefe erforderliche Zeit minimiert wird

3. Flüssigaufkohlung

Flüssigaufkohlen ist ein Verfahren zum Einsatzhärten von Stahl- oder Eisenteilen. Die Teile werden bei einer Temperatur über Ac1 in einer Salzschmelze gehalten, die Kohlenstoff und Stickstoff oder nur Kohlenstoff in das Metall einführt. Die meisten flüssigen Aufkohlungsbäder enthalten Cyanid, das sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff in das Gehäuse einbringt.

Flüssigkeiten oder Cyanide werden aufgekohlt, indem das Bauteil in ein Salzbad mit einer Temperatur von 845 bis 955 °C eingebracht wird. Das Salz ist meist ein Cyanid-Chlorid-Carbonat-Gemisch und hochgiftig. Die Cyanidsalze bringen eine kleine Menge Stickstoff in die Oberfläche ein, was ihre Härte weiter verbessert. Obwohl es das schnellste Aufkohlungsverfahren ist, eignet es sich nur für kleine Losgrößen.

4. Festaufkohlen (Paketaufkohlen)

Beim Fest- oder Packungsaufkohlen handelt es sich um einen Prozess, bei dem sich aus einer festen Verbindung stammendes Kohlenmonoxid an der Metalloberfläche in entstehenden Kohlenstoff und Kohlendioxid zersetzt. Aufkohlungsbehälter bestehen aus Kohlenstoffstahl, aluminiumbeschichtetem Kohlenstoffstahl oder hitzebeständigen Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen.

Die Komponenten werden von einem Aufkohlungsmedium umgeben und in einer abgedichteten Box platziert. Das Medium ist normalerweise Koks oder Holzkohle gemischt mit Bariumcarbonat. Der Prozess ist eigentlich ein Prozess der Gasaufkohlung, da das erzeugte CO in CO2 und Kohlenstoff dissoziiert, die in die Oberfläche der Komponenten diffundieren.

Die Temperaturen betragen typischerweise 790 bis 845°C für Zeiten von 2 bis 36 Stunden. Das Packungsaufkohlen ist das am wenigsten anspruchsvolle Aufkohlungsverfahren und bleibt daher eine weit verbreitete Methode.

Carbonitrieren

Das Carbonitrieren wird an einem ähnlichen Stahlabschnitt durchgeführt, obwohl der Massenkohlenstoffgehalt 0,4–0,5 % betragen kann. Das Verfahren eignet sich besonders zum Härten der Oberfläche von Bauteilen, die einen gehärteten Kern benötigen, wie z. B. Zahnräder und Wellen.

Das Carbonitrieren ist eine Modifikation des Gasaufkohlens, bei dem dem Methan oder Propan Ammoniak zugesetzt wird und die Stickstoffquelle darstellt.

Häufig gestellte Fragen.

Was ist Aufkohlen?

Das Aufkohlen ist ein Fall des Härteprozesses, bei dem Kohlenstoff bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Stahlkornstruktur zu verändern, in die Oberflächenschicht eines Stahlteils diffundiert. Diese Änderung ermöglicht es dem Stahl, Kohlenstoff zu absorbieren.

Was ist der Aufkohlungsprozess?

Das Aufkohlen ist ein thermochemischer Prozess, bei dem Kohlenstoff in die Oberfläche von kohlenstoffarmen Stählen diffundiert wird, um den Kohlenstoffgehalt auf ein ausreichendes Niveau zu erhöhen, damit die Oberfläche auf die Wärmebehandlung anspricht und eine harte, verschleißfeste Schicht erzeugt. Es gibt drei Arten des Aufkohlens, die üblicherweise verwendet werden:Aufkohlen mit Gas.

Was sind die drei Arten des Aufkohlens?

Historisch gesehen gibt es je nach Kohlenstoffquelle drei Arten von Aufkohlungsverfahren:Festaufkohlung, Flüssigaufkohlung und Gasaufkohlung. Entsprechend werden Holzkohle, Salzschmelze und kohlenstoffhaltige Gase wie Erdgas und Propan eingesetzt.

Welche Arten des Aufkohlens gibt es?

Arten des Aufkohlens

• Verpackungsaufkohlung
• Gasaufkohlung
• Vakuumaufkohlen
• Flüssigaufkohlen

Was ist der Zweck der Aufkohlung?

Der Zweck dieses Prozesses ist es, das Metall härter und besser handhabbar zu machen. Die Härte von Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt kann durch die Zugabe von Kohlenstoff unter einer bestimmten Form der Wärmebehandlung erhöht werden. Bei erfolgreicher Durchführung kann die Oberflächenhärte des Stahls verbessert werden.

Warum wird Stahl aufgekohlt?

Das Aufkohlen erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit, indem Kohlenstoff in die Oberfläche des Stahls diffundiert, wodurch ein Gehäuse entsteht, während eine wesentlich geringere Härte im Kern erhalten bleibt. Diese Behandlung wird nach der Bearbeitung auf Teile aus kohlenstoffarmem Stahl sowie auf Lager, Zahnräder und andere Komponenten aus hochlegiertem Stahl angewendet.

Was ist Aufkohlen und Nitrieren?

Nitrieren und Aufkohlen sind die beiden gängigsten Wärmebehandlungsverfahren zum Oberflächenhärten von Funktionsbauteilen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass beim Nitrieren Stickstoffatome dazu gebracht werden, in die Oberfläche der zu bearbeitenden Teile zu diffundieren, während beim Aufkohlen Kohlenstoff verwendet wird.

Was ist der Unterschied zwischen Einsatzhärten und Aufkohlen?

Beim Einsatzhärten wird nur die Oberfläche des Teils gehärtet. Es wird auch als Aufkohlen bezeichnet. Beim Aufkohlungsprozess wird die kohlenstoffarme Komponente in einen Ofen gegeben, der eine sorgfältig kontrollierte Kohlenstoffatmosphäre enthält.

Was ist die Aufkohlungstemperatur?

Die Aufkohlungsöfen sind entweder gasbeheizt oder elektrisch beheizt. Die Aufkohlungstemperatur variiert zwischen 870 und 940 ºC. Die Gasatmosphäre für die Aufkohlung wird aus flüssigen oder gasförmigen Kohlenwasserstoffen wie Propan, Butan oder Methan hergestellt.

Was ist flüssiges Aufkohlen?

Das Flüssigaufkohlen ist ein Verfahren, das üblicherweise für kleine und mittelgroße Teile verwendet wird. Im Salzbad stammt der in das Werkstück zu diffundierende Kohlenstoff aus einer Salzschmelze, die eine Mischung aus Natriumcyanid (NaCN) und Bariumchlorid (BaCl2) ist.

Welcher Stahl kann aufgekohlt werden?

Die Mikrostruktur des Kerns wird während dieser Niedertemperaturverarbeitung nicht verändert. Während das Aufkohlen hauptsächlich für kohlenstoffarme Stähle und niedriglegierte Stähle verwendet wird, wird das Nitrieren für kohlenstoffarme Stähle, legierte Stähle, Werkzeugstähle und rostfreie Stähle verwendet. Nitrierte Stähle können eine überlegene Verschleißfestigkeit und Härte aufweisen.

Was sind zwei Schritte zum Aufkohlen?

Obwohl das Atmosphärenaufkohlen aus mehreren Prozessschritten besteht, kann es vereinfacht werden, indem es zwei Hauptprozesse umfasst:die Kohlenstofferzeugung im Ofen und die Kohlenstoffdiffusion in das Werkstück. Ersteres liefert Kohlenstoffatome, während letzteres den Kohlenstoffkonzentrationsgradienten bestimmt.

Warum wird BaCO3 dem festen Aufkohler zugesetzt?

„Ein Aufkohlungsprozess wird oft durchgeführt, um die Oberfläche des Zahnrads und der Nocke oder des Nockens zu härten (Malau, V., 1999)“. Um das Eindringen von Kohlenstoff in die Probe während des Pengarbonan-Prozesses zu beschleunigen, ist es notwendig, andere Elemente wie BaCO3, NaCO3 und andere hinzuzufügen.

Welches der folgenden Gase wird zum Gasaufkohlen verwendet?

Gasaufkohlen, einschließlich eines Karbonitrier- oder Gasnitrierverfahrens unter Verwendung von Ammoniakgas (NH3), das entstehenden Stickstoff erzeugt, der in das Gehäuse des Stahls eindringt und die Härte erhöht.

Welche Metalle können Nitride sein?

Aluminium, Chrom, Molybdän, Titan, Wolfram und Vanadium verbinden sich bei hohen Temperaturen leicht mit Stickstoff, um Nitride der jeweiligen Metalle zu bilden. Kohlenstoffarme Stahllegierungen, die diese Metalle enthalten, sind typischerweise gute Kandidaten für das Nitrieren.

Was ist der Unterschied zwischen Aufkohlen und Carbonitrieren?

Der Hauptunterschied zwischen Aufkohlen und Carbonitrieren besteht darin, dass das Aufkohlen der Prozess des Härtens einer Stahloberfläche unter Verwendung von Kohlenstoff ist, während das Carbonitrieren der Prozess des Härtens einer Stahloberfläche unter Verwendung von Kohlenstoff und Stickstoff ist.

Ist nach dem Aufkohlen eine Wärmebehandlung erforderlich?

Die Komponente kann entweder von der Aufkohlungstemperatur abgeschreckt oder auf eine geeignete Austenitisierungstemperatur wiedererwärmt und abgeschreckt werden. Direktes Abschrecken ist weniger zeitaufwändig und billig, aber in der Packungsaufkohlungspraxis nicht möglich. Daher werden packungsaufgekohlte Teile ausnahmslos erneut erhitzt und abgeschreckt.

Ändert die Aufkohlung die Größe?

Es ist praktisch unmöglich, ein Werkstück ohne Maßänderungen aufzukohlen. Das Ausmaß dieser Änderungen hängt von der Art des verwendeten Materials, dem Aufkohlungsprozess, dem das Material unterzogen wird, und der ursprünglichen Größe und Form des Werkstücks ab.

Was ist Packungsaufkohlung?

Die früheste Methode des Einsatzhärtens, bei der Bauteile zusammen mit kohlenstoffhaltigen Materialien wie Holzkohle, Hufe, Fell, Tierfett und Horn in eine geeignete Kiste gepackt und auf Aufkohlungstemperatur erhitzt wurden.

Welche Art von Diffusion ist Aufkohlung?

Beim Aufkohlungsprozess bestimmt die Kohlenstoffdiffusion den Kohlenstoffkonzentrationsgradienten und Härteverlauf im Werkstück. Obwohl das Aufkohlen ein komplizierter Prozess ist, kann er in zwei Hauptschritte unterteilt werden:Kohlenstofferzeugung im Ofen und Kohlenstoffdiffusion in das Werkstück.

Schrumpft Metall durch Wärmebehandlung?

An vielen Materialien wurden experimentelle Arbeiten durchgeführt, um die Auswirkungen der Wärmebehandlung auf die Größenänderung zu zeigen. Die Auswirkungen sind für jede Materialqualität unterschiedlich. Beispielsweise wuchs ein 3,15-Zoll-Würfel aus D-2-Werkzeugstahl während des Härtens in einer Dimension um 0,08 %, während er in den anderen beiden Dimensionen schrumpfte.

Warum findet Case Hardening statt?

Einsatzhärten ist ein Materialbearbeitungsverfahren, das zur Erhöhung der Härte der äußeren Oberfläche eines Metalls eingesetzt wird. Da Härteprozesse die Formbarkeit und Bearbeitbarkeit verringern, wird das Einsatzhärten normalerweise durchgeführt, nachdem die meisten anderen Herstellungsprozesse abgeschlossen sind.