Was ist Aufkohlen: Vorteile, Verfahren, Arten und Anwendungen

Jede Anwendung stellt unterschiedliche Anforderungen an die Härte des Materials, aus dem ihre Komponenten gefertigt werden. Um die erforderliche Härte zu erreichen, wird jedoch ein Aufkohlungsprozess eingesetzt, um Metalle zu härten.

Es gibt verschiedene Metallarten, die eine Härtung erfordern können, und dies wird durch den Aufkohlungsprozess erreicht. Wenn Sie wissen möchten, was Aufkohlen ist, lesen Sie die folgende Anleitung.

Was ist Aufkohlen?

Aufkohlen ist ein Wärmebehandlungsverfahren, das die Eigenschaften von Materialien wie die Härte verbessert, indem der Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche des Metalls erhöht wird. Der Oberfläche des Metalls kann Kohlenstoff fehlen, daher ist die Zugabe von Kohlenstoff wesentlich, um eine harte Schicht darum herum zu erzeugen.

Vorteile des Aufkohlens

Das Aufkohlen bietet mehrere vielseitige Vorteile, von denen einige im Folgenden aufgeführt sind:

• Der Aufkohlungsprozess ist sehr einfach, lässt sich in kürzester Zeit durchführen und erfordert nicht einmal besondere Fachkenntnisse. Er ist zudem mit verschiedenen Materialarten wie Gusseisen und Kohlenstoffstahl kompatibel. Er eignet sich für komplexe Formen und Designs.
• Aufkohlen ist ein kostengünstiges Verfahren und kann Bauteilen mit begrenztem Aufwand Härte verleihen.
• Das Aufkohlen eignet sich für große Stückzahlen, da es automatisiert ist und größere Produktchargen härtet.
• Es bietet eine bessere Maßkontrolle, und selbst nach dem Härteprozess ist die Verformung vernachlässigbar.
• Es verbessert die Verschleißfestigkeit und Duktilität des Werkstücks.
• Das Aufkohlen verleiht Bauteilen eine hohe Ermüdungsfestigkeit, sodass die harte Außenschicht es dem Bauteil ermöglicht, hohen Belastungen standzuhalten.

Verfahren des Aufkohlens

Der Aufkohlungsprozess besteht aus den folgenden Schritten:

Zugabe von Kohlenstoff

Im ersten Schritt wird das Bauteil gereinigt und anschließend in eine dicht verschlossene Kiste gelegt, die kohlenstoffhaltige Materialien enthält. Zum Verschließen der Kiste kann Töpferton verwendet werden. Die Kiste wird dann bei einer Temperatur von 925 Grad Celsius etwa 10 Stunden lang im Ofen gehalten.

Das Kohlendioxid stammt aus dem kohlenstoffhaltigen Material, das in Kohlenstoff und Kohlenmonoxid zerfällt. Der Kohlenstoff diffundiert in das Bauteil, das aufgekohlt wird. Das Teil absorbiert Kohlenstoff in Schichten, und anschließend wird die Kiste aus dem Ofen entfernt.

Wärmebehandlung

Das Teil wird dann für die Wärmebehandlungsstufe erneut in den Ofen gelegt. Es wird etwa 15 Minuten lang bei einer Temperatur von 790 Grad Celsius im Ofen gehalten. Dies hilft, das Metall in Austenit umzuwandeln, und nach dem Entfernen aus dem Ofen wird das Teil in Wasser gelegt. Dies führt zu einer schnellen Abkühlung und zur Ausbildung harter Gefügestrukturen.

Anlassen

Durch die schnelle Abkühlung entstehen innere Spannungen, daher ist es wichtig, diese Spannungen durch Anlassen abzubauen. Sie können das Teil bei niedriger Temperatur erhitzen und es nach einer Stunde unter Wärme an der Luft abkühlen lassen.

Arten des Aufkohlens

Es gibt verschiedene Arten von Aufkohlungsverfahren, die im Folgenden erläutert werden.

Gasaufkohlen

Beim Gasaufkohlen wird Kohlenstoffstahl in einer kohlenstoffreichen Atmosphäre auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt. Dabei wird ein Trägergas verwendet, und das Bauteil wird in einem Ofen mit Propan und Methan gehalten. Es handelt sich um ein Gemisch aus CO2, CH4, CO usw.

Bei der Aufkohlungstemperatur zersetzt sich Propan auf der Oberfläche des Teils, und der Kohlenstoff diffundiert in die Oberfläche. Die Temperatur beträgt etwa 925 Grad Celsius, und die für das Aufkohlen erforderliche Zeit beträgt 2 Stunden.

Vakuumaufkohlen

Das Vakuumaufkohlen umfasst die Verwendung einer sauerstofffreien Umgebung mit niedrigem Druck. Das Verfahren verwendet Kohlenwasserstoffe, also Gase wie Methan. Die Umgebung ist sauerstofffrei, und die Temperatur kann bei Bedarf erhöht werden. Je höher die Temperatur, desto höher die Diffusionsrate des Kohlenstoffs.

Flüssigaufkohlen

Das Liquid-Carburieren ist ein Verfahren zum Aufkohlen von Bauteilen aus Stahl oder Eisen. Diese Teile werden in geschmolzenem Salz bei einer Temperatur oberhalb von Ac1 gehalten, wobei Stickstoff und Kohlenstoff zugeführt werden. Beim Liquid-Carburieren wird Cyanid verwendet, das aus Stickstoff und Kohlenstoff besteht.

Das Bauteil wird in einem Salzbad bei einer Temperatur von rund 900 Grad Celsius gehalten, wobei das Salz hochgiftig ist. Das Salz reichert Stickstoff an der Bauteiloberfläche an, wodurch diese gehärtet wird.

Feststoff-Aufkohlen (Kastenaufkohlen)

Beim Feststoff-Aufkohlen wird Kohlenmonoxid aus einer festen Verbindung freigesetzt, die an der Metalloberfläche zu Kohlendioxid und naszierendem Kohlenstoff zerfällt. Die Aufkohlungsbehälter bestehen aus aluminiumbeschichtetem Kohlenstoffstahl, Kohlenstoffstahl oder hitzebeständigen Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen.

Die Bauteile werden in einer verschlossenen Box mit einem Aufkohlungsmedium, etwa Holzkohle oder Koks, gehalten. Das Verfahren nutzt die Gasaufkohlung, wobei das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid dissoziiert und anschließend Kohlenstoff an der Bauteiloberfläche anlagert. Der Prozess dauert zwischen 2 und 36 Stunden bei einer Temperatur von 800 bis 845 Grad Celsius.

Plasmaaufkohlen

Beim Plasmaaufkohlen wird die Gleichstrom-Glimmentladung genutzt, die eine Kohlenstoffschicht auf ein Bauteil aufbringt. Die Gleichspannung wird zwischen dem Bauteil und der Elektrode angelegt, und das Werkstück befindet sich in der Aufkohlungskammer. Der Kohlenstoff wird anschließend in Form einer Plasmaentladung freigesetzt.

Tropfaufkohlen

Beim Tropfaufkohlen werden organische Mittel wie Methanol in den Aufkohlungsofen eingebracht. Dabei entsteht ein Gas, das die Bauteile und deren Oberfläche zersetzt und eine harte Kohlenstoffschicht hinterlässt.

Karbonitrieren

Das Karbonitrieren wird ebenfalls bei Stahl durchgeführt und weist einen Kohlenstoffmassenanteil von 0,4 bis 0,5 Prozent auf. Es trägt zur Härtung der Bauteiloberfläche bei; zu diesen Bauteilen können Wellen und Zahnräder gehören. Das Verfahren verändert ein Gas, das Methan und Ammoniak enthält.

Aufkohlen vs. Nitrieren

Aufkohlen und Nitrieren sind beides Verfahren, die Stahl und andere Metalle härten. Der einzige Unterschied zwischen ihnen liegt im verwendeten Material während des Prozesses.

Beim Aufkohlen wird Kohlenstoff durch Erhitzen in Gegenwart eines kohlenstoffhaltigen Materials in die Metalloberfläche eindiffundiert. Beim Nitrieren hingegen wird Stickstoff auf das Bauteil aufgebracht und dieses hohen Temperaturen ausgesetzt.

Anwendungen des Aufkohlens

Das Aufkohlen findet in vielen Anwendungen zum Härten von in Bauteilen verwendeten Metallen Anwendung; einige dieser Anwendungen sind im Folgenden aufgeführt:

Luft- und Raumfahrt: Flugzeugteile wie Triebwerkskomponenten und Fahrwerke erfordern hohe Festigkeit, was aufgekohlten Stahl voraussetzt.

Maritim: Komponenten wie Getriebesysteme und Motoren im Betrieb werden aus aufgekohlten Teilen gefertigt, die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit bieten.

Automobil: Im Automobilsektor werden hochfeste und verschleißbeständige Teile wie Lager, Zahnräder und Wellen eingesetzt, für die das Aufkohlen verwendet wird.

Landwirtschaft: Landwirtschaftliche Maschinen verwenden aufgekohlten Stahl, da ihre Teile rauen Umgebungsbedingungen standhalten müssen.

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Fazit

Das Aufkohlen gibt es in verschiedenen Varianten, und jede Variante hat ihre eigenen Eigenschaften. Es ist sehr wichtig, jede Art des Aufkohlungsverfahrens und ihre Eignung zu verstehen, damit Sie sie entsprechend Ihren Anwendungsanforderungen auswählen können.