Kohlenhydrate

Aufkohlen – Übersicht über den Wärmebehandlungsprozess

Die Aufkohlung erfolgt durch Diffusion von Kohlenstoffatomen in die Stahloberfläche bei hohen Temperaturen (etwa 850°C bis 950°C). Der Stahl wird einer kohlenstoffreichen Umgebung ausgesetzt, die normalerweise gasförmig (z.B. Methan), flüssig (Öl) oder fest (Holzkohle oder Kohlenstoffpulver) ist. Bei diesen Temperaturen dringen Kohlenstoffatome in die Oberfläche des Stahls ein und verändern die chemische Zusammensetzung der äußeren Schicht.

Während der Abkühlung ändert sich das Gefüge der Oberfläche von einer kohlenstoffarmen ferritischen Phase zu einer kohlenstoffreichen martensitischen Phase, während der Kern kohlenstoffarm bleibt und seine weicheren, duktilen Eigenschaften beibehält. Durch den Abkühlungsprozess, häufig durch Abschrecken (Quenching), wird der Kohlenstoff in der äußeren Schicht gebunden, was zu einem deutlichen Anstieg der Härte führt (in der Regel zwischen 55 und 65 HRC).

Die Tiefe der kohlenstoffangereicherten Schicht, die sogenannte Einsatztiefe, wird durch die Dauer und die Temperatur des Aufkohlungsprozesses bestimmt. Höhere Temperaturen und längere Einwirkungszeiten führen zu einer tieferen Hüllschicht, während niedrigere Temperaturen eine dünnere, aber ebenso harte Oberfläche erzeugen.

Arten & Varianten von Kohlenhydraten

Es gibt mehrere Varianten des Vergaserverfahrens, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen und Materialanforderungen geeignet sind:

• Pack-Carburieren: Ein traditionelles Verfahren, bei dem Stahlteile in ein kohlenstoffreiches festes Medium (wie Holzkohle) gepackt und in einem Behälter versiegelt werden. Beim Erhitzen diffundiert der Kohlenstoff in die Oberfläche und bildet eine harte Außenschicht.
• Gasaufkohlung: Bei diesem modernen Verfahren wird der Stahl in einen Ofen mit kohlenstoffhaltigem Gas, wie Methan oder Propan, gelegt. Die Gasaufkohlung bietet eine präzise Kontrolle über die Einsatztiefe und Gleichmäßigkeit.
• Flüssige Aufkohlung: Dabei wird der Stahl in ein geschmolzenes Salzbad mit Kohlenstoff getaucht. Diese Methode gewährleistet eine schnelle Übertragung des Kohlenstoffs auf die Oberfläche und ist ideal für bestimmte Anforderungen an Tiefe und Härte.
• Vakuum-Aufkohlen: Eine fortschrittliche Technik, die in einer kontrollierten Umgebung ohne Sauerstoff durchgeführt wird. Dies verhindert die Oxidation und ermöglicht ein präzises Eindringen des Kohlenstoffs, so dass sich diese Methode beispielsweise für Anwendungen in der Luftfahrt eignet.

Jede Variante hat spezifische Vorteile, abhängig von der Größe, der Komplexität und den Leistungsanforderungen des Teils. Gas- und Vakuumvergaser werden aufgrund ihrer Präzision und Konsistenz häufig in modernen industriellen Anwendungen eingesetzt.

Geeignete Materialien & Vorbereitung

Das Aufkohlen wird vor allem bei kohlenstoffarmen Stählen (in der Regel weniger als 0,2% Kohlenstoff) angewandt, da dieser niedrige Kohlenstoffgehalt die Oberflächenhärte deutlich verbessert, ohne den Kern zu beeinträchtigen. Zu den gängigen Stählen, die sich zum Aufkohlen eignen, gehören:

• 1018 und 1020 Stahl: Diese kohlenstoffarmen Stähle reagieren gut auf Kohlenstoffzufuhr und erreichen eine hohe Oberflächenhärte, während der Kern duktil bleibt.
• Legierte Stähle (z.B. 8620, 9310): Diese Stähle enthalten Legierungselemente wie Chrom, Nickel und Molybdän, die das Aufkohlungsverhalten verbessern und für zusätzliche Zähigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sorgen.

Bevor die Teile aufgekohlt werden können, müssen sie gründlich gereinigt werden, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, die die Diffusion von Kohlenstoff behindern könnten. In einigen Fällen werden die Teile vorgewärmt, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung während des Aufkohlens zu gewährleisten, was für eine gleichmäßige Einsatztiefe und Härte unerlässlich ist.

Leistungsverbesserungen & Vorteile

Die Aufkohlung bietet mehrere entscheidende Vorteile, die sie für kritische, stark belastete Komponenten unverzichtbar machen:

• Erhöhte Oberflächenhärte: Die Aufkohlung erhöht die Härte der Stahloberfläche erheblich, mit Werten von bis zu 65 HRC, je nach Kohlenstoffgehalt und Abschreckverfahren. Diese Härte ist entscheidend für die Verschleißfestigkeit, insbesondere in Umgebungen mit hoher Reibung.
• Erhöhte Ermüdungsfestigkeit: Das Verfahren erzeugt eine Druckspannungsschicht an der Oberfläche, die die Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsrisse erhöht. Dies ist besonders wichtig für Teile wie Zahnräder und Wellen, die wiederholten Belastungen ausgesetzt sind.
• Zähigkeit des Kerns: Ein einzigartiger Vorteil des Aufkohlens ist, dass nur die Oberfläche gehärtet wird, während der Kern weich und zäh bleibt. Dadurch wird sichergestellt, dass das Teil Stöße absorbieren kann, ohne zu brechen.

Quantitativ gesehen können aufgekohlte Teile im Vergleich zu unbehandelten Teilen eine bis zu 200%ige Verbesserung der Verschleißfestigkeit und eine 50%ige Erhöhung der Ermüdungslebensdauer aufweisen.

Anwendungen & Industrielle Relevanz

Die Aufkohlung ist in vielen Industriezweigen unverzichtbar, insbesondere dort, wo Teile eine hohe Oberflächenbeständigkeit und Kernzähigkeit erfordern:

• Automobil: Aufgekohlte Teile wie Zahnräder, Nockenwellen und Kurbelwellen sind für Motoren und Getriebe unerlässlich. Diese Teile müssen erheblichem Verschleiß und Ermüdung standhalten, ohne unter Dauerbelastung zu versagen.
• Luftfahrtindustrie: Bauteile wie Fahrwerkskomponenten und Turbinenräder werden aufgekohlt, um den extremen Bedingungen während des Fluges, einschließlich hoher Reibung und zyklischer Belastung, standzuhalten.
• Baumaschinen: Schwere Maschinen wie Bulldozer und Bagger verwenden vergasergesteuerte Komponenten, um sicherzustellen, dass Getriebe und Lager auch unter harten Bedingungen intakt bleiben, was die Lebensdauer der Maschinen verlängert.

Diese Industrien verlangen die Einhaltung strenger Qualitäts- und Leistungsstandards, wie z.B. AMS 2759/7 für das Einsatzhärten, um sicherzustellen, dass aufgekohlte Teile die erforderlichen Spezifikationen für Härte, Einsatztiefe und Oberflächengüte erfüllen.

Personalisierung & Prozessoptimierung

Unser Aufkohlungsprozess ist vollständig anpassbar, um die spezifischen Anforderungen jedes Projekts zu erfüllen. Wir passen Temperaturprofile, Kohlenstoffpotenzial, Einsatztiefe und Kühlmethoden an, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Zum Beispiel:

• Maßgeschneiderte Einsatztiefe: Durch die Steuerung der Belichtungszeit und der Temperatur während des Aufkohlens können wir die Einsatztiefe an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Dünne Gehäusetiefen (0,5-1,0 mm) eignen sich für kleinere, präzise Komponenten, während tiefere Gehäuseschichten (bis zu 3 mm) für größere, stark belastete Komponenten verwendet werden.
• Abschreckungsmedien: Je nach gewünschter Endhärte und Mikrostruktur bieten wir mehrere Abschreckoptionen – Öl, Wasser oder Inertgase. Jedes Abschreckmedium wirkt sich auf die Abkühlungsgeschwindigkeit aus, die für das Einhalten der gewünschten Oberflächeneigenschaften entscheidend ist.

Unser Fachwissen bei der Optimierung dieser Parameter stellt sicher, dass jede vergaserbasierte Komponente die spezifischen mechanischen und leistungsbezogenen Anforderungen erfüllt, die für die jeweilige Anwendung erforderlich sind.