Karbonitrieren ist ein Prozess, bei dem Kohlenstoff und Stickstoff auf die Oberfläche eines Stahlteils eingebracht werden. Das Ziel dieses Prozesses ist es, einen Austenit (über A3) zu bilden, der nach dem Abschrecken zu einer Martensitmatrix-Mikrostruktur wird. Wenn zu viel Stickstoff in den Stahl eingebracht wird, kann dies zu zurückgehaltenem Austenit führen, bei dem es sich um Austenit handelt, der nach dem Abschrecken nicht zu einer Martensitmikrostruktur wird. Dies kann zu Problemen wie erhöhter Porosität führen, wodurch viele kleine Löcher die Struktur des Materials schwächen. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, die richtige Wärmebehandlungsatmosphäre, das Abschreckmedium und den gesamten Carbonitrierprozess zu verwenden.
Carbonitrierprozess
Atmosphäre: Der Carbonitrierprozess ähnelt dem Gasaufkohlungsprozess, jedoch mit der Zugabe von Ammoniak neben dem Kohlenstoff. Dieser Prozess fügt 0,5 – 0,8% Kohlenstoff und 0,2 – 0 hinzu.4% Stickstoff zur Oberfläche des Stahls. Der Stickstoff stammt aus dem in der Atmosphäre vorhandenen Ammoniak.
Wärmebehandlung: Die zum Carbonitrieren verwendete Temperatur sollte etwa 850 ° C (1550 ° F) betragen. Dies ist niedriger als die Temperatur, die zum Aufkohlen verwendet wird, und die Zeit, für die das Teil wärmebehandelt wird, ist ebenfalls kürzer. Diese niedrigeren Temperaturen, die für das Carbonitrieren im Vergleich zum Aufkohlen verwendet werden, bedeuten auch, dass das Teil weniger verformt wird, insbesondere während des Abschreckens. Dies ist jedoch eine höhere Temperatur als bei der Standardnitrierung.
Abschrecken: Sobald das Teil wärmebehandelt worden ist, sollte es entweder in Öl oder in Gas mit einer Schutzatmosphäre sofort gelöscht werden. Während Wasser ein anderes mögliches löschendes Medium ist, können Flussstähle mehr verzerren, wenn sie im Wasser gelöscht werden. Aus diesem Grund empfiehlt sich das Abschrecken in Öl oder Gas unter Schutzatmosphäre über Wasser.Einsatzhärtungstiefe (KHK): Die Einsatzhärtungstiefe gibt an, wie tief der Härtungsprozess in die Oberfläche des Stahls eindringt. Diese Tiefe hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Carbonitriertiefe, der Härtetemperatur, der Abschreckrate, der Härtbarkeit des Stahls und der Abmessungen des Bauteils.
Vorteile des Carbonitrierens
Wie bereits erwähnt, besteht das Ziel des Carbonitrierens darin, dem Stahl eine härtere Außenschale zu verleihen. Das gehärtete Gehäuse ist jedoch keine zusätzliche Schicht auf dem Stahl. Durch das Carbonitrieren wird die oberste Schicht des Bauteils verändert, sodass die ursprünglichen Abmessungen erhalten bleiben. Diese Einsatzhärtung ist typischerweise zwischen 0,07 – 0,75 mm dick. Ein dickeres Gehäuse bedeutet mehr Verschleißschutz, aber alles, was über 0.75mm hinausgeht, ist normalerweise nicht die Zeit und Mühe wert, die erforderlich sind, um dies zu erreichen. Darüber hinaus kann die Härte der Schale auf der Rockwell–Skala auf 65 – 66 HRC ansteigen, was sie in die Kategorie „sehr harter Stahl“ einordnet.
Die Martensitmatrix-Mikrostruktur, die sich aus dem Carbonitrieren ergibt, ist einer der Hauptvorteile dieses Verfahrens. Diese Mikrostruktur verleiht der äußeren Schicht des Stahls eine erhöhte Haltbarkeit, Verschleißfestigkeit und Duktilität. Aufgrund dieser erhöhten Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit haben carbonitrierte Teile eine längere Lebensdauer in schlecht geschmierten und kontaminierten Umgebungen, die normalerweise für ihre unbehandelten Gegenstücke zu extrem wären. Zusätzlich haben die Teile, die auf diese Weise behandelt werden, Druckeigenspannungen von -25ksi (-172MPa).
Weitere Vorteile des Carbonitrierens sind die Tatsache, dass es sich perfekt für die Massenproduktion kleiner Bauteile eignet. Je kleiner das Bauteil, desto leichter lässt sich eine höhere Gehäusetiefe erreichen. Es gibt auch die Beständigkeit gegen Erweichung beim Tempern und eine Erhöhung der Schlagzähigkeit, die in bestimmten Situationen wertvolle Eigenschaften sein können. Und sowohl Carbonitrieren als auch Aufkohlen können zusammen durchgeführt werden, um ihre Eigenschaften zu kombinieren.
Anwendungen von carbonitrierten Teilen
Wenn es um die Arten von Stahl geht, die carbonitriert werden können, gibt es eine große Vielfalt, die einfachen Kohlenstoff, mildes (reduziertes Aluminium), niedriglegiertes 0,25% Kohlenstoff maximal), freies Schneiden und Sinterstahl. Der verwendete Stahl hängt davon ab, wofür das Bauteil letztendlich verwendet wird. Einige der häufigsten Teile, die auf Carbonitrieren angewiesen sind, sind Verzahnungen, Nocken und Wellen, Lager, Befestigungselemente und Stifte, hydraulische Kolbenstangen, Kupplungsscheiben für Kraftfahrzeuge, Werkzeuge und Matrizen.
Wenn wir nur einige dieser möglichen Anwendungen für karbonitrierten Stahl betrachten, können wir genau sehen, wie die Vorteile dieses Prozesses in der realen Welt funktionieren. Zum Beispiel können hydraulische Kolbenstangen von der erhöhten Lebensdauer profitieren, die das Carbonitrieren in schlecht geschmierten und kontaminierten Umgebungen bietet. Eine schlechte Schmierung in einem Hydraulikzylinder kann dazu führen, dass Metallflocken abgeschert werden und das System verschmutzen. Diese Verschmutzung führt dann zu einem erhöhten Verschleiß und zerstört schließlich den Zylinder von innen. Einige Hydraulikzylinder sind lebenslang versiegelt, was bedeutet, dass ihr Schmiermittel nicht ausgetauscht werden kann, wenn es kontaminiert wird. In solchen Situationen ist das Carbonitrieren so wichtig, um Verschleiß zu vermeiden.
Fazit
Das Karbonitrieren ist ein Wärmebehandlungsprozess, bei dem Kohlenstoff und Stickstoff (über Ammoniakgas) die Oberflächenschicht von Stahlbauteilen durchdringen. Der Prozess umfasst Temperaturen von etwa 850 ° C, gefolgt von einem Abschrecken in Öl- oder Gaslösungen. Der erfolgreiche Abschluss dieses Prozesses verleiht den Stahlbauteilen eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften, insbesondere eine erhöhte Verschleißfestigkeit. Und es gibt viele verschiedene Anwendungen für carbonitrierte Teile in Situationen mit hohem Verschleiß wie Verzahnungen, Lagern und Werkzeugen.
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