Aufkohlen erklärt: Definition, Arten und Leistung

Das Aufkohlen ist ein Hochtemperatur-Oberflächenhärtungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen mit einer harten, verschleißfesten Oberfläche und einem zähen, stoßdämpfenden Kern. Es ist die Standard-Wärmebehandlung für hochbelastete Bauteile in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, darunter Getrieberäder, Antriebswellen und Hochlastlager.

Was ist Aufkohlen?

Das Aufkohlen ist ein chemisches Wärmebehandlungsverfahren, bei dem ein Werkstück erhitzt und in einem Aufkohlungsmedium gehalten wird, damit Kohlenstoffatome in seine Oberfläche eindringen können. Es ist ein gängiges Wärmebehandlungsverfahren für metallische Werkstoffe und verleiht der aufgekohlten Werkstückoberfläche eine hohe Härte und verbesserte Verschleißfestigkeit. Das Aufkohlen findet breite Anwendung bei mechanischen Bauteilen in Flugzeugen, Automobilen und Traktoren, wie beispielsweise Zahnrädern, Wellen und Nockenwellen.

Je nach verwendetem kohlenstoffhaltigem Medium lässt sich die Aufkohlung in Gasaufkohlung, Feststoffaufkohlung und Flüssigkeitsaufkohlung einteilen.

Beim Gasaufkohlen wird das Werkstück in einen geschlossenen Aufkohlungsofen gegeben, in den ein gasförmiges (Methan, Ethan usw.) oder flüssiges Aufkohlungsmittel (Kerosin, Benzol, Alkohol, Aceton usw.) eingeleitet wird. Dieses zersetzt sich bei hohen Temperaturen in aktive Kohlenstoffatome, die in die Oberfläche eindringen und eine kohlenstoffreiche Oberflächenschicht bilden.

Die Festaufkohlung ist die älteste Methode. Dabei werden das Werkstück und ein fester Aufkohlerstoff (Holzkohle plus Aktivator) in eine abgedichtete Aufkohlungskammer gegeben, die dann in einem Ofen auf die Aufkohlungstemperatur erhitzt und für eine bestimmte Zeit gehalten wird, damit aktive Kohlenstoffatome in die Oberfläche eindringen können.

Bei der Flüssigaufkohlung werden flüssige Medien verwendet. Gängige Flüssigaufkohlungsmedien sind Siliciumcarbid und „603“-Aufkohlungsmittel.

Gasaufkohlung

Das Gasaufkohlen ist derzeit das am weitesten verbreitete und am schnellsten wachsende Verfahren. Es ermöglicht eine kontrollierte Atmosphäre und eine gleichbleibende Produktqualität durch die gezielte Anpassung der Prozessparameter.

Die Gasaufkohlung ist heute aufgrund ihrer Eignung für die Massenproduktion, der einfachen Handhabung und der unkomplizierten Qualitätskontrolle weit verbreitet. Bei diesem Verfahren werden hauptsächlich Erdgas, Propan oder Butan als Hauptgas verwendet. Es bietet Vorteile wie die einstellbare Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche, die einfache Automatisierung von Gasfluss und Temperaturregelung sowie die unkomplizierte Handhabung. Zu den Nachteilen zählen die teure Ausrüstung und die hohen Kosten für kleine Chargen, die zudem spezielle Fachkenntnisse erfordern.

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Es gibt zwei Verfahren der Gasaufkohlung: das Tropfverfahren und das endotherme Gasverfahren. Beim Tropfverfahren wird das Werkstück in einen geschlossenen Grubenofen mit aktivem Aufkohlungsmedium gegeben und auf 900–950 °C (üblicherweise 930 °C) bis zum Einphasengebiet des Austenits erhitzt. Nach ausreichender Haltezeit dringen die aus dem Medium freigesetzten aktiven Kohlenstoffatome in die Stahloberfläche ein, wodurch ein hoher Kohlenstoffgehalt an der Oberfläche entsteht, während der Kern seine ursprüngliche Zusammensetzung beibehält. Die Aufkohlungsatmosphäre im Ofen entsteht hauptsächlich durch die Zersetzung organischer Flüssigkeiten wie Kerosin, Aceton, Toluol und Formaldehyd bei hohen Temperaturen und besteht vorwiegend aus CO, H₂ und CH₄ sowie geringen Mengen an CO₂ und H₂O.

Der Gasaufkohlungsprozess besteht ebenfalls aus drei grundlegenden Phasen: Zersetzung, Absorption und Diffusion. Zunächst zersetzt sich das Aufkohlungsmedium bei hohen Temperaturen und erzeugt aktive Kohlenstoffatome:

CH₄ ⇌ 2H₂ + [C]

2CO ⇌ CO₂ + [C]

CO + H₂ ⇌ H₂O + [C]

Anschließend werden aktive Kohlenstoffatome von der Stahloberfläche absorbiert, in den Hochtemperaturaustenit eingelagert und diffundieren nach innen, um eine aufgekohlte Schicht bestimmter Tiefe zu bilden. Die Schichtdicke hängt hauptsächlich von der Haltezeit ab. Bei konstanter Temperatur führen längere Haltezeiten zu dickeren Schichten. In der Produktion wird häufig die Methode der Stichprobenprüfung vor Ort eingesetzt, um die genaue Entladungszeit zu bestimmen.

Bei Verwendung eines Grubenofens bei 930°C besteht folgender Zusammenhang zwischen Aufkohlungszeit und -tiefe:

Vakuumaufkohlung

Beim Vakuumaufkohlen wird das Werkstück in einen Vakuumofen gegeben, evakuiert und erhitzt, um das Innere zu reinigen. Sobald die Aufkohlungstemperatur erreicht ist, wird ein Kohlenwasserstoff (z. B. Propan) zugeführt. Nach einer gewissen Zeit wird die Zufuhr des Aufkohlungsmittels abgeschaltet und der Ofen erneut evakuiert, um die Diffusion zu ermöglichen.

Die Vakuumaufkohlung ist eine Form der Gasaufkohlung, die im Vakuum, typischerweise bei höheren Temperaturen (1030–1050 °C), durchgeführt wird. Das Vakuum reinigt die Oberfläche, erleichtert die Adsorption von Kohlenstoffatomen und reduziert die Zykluszeit erheblich auf etwa ein Drittel der für die herkömmliche Gasaufkohlung benötigten Zeit. Zudem verursachen Vakuumöfen bei hohen Temperaturen keine zusätzlichen Wartungskosten.

Darüber hinaus benötigt das Vakuumaufkohlen weder Trägergas noch eine Kohlenstoffpotenzialregelung. Die Kohlenstoffkonzentration hängt vom Verhältnis der Aufheizzeit zur Diffusionszeit ab, wodurch Kohlenstoffpotenzialregler und Gasgeneratoren überflüssig werden. Dieses Verfahren bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Produktqualität und Energieeinsparung.

Plasmaaufkohlen

Beim Plasmaaufkohlen wird die Gasaufkohlung durch Plasmabeschuss unterstützt. Ähnlich wie beim Vakuumaufkohlen werden weder Gasgeneratoren noch Kohlenstoffpotentialregler benötigt. Die Schichtkonzentration lässt sich durch die Entladungsstromdichte steuern. Da der Plasmabeschuss den Prozess verstärkt, ist die Aufkohlungsrate deutlich höher als beim herkömmlichen Aufkohlen und sogar vergleichbar mit der des Vakuumaufkohlens.

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Stähle zum Aufkohlen

Für das Aufkohlen werden im Allgemeinen kohlenstoffarme Stähle und niedriglegierte Stähle verwendet, deren Kohlenstoffgehalt zwischen 0.1 % und 0.25 % liegen muss, um im Kern ausreichende Festigkeit und Zähigkeit zu gewährleisten. Legierungselemente wie Chrom, Nickel, Mangan, Titan und Molybdän werden zugesetzt, um die Härtbarkeit zu verbessern, das Korngefüge zu verfeinern, Überhitzung zu verhindern und die Kernzähigkeit zu erhöhen.

Gängige Noten und Anwendungsbereiche:

Niedrigfeste Stähle (S355, 1022, 5120 usw.): Werden für verschleißfeste Teile mit geringer Belastung wie Reibscheiben, Buchsen und Messgeräte verwendet.

Mittelfeste Stähle (20CrMn, 20CrMnTi, 20CrMnMo usw.): Werden für mittelstark beanspruchte, verschleiß- und ermüdungsbeständige Teile wie Wellen, Zahnräder und Stifte verwendet.

Hochfeste Stähle (12Cr2Ni4A, 18Cr2Ni4WA, 20Cr2Ni4, 30CrMnTi usw.): Werden für hochfeste, stark beanspruchte Teile wie Hochleistungsmotorwellen und Schwerlastzahnräder verwendet.

Wärmebehandlung nach dem Aufkohlen

Nach dem Aufkohlen müssen die Werkstücke einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Oberflächenfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit zu verbessern, während gleichzeitig das Korn verfeinert und die Kernzähigkeit erhöht wird.

Direktes Abschrecken

Beim Direktabschrecken wird das Werkstück nach dem Aufkohlen im Ofen auf 760–860 °C abgekühlt (Vorkühlung) und anschließend abgeschreckt. Die Vorkühlung reduziert innere Spannungen und Verformungen und ermöglicht die Ausscheidung von Karbiden aus kohlenstoffreichem Austenit, wodurch der Restaustenitanteil verringert wird. Dieses Verfahren steigert die Produktivität und senkt die Kosten, eignet sich jedoch nur für feinkörnige Stähle und nicht für solche mit sehr hohen Kohlenstoffkonzentrationen an der Oberfläche.

Einfachabschreckung

Nach dem langsamen Abkühlen im Anschluss an das Aufkohlen wird das Werkstück wieder über die kritische Temperatur erhitzt und gelöschtBei hohen Anforderungen an die Kernfestigkeit sollte die Temperatur etwas über A3 liegen. Für Bauteile mit geringer Belastung, aber hohen Oberflächenanforderungen wird die Temperatur 30–50 °C über Ac1 eingestellt.

Doppeltes Abschrecken

Doppeltes Abschrecken wird für Bauteile mit hohen mechanischen Anforderungen oder solche aus grobkörnigen Stählen eingesetzt. Das erste Abschrecken (über A3 + 30–50 °C) verbessert das Kerngefüge. Das zweite Abschrecken (über Ac1 + 30–50 °C) verfeinert das Oberflächengefüge und führt zu feinem Martensit und körnigen Sekundärkarbiden.

Aufkohlte Teile werden nach dem Abschrecken bei 150–250 °C angelassen. Für unlegierte Stähle ist eine Temperatur von 150–180 °C typisch, für legierte Stähle 160–200 °C. Nach dem Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur kann die Oberflächenhärte 58–64 HRC erreichen, bei gleichzeitig ausgezeichneter Verschleißfestigkeit und zähem Kern. Die an der Oberfläche entstehenden Druckspannungen verbessern zudem die Dauerfestigkeit.

Leistung der einsatzgehärteten Teile

Das Oberflächengefüge nach dem Abschrecken besteht hauptsächlich aus hochhartem Martensit, Restaustenit und geringen Mengen an Karbiden. Der Kern besteht aus zähem, kohlenstoffarmem Martensit (Ferrit sollte vermieden werden). Typische Schichttiefen liegen zwischen 0.8 und 1.2 mm und erreichen bei tiefer Aufkohlung über 2 mm. Die Oberflächenhärte beträgt 58–63 HRC, die Kernhärte 30–42 HRC. Durch die Aufkohlung werden Festigkeit, Schlagzähigkeit und Verschleißfestigkeit effektiv erhöht, wodurch die Lebensdauer des Bauteils verlängert wird.

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