Karburiseerimine (karboniseerimine) — metalli pinna kõvendamine süsinikuga

Karboniseerimine (sageli nimetatakse ka karburiseerimiseks) on protsess, mille käigus viiakse metallile (tavaliselt madala süsinikusisaldusega terasele) süsinik sisse pindmisse kihisse. Seda tehakse selleks, et muuta pind kõvemaks, suurendada kulumiskindlust ja parandada vastupidavust väsimusele, samas säilitades sügavamates kihtides hea sitkus.

Mis toimub ja miks seda tehakse

Karboniseerimisel diffundeerub süsinik terase pinnale ja tungib kõrgetel temperatuuridel (tavaliselt ~850–950 °C) austenitaalse kristallstruktuuri sisse. Pärast sobivat jahutust ja karastust moodustab pindmartensiit ehk kõva karastunud kiht, samal ajal kui sügavama osa teras jääb madalama süsinikusisaldusega, sitkemaks. Karburiseerimist kasutatakse peamiselt madala legeeriga terase pinna karestamiseks.

Peamised meetodid

• Pakendkarburiseerimine (vanem meetod) – töödeldavad detailid pannakse süsinikku andvasse materjali (näiteks purustatud söe segusse) ja kuumutatakse ahjus. See meetod on lihtne, kuid aeglasem ja vähem kontrollitav.
• Gaaskarburiseerimine – kasutatakse kütusgaasidest eralduvat aktiivset süsinikku, näiteks segu, mis sisaldab süsinikdioksiidi ja või metaani ning teisi süsinikuallikaga gaase. Gaaskarburiseerimine võimaldab head protsessi juhtimist ja ühtlast tulemust.
• Plasma- ehk ioonkarburiseerimine – süsinik viiakse pinnale plasma abil, mis kiirendab protsessi ja töötab madalamatel temperatuuridel; sobib keerukate kujude ja väiksema deformatsiooniriski jaoks.
• Salt-bath (soolavann) karburiseerimine – detailid kastetakse kuuma sulanud soolalahusesse, mis sisaldab süsinikuallikat; annab kiire diffusiooni ja hea ühtsuse, kuid nõuab korrosioonikontrolli.
• Vacuum (tühjendustunnel) karburiseerimine – võimaldab täpset kontrolli süsinikupotentsiaali ja vähendab oksüdeerumist.

Protsessiparameetrid ja tulemused

• Temperatuur: tavaliselt 850–950 °C (austenitiseerimise vahemik), sõltuvalt terase koostisest ja soovitud süsinikuprofiilist.
• Aeg: varieerub mõnest tunnist kuni mitu tundi; juhtuvad sõltuvad nõutavast case depth ehk kõvastusekihist (tüüpiliselt 0,2–2,0 mm, aga ka sügavamad kihid on võimalikud pikema töötlemisega).
• Nõutav lõpptulemus: pinnakõvadus ja süsinikusisaldus profiilis. Pärast karboniseerimist teostatakse tihti kiire jahutus (karastus), et moodustada martensiit pinnal, ja seejärel peenhäälestus (temper), et vähendada rabedust.

Pärast kuumtöötlemist

Pärast karboniseerimist järgneb tavaliselt kiire jahutus (karastamine) ja temperatsioon. Karastamine muudab pinnakihi martensiitseteks ja annab kõrge kõvaduse; temperatsioon vähendab liigset rabedust ja lõikab lõplikud mehaanilised omadused välja.

Tõrked ja ohud

• Liigne süsinik pindmises kihis võib muuta pinda liiga rabedaks, põhjustades pragunemist või halba löögitaluvust — seetõttu tuleb lähtuda nõutavatest mehaanilistest omadustest ja optimeerida süsiniku kontsentratsiooni ning kihi paksust.
• Dekarboniseerumine ehk süsiniku kadumine pinnalt võib juhtuda sobimatutes atmosfääritingimustes või kuumtöötluse ajal ning viib soovitud kõvaduse languseni.
• Deformatsioonid ja sisemine pinge — kiire jahutamine ja erinevad süsinikusisaldused võivad põhjustada kujumuutusi või pingetest tingitud pragunemist; kuivatöötluse planeerimine ja sobivad pingetõrjeprotseduurid on vajalikud.
• Tööohutus ja keskkond — kasutatavad gaasid (nt metaan) ja protsessid võivad olla tuleohtlikud või tootlikud ohtlikke gaase; ventilatsioon, gaasituvastus ja töötajate kaitse on olulised.

Rakendused

Karburiseerimist kasutatakse laialdaselt osi, mis peavad taluma survet ja hõõrdumist, näiteks:

• käigud ja hammakad
• nukid, teljed ja laagrite pinnad
• võllid, hammasrattad ja mutrivõtmed
• autotööstuse ja tööstuslike ajamite komponendid

Kvaliteedikontroll ja testid

• Pinnakõvaduse mõõtmised (nt Vickers või Rockwell) ja kõvadusprofiilid, et määrata kõvuse muutus sügavuse suhtes.
• Metallograafiline uurimus ja etsing, et näha karburiseeritud kihti ja tuvastada võimalikud defektid.
• Süsiniku profiili analüüs (nt lineaarne mikroanalüüs), et kontrollida diffusioni ulatust ja kontsentratsiooni jaotust.
• Dimensiooniline kontroll ja stressi leevendamise katsed, et hinnata deformatsioone pärast töötlemist.

Eelised ja puudused

• Eelised: kõrge pindmise kõvaduse ja kulumiskindluse saavutamine, säilitades sisemise sitkuse; võimalus töödelda odavamaid madala süsinikusisaldusega materjale.
• Puudused: protsess võib olla aeglane ja nõuab täpset kontrolli; vale juhtimise puhul võivad tekkida rabedus, dekarboniseerumine, deformatsioon ja keskkonnaohud.

Kokkuvõttes on karboniseerimine tõhus meetod terase pinnakõvendamiseks, kui protsess on õigesti valitud ja kontrollitud — alates käesoleva materjali valikust kuni atmosfääri, temperatuuri ja järelprotsessideni. Õige tehnoloogia (nt gaas, plasma või vacuum) ja kvaliteedikontroll tagavad soovitud mehaanilised omadused ning pikaealisuse.

Küsimused ja vastused

K: Mis on karboniseerumine?

K: Miks tehakse karburiseerimist?

K: Kuidas tehakse karboniseerimist varasematel aegadel?

K: Milliseid kaasaegseid meetodeid kasutatakse karburiseerimiseks?

K: Millist mõju avaldavad aeg ja temperatuur karbureerimisele?

K: Milliseid metalle kasutatakse peamiselt karburiseerimiseks?

K: Mis juhtub, kui süsiniku kontsentratsioon metallis muutub karbureerimise ajal liiga suureks?

Otsing