Въглеродяване (карбуриране): процес, методи и приложение в стоманата

Въглеродяване (карбуриране): ключов процес за втвърдяване на стомана — методи, технологии и приложения за по-дълготрайни и износоустойчиви изделия.

Въглеродяването (често наричано и карбуриране) е термичен процес, при който във външната зона на метал, най-често на нисковъглеродна стомана, се въвежда допълнително въглерод. Целта е да се получи твърда, износоустойчива повърхностна „коричка“ (case) при запазване на пластичността и якостта на сърцевината.

Как работи процесът

Принципът на карбурирането е дифузия: при повишена температура въглеродните атоми мигрират от обогатяващата среда към повърхността и навътре в метала. Скоростта и дълбочината на проникване зависят от температурата, времето и концентрацията на въглерод в атмосферата около детайла (т.нар. карбонов потенциал).

Методи на въглеродяване

• Пакетно (традиционно) въглеродяване — детайлите се поставят в затворени съдове с въглерод-съдържащ материал (напр. въглен или дървени продукти) и се нагряват. Исторически един от първите методи.
• Газово въглеродяване — използват се газове като въглероден диоксид, метан или въглеводородни смеси. Позволява добър контрол на въглеродния потенциал и е най-разпространеното индустриално решение.
• Течностно (солево) въглеродяване — детайлите се потапят в разтопени солеви вани, които доставят въглерод. Дава бързо насищане, но изисква специална обработка на отпадъците и предпазни мерки.
• Плазмено (йонно) въглеродяване — използва се плазма при по-ниски температури и гарантира прецизно и локално внасяне на въглерод; често предпочитан за детайли с по-сложна геометрия и екологични изисквания.
• Вакуумно въглеродяване — комбинация с контролирана атмосфера и плазмени техники; минимизира оксидиране и обезцветяване на повърхността.

Параметри и резултати

• Температура: обикновено в диапазона 850–950 °C (за стомани), макар плазмените методи да работят при по-ниски стойности.
• Време: от минути (плазма) до няколко десетки часове (дълбоки случаи в пакетни или газови процеси).
• Дълбочина на слоя: типично 0.2–3 mm; при специални изисквания може да достигне и повече при продължително карбуриране.
• Повърхностно съдържание на въглерод: често 0.6–1.0% C на повърхността, докато сърцевината остава нисковъглеродна (≈0.05–0.2% C).
• Термична обработка след въглеродяване: обикновено се извършва закаляване (бързо охлаждане — масло, газ, полимерна баня) за превръщане на наситената повърхност в твърда мартензитна структура, след което следва отпуск (темперинг) за намаляване на вътрешните напрежения и оптимизиране на комбинацията твърдост/крехкост.

Микроструктура и свойства

Резултатът е функционална двуслойна структура: твърдата, високо въглеродна повърхност (мартензит при закаляване) срещу мека, пластична сърцевина, която поема ударни натоварвания. В повърхностния слой може да се формират и удържани аустенити или карбиди в зависимост от състава и условията на охлаждане.

Материали за въглеродяване

Най-често се въглеродяват нисковъглеродни и нисколегирани стомани (например марки от семейство 10xx, 11xx и подобни), които сами по себе си не могат да се закалят в цялото сечение, но се повлияват добре от повърхностно обогатяване с въглерод.

Предимства и недостатъци

• Предимства: повишена износоустойчивост, добра умора устойчива повърхност, икономично използване на материал (запазва се здрава сърцевина), възможност за селективно обработване.
• Недостатъци: риск от прекомерно внасяне на въглерод и повишена крехкост, необходимост от контролирани условия (особено карбонов потенциал и атмосфера), екологични и безопасностни изисквания при използване на газове и соли.

Контрол и селективност

За да се постигнат точни характеристики, в индустрията се следят:

• карбоновият потенциал на атмосферата,
• точната температура и време на обработка,
• бързината и метода на охлаждане при закаляване,
• използване на маски и защитни покрития при нужда от селективно въглеродяване.

Декарбюриране и обратен процес

Докато целта е внасяне на въглерод, съществува и обратният феномен — декарбюриране (обезвъглеродяване), при който повърхността губи въглерод поради окислителни процеси или неподходяща атмосфера. Това води до по-ниска твърдост и влошена износоустойчивост, затова контролът на средата и температурата е критичен.

Приложения

• автомобилна индустрия: зъбни колела, валове, синхрони, оси, втулки;
• индустриални предавки и лагерни повърхности;
• инструменти и детайли подложени на триене и удар;
• помпи, клапани, шпиндели и други компоненти с комбинирано натоварване.

Екологични и здравословни аспекти

Някои методи (особено течните солеви бани и определени газови смеси) изискват добра вентилация, пречистване на отработения газ и безопасно третиране на отпадъците. Плазмените и вакуумните технологии намаляват емисиите и често са предпочитани за екологично чувствителни производства.

Въглеродяването е ефективна технология за постигане на износоустойчиви повърхности при запазване на здравината и пластичността на детайлите, когато е приложено с правилен подбор на метод, параметри и последваща термична обработка.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява карбуризацията?

В: Защо се извършва карбуризация?

В: Как се извършва карбуризацията в по-ранни времена?

В: Какви съвременни техники се използват за карбуризация?

В: Какъв е ефектът на времето и температурата върху карбуризацията?

В: Какви видове метали се използват основно за карбуризация?

В: Какво се случва, ако концентрацията на въглерод в метала стане твърде голяма по време на навъглеродяването?

Търсене по буква