Karburiranje (ogljikanje): definicija, postopek in uporaba pri jeklu

Ogljikanje (pogosto imenovano tudi karburiranje) je termokemijski postopek, pri katerem se v površinski sloj kovino uvede dodaten ogljik. Cilj je povečati trdoto površine in izboljšati odpornost proti obrabi. Proces deluje z difuzijo ogljika v kovinski material pri povišani temperaturi, pri čemer ostane jedro obdelovanca z nižjo vsebnostjo ogljika, zato ohranja žilavost in udarno trdnost.

V preteklosti so za ogljikanje neposredno na kovino nanesli oglje, sodobne metode pa uporabljajo pline ali plazmo, ki vsebujejo ogljik — na primer ogljikov dioksid ali metan — ter tekoče kopeli ali vakuumske postopke. Proces se prilagaja s spreminjanjem temperature, časa in kemijske sestave atmosfere, da se doseže želeno globino in vsebnost ogljika v površinskem sloju.

Postopek in ključni koraki

• Segrevanje: obdelovanec se segreje na austenitno temperaturo (običajno med 850–950 °C), kjer je jeklo primerno za difuzijo ogljika.
• Napajanje ogljika: površina je izpostavljena ogljikovi atmosferi (plin, tlaščena kupka ali plazma), ki dovaja ogljik na površino.
• Difuzija: pri povišani temperaturi atomii ogljika difundirajo v kovinski kristal. Čas izpostavljenosti določa globino "case" (površinskega utrjenega sloja) — lahko od nekaj sto mikrometrov do več milimetrov.
• Hitro ohlajanje (kaljenje): po dosegu želene vsebnosti ogljika se del običajno hitro ohladi (kaljenje), da se površina prevede v trdo martenzitno strukturo.
• Tempering: za zmanjšanje notranjih napetosti in izboljšanje žilavosti se pogosto izvede temperiranje pri nižji temperaturi.

Vrste karburiranja

• Pack (tlaščeno) ogljikanje: obdelovanec je zakopan v ogljikovem nosilcu (npr. oglje + veziva) in segret; klasična metoda za večje kosovje in manjšo opremo.
• Plinsko karburiranje: najbolj razširjena komercialna metoda; v atmosferi z nadzorovanim carbon potential (npr. plini, ki vsebujejo CO in CH4) se dosega natančnejša kontrola globine in vsebnosti.
• Solno (kopel) karburiranje: tekoči nosilec ogljika v soli omogoča hitrejšo difuzijo in homogenost; zahteva posebne sisteme za ravnanje z odpadki.
• Plazemsko (ionsko) karburiranje: uporablja plazmo za aktivno vpeljavo ogljika; omogoča nižje temperature, manjšo deformacijo in bolj selektivno obdelavo.
• Vakuumsko karburiranje: kombinira vakuumske pogoje in plazmo ali pline za čistejše postopke in manjše oksidacije.

Kontrola lastnosti in parametrov

• Temperatura in čas: bistveno vplivata na hitrost difuzije in globino utrditve.
• Carbon potential: določanje kemijskega potenciala atmosfere, ki nadzoruje, koliko ogljika se vpelje v površino.
• Globina in porazdelitev ogljika: merita se z mikrostrukturnimi preizkusi in spektroskopijo; običajne globine primerne za kroglične ležaje, prestavna ogrodja ali zobnike so od nekaj sto μm do 2–3 mm.
• Postkalilna obdelava: kaljenje in temperiranje sta ključna za dosego kombinacije trdote površine in žilavosti jedra.

Uporaba in prednosti

Karburiranje se pogosto uporablja pri komponentah, kjer je potrebna trdna, odporna proti obrabi površina in hkrati žilavo jedro. Tipične aplikacije vključujejo:

• zobnike, gredi in klinaste osi,
• vzrastne komponente motorjev (npr. kletke, gredi),
• orodja in elemente, ki prenašajo kontaktne napetosti (ležišča, klinasti spoji),
• armature in vijake za posebne aplikacije.

Prednosti vključujejo povečano odpornost proti obrabi, izboljšano utrujenostno trdnost in možnost uporabe cenejših nizkoogljičnih jekel z ohranjeno žilavostjo jedra.

Omejitve in tveganja

• Deformacije in notranje napetosti: segrevanje in hitro ohlajanje lahko povzročita krčenje in izoblikovanje; zahteva natančno kontrolo in prirejanje postopkov.
• Prekomerna vsebnost ogljika: previsok ogljik v površini lahko povzroči krhkost in težave pri nadaljnji obdelavi; v takem primeru je mogoče izvesti razogljičenje (delno odstranjevanje ogljika) ali prilagoditi temperiranje.
• Okoljski in varnostni vidiki: delo s plini, solmi in plazmo zahteva ustrezne filtre, recikliranje in varnostne ukrepe zaradi emisij in potencialne toksikologije.

Zaključek

Karburiranje je vsestranska in ekonomsko smiselna metoda za izboljšanje površinskih lastnosti jekel. Z ustrezno izbiro metode, natančnim nadzorom procesnih parametrov in primerno toplotno obdelavo je mogoče doseči optimalno kombinacijo trdote površine in žilavosti jedra, kar podaljša življenjsko dobo komponent v zahtevnih pogojih dela.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je karburizacija?

V: Zakaj se izvaja karburizacija?

V: Kako se je karburizacija izvajala v prejšnjih časih?

V: Katere sodobne tehnike se uporabljajo za karburizacijo?

V: Kakšen je vpliv časa in temperature na karburizacijo?

V: Katere vrste kovin se večinoma uporabljajo za karburizacijo?

V: Kaj se zgodi, če je koncentracija ogljika v kovini med karburizacijo prevelika?

Išči po črki