Karburointi (karburointi): hiilen lisääminen metallin pintakarkaisuun

Karburointi: hiilen lisääminen metallin pintakarkaisuun – tehokas tapa kovettaa ja parantaa kulutuskestävyyttä matalaseosteisessa teräksessä nykyaikaisilla kaasu- ja plasma­menetelmillä.

Karburointi (usein myös karburointi) on lämpökemiallinen prosessi, jossa hiiltä lisätään metalliin siten, että pinnasta saadaan kovempi ja kulutusta kestävämpi. Karburoinnin tavoite on muodostaa pinnalle hiilipitoisempi, kovempi kerros (ns. "case") samalla kun kappaleen ydin säilyy sitkeänä.

Periaate ja menetelmät

Karburoinnissa kappale kuumennetaan yleensä noin 850–950 °C:n lämpötilaan ja altistetaan hiiltä sisältävälle ympäristölle. Hiili diffuntoituu kuumaan pintaan muodostaen hiilipitoisuuden kasvusta johtuvan kovemman kerroksen. Aikaisemmin käytettiin suoraa hiiltä (pakattu hiili, "pack-carburizing"), mutta nykyaikaisissa tekniikoissa käytetään usein hiiltä sisältäviä kaasuja tai plasmia, kuten hiilidioksidia tai metaania, sekä vesien ja suolojen avulla toimivia menetelmiä.

• Kaasu-karburointi: yleinen teollisuusmenetelmä, jossa käytetään hiilivety- tai hiilidioksidipitoisia kaasuja. Hiilen määrä säädetään ns. hiilipotentiaalilla.
• Paketti-karburointi: kappaleet pakataan hiilimateriaaliin (esim. mangaani- tai puuhiileen ja aktivaattoreiden seos) ja kuumennetaan; vanhempi mutta edelleen käytetty tapa pienemmissä erissä.
• Plasma-/ionikarvurointi: käytetään pitempään hallittavissa olosuhteissa; hyvä energiatehokkuus ja kohdennettu pinnan muokkaus.
• Suolakylpykarburointi: nopea, mutta sisältää ympäristöriskejä (kemialliset suolat, usein haitallisia yhdisteitä).

Prosessin vaiheet

• Esikäsittely: puhdistus ja mahdollinen esilämmitys korroosion ja epäpuhtauksien poistamiseksi.
• Karburointi: kuumennus oikeaan lämpötilaan ja altistus hiilipitoiselle ympäristölle ajaksi, joka määrää pintakerroksen paksuuden.
• Jäähdytys ja karkaisu: usein hiilrikas pinta karkaisetaan (nopea jäähdytys, esim. öljy- tai vesisammutus), jolloin pinnalle muodostuu martensiitti ja kovuus kasvaa.
• Temperointi: jännitysten vähentäminen ja sitkentyminen lämpökäsittelyllä karkaisun jälkeen.

Materiaalit ja mikrorakenne

Karburointi soveltuu parhaiten matalaseosteisiin hiiliteräksiin, joiden hiilipitoisuus ytimen alueella on alhainen. Kun pinta on karburoitu ja karkaisun jälkeen, pintakerroksessa on korkeamman hiilipitoisuuden omaavaa martensiittia (kova) ja ytimen rakenne voi jäädä sitkeäksi (ferriitti/pearlite tai seostettu keskirakenne).

Karburoitu kerros koostuu usein kahdesta osasta: pinnassa voi olla hiilirikastunut karbidikerros (kompoundikerros), jonka alla on diffuusiokerros, jossa hiilen pitoisuus laskee kohti ydintä. Oikealla prosessoinnilla haluttu kerrospaksuus on tyypillisesti 0,2–3 mm, riippuen osan vaatimuksista.

Hyödyt ja rajoitukset

• Lisää pintakestävyyttä ja kulutuskestävyyttä ilman, että kappaleesta tulee hanakka tai hauras kokonaan.
• Säilyttää ytimen sitkeyden ja mekaaniset ominaisuudet.
• Mahdollisuus saavuttaa korkea pintakovuus yhdellä lämpökäsittelyllä ja jälkikäsittelyillä.
• Rajoituksena: liiallinen hiilen määrä voi haurastuttaa pintaa ja vaikeuttaa mekaanista työstöä. Lisäksi epätasainen hiilen lisääntyminen voi aiheuttaa muodonmuutoksia ja sisäisiä jännityksiä.

Laadunvalvonta ja parametrit

Tärkeimpiä mitattavia parametreja ovat mm. hiilipitoisuus pintakerroksessa, karburointisyvyys (case depth), pintakovuus ja mikrorakenne. Näitä seurataan esimerkiksi mikrokovuusmittauksilla, metallografialla ja hiilianalyysillä. Karburoinnin onnistumiseen vaikuttavat lämpötila, aika, hiilipotentiaali ja jäähdytysnopeus.

Sovellukset

Karburointia käytetään laajasti koneenosien pinnoittamiseen: vaihteiston hammaspyörät, akselit, nivelakselit, kampiakselit, laakerit ja muut kohdat, joilla tarvitaan pintakovuutta ja hyvää kulutuskestävyyttä mutta samalla sisäistä sitkeyttä.

Turvallisuus ja ympäristö

Joissain karburointimenetelmissä käytetään haitallisia kemikaaleja (esim. tietyt suolakylvyt tai pakettiaktiiviset yhdisteet), joten prosessi vaatii asianmukaiset päästö- ja jätehuollon ratkaisut sekä työpaikkaturvallisuuden huomioimisen. Modernit kaasu- ja plasmamenetelmät ovat usein ympäristö- ja työturvallisuusnäkökulmasta edullisempia.

Vastakohtana karburoinnille on dekarburointi eli hiilen poistuminen pinnasta (esim. liian pitkän lämmityksen tai väärän ympäristön seurauksena), joka heikentää pintakestävyyttä.

Yhteenvetona: karburointi on tehokas tapa parantaa matalahiilisten terästen pintalujuutta ja kulutuskestävyyttä. Menetelmän valinta, lämpötila ja aika sekä jäähdytys ja jälkikäsittely ratkaisevat lopputuloksen ja osan soveltuvuuden vaativiin käyttökohteisiin.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on hiiltyminen?

K: Miksi hiiltäminen tehdään?

K: Miten hiiltäminen on tehty aikaisemmin?

K: Mitä nykyaikaisia tekniikoita käytetään hiiltämiseen?

K: Mikä on ajan ja lämpötilan vaikutus hiiltymiseen?

K: Minkä tyyppisiä metalleja käytetään pääasiassa karburointiin?

K: Mitä tapahtuu, jos hiilen pitoisuus metallissa kasvaa liian suureksi karburoinnin aikana?

Hae kirjaimella