Karburálás (szénezés) – felületi keményítés, eljárások és hatások

Karburálás (szénezés): felületi keményítés, módszerek és hatások — modern és hagyományos eljárások, előnyök és kockázatok az acélok kopásállóvá tételében.

A karburálás (gyakran szénezésnek is nevezik) az a hőkezelési folyamat, amelynek során szenet juttatnak be egy fémbe, hogy a felületek széntartalmát és ezáltal keménységét növeljék. A cél általában a kopásállóság és a fáradási teljesítmény javítása úgy, hogy a belső, szemcsés szerkezet és a mag maradjon szívós és ütésálló.

Az idő és a hőmérséklet függvényében az érintett réteg széntartalma változik: a felületi réteg diffúzióval telítődik szénnel, majd a hűtés (gyakran edzés) során a magas széntartalmú réteg martenzitté alakul, ami nagy keménységet eredményez. Régebben a szén közvetlen felhordásával (csomagolással) vitték fel a szenet a fémre; a modern technológiák viszont szénhordozó gázokat vagy plazmákat (például szén-dioxidot vagy metánt) használnak. A karburálást főként alacsonyan ötvözött acélok felületének keményítésére alkalmazzák.

Főbb eljárások

• Pack (vagy csomag) karburálás: a munkadarabot szénes anyagba (pl. faszén por) csomagolják, és kemencében hevítenek. Régi, egyszerű módszer, jó nagyobb daraboknál és egyedi gyártásnál.
• Gázkarburálás: szénhidrogén-tartalmú gáz (pl. metán, propán) vezérlésével juttatnak szenet a felületre. Jó szabályozhatóság, ipari sorozatgyártásra alkalmas.
• Folyadék- (sókád) karburálás: olvasztott sófürdőben történik a szén bejuttatása. Gyors hőátadás és jó termikus egyenletesség jellemzi.
• Plazma- vagy vákuumkarburálás: alacsony nyomáson, plazmakörnyezettel gyors, tiszta folyamat, finom kontroll a karbonaktivitás és a esetleges oxidáció elkerülése érdekében.
• Lángkarburálás: rövidebb időtartamú, helyi kezelésekhez használatos, de kevésbé pontos szénbevitelt tesz lehetővé.

Folyamatparaméterek és hatások

A karburálás során döntő a hőmérséklet (általában 850–950 °C közötti tartomány), az idő és a karbonaktivitás (a kemencében lévő gázösszetétel által meghatározott szénpotenciál). A tényleges esetmélység (az a réteg, amely a megnövelt széntartalom és keménység jellemzőit mutatja) tipikusan 0,1–2 mm között változik, de speciális eljárásokkal ennél mélyebb réteg is elérhető.

A diffúziós mechanizmusok (Fick-törvények) határozzák meg, hogyan alakul ki a koncentrációprofil: hosszabb idő és magasabb hőmérséklet mélyebb esetet eredményez. A hőkezelés utáni gyors hűtés (edzés) a felületi magas széntartalmú réteget kemény martenzitté alakítja, míg a mag megtartja eredeti, alacsonyabb keménységű szerkezetét.

Mikroszerkezeti és mechanikai következmények

A felületi rétegben kialakuló magas széntartalom nagy keménységet ad, ami javítja a kopásállóságot és a kúszással szembeni ellenállást. Ugyanakkor a túl magas szénkoncentráció vagy túl vastag, rideg réteg növelheti a törékenységet és a repedésképződés kockázatát. A karburálás után gyakori jelenség a megnövekedett maradék feszültség és torzulás, ezért fontos a megfelelő edzési és utókezelési stratégia (pl. temperálás) alkalmazása.

Gyakori problémák:

• Elszenesedés: túlzott szénbevitelnél a fém „elszenesedik”, ami megmunkálhatósági és mechanikai problémákat okoz.
• Decarburizáció: oxidáló atmoszférában a felület széntartalma csökkenhet, ami gyengíti a kívánt hatást.
• Retenciós rétegek: edzést követően részlegesen visszamaradó ausztenit (retained austenite) csökkentheti a keménységet és befolyásolhatja a méretstabilitást.

Mérések és minőségellenőrzés

A sikeres karburálást mikrohardness profilokkal, metallográfiával (nital maratás után), és széntartalom-vizsgálatokkal ellenőrzik. A gyakorlati vizsgálatok közé tartozik az esetmélység mérés (pl. 0,2 mm alatti, 0,5 mm körüli vagy több mm-es osztályok), valamint a felületi keménység (HB, HRC illetve HV skálán). A folyamat reprodukálhatósága érdekében fontos a kemence atmoszférájának és hőmérsékletének pontos vezérlése.

Alkalmazási területek

Karburált alkatrészeket találunk a gépjárműiparban (fogaskerekek, kuplungalkatrészek, tengelyek, cam-alakok), ipari hajtóművekben, csapágyakban és egyéb, nagy kopásnak kitett szerkezeti elemekben. A választás során figyelembe veszik a kívánt esetmélységet, a magmechanikai tulajdonságokat és a termék utófeldolgozását (pl. csiszolás, hőkezelés).

Előnyök és hátrányok — röviden

• Előnyök: jelentősen javul a felületi kopásállóság és fáradási teljesítmény, megmarad a mag szívóssága, jó méretezhetőség sorozatgyártásra (különösen gáz- és vakumkarburálásnál).
• Hátrányok: torzulás és repedésveszély, komplex minőségellenőrzés szükségessége, helytelen paraméterezés esetén elszenesedés vagy nem megfelelő esetmélység.

Összefoglalva: a karburálás hatékony, széles körben alkalmazott felületi keményítési eljárás, amely megfelelő eljárás- és paraméterválasztással jelentős teljesítménynövekedést adhat a kopásnak és fáradásnak kitett acélalkatrészeknek, miközben megőrzi a mag jó mechanikai tulajdonságait.

Kérdések és válaszok

K: Mi az a karburizáció?

K: Miért végzik a karburálást?

K: Hogyan végezték a karburálást a korábbi időkben?

K: Milyen modern technikákat alkalmaznak a karburáláshoz?

K: Milyen hatással van az idő és a hőmérséklet a karburálásra?

K: Milyen típusú fémeket használnak elsősorban karburáláshoz?

K: Mi történik, ha a szénkoncentráció túl nagy lesz egy fémben a karburálás során?

Keresés betűvel