Metallien lämpö- ja kemiallinen käsittely
Sisällysluettelo
Nykyaikaiset insinöörirakenteet edellyttävät materiaaleilta korkeaa pintalujuutta, suurta kulumis-, väsymis- ja kemiallisten aineiden kestävyyttä, samalla kun niiden ytimen muovattavuus ja sitkeys säilyvät. Tämä toivottu ominaisuuksien yhdistelmä voidaan saavuttaa lämpö- ja kemiallisella käsittelyllä.
Lämpö- ja kemiallinen käsittely on joukko teknologisia prosesseja, joissa metallielementtien pintakerros kyllästetään aktiivisilla kemiallisilla alkuaineilla (kuten hiili, typpi, boori, kromi) ja samalla kuumennetaan. Näiden käsittelyjen seurauksena metallin pintakerrokseen tapahtuu rakenteellisia ja kemiallisia muutoksia, jotka muuttavat sen ominaisuuksia radikaalisti.
Hyvin suoritetun lämpö- ja kemiallisen käsittelyn tuloksena on kova, kulutusta kestävä pintakerros, joka säilyttää ytimen sitkeyden ja muovattavuuden, mikä lisää merkittävästi koneenosien ja työkalujen kestävyyttä.
Käytetystä alkuaineesta ja prosessista riippuen on olemassa erilaisia lämpö-kemiallisia käsittelyjä, joista yleisimpiä ovat karburisointi, nitridointi ja karboniitridikäsittely (tunnetaan myös syaanauskäsittelynä) sekä erikoistuneempia menetelmiä, kuten kuten kromaus, alumiinointi ja boorikäsittely.
Tämän artikkelin seuraavissa osissa tarkastelemme näiden prosessien mekanismeja tarkemmin, niiden käytännön sovelluksia ja niiden vaikutusta metallien pintakerroksen mikrorakenteeseen ja ominaisuuksiin.
Toimintamekanismi – alkuaineiden diffuusio
Kaikkien lämpö- ja kemiallisten käsittelyprosessien perustana on diffuusio, eli atomien spontaani liike alueelta, jossa pitoisuus on suurempi, alueelle, jossa pitoisuus on pienempi. Tässä tapauksessa kyse on aktiivisen kemiallisen alkuaineen (esim. hiili, typpi) diffuusiosta metalliin, useimmiten rautaan. Metallin pinnan kyllästymisprosessi koostuu kolmesta vaiheesta:
- Aktiivisten atomien adsorptio – kyllästyvän alkuaineen atomit laskeutuvat metallin pinnalle muodostaen ns. siirtymäkerroksen.
- Pintadiffuusio – atomit liikkuvat pinnan poikki etsien sopivia paikkoja ”päästäkseen” kiteiseen rakenteeseen.
- Sisäinen (tilavuudellinen) diffuusio – riittävän korkeassa lämpötilassa atomit diffundoituvat metalliin ja asettuvat kidehilan vapaaseen tilaan (useimmiten solmukohtien väliin, ns. hilaväleihin).
Lämpötila on ratkaisevassa roolissa – mitä korkeampi lämpötila, sitä nopeampi diffuusio, sitä suurempi kerroksen kyllästymissyvyys, mutta myös suurempi riski rakeiden kasvulle ja materiaalin ytimen muutoksille.
Alkuaineen tyypistä riippuen diffundoituvat atomit ovat vuorovaikutuksessa rauta-atomien kanssa muodostaen erilaisia kiinteitä liuoksia tai kemiallisia yhdisteitä (esim. nitridit, karbidit, boridit). Niiden läsnäolo on vastuussa pintakerroksen kovuuden, kulutuksen- ja väsymiskestävyyden sekä korroosio- ja lämmönkestävyyden paranemisesta.
Diffuusioprosessi tapahtuu pitoisuusgradientin mukaisesti, mikä tarkoittaa, että kyllästävän alkuaineen pitoisuus pienenee syvyyden kasvaessa. Tämä johtaa tyypilliseen kerrostuneeseen rakenteeseen: kyllästynyt vyöhyke (pinta) – erittäin kova, siirtymävyöhyke – ominaisuudet muuttuvat asteittain, ja ydin – säilyttää metallin alkuperäiset ominaisuudet.
Juuri tämä asteittainen rakenteellinen ja kemiallinen muutos antaa lämpökäsittelylle edun muihin pintakäsittelytekniikoihin, kuten pinnoitukseen tai ruiskuttamiseen, verrattuna.
Hiiletys
Hiiletys on lämpökäsittelyprosessi, jossa teräskomponentin pinta kyllästetään hiilellä sen kovuuden, kulutuskestävyyden ja väsymiskestävyyden parantamiseksi. Sitä käytetään erityisesti vähähiilisissä teräksissä, jotka eivät sovellu kovettamiseen yksinään. Hiiletyksen jälkeen ne saavat kuitenkin kovan pinnan säilyttäen samalla ytimen sitkeyden.
Toimintaperiaate
Hiiletysprosessi koostuu teräksen kuumentamisesta austenoitumislämpötilaan (noin 880–950 °C) ja pitämisestä aktiivista hiiltä sisältävässä ilmapiirissä tietyn ajan (useista tunneista useisiin kymmeniin tunteihin) vaaditun kerroksen syvyyden mukaan.
Tänä aikana hiiliatomit adsorboituvat pintaan ja diffundoituvat sitten teräkseen, täyttäen austeniittikiteen välitilat. Kyllästymisen jälkeen komponentit karkaistaan ja karkaistaan, jolloin saavutetaan korkea kerroksen kovuus (usein yli 60 HRC) ja säilytetään ytimen sitkeys.
Hiiletyksen tyypit
Jauhehiilitys
- Perinteisesti käytetty hiilikerroksessa ja aktivaattoreiden (esim. BaCO₃) kanssa
- Ei kovin tarkka, vaikeasti säädettävä
- Nykyisin harvemmin käytössä, lähinnä pienerien työkalujen ja antiikkiesineiden valmistuksessa.
Kaasuhiiletys
- Teollisuudessa yleisin menetelmä
- Suoritetaan kaasuhiiletyskaasun (esim. CO, CH₄) ilmakehässä kaasutiivisissä uuneissa
- Mahdollistaa tarkan lämpötilan, ajan ja kaasukoostumuksen hallinnan.
- Mahdollistaa tasaisen hiilikerroksen, jonka syvyys on jopa useita millimetrejä.
Tyhjiöhiilitys (alipainehiiletys)
- Moderni menetelmä, jossa hiiletyskaasua syötetään syklisesti tyhjiöolosuhteissa.
- Tuottaa puhtaan kerroksen ilman hapettumista tai muodonmuutoksia,
- Suositellaan erityisesti tarkkuusmekaanisiin osiin (esim.vaihteet, laakerit).
Hiiletyskerroksen rakenne ja ominaisuudet
Kovettumisen jälkeen pintakerrokseen muodostuu hiilellä kyllästynyt martensiittirakenne, joka muuttuu bainitiksi, ferriitiksi tai perliitiksi materiaalin syvyyden kasvaessa. Hiiletyneen kerroksen kovuus on yli 62 HRC, ja se on erittäin kulutusta ja kosketusväsymystä kestävä, mutta sen korkean lämpötilan ja korroosion kestävyys on heikko, mikä rajoittaa sen käyttökohteita.
Nitridointi
Nitridointi on prosessi, jossa metallin pinta kyllästetään typellä kovuuden, kulumis-, korroosion- ja väsymiskestävyyden parantamiseksi ilman karkaisua. Toisin kuin hiiletyksessä, nitraus suoritetaan tyypillisesti alhaisemmissa lämpötiloissa (yleensä 500–580 °C), mikä minimoi muodonmuutosten riskin, säilyttää työkappaleen mittatarkkuuden ja säilyttää ydinrakenteen.
Nitridoinnin aikana typpiatomit adsorboituvat teräksen pinnalle, diffundoituvat kiderakenteeseen ja muodostavat sidoksia seosmetallien atomien (kuten Al, Cr, Mo, V) kanssa, mikä johtaa metallien välisten nitridien (esim. AlN, CrN, VN) muodostumiseen. Nämä yhdisteet ovat vastuussa korkeasta kovuudesta ja pinnan kestävyydestä.
Nitridoinnin tyypit
Kaasunitridointi
- Suoritetaan ammoniakki (NH₃) -ilmakehässä, joka hajoaa aktiiviseksi typeksi ja vedyksi.
- Suosittu, edullinen ja tunnettu menetelmä.
- Prosessiaika: 10–100 tuntia.
- Kerrospaksuus jopa 0,5 mm, kovuus jopa 1100 HV.
Ioninitridointi (plasma)
- Suoritetaan alipaineolosuhteissa sähkökentän avulla.
- Metallipinta toimii katodina, ja typpimolekyylit houkuttelevat ja ”ajavat” materiaaliin.
- Mahdollistaa kerroksen syvyyden ja profiilin tarkan hallinnan.
- Prosessi on puhdas, nopea, energiatehokas ja ihanteellinen tarkkuusosille.
Suolakylpynitridointi
- Harvemmin käytetty menetelmä, jossa osat upotetaan syanidi- ja nitraattiliuokseen.
- Olosuhteita on vaikeampi hallita, mutta kerros voi olla korroosionkestävämpi.
Nitridoinnin tehokkuus riippuu typen muodostavista alkuaineista ( Al, Cr, Mo, V) mikrorakenteesta ja aiemmasta lämpökäsittelystä. Teräs on lämpökäsiteltävä etukäteen ja pinta on puhdistettava huolellisesti (poistettava hilse, rasva ja ruoste).
Tyypillinen kerros koostuu kahdesta vyöhykkeestä: sitoutuneesta kerroksesta, joka on erittäin kova, ohut (10–20 μm) ja koostuu pääasiassa nitrideistä, ja diffuusiotukikerroksesta, joka on paksumpi (jopa 0,5 mm) ja vastaa kuormituksen siirrosta.
Sen ominaispiirteitä ovat kovuus 900–1200 HV, erinomainen kulutuskestävyys ja väsymiskestävyys, korkea korroosionkestävyys, erityisesti ruostumattomilla teräksillä, ja kovettamisen tarpeettomuus prosessin jälkeen, mikä vähentää muodonmuutoksia ja kustannuksia.
Karboniitridointi (Syaanidointi)
Karboniitridointi, eli syaanidointi, on lämpö-kemiallinen käsittely, jossa metallin pinta kyllästetään samanaikaisesti hiilellä ja typellä. Käsittelyn tavoitteena on saada aikaan kova, ohut pintakerros, joka tarjoaa korkean kulutuksen-, hankumisen- ja väsymiskestävyyden ja jonka käsittelyaika on lyhyempi kuin perinteisessä hiiletyksessä.
Prosessin lämpötila on alhaisempi kuin hiiletyksessä, yleensä 700–900 °C, kyllästymisaika on lyhyempi ja tuloksena oleva kerros on ohuempi, mutta nitridien ansiosta kovempi.
Karboniitridoinnissa teräs kuumennetaan sopivaan lämpötilaan ja pidetään hiiltä ja typpeä sisältävässä ympäristössä, esimerkiksi kaasujen (CH₄ + NH₃) tai suolakylpyjen (syanaatit, syanidit) muodossa.
Tämän prosessin aikana hiili- ja typpiatomit adsorboituvat pintaan ja diffundoituvat materiaaliin muodostaen sekoittuneen diffuusiokerroksen, joka sisältää rautaa ja seosaineita sisältäviä karbideja ja nitridejä.
Karboniitridoinnin jälkeen kovuus on jopa 850–1000 HV, kerros on erittäin kulutuskestävä ja kestää hyvin hapettumista ja korroosiota (paremmin kuin pelkän hiiletyksen jälkeen). Kerros on tyypillisesti 0,2–0,5 mm paksu, ja muodonmuutos on hyvin vähäistä; usein lisälämpökäsittelyä ei tarvita. Näiden ominaisuuksien ansiosta hiiletykkiä käytetään muun muassa hammaspyörissä, akseleissa, holkeissa, ruuveissa ja komponenteissa, jotka vaativat korkeaa pintakestävyyttä ja mittatarkkuutta.
Hiili-typen diffuusiokarkaisun tyypit
Kaasuhiili-typen diffuusiokarkaisu
- Suoritetaan kyllästävien kaasujen (esim. ammoniakki ja hiilivetykaasut) seoksessa.
- Yleisin teollisuudessa.
- Mahdollistaa prosessiparametrien hallinnan ja tuottaa 0,1–0,5 mm paksuisen kovan kerroksen.
Kylpyhiili-typen diffuusiokarkaisu (syanidointi)
- Suoritetaan syanidisuolaliuoksissa (NaCN, KCN).
- Erittäin nopea prosessi, mutta haitallinen ympäristölle (syanidimyrkyllisyys).
- Nykyään sitä käytetään yhä vähemmän ja se korvataan usein myrkyttömällä syanidoinnilla (esim. syanaatteja käyttämällä).
Ionihiili-typen diffuusiokarkaisu
- Moderni menetelmä, joka suoritetaan tyhjiöolosuhteissa.
- Mahdollistaa diffuusiokerroksen tarkan muotoilun.
- Käytetään geometrisesti monimutkaisten ja tarkkuutta vaativien osien valmistuksessa.
Muita diffuusiopintakäsittelyjä
Karburoinnin, nitridoinnin ja karbonitruksen lisäksi useissa muissa termokemiallisissa käsittelyprosesseissa metallipinta kyllästetään erilaisilla alkuaineilla erityisominaisuuksien, kuten korkean lämpötilan, korroosion, eroosion tai hapettumisen kestävyyden, saavuttamiseksi.
Jokainen näistä prosesseista mahdollistaa pintakerroksen sovittamisen hyvin erityisiin käyttöolosuhteisiin, joissa tavanomaiset menetelmät (kuten karkaisu) eivät ole riittävät. Niiden käyttö pidentää usein avainkomponenttien käyttöikää ja luotettavuutta äärimmäisissä olosuhteissa toimivissa laitteissa. Tärkeimmät näistä on esitetty alla:
Diffuusio-kromitus
Tässä menetelmässä metallipinta kyllästetään kromilla korkeassa lämpötilassa (900–1100 °C). Se suoritetaan kaasuatmosfäärissä (esim. kromikloridit) tai jauhehauteissa.
Diffuusiokromaus muodostaa rautakromidikerroksen, jolle on ominaista:
- erittäin hyvä korroosio- ja hapettumiskestävyys,
- kovuus ja kulutuskestävyys,
- kestävyys kaasuja ja aggressiivisia kemikaaleja vastaan.
Käytetään kemian-, petrokemian- ja energiateollisuudessa (esim. kattilaputket, venttiilit, reaktorikomponentit).
Aluminointi (aluminaatio)
Pinnan kyllästys alumiinilla, yleensä lämpötilassa 800–1050 °C. Se johtaa FeAl- tai Fe₃Al-metalliyhdisteiden muodostumiseen. Sen tärkeimmät edut ovat:
- korkea hapettumiskestävyys korkeissa lämpötiloissa,
- suojaa kaasuerosiolta ja metallurgisilta kuonilta,
- parempi korroosionkestävyys rikin ja kloridien vaikutuksesta.
Käytetään turbiineissa, lämmönvaihtimissa, kattiloissa ja suihkumoottoreissa.
Boronointin (booritus)
Boroituminen on pintakäsittely, jossa boori diffundoituu metallin rakenteeseen. Boroituminen johtaa kovien boorideiden, kuten FeB, Fe₂B, muodostumiseen, joiden kerroksen kovuus on jopa 1800–2000 HV. Boronisoinnille on ominaista:
- erinomainen kulutuskestävyys,
- kestävyys hapoille, emäksille ja suolavedelle,
- hauraus, joka rajoittaa sen käyttöä dynaamisissa komponenteissa.
Käyttökohteet: leikkuutyökalut, muotit, suulakkeet ja kitkaelementit.
Silikonointi
Pinnan kyllästys piillä noin 1000 °C lämpötilassa. Tämä johtaa rautasilisidien muodostumiseen, jotka antavat hapettumisen ja korkean lämpötilan korroosion kestävyyden sekä lisäävät kovuutta ja väsymislujuutta. Käytetään metallurgiassa, korkeille lämpötiloille ja kuonalle altistuvissa komponenteissa.
Metallien lämpö- ja kemiallinen käsittely – yhteenveto
Lämpö- ja kemialliset pintakäsittely ovat materiaali-insinööritieteiden keskeisiä menetelmiä, joiden avulla voidaan muokata metallipintojen ominaisuuksien kohdennetun muokkaamisen vaikuttamatta niiden sisäiseen rakenteeseen. Hiiletyksen, nitrauksen, karbonitrauksen ja kromipinnoituksen kaltaisten prosessien avulla on mahdollista saavuttaa korkea pintakovuus, sitkeys ja ydinkestävyys.
Nämä käsittelyt lisäävät kulutuksen, korroosion, väsymisen ja korkeiden lämpötilojen kestävyyttä, mikä suoraan pidentää koneiden ja laitteiden komponenttien käyttöikää. Prosessityypin, lämpöparametrien ja lähtöaineen taitava valinta antaa insinööreille mahdollisuuden optimoida suunnittelun todellisiin käyttöolosuhteisiin.
Nykyteollisuus ei voi toimia ilman tarkkoja pintakäsittelymenetelmiä – siksi termokemiallinen käsittely on edelleen paitsi tärkeä tieteellinen kysymys, myös ennen kaikkea käytännön työkalu teknisten rakenteiden kestävyyden, luotettavuuden ja turvallisuuden parantamiseksi.
