Termisk och kemisk behandling av metaller
Innehållsförteckning
Moderna tekniska konstruktioner kräver material med hög ytstyrka, hög slitstyrka, utmattningshållfasthet och kemikaliebeständighet, samtidigt som duktilitet och seghet bibehålls i kärnan. Denna önskvärda kombination av egenskaper kan uppnås genom värme- och kemisk behandling.
Värme- och kemisk behandling är en uppsättning tekniska processer som innebär mättnad av ytskiktet på metallelement med aktiva kemiska element (såsom kol, kväve, bor, krom) samtidigt som värme tillförs. Som ett resultat av dessa behandlingar uppstår strukturella och kemiska förändringar i ytskiktet på metallen, vilket radikalt förändrar dess egenskaper.
Resultatet av väl utförd värme- och kemisk behandling är ett hårt, slitstarkt ytskikt samtidigt som kärnan förblir formbar och smidig, vilket avsevärt ökar hållbarheten hos maskindelar och verktyg.
Beroende på vilket element som används och vilken process som tillämpas finns det olika typer av termokemisk behandling, varav de vanligaste är karburering, nitrering och karbonitrering (även kallad cyanidering), samt mer specialiserade metoder såsom förkromning, aluminiumplätering och borplätering.
I de följande avsnitten av denna artikel kommer vi att undersöka mekanismerna för dessa processer mer i detalj, deras praktiska tillämpningar och deras inverkan på mikrostrukturen och egenskaperna hos ytskiktet på metaller.
Verkningsmekanism – diffusion av element
Grunden för alla värme- och kemiska behandlingsprocesser är fenomenet diffusion, det vill säga den spontana rörelsen av atomer från ett område med högre koncentration till ett område med lägre koncentration. I detta fall handlar det om diffusion av ett aktivt kemiskt element (till exempel kol och kväve) in i metallen, oftast järn. Processen för mättnad av metallytan består av tre steg:
- Adsorption av aktiva atomer – atomer av det mättande elementet sätter sig på metallytan och bildar ett så kallat övergångsskikt.
- Ytdiffusion – atomer rör sig över ytan och letar efter lämpliga ställen att ”tränga in” i kristallstrukturen.
- Intern (volymetrisk) diffusion – vid tillräckligt hög temperatur diffunderar atomerna in i metallen och lägger sig i de fria utrymmena i kristallgittret (oftast mellan noderna, i så kallade gitterluckor).
Temperaturen spelar här en avgörande roll – ju högre temperatur, desto snabbare diffusion och desto större mättnadsdjup i skiktet, men också desto större risk för kornväxt och förändringar i materialets kärna.
Beroende på typen av element, interagerar de diffunderande atomerna med järnatomer och bildar olika fasta lösningar eller kemiska föreningar (till exempel nitrider, karbider och borider). Det är deras närvaro som tillser ökad hårdhet i ytskiktet, ökad motståndskraft mot nötning och utmattning samt förbättrad korrosions- och värmebeständighet.
Diffusionsprocessen sker enligt koncentrationsgradienten, vilket innebär att koncentrationen av det mättande elementet minskar med ökande djup. Detta resulterar i en karakteristisk skiktad struktur: en mättad zon (ytan) – mycket hård, en övergångszon – med gradvis förändrade egenskaper, och en kärna – som behåller metallens ursprungliga egenskaper.
Det är just denna gradvisa strukturella och kemiska förändring som ger värmebehandling en fördel jämfört med andra yttekniker, såsom beläggning eller sprutning.
Uppkolning
Uppkolning är en värmebehandlingsprocess där ytan på en stålkomponent mättas med kol för att öka dess hårdhet, slitstyrka och utmattningsbeständighet. Den används särskilt för kolfattiga stål, som inte är lämpliga för härdning på egen hand. Efter uppkolning får de dock en hård yta samtidigt som de behåller kärnans duktilitet.
Funktionsprincip
Uppkolningsprocessen innebär att stål upphettas till austenitiseringstemperatur (ca 880–950 °C) och hålls i en atmosfär som innehåller aktivt kol under en viss tid (från några timmar till flera dussin timmar), beroende på önskat skiktdjup.
Under denna tid adsorberas kolatomer på ytan och diffunderar sedan in i stålet, där de fyller mellanrummen i austenitkristallgittret. Efter mättnad härdas och anlöpsbehandlas komponenterna, vilket ger hög skikthårdhet (ofta över 60 HRC) samtidigt som kärnan förblir formbar.
Typer av uppkolning
Pulveruppkolning
- Används traditionellt i en bädd av kol och aktivatorer (till exempel BaCO₃).
- Inte särskilt precis, svår att kontrollera.
- Användningen idag är mindre vanligt förekommande, främst vid tillverkning av verktyg och antika delar i små serier.
Gasuppkolning
- Vanligast att användas inom industrin.
- Utförs i en atmosfär av karburerande gaser (till exempel CO, CH₄) i gastäta ugnar.
- Möjliggör precis kontroll av temperatur, tid och atmosfärssammansättning.
- Möjliggör uppnåendet av ett enhetligt karburerat skikt med ett djup på upp till flera mm.
Vakuumuppkolning (lågtryck)
- En modern metod som använder cyklisk tillförsel av karburerande gas under vakuumförhållanden.
- Möjliggör hög renhet i skiktet, utan oxidation och deformation.
- Rekommenderas särskilt för precisa mekaniska delar (till exempel kugghjul och lager).
Struktur och egenskaper hos det karburerade skiktet
Efter härdning bildas en struktur av kolmättad martensit i ytskiktet, som övergår till bainit, ferrit eller perlit när materialet penetreras djupare. Det karburerade skiktet uppnår en hårdhet på över 62 HRC, kännetecknas av hög slitstyrka och kontaktutmattningsbeständighet, men har låg beständighet mot höga temperaturer och korrosion (vilket begränsar dess användningsområden).
Nitrering
Nitrering är en process som mättar en metallyta med kväve, vilket ökar hårdheten, slitstyrkan, korrosionsbeständigheten och utmattningsbeständigheten utan behov av härdning. Till skillnad från karburering utförs nitrering vanligtvis vid lägre temperaturer (vanligtvis 500–580 °C), vilket minimerar risken för deformation, bibehåller arbetsstyckets måttnoggrannhet och bevarar kärnstrukturen.
Under nitrering adsorberas kväveatomer på stålets yta, diffunderar in i kristallstrukturen och bildar bindningar med legeringsmetallatomer (till exempel Al, Cr, Mo, V), vilket leder till bildandet av intermetalliska nitrider (till exempel AlN, CrN, VN). Det är dessa föreningar som är ansvariga för den höga hårdheten och ytbeständigheten.
Typer av nitrering
Gasnitrering
- Utförs i en ammoniakatmosfär (NH₃), som sönderdelas till aktivt kväve och väte.
- Populär, billig och väletablerad.
- Processtid: 10 till 100 timmar.
- Skikttjocklek upp till 0,5 mm, hårdhet upp till 1100 HV.
Jonitrering (plasma)
- Utförs under lågtrycksförhållanden med hjälp av ett elektriskt fält.
- Metallytan fungerar som katod och kvävemolekyler dras till och ”drivs” in i materialet.
- Möjliggör precis kontroll av skiktets djup och profil.
- Processen är ren, snabb, energieffektiv och idealisk för precisionsdelar.
Saltbadsnitrering
- Mindre vanligt, innebär att delarna doppas i en lösning av cyanider och nitrater.
- Förhållandena är svårare att kontrollera, men skiktet kan bli mer korrosionsbeständigt.
Effektiviteten av nitrering beror på halten av kvävebildande element (till exempel Al, Cr, Mo, V) samt på mikrostrukturen och tidigare värmebehandling. Stålet bör värmebehandlas i förväg och ytan rengöras noggrant (fri från glödskal, fett och rost).
Ett typiskt skikt består av två zoner: ett bundet skikt, som är mycket hårt, tunt (10–20 μm) och huvudsakligen består av nitrider, och ett diffusionsstödskikt, som är tjockare (upp till 0,5 mm) och ansvarar för lastöverföringen.
Dess karakteristiska egenskaper är en hårdhet på 900–1200 HV, utmärkt slitstyrka och utmattningshållfasthet, hög korrosionsbeständighet, särskilt vid användning av rostfria stål, och inget behov av härdning efter processen, vilket minskar deformation och kostnader.
Karbonitrering (cyanidering)
Karbonitrering, även känd som cyanidering, är en termokemisk behandlingsprocess där metallytan samtidigt mättas med kol och kväve. Behandlingen syftar till att uppnå ett hårt, tunt ytskikt som ger hög motståndskraft mot slitage, nötning och utmattning, med kortare behandlingstid jämfört med klassisk karburering.
Jämfört med karburering är processtemperaturen lägre, vanligtvis i intervallet 700–900 °C, mättnadstiden är kortare och det resulterande skiktet är tunnare men hårdare på grund av närvaron av nitrider.
Karbonitrering innebär att stål upphettas till lämplig temperatur och hålls i en miljö som innehåller både kol och kväve, till exempel i form av gaser (CH₄ + NH₃) eller saltbad (cyanater, cyanider).
Under denna process adsorberas kol- och kväveatomer på ytan och diffunderar sedan in i materialet, varvid ett blandat diffusionsskikt bildas som innehåller karbider och nitrider av järn och legeringsämnen.
Efter utförd karbonitrering är hårdheten så hög som 850–1000 HV, skiktet har hög slitstyrka och god beständighet mot oxidation och korrosion (bättre än efter enbart karburering). Skiktet är vanligtvis 0,2–0,5 mm tjockt och det sker mycket liten deformation; ofta krävs ingen ytterligare värmebehandling. Tack vare dessa egenskaper används karbonitrering bland annat för kugghjul, axlar, bussningar, skruvar och komponenter som kräver hög ytbeständighet och måttnoggrannhet.
Typer av karbonitrering
Gaskarbonitrering
- Utförs i en atmosfär av en blandning av mättande gaser (till exempel ammoniak och kolvätegaser).
- Vanligast att användas inom industrin.
- Möjliggör kontroll av processparametrar och ger ett hårt skikt med en tjocklek på 0,1–0,5 mm.
Badkarbonitrering (cyanidering)
- Utförs i cyanidsaltlösningar (NaCN, KCN).
- En mycket snabb process, men skadlig för miljön (cyanidtoxicitet).
- För närvarande används den allt mindre och ersätts ofta av giftfri cyanidning (till exempel med cyanater).
Jonkarbonitrering
- En modern metod som utförs under vakuumförhållanden.
- Möjliggör precis formning av diffusionsskiktet.
- Används vid tillverkning av delar med komplexa geometrier och precisionskrav.
Andra typer av diffusionsimpregnering
Förutom uppkolning, nitrering och karbonitrering finns flera andra termokemiska behandlingsprocesser som innebär impregnering av metallytan med olika element för att uppnå specialegenskaper, såsom beständighet mot höga temperaturer, korrosion, erosion eller oxidation.
Var och en av dessa processer gör det möjligt att anpassa ytskiktet till mycket specifika driftsförhållanden där standardmetoder (såsom härdning) inte är tillräckliga. Deras användning ökar ofta livslängden och tillförlitligheten hos viktiga komponenter i utrustning som arbetar i extrema miljöer. De viktigaste av dessa presenteras nedan:
Diffusionsförkromning
Detta innebär att metallytan mättas med krom vid hög temperatur (900–1100 °C). Det utförs i en gasatmosfär (till exempel kromklorider) eller pulverbad.
Diffusionsförkromning skapar ett skikt av järnkromid, som kännetecknas av:
- mycket god korrosions- och oxidationsbeständighet,
- hårdhet och slitstyrka,
- beständighet mot gaser och aggressiva kemikalier.
Används inom kemisk, petrokemisk och energiindustri (till exempel pannrör, ventiler, reaktorkomponenter).
Aluminering
En process där en yta mättas med aluminium, vanligtvis vid en temperatur på 800–1050 °C. Det leder till bildandet av FeAl eller Fe₃Al intermetalliska föreningar. De viktigaste fördelarna är:
- hög beständighet mot oxidation vid höga temperaturer,
- skydd mot gaserosion och metallurgiska slaggprodukter,
- förbättrad korrosionsbeständighet under påverkan av svavel och klorider.
Används i turbiner, värmeväxlare, pannor och jetmotorer.
Borering
Borering är en ytbehandling som innebär diffusion av bor i metallens struktur. Borering resulterar i bildandet av hårda borider, såsom FeB, Fe₂B, med en skikthårdhet på upp till 1800–2000 HV. Borering kännetecknas av:
- utmärkt nötningsbeständighet,
- beständighet mot syror, alkalier och saltlösningar,
- sprödhet, vilket begränsar dess användning i dynamiska komponenter.
Används för: skärverktyg, formar, matriser och friktionselement.
Kiselering
Kiselering innebär att ytan mättas med kiseldioxid vid en temperatur på cirka 1000 °C. Detta resulterar i bildandet av järnsilicider, som ger beständighet mot oxidation och högtemperaturkorrosion samt ökad hårdhet och utmattningshållfasthet. Används inom metallurgi, i komponenter som utsätts för höga temperaturer och kontakt med slagg.
Termisk och kemisk behandling av metaller – sammanfattning
Termisk och kemisk behandling är bland de viktigaste verktygen inom materialteknik, eftersom de möjliggör riktad modifiering av metallytor utan att påverka deras inre struktur. Tack vare processer som uppkolning, nitrering, karbonitrering och kromplätering är det möjligt att uppnå en kombination av hög ythårdhet, duktilitet och kärnstyrka.
Dessa behandlingar ökar motståndskraften mot slitage, korrosion, utmattning och höga temperaturer, vilket direkt översätts till en längre livslängd för maskin- och utrustningskomponenter. Genom ett skickligt val av processtyp, termiska parametrar och utgångsmaterial kan ingenjörer optimera konstruktioner för deras faktiska driftsförhållanden.
Modern industri kan inte fungera utan precisa ytmodifieringsmetoder – därför är termokemisk behandling inte bara en viktig vetenskaplig fråga, utan framför allt ett praktiskt verktyg för att bygga hållbarhet, tillförlitlighet och säkerhet i tekniska konstruktioner.
