Aufkohlung

Aufkohlung ist ein Prozess aus der Werkstofftechnik und bezeichnet die Anreicherung von metallischen Werkstoffen mit Kohlenstoff. Dies kann gezielt mittels einer Wärmebehandlung des Stahls erfolgen oder ungewollt als eine Form der Hochtemperaturkorrosion.

Die gezielte Aufkohlung eines Stahls mittels Wärmebehandlung wird als Einsatzhärten bezeichnet. Dabei werden Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in einem Härteofen einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Die Glühtemperaturen liegen meist in einem Bereich von 850 bis 950 Grad Celsius. Das Aufkohlungsmedium kann dabei in fester, flüssiger oder gasförmiger Form dem Werkstoff zugeführt werden. Unabhängig von dem Medium dringt der Kohlenstoff in den Randbereich des Werkstückes ein und reichert sich dort an. Im Anschluss erfolgt eine sehr rasche Abkühlung, das sogenannte Härten, des Werkstückes. Dabei bildet sich an der Oberfläche des Stahls eine sehr harte und verschleißfeste Randschicht aus. Der Kern des Werkstückes, der noch geringere Kohlenstoffgehalte aufweist, bleibt hierbei noch sehr zäh. Somit verfügt der Kern noch immer über eine hohe Duktilität. Durch die Kombination einer harten Oberfläche und eines weichen Kerns, weisen einsatzgehärtete Stähle einen sehr hohen Widerstand gegenüber dynamischer Belastung auf und verfügen somit über eine hohe Lebensdauer. Dies wird z. B. bei Zahnrädern, Nockenwellen oder Werkzeugen angewendet.

Die Aufkohlung kann auch als unerwünschter Effekt bei der Hochtemperaturkorrosion von Bauteilen in kohlenstoffhaltigen Atmosphären bei hohen Temperaturen auftreten. Betroffen sind hiervon besonders Werkstoffe die in der petrochemischen Industrie, z. B. beim Cracken, sowie in der chemischen Industrie oder bei der Kohlevergasung eingesetzt werden. Bei der Aufkohlung kommt es zur Diffusion von Kohlenstoff in den Werkstoff, was zu einer Veränderung des Gefüges des Werkstoffes führt. Dies hat Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften und verschlechtert die Duktilität. Aufgrund der damit verbundenen Zähigkeitsabnahme kann es zur Rissbildung und somit zu Schäden in den Bauteilen kommen.

Eine besonders schwere Form der Aufkohlung im Zuge der Hochtemperaturkorrosion ist das sogenannte Metal Dusting, auch Metallzerstäubung genannt. Diese Form der Korrosion findet bei mittleren Temperaturen und sehr hohen Kohlenstoffgehalten der Atmosphäre statt. Die hohen Kohlenstoffgehalte von Synthesegasen und Reduktionsgasen führen bei Temperaturen von etwa 500 bis 700 °C zu einem sehr starken Werkstoffabtrag. Dabei zerfallen durch die Korrosion einzelne Gefügebestandteile des Stahls in Graphit und Metallstaub, welche sich von der Oberfläche ablösen. Dadurch treten massive Werkstoffschädigungen an Bauteilen auf, welche zum Versagen und somit zu einer Abnahme der Lebensdauer führen können.

Im Sinne der Langlebigkeit und der Dauerhaftigkeit von Anlagen, welche bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, ist die Verwendung und Weiterentwicklung von Hochtemperaturwerkstoffen mit einer erhöhten Beständigkeit gegenüber Aufkohlung unumgänglich. Die Beständigkeit gegenüber Hochtemperaturkorrosion kann gegebenenfalls mittels einer zusätzlichen Hochtemperatur-Korrosionsschutzschicht weiter verbessert werden. Nur durch eine gezielte Werkstoffauswahl, unter Berücksichtigung der Betriebsbedingungen, lässt sich einer Schädigung von Hochtemperaturwerkstoffen vorbeugen und somit die Energieeffizienz von Anlagen steigern.

Englische Übersetzung(en):

carburization, carburizing