Aufkohlen ist ein thermochemisches Wärmebehandlungsverfahren, bei dem die Randschicht eines Stahls gezielt mit Kohlenstoff angereichert wird. Das Verfahren wird insbesondere bei kohlenstoffarmen Stählen eingesetzt, deren ursprünglicher Kohlenstoffgehalt für eine hohe martensitische Randhärte nicht ausreicht.

Ziel ist es, durch anschließendes Härten eine harte, verschleißbeständige Randschicht zu erzeugen, während der Kern des Bauteils vergleichsweise zäh bleibt. Diese Kombination ist besonders bei mechanisch hochbelasteten Bauteilen wie Zahnrädern, Wellen oder Bolzen von Vorteil.

Wie funktioniert das Aufkohlen?

Beim Aufkohlen wird das Werkstück auf eine Temperatur erwärmt, bei der ein austenitisches Gefüge vorliegt. Typische Behandlungstemperaturen liegen je nach Werkstoff und Verfahren etwa zwischen 880 und 980 °C.

In einer kohlenstoffabgebenden Umgebung wird Kohlenstoff an der Werkstückoberfläche aufgenommen und diffundiert von dort in das Materialinnere. Dadurch entsteht ein Kohlenstoffkonzentrationsgefälle zwischen der angereicherten Randschicht und dem kohlenstoffärmeren Kern.

Die erreichbare Aufkohlungstiefe hängt insbesondere von der Behandlungstemperatur, der Behandlungsdauer, dem Werkstoff und der Kohlenstoffaktivität des Aufkohlungsmediums ab.

Wichtig: Durch das Aufkohlen allein entsteht noch keine vollständig gehärtete Randschicht. Die gewünschte hohe Randhärte wird in der Regel erst durch eine anschließende Härtung mit geeigneter Abschreckung erreicht.

Welche Aufkohlungsverfahren gibt es?

Je nach Anforderung an Werkstoff, Bauteilgeometrie und Fertigungsprozess kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz:

• Gasaufkohlen: Die Kohlenstoffanreicherung erfolgt in einer kontrollierten, kohlenstoffhaltigen Gasatmosphäre. Das Verfahren ist in der industriellen Wärmebehandlung weit verbreitet.
• Niederdruckaufkohlen: Die Behandlung erfolgt bei reduziertem Druck in einer Vakuumofenanlage unter Zugabe kohlenstoffhaltiger Prozessgase. Das Verfahren ermöglicht eine gezielte Steuerung der Kohlenstoffanreicherung und eignet sich auch für anspruchsvolle Bauteilgeometrien.
• Feststoffaufkohlen: Die Werkstücke werden in ein kohlenstoffabgebendes, festes Aufkohlungsmittel eingebettet und bei hohen Temperaturen behandelt. Dieses traditionelle Verfahren hat in der industriellen Serienfertigung heute eine geringere Bedeutung.
• Salzbadaufkohlen: Die Kohlenstoffanreicherung erfolgt in geeigneten Salzschmelzen. Je nach Zusammensetzung kann dabei zusätzlich Stickstoff eingebracht werden. Das Verfahren ist von der klassischen reinen Aufkohlung zu unterscheiden, wenn gleichzeitig eine Carbonitrierung stattfindet.

Welche Rolle spielt das Aufkohlen beim Einsatzhärten?

Das Aufkohlen ist ein wesentlicher Prozessschritt beim Einsatzhärten.

Beim Einsatzhärten wird zunächst die Randschicht eines geeigneten Stahls mit Kohlenstoff angereichert. Anschließend erfolgt die Härtung durch Abschrecken, häufig gefolgt von einem Anlassen bei niedrigen Temperaturen.

Dadurch entsteht eine harte, verschleißbeständige Oberfläche, während der kohlenstoffärmere Kern eine vergleichsweise hohe Zähigkeit behält.

Diese Kombination ist insbesondere bei Bauteilen vorteilhaft, die gleichzeitig hohen Oberflächenpressungen, Verschleiß und wechselnden mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.

Welche Vorteile bietet das Aufkohlen?

• Ermöglicht eine hohe Randhärte nach anschließender Härtung
• Verbessert die Verschleißbeständigkeit geeigneter Bauteile
• Ermöglicht die Kombination einer harten Randschicht mit einem vergleichsweise zähen Kern
• Kann die Widerstandsfähigkeit gegen Kontakt- und Ermüdungsbeanspruchung verbessern
• Erlaubt die gezielte Einstellung der Kohlenstoffanreicherung und der späteren Einsatzhärtungstiefe

Die erreichbaren Eigenschaften hängen von der Werkstoffzusammensetzung, der Aufkohlungstiefe und der anschließenden Wärmebehandlung ab.

Aufkohlen bei der Herstellung von Gusseisen

Der Begriff Aufkohlen wird auch in der Gießereitechnik verwendet. Dort bezeichnet er die gezielte Erhöhung des Kohlenstoffgehalts einer flüssigen Eisenschmelze.

Bei der Herstellung von Gusseisen, beispielsweise Gusseisen mit Lamellengraphit oder Kugelgraphit, kann der Kohlenstoffgehalt durch die Zugabe geeigneter Aufkohlungsmittel eingestellt werden.

Hierfür kommen unter anderem Graphit oder kalzinierter Petrolkoks zum Einsatz. Die Qualität der Aufkohlungsmittel wird insbesondere durch ihren Kohlenstoffgehalt sowie unerwünschte Begleitelemente und Verunreinigungen wie Schwefel, Stickstoff und Asche beeinflusst.

Im Unterschied zur thermochemischen Randschichtaufkohlung wird bei der Aufkohlung einer Eisenschmelze der Kohlenstoffgehalt der gesamten Schmelze verändert. Es handelt sich somit um einen eigenständigen metallurgischen Prozess.