Cementovanie
Difúzia uhlíka do povrchu nízkouhlíkovej ocele s následným kalením.
- Účel
- Tvrdý povrch (58–62 HRC) a húževnaté jadro.
- Typické použitie
- Ozubené kolesá, čapy, vačky, ložiskové plochy.
- Vhodné materiály
- Cementačné ocele 16MnCr5, 20MnCr5, 18CrNiMo7-6.
- Kategória
- Tepelno-chemické úpravy povrchu
Ako proces funguje
Cementovanie (karburizácia) je tepelno-chemická úprava, pri ktorej sa do povrchovej vrstvy nízkouhlíkovej ocele difúzne vpravuje uhlík pri vysokých teplotách. Po kalení vzniká extrémne tvrdý povrch s húževnatým jadrom – ideálna kombinácia pre dynamicky namáhané diely.
Diely sa vystavia karburizačnej atmosfére (aktívne plyny CO/H₂ z generátora) pri 850–950 °C, typicky 900–920 °C. Uhlík difunduje do austenitického povrchu do hĺbky 0,5–3 mm (napr. 10 h pri 900 °C ≈ 1,5 mm vrstva). Po nasýtení nasleduje rýchle ochladenie (olej/voda) na martenzitickú štruktúru a temperovanie 150–200 °C na zníženie napätí a retenčného austenitu.
Kľúčové procesné parametre
- Teplota: 850–950 °C (typicky 900–920 °C)
- Doba nasýtenia: 4–12 h (pre vrstvu 1–2 mm)
- Hĺbka vrstvy: 0,5–3 mm, povrchový obsah uhlíka 0,7–1,0 % C
- Karbónový potenciál atmosféry – priebežná regulácia prívodu plynov
- Následné kalenie (olej/voda) a temperovanie 150–200 °C
Typické aplikácie
- Ozubené kolesá a súkolia (napr. 20MnCr5) v automobilovom priemysle
- Ložiskové čapy, hriadele a dynamicky namáhané diely
- Nástroje a súčiastky vyžadujúce tvrdý povrch a húževnaté jadro
Výhody
- Veľmi vysoká povrchová tvrdosť (~58–62 HRC) a odolnosť voči oderu
- Húževnaté jadro znášajúce rázové a únavové zaťaženie
- Relatívne hrubá funkčná vrstva (jednotky mm) pre dlhú životnosť
Obmedzenia a riziká
- Riziko trhlín pri príliš rýchlom ochladzovaní a teplotných gradientoch
- Zvýšený podiel retenčného austenitu a znížená korózna odolnosť povrchu
- Deformácie dielov pri vysokých teplotách a kalení – často nutné konečné brúsenie
- Nekonzistentná hĺbka vrstvy pri nedostatočnej výmene plynu alebo kontaminovanom povrchu
Kontrola kvality
- Meranie hĺbky cementovanej vrstvy podľa ISO 18203
- Skúška tvrdosti Vickers (HV5) alebo Rockwell (HRC); hĺbka podľa poklesu o 50 HV nad jadro (DIN 50190)
- Metalografická analýza – martenzitická štruktúra, prechodový pás, kontrola sadzí a oxidických škvŕn
- Skúška únavovej výdrže pri kritických dieloch
Bezpečnosť a životné prostredie
Karburizácia využíva aktívne plyny (CO, CH₄, NH₃) a vysoké teploty – nevyhnutné je odsávanie a kontrola výfukových plynov (CO, NOx, prchavé organické látky). Manipulácia s propánom/butánom a metanolom v karburizačnom generátore vyžaduje štandardné bezpečnostné opatrenia. Moderné vákuové karburizačné pece minimalizujú spotrebu plynov a emisie CO₂.
Bežné chyby procesu
- Nekonzistentná hĺbka vrstvy – chladiace zóny, nedostatočná výmena plynu
- Sadze v atmosfére – príliš vysoký karbónový potenciál
- Oxidačné škvrny – nedostatočné odvzdušnenie komory pred karburizáciou
- Praskliny – nadmerný teplotný gradient počas kalenia alebo zvyškové napätie
- Nerovnomerné karburovanie – mastnota a oxidy na dieloch pred procesom
Súvisiace normy
- ISO 18203 — meranie hrúbky povrchovo upravených vrstiev
- DIN 50190 — hĺbka kalenej/nitridovacej vrstvy
- ISO 4490 — kohézia povrchových vrstiev