Ipsen Kundenseminare im Herbst 2010

D. Joritz & M. Rink, Verfahrenstechnik – Ipsen Internat. GmbH, Kleve


Wie in jedem Frühling (März / April) und Herbst (Oktober / November) führte die Firma Ipsen International GmbH, Kleve auch in den letzten Wochen wieder Ihre Kundenseminare durch. In jeweils zwei Seminaren zum Thema Atmosphärentechnik (Theorie und Praxis) sowie Vakuumtechnik (Theorie und Praxis) konnten insgesamt mehr als 50 Interessenten begrüßt und unterrichtet werden.

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Einsatzhärten von rostbeständigen Stählen nach dem SolNit®-Verfahren

M. Rink, Verfahrenstechnik, Ipsen International GmbH, Kleve

Einleitung

Das SolNit®-Verfahren ist ein patentiertes Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Stickstoff in der Randschicht nichtrostender Stähle gelöst wird. Die Bauteile werden dazu bei 1050 bis 1150 °C in Stickstoffgas geglüht und so rasch abgekühlt, dass die Ausscheidung von Nitriden unterbleibt. Die Einlagerung von Stickstoffatomen führt zu einer Festigkeitssteigerung und verbessert den Korrosionswiderstand. Je nach Legierungsgehalt des Stahles und der Höhe des eingebrachten Randstickstoffgehaltes kann nach dem Abkühlen aus dem Austenitgebiet eine martensitische oder austenitische Randschicht erreicht werden.

Verfahrensgrundlagen

Ohne Verlust des Korrosionswiderstandes ist die Aufkohlung und die Nitrierung von hoch legierten, nicht rostenden Stählen im normalen Temperaturbereich der Verfahren i. A. nicht möglich ist. Das Lösungsvermögen dieser Stähle für Stickstoff und Kohlenstoff ist in den entsprechenden Temperaturbereichen zu gering und die entstehende Bildung von Chromcarbiden bzw. Chromnitriden führt zum Verlust des Korrosionswiderstandes. Ein Nitrieren zwischen 480°C und 900°C führt zur Bildung von  Nitriden des Typs CrN bzw. Cr2N, ein Aufkohlen im Bereich von 800-1150°C zu Carbiden des Typs Cr23C6 bzw. Cr7C3,

Durch Absenkung der Aufkohlungs- oder Austenitisierungstemperatur auf Werte um 400°C kann die Chromcarbid- oder –nitridbildung unterdrückt werden. Der Nachteil dieser Niedertemperaturverfahren ist, dass damit nur äußerst dünne Randschichten von 10-30 µm erzeugt werden können.

Erst mit der Entwicklung des SolNit®-Verfahrens wurde es möglich, wesentlich tiefere Diffusionsschichten zu produzieren. Es basiert auf der mit steigendem Chrom-, Mangan- und Molybdängehalt zunehmenden Stickstofflöslichkeit bei Temperaturen oberhalb von 1050°C [Berns 1999]. Aus Bild 1 geht hervor, dass innerhalb der gängigen Grenzen des Chromgehaltes in nichtrostendem Stahl das Gebiet des homogenen Austenits für den Fall einer Legierung mit Stickstoff (Bild 1 rechts) breiter ist und sich zu einem höheren interstitiellen Anteil erstreckt als für den Fall der Legierung mit Kohlenstoff (Bild 1 links).

 

Bild 1: Isotherme Schnitte von Gleichgewichtsphasendiagrammen bei 1100 °C, nach ThermoCalc

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Neuere Entwicklungstendenzen beim Gasnitrocarburieren durch Verwendung von Kohlenwasserstoffen

Dirk Joritz – Ipsen International GmbH, Kleve

Bernd Edenhofer – Ipsen International GmbH, Kleve

Wolfgang Lerche – Ipsen International GmbH, Kleve

Zusammenfassung

Industrielle Gas-Nitrocarburieranlagen benutzen in der Regel zusätzlich zum Ammoniak (NH3) entweder Kohlendioxid (CO2) oder Endogas als Kohlenstoff spendendes Medium. Beide Prozesse (sowohl das Gas-Nitrocarburieren mit Kohlendioxid als auch das Verfahren mit Endogas) weisen spezielle Eigenschaften auf und erzeugen dadurch leicht unterschiedliche Verbindungsschicht–Strukturen.

Der Nitrocarburierprozess unter Verwendung von Kohlendioxid (CO2) bewirkt ein schnelleres Wachstum der Verbindungsschicht und somit eine dickere, porenreichere Struktur. Im Gegensatz dazu erzeugt der Gas-Nitrocarburier-Prozess unter Einsatz von Endogas eine Verbindungsschicht die reicher an Kohlenstoff ist und dadurch einen höheren Anteil an e–Nitriden (Fe2-3N) aufweist.

Eine neuere Variante des Gas–Nitrocarburierens benutzt Kohlenwasserstoffe ( hier besonders Propan (C3H8) oder Erdgas / Methan (CH4) als Kohlenstoffspender, die das Kohlendioxid entweder komplett ersetzen oder diesem zugeführt werden. Diese neue Verfahrensvariante, die sowohl in ein- als auch in zweistufigen Prozessen durchgeführt  werden kann, verbindet die Vorteile der beschleunigten Stickstoffübertragungsrate des Kohlendioxid-Prozesses mit der höheren Kohlenstoffübertragungsrate des Endogas-Prozesses. Das Ergebnis ist ein schnelleres Verbindungsschichtwachstum bei gleichzeitig höherem Kohlenstoff- und somit e-Nitrid Anteil. Die so erzeugten Schichten zeichnen sich durch einen deutlich verbesserten Verschleißwiderstand der behandelten Bauteile aus. Zusätzlich wird durch diese neue Verfahrensvariante die Produktivität der Ofenanlage erhöht.

Abstract

Industrial gaseous ferritic nitrocarburising processes, or shortly named „fnc“, use mainly carbon dioxide or endothermic gas as the carbon providing gas in addition to ammonia gas. Both processes have positive and negative aspects and produce somewhat different layer structures. The carbon dioxide fnc process depicts a faster layer growth yielding a thicker and more porous nitride layer, whereas the endothermic fnc process produces a nitride layer with higher carbon content and a larger proportion of the є-nitride phase.

A newer variant of a fnc process uses hydrocarbons, and preferably propane or natural gas, as carbon providing gas replacing partly or totally carbon dioxide gas. This newer process uses different single or double step cycles combining the advantages of the enhanced nitrogen transfer as created by the carbon dioxide variant with the increased carbon transfer rate of the endothermic gas. This results in faster layer growth producing nitride layers with higher carbon content and a larger proportion of the Ń”-phase. This is advantageous with respect to wear resistance of the nitrocarburised components. In addition, it improves furnace productivity.

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