Verfahrens- und Ofentechniken f√ľr die Einsatzh√§rtung von Komponenten f√ľr die Automobilindustrie

(Teil 2: Ofentechnik)

Matthias Rink, Dirk Joritz

5. Fortentwicklung des Abschreckens

Das H√§rten von aufgekohlten St√§hlen erfolgt in der Regel direkt im Anschluss an den Aufkohlungsprozess durch Abschrecken in einem √Ėlbad. Dieser Schritt ist sowohl bei atmosph√§rischen Aufkohlungs√∂fen wie auch bei Niederdruckaufkohlungsanlagen Teil des W√§rmebehandlungsprozesses.

Seit einigen Jahren werden aufgekohlte Komponenten zunehmend unter Verwendung von Gas abgeschreckt. Bei H√§rteanlagen, in denen die Abschreckung milder als in einem umgew√§lzten √Ėlbad erfolgt, liegt die Problematik nicht im H√§rten der Randschicht (da diese auf Grund des hohen Kohlenstoffgehaltes eine ausreichende H√§rtbarkeit aufweist), sondern im H√§rten des Kerns. In Tabelle 2 sind die f√ľr eine Kernh√§rte von 300 HV bzw. 350 HV erforderlichen Abk√ľhlgeschwindigkeiten zwischen 800 ¬įC und 500 ¬įC f√ľr verschiedene Einsatzst√§hle aufgef√ľhrt.

Tabelle 2: Kritische K√ľhlraten f√ľr Einsatzst√§hle

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Verfahrens- und Ofentechniken f√ľr die Einsatzh√§rtung von Komponenten f√ľr die Automobilindustrie

(Teil 1: Verfahren)

Matthias Rink, Dirk Joritz

1. Einleitung

Bei der Gro√üserienfertigung von Fahrzeugteilen erfolgt das Einsatzh√§rten heute √ľberwiegend durch Aufkohlen in Atmosph√§ren√∂fen mit anschlie√üendem Abschrecken der Chargen im √Ėlbad bzw. bei Einzelkomponenten in H√§rtepressen.

Die verwendeten Aufkohlungsatmosphären, die gleichzeitig als Schutzgas dienen, bestehen im wesentlichen aus einem CO und H2 enthaltendem Trägergas und einem als Anreicherungsgas dienendem Kohlenwasserstoffgas. Das Trägergas lässt sich durch einen Endogasgenerator oder mittels im Ofen dissoziierenden Methanols erzeugen. Daneben kann es durch direkte Einspeisung eines Kohlenstoffgases in Kombination mit einem oxydierenden Gas (Luft oder CO2) in den Ofen gewonnen werden. Durch die Zugabe von Ammoniak wird die Randschicht zusätzlich mit Stickstoff angereichert, d. h. carbonitriert.

Seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts werden aber auch zunehmend Vakuumanlagen f√ľr das Einsatzh√§rten verwendet. Das Abschrecken erfolgt dabei meistens im Hochdruckgasstrom, bei Mehrkammer-Anlagen aber auch im √Ėlbad.

Am häufigsten kommen dabei folgende Ofentypen zum Einsatz:

  • Einkammer-Vakuum√∂fen
  • Zweikammer-Vakuum√∂fen
  • Mehrkammer-Anlagen

Als Kohlungsgase verwenden diese Anlagen i. A. reine Kohlenwasserstoffe wie Acetylen oder Propan. F√ľr die Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff kommt Ammoniak zum Einsatz. Ein Niederdruckaufkohlungszyklus setzt sich aus mehreren Aufkohlungs (Boost)- und Diffusionssegmenten zusammen. Wobei in den Boostsegmenten das Kohlenwasserstoffgas zugef√ľhrt wird. Beim Niederdruckcarbonitieren wird in den Diffusionsegmenten zus√§tzlich ein Ammoniak-Partialdruck eingestellt.

2. Kohlenstoff√ľbertragung und -steuerung bei der Atmosph√§renaufkohlung

In Atmosph√§ren mit CO und H2 erfolgt die Kohlenstoff√ľbertragung durch Adsorption von CO-Molek√ľlen auf der Werkstoffoberfl√§che und ihre Aufspaltung in C und O,

CO ‚Üí COad ‚Üí Cad + Oad,

sowie durch Desorption der Sauerstoffatome durch die H2-Molek√ľle (unter Bildung von Wasserdampf), wodurch neue freie Stellen f√ľr die CO-Adsorption entstehen. Die Summe beider Reaktionen (Adsorption und Desorption) f√ľhrt zu der bekannten Wassergasreaktion:

CO + H2 → [C] + H2O

Das Erfolgsgeheimnis dieser Aufkohlungstechnik besteht darin, dass diese und andere Atmosphärenreaktionen wie beispielsweise

2CO ‚Üí [C] + CO2

bei Aufkohlungstemperatur im Ofen in ein chemisches Gleichgewicht erreichen. Dies ermöglicht die Berechnung und Steuerung der Kohlenstoffaktivität (d.h. des Kohlenstoffpotentials) dieser Atmosphären.

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