Vakuumlöten

Matthias Rink – Ipsen International GmbH, Kleve

 

Einleitung

L√∂ten ist ein vielf√§ltig einsetzbares thermisches F√ľgeverfahren. Das besondere am L√∂ten ist, dass tausende Verbindungen und unterschiedlichste Materialien in einem Schritt gef√ľgt werden k√∂nnen. Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen, Metallen und Keramiken sowie Metallen und Glas sind m√∂glich. Vakuuml√∂ten ist ein umweltfreundliches Verfahren, da im Gegensatz zu den meisten anderen L√∂tverfahren keine giftigen Flussmittel eingesetzt werden m√ľssen.

Lötverfahren werden in vielen Industriesparten eingesetzt, u. a. im Automobilbau, in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt.

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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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Einsatzh√§rten von rostbest√§ndigen St√§hlen nach dem SolNit¬ģ-Verfahren

M. Rink, Verfahrenstechnik, Ipsen International GmbH, Kleve

Einleitung

Das SolNit¬ģ-Verfahren ist ein patentiertes W√§rmebehandlungsverfahren, bei dem Stickstoff in der Randschicht nichtrostender St√§hle gel√∂st wird. Die Bauteile werden dazu bei 1050 bis 1150 ¬įC in Stickstoffgas gegl√ľht und so rasch abgek√ľhlt, dass die Ausscheidung von Nitriden unterbleibt. Die Einlagerung von Stickstoffatomen f√ľhrt zu einer Festigkeitssteigerung und verbessert den Korrosionswiderstand. Je nach Legierungsgehalt des Stahles und der H√∂he des eingebrachten Randstickstoffgehaltes kann nach dem Abk√ľhlen 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 St√§hlen im normalen Temperaturbereich der Verfahren i. A. nicht m√∂glich ist. Das L√∂sungsverm√∂gen dieser St√§hle f√ľr Stickstoff und Kohlenstoff ist in den entsprechenden Temperaturbereichen zu gering und die entstehende Bildung von Chromcarbiden bzw. Chromnitriden f√ľhrt zum Verlust des Korrosionswiderstandes. Ein Nitrieren zwischen 480¬įC und 900¬įC f√ľhrt zur Bildung von¬† Nitriden des Typs CrN bzw. Cr2N, ein Aufkohlen im Bereich von 800-1150¬įC zu Carbiden des Typs Cr23C6 bzw. Cr7C3,

Durch Absenkung der Aufkohlungs- oder Austenitisierungstemperatur auf Werte um 400¬įC kann die Chromcarbid- oder ‚Äďnitridbildung unterdr√ľckt werden. Der Nachteil dieser Niedertemperaturverfahren ist, dass damit nur √§u√üerst d√ľnne Randschichten von 10-30 ¬Ķm erzeugt werden k√∂nnen.

Erst mit der Entwicklung des SolNit¬ģ-Verfahrens wurde es m√∂glich, wesentlich tiefere Diffusionsschichten zu produzieren. Es basiert auf der mit steigendem Chrom-, Mangan- und Molybd√§ngehalt zunehmenden Stickstoffl√∂slichkeit bei Temperaturen oberhalb von 1050¬įC [Berns 1999]. Aus Bild 1 geht hervor, dass innerhalb der g√§ngigen Grenzen des Chromgehaltes in nichtrostendem Stahl das Gebiet des homogenen Austenits f√ľr den Fall einer Legierung mit Stickstoff (Bild 1 rechts) breiter ist und sich zu einem h√∂heren interstitiellen Anteil erstreckt als f√ľr den Fall der Legierung mit Kohlenstoff (Bild 1 links).

 

Bild 1: Isotherme Schnitte von Gleichgewichtsphasendiagrammen bei 1100 ¬įC, nach ThermoCalc

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