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

Weiterlesen

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.

Weiterlesen

Ipsen Kundenseminare im Herbst 2010

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


Wie in jedem Fr√ľhling (M√§rz / April) und Herbst (Oktober / November) f√ľhrte die Firma Ipsen International GmbH, Kleve auch in den letzten Wochen wieder Ihre Kundenseminare durch. In jeweils zwei Seminaren zum Thema Atmosph√§rentechnik (Theorie und Praxis) sowie Vakuumtechnik (Theorie und Praxis) konnten insgesamt mehr als 50 Interessenten begr√ľ√üt und unterrichtet werden.

Weiterlesen

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

Weiterlesen

Neuere Entwicklungstendenzen beim Gasnitrocarburieren durch Verwendung von Kohlenwasserstoffen

Dirk Joritz ‚Äď Ipsen International GmbH, Kleve

Bernd Edenhofer ‚Äď Ipsen International GmbH, Kleve

Wolfgang Lerche ‚Äď Ipsen International GmbH, Kleve

Zusammenfassung

Industrielle Gas-Nitrocarburieranlagen benutzen in der Regel zus√§tzlich 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‚ÄďStrukturen.

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 h√∂heren Anteil an e‚ÄďNitriden (Fe2-3N) aufweist.

Eine neuere Variante des Gas‚ÄďNitrocarburierens benutzt Kohlenwasserstoffe ( hier besonders Propan (C3H8) oder Erdgas / Methan (CH4) als Kohlenstoffspender, die das Kohlendioxid entweder komplett ersetzen oder diesem zugef√ľhrt werden. Diese neue Verfahrensvariante, die sowohl in ein- als auch in zweistufigen Prozessen durchgef√ľhrt¬† werden kann, verbindet die Vorteile der beschleunigten Stickstoff√ľbertragungsrate des Kohlendioxid-Prozesses mit der h√∂heren Kohlenstoff√ľbertragungsrate des Endogas-Prozesses. Das Ergebnis ist ein schnelleres Verbindungsschichtwachstum bei gleichzeitig h√∂herem Kohlenstoff- und somit e-Nitrid Anteil. Die so erzeugten Schichten zeichnen sich durch einen deutlich verbesserten Verschlei√üwiderstand der behandelten Bauteile aus. Zus√§tzlich wird durch diese neue Verfahrensvariante die Produktivit√§t der Ofenanlage erh√∂ht.

Abstract

Industrial gaseous ferritic nitrocarburising processes, or shortly named ‚Äěfnc‚Äú, 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 —Ē-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 —Ē-phase. This is advantageous with respect to wear resistance of the nitrocarburised components. In addition, it improves furnace productivity.

Weiterlesen

Wirtschaftlichkeit verschiedener Anlagen f√ľr das Einsatzh√§rten von Getrieben f√ľr Windkraftanlagen

Ralf Giebmanns
Ipsen International GmbH
Als Folge der globalen Finanzkrise, die bereits im Jahre 2007 begann, brach zum Ende des Jahres 2008 auch die Automobilindustrie rapide zusammen. Der fehlende Absatz in der Automobilindustrie f√ľhrte fast zeitgleich auch bei den W√§rmebehandlungsbetrieben zu starken Umsatzeinbr√ľchen und machte eine Neuausrichtung dieser Unternehmen am Markt notwendig. Aufgrund der global sehr schwachen Konjunktur initiierten viele Staaten Konjunkturprogramme. Dadurch ergeben sich neue Chancen auch f√ľr die W√§rmebehandlungsbetriebe. Ein Teil des Geldes der Konjunkturprogramme flie√üt in den Ausbau erneuerbarer Energien, zum Beispiel in den Ausbau der Windkraftenergie. Hier sehen Sie das gro√üe Potential dieser Branche anhand von drei m√∂glichen Szenarien:

Das moderate Szenario sagt f√ľr das Jahr 2010 eine Steigerung der weltweiten Windkraftanlagenkapazit√§t um 28.904 MW voraus. Bei einer angenommenen mittleren Anlagenleistung von 2 MW bedeutet dies die Neu-Installation von 14.452 Windkraftanlagen innerhalb eines Jahres.
In dieser Arbeit wird das Thema Einsatzh√§rten von Gro√ügetriebeteilen einer Windkraftanlage behandelt. Insbesondere werden Unterschiede verschiedener ma√ügeschneiderter Anlagenkonzepte bez√ľglich ihrer Leistungsf√§higkeit und Wirtschaftlichkeit aufgezeigt.
Fallbeispiel: Planetenradgetriebe f√ľr eine 2-MW-Onshore-Windkraftanlage

Als Basis f√ľr unsere Betrachtung wird eine typische Windkraftanlage mit 2 MW Leistung, wie sie f√ľr Onshore Anwendungen derzeit √ľblich und gefragt sind, gew√§hlt. Hier ihr Windkraftgetriebe:


Dieses Getriebe besteht typischerweise aus einer Planetenrad- und einer Stirnradstufe, wie unten schematisch dargestellt. Insgesamt besteht dieses Getriebe aus 6 unterschiedlichen Komponenten und insgesamt 8 einsatzzuhärtenden Rädern und Wellen mit einem Gesamtgewicht von rund 3,4 t. Der größte Durchmesser eines Teils liegt bei etwa 1120 mm (Stirnrad). Die größte Länge bei etwa 1.250 mm (Planetenradwelle). Weiterlesen

Kostenreduzierung bei der Wärmebehandlung von Getrieben

Bernd Edenhofer
Ipsen International GmbH
Die W√§rmebehandlung schafft den eigentlichen Mehrwert bei der Herstellung von Funktionsbauteilen, insbesondere von Getriebekomponenten. Ein teuer, √ľber Erschmelzen, Warmumformen, Gl√ľhen, Grobzerspanen und Verzahnen hergestelltes Getriebeteil ist ohne W√§rmebehandlung unbrauchbar, also wertlos.
Erstaunlicherweise betragen die Kosten f√ľr diesen, einen derartig hohen Mehrwert schaffenden Verfahrensschritt nur einen Bruchteil der gesamten Herstellkosten. Sie liegen bei vielen Anwendungen nur im Bereich von 5%. Betrachtet man jedoch alle mit der W√§rmebehandlung zusammenh√§ngenden bzw. von ihr verursachten Arbeitsschritte, wie Reinigen, Strahlen und insbesondere die n√∂tig werdende Nacharbeit in Form von Schleifen der Zahnflanken, so kann die Gesamtheit dieser Kosten durchaus an 15% der St√ľckkosten heranreichen.
Eine deutliche Reduzierung der Herstellkosten ist deshalb in erster Linie durch Verminderung der Ma√ü√§nderungen zu erreichen. Hierzu sind die Einflussgr√∂√üen der Stahlherstellung, Formgebung, Gef√ľgehomogenit√§t, H√§rtbarkeitsstreuung, Zerspanung und nat√ľrlich auch der W√§rmebehandlung, wie insbesondere Positionierung der Werkst√ľcke in der Charge, Gleichm√§√üigkeit der Erw√§rmung, der Aufkohlung und des W√§rmeentzuges bei der Abschreckung zu analysieren und optimieren.
Es gibt Ver√∂ffentlichungen von Herstellern von Lkw-Getrieben, die aussagen, dass der Anteil der W√§rmebehandlung an den auftretenden Verz√ľgen nur bei etwa 10% liegt und der Gro√üteil von der Form und dem Werkstoff (Gef√ľge, H√§rtbarkeit, etc.) verursacht werden [1]. Das mag stimmen, zumindest so lange diese Einflussfaktoren nicht optimiert sind. Sind Werkstoff und Formgebung hinsichtlich Verz√ľge aber optimiert, steigt der Anteil der W√§rmebehandlungsfaktoren am Verzug aber in Richtung 50%
Also ist es durchaus lohnend, Aktivitäten bei der Wärmebehandlung, dem gleichmäßigen Erwärmen, Aufkohlen und insbesondere dem Abschrecken zu unternehmen. Weiterlesen

Der neue Vacu-Prof¬ģ 4.0 mit seinem Expertensystem und intuitiver Bedienung

M. Rink, L. Oimann Ipsen International GmbH, Kleve

1. Einleitung

F√ľr die Steuerung und Regelung von Vakuumanlagen sowie der unterschiedlichen Verfahren bietet Ipsen seinen Kunden mit der im Hause entwickelten Verfahrens-Software Vacu-Prof¬ģ ein kosteng√ľnstiges und leistungsf√§higes Werkzeug zur Zeit- und Kostenersparnis in der Fertigung, Erh√∂hung der Qualit√§tskonstanz, Verbesserung der Reproduzierbarkeit und Erh√∂hung der Betriebssicherheit.

Zus√§tzlich ergeben sich, je nach Leistungsumfang der installierten Prozess-Software, Vorteile f√ľr das Unternehmen wie z. B.: erh√∂hte Bediensicherheit, verbesserter Bedienungskomfort (Schnelligkeit), zeitgerechte und Baugruppen bezogene Wartung.

Alle f√ľr die sichere F√ľhrung der Prozesse relevanten Daten werden von dem Computer-System an die SPS und zugeh√∂rige eigenst√§ndige Regler √ľbergeben. Diese arbeiten dann die Steuer- und Regelvorgaben ab. Alle durch den Prozess erzeugten Daten werden auf dem gleichen Weg zum Computer-System zur√ľck transportiert und stehen dort f√ľr spezifische Be- und Verarbeitung zur Verf√ľgung wie z.B. zum Protokollieren, zum Visualisieren, zum Archivieren und zum Melden von St√∂r- und Grenzwerten.

Eine exakte Reproduzierbarkeit der Fertigungsprozesse ist durch die in der Programmdatei gesicherten und abrufbaren Behandlungspläne garantiert.

Das Expertensystem erstellt Wärmebehandlungs-Programme anhand der Daten in der Materialdatenbank. Diese Daten können vom Anwender neu erstellt, erweitert oder individuell angepasst werden.

Optional werden thermochemische W√§rmebehandlungs-Programme mit Hilfe der AvaC¬ģ- und SolNit¬ģ-Module erstellt.

Durch die Installation der Prozessleitsoftware AutoMag¬ģ k√∂nnen diese autarken, im geschlossenen Regelkreis arbeitenden Ofensysteme zu komplexen, vollautomatisch arbeitenden W√§rmebehandlungszentren verkettet werden. Das von Ipsen vertretene Konzept des Einsatzes dezentraler und eigenst√§ndiger Rechner und Steuerungssysteme hat sich in der Praxis bestens bew√§hrt.

Weiterhin können auf Wunsch Schnittstellen zu fast allen ERP- Systemen realisiert werden. Die Dokumentation kann im bestehenden Hausnetz archiviert werden. Das System ermöglicht weiterhin eine Ferndiagnose von Ipsen aus Kleve.

2. Bedienung

Die Bedienung des Programms ist weitestgehend selbsterklärend. Weiterlesen