September 16, 2020

Erstellung und Optimierung von Aufkohlungsprogrammen

 

Um eine möglichst effiziente und qualitativ hochwertige Wärmebehandlung durchführen zu können, ist eine geeignete Prozessführung zwingend erforderlich. Hierbei ist besonders die Auswahl der richtigen Aufkohlungs- und Diffusionstemperatur sowie der entsprechenden C-Pegel von entscheidender Bedeutung für die spätere Produktqualität und Prozesszeit.

Bei der Gasaufkohlung findet die Übertragung des Kohlenstoffes (C) durch die Adsorption (Anlagerung und Zerfall) von Kohlenstoffmonoxid (CO) an der Bauteiloberfläche statt. Der zusätzlich zum adsorbierten Kohlenstoff frei werdende atomare Sauerstoff (O) reagiert hauptsächlich mit dem Kohlenstoffmonoxid (CO) aus der Ofenatmosphäre gemäß der Boudouard-Reaktion zu Kohlenstoffdioxid (CO2) oder gemäß dem heterogenen Wassergasgleichgewichtes mit dem Wasserstoff (H2) aus der Ofenatmosphäre zu Wasserdampf (H2O). Ein geringer Anteil des Sauerstoffes (O) diffundiert ebenso wie der Kohlenstoff (C) in das Bauteil hinein und führt dort besonders an den Korngrenzen zur Randoxidation (Inter Granular Oxidation). Durch unterschiedliche Messtechnik wie Sauerstoffsonden, CO/CO2 Gasanalysatoren oder Taupunktmessgeräte ist es möglich die einzelnen Komponenten der Aufkohlungsatmosphäre kontinuierlich zu messen und den C-Pegel (als Maß für die Aufkohlungseigenschaften der Ofenatmosphäre) zu jedem Zeitpunkt des Prozesses zu bestimmen. Durch Zugabe von Kohlenwasserstoffen (meist Erdgas/Methan (CH4) oder Propan (C3H8)) oder Luft kann die Ofenatmosphäre auf den gewünschten C-Pegel geregelt werden. Diese Möglichkeit der Regelung - also die Möglichkeit den C-Pegels während des laufenden Prozesses zu verändern - ist ein Alleinstellungsmerkmal der Gasaufkohlung gegenüber allen andern Aufkohlungsverfahren (wie z.B. Pulver-, Salzbad-, Plasma- oder Niederdruckaufkohlung). Als Grundlage für die Programmerstellung gelten die später gewünschten Eigenschaften wie Oberflächenhärte oder Einsatzhärtungstiefe (CHD) aber auch das Material und die Abmessungen des Bauteils sind von entscheidender Bedeutung.  

Durch das Aneinanderreihen mehrerer Programmsegmente mit definierten Vorgaben für Zeit, Temperatur und C-Pegel ist es möglich gewünschte Kohlenstoffverläufe zu erzeugen und somit Bauteileigenschaften wie z.B. Oberflächenhärte oder Härtetiefenverläufe gezielt zu einzustellen.

Hierbei kann zwischen einstufigen und zwei- bzw. mehrstufigen Programmen unterschieden werden. Bei einstufigen Programmen wird über die gesamte Prozessdauer (mit Ausnahme der Aufheizphase) mit einem einzigen C-Pegel gearbeitet. Der Vorteil dieser Programmstruktur ist, dass es eigentlich nie zu einer Überkohlung der Bauteile kommen kann. Der Nachteil liegt darin, dass die Prozesszeiten gerade bei großen Aufkohlungs- bzw. Einsatzhärtungstiefen sehr lang sein können.

Bei einem zwei- oder mehrstufigen Programm wird meist ein hoher (Überkohlungsphase) und ein niedriger (Diffusionsphase) C-Pegel verwendet. Je nach Anforderung an das zu erzeugende Kohlenstoff- bzw. Härteprofil sind die Überkohlungs- und Diffusionsphase aufeinander abzustimmen. Durch die zwei- oder mehrstufige Prozessführung können definierte Kohlenstoff- bzw. Härteprofile erzeugt werden und auch die Prozesszeiten können gegenüber einer einstufigen Prozessführung zum Teil deutlich verkürzt werden. Nachteilig ist, dass es bei falscher Wahl des C-Pegels zur vermehrten Carbid- und/oder Restaustenit-bildung sowie zur Verrußung der Ofenanlage kommen kann.     

Um mehr über die Programmestellung und Prozessoptimierung von Aufkohlungsprogrammen auch an Hand von Beispielen zu erfahren, verweisen wir auf unser Ipsen Webinar ‚Atmosphärentechnik Teil III - Erstellung und Optimierung von Aufkohlungsprogrammen'. Weitere Informationen zu den Ipsen Webinaren? Bitte klicken Sie hier!