Gegenstand der Vereinbarung war die gemeinsame Erforschung und Entwicklung einer thermochemischen Wärmebehandlungstechnologie für das Niederdruck-Karbonitrieren in einem industriellen Vakuumofen. Der erste Schritt bestand darin, eine Reihe von Stahlsorten auszuwählen, die sich für Niederdruck-Karbonitrierverfahren eignen, die erforderlichen Projektmeilensteine zu definieren und Prozessparameter für erste Test-Wärmebehandlungsverfahren festzulegen.
Das Karbonitrieren selbst ist seit vielen Jahren ein etabliertes thermochemisches Verfahren. Seine Niederdruckvariante, die auf der Niederdruckaufkohlung basiert, hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen. Die wichtigsten Prinzipien des Niederdruck-Carbonitrierens (Vakuum) werden von Daniel H. Herring erläutert: „Das Vakuumkarbonitrieren ist ein modifizierter Aufkohlungsprozess, keine Form des Nitrierens. Diese Modifikation besteht darin, dass Ammoniak in die Aufkohlungsatmosphäre eingebracht wird, um der aufgekohlten Hülse während der Herstellung Stickstoff hinzuzufügen. Karbonitrieren ist eine Oberflächenhärtungsbehandlung, bei der Kohlenstoff und Stickstoff in den Stahl oberhalb der Austenitisierungstemperatur (Ac3) eingebracht werden. Beim Abschrecken wird ein martensitischer Zustand erreicht. Die Härte des Einsatzes hängt von der Kohlenstoff- und Stickstoffkonzentration des Einsatzes ab.”[1]
Das Hauptanwendungsgebiet des Carbonitrierens ist die Wärmebehandlung von unlegierten Stählen, wie Automatenstählen sowie Maschinen- und Baustählen. Die erzielte Einhärtetiefe ist geringer als bei aufgekohlten Teilen (karbonitrierte Schichten liegen typischerweise im Bereich von 0,2 – 0,5 mm), da die Kohlenstoffdiffusion durch Stickstoff behindert wird und die Prozesstemperaturen beim Karbonitrieren in der Regel niedriger sind und kürzer dauern. Das Ergebnis des Verfahrens ist eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Teile durch die Bildung einer Epsilon-Nitrid-Phase, die die Gehäusehärte erhöht und die Verschleiß- und Abriebfestigkeit verbessert [2].
Die gängigste Methode in der Industrie ist das Karbonitrieren in atmosphärischen Aufkohlungsöfen, entweder in Chargenöfen (z. B. mit abgedichteter Abschreckung) oder in Durchlauföfen (z. B. mit Gitterband). Ein gemeinsames Merkmal ist, dass bei dieser Lösung eine entflammbare und explosive endotherme Atmosphäre verwendet wird und der Prozess selbst nicht nur zur Emission von Kohlendioxid, sondern auch von anderen toxischen Gasen (CO, SOx, NOx) führt. Darüber hinaus müssen die atmosphärischen Aufkohlungsöfen mit offenen Flammenvorhängen und Nachbrennern arbeiten, die eine echte und ständige Brandgefahr darstellen. Vakuumöfen und Niederdrucktechnologien hingegen wirken all diesen Nachteilen entgegen und bieten sicherere, schnellere und sauberere Prozesse, die den aktuellen Erwartungen von Behörden und Industrie entsprechen. Die Wärmebehandlung im Vakuum gilt als grundlegende Zukunftstechnologie und bietet die Möglichkeit, von den neuesten Errungenschaften auf dem Gebiet der Material- und Produktentwicklung sowie der Fertigungsmethoden zu profitieren. [3] Angesichts strengerer Vorschriften zur Begrenzung der Auswirkungen der globalen Erwärmung und zur Verringerung der CO2-Emissionen, wie z. B. der UN-Resolution „Transforming Our World: the 2030 Agenda for Sustainable Development“ [4] und des Pariser Abkommens [5] sowie der Tatsache, dass immer mehr Länder [6] und Unternehmen erklären, ihren CO2-Fußabdruck deutlich zu verringern oder kohlenstoffneutral zu sein, ist es unmöglich, eine kohlenstofffreie Produktion zu erreichen. Es ist unmöglich, kohlenstoffneutrale thermochemische Wärmebehandlungsprozesse wie das Aufkohlen oder Carbonitrieren in herkömmlichen Atmosphärenöfen zu erreichen. Deshalb wenden sich immer mehr Kunden an SECO/WARWICK, um umweltfreundliche vakuumbasierte Lösungen für eine nachhaltige Wärmebehandlung zu erhalten.
Prüfverfahren für das Niederdruck-Karbonitrieren
Zu Beginn der Forschungsarbeiten sollten die Unterschiede in den grundlegenden metallografischen Ergebnissen (Mikrohärte und Mikrostruktur) zwischen den Proben nach dem Niederdruckaufkohlen [LPC] und den Proben nach dem Niederdruckkarbonitrieren [LPCN] bewertet werden. Es wurden Rezepte für zwei Wärmebehandlungsverfahren der Niederdruckaufkohlung definiert und durchgeführt; ein Unterschied zwischen den Verfahren bestand in der Zugabe von gasförmigem Ammoniak in einem der Verfahren, um eine Stickstoffanreicherung der Oberflächenschicht zu erreichen. Die folgenden Stahlsorten wurden in beiden Verfahren als Referenzproben verwendet:
- Baustähle zum Vergüten: 36MnB4 und 42CrMo4
- Baustähle für die Aufkohlung: 21TiMnCr12 und 16MnCr5
- Kohlenstoffstähle: S355J2 und C15
- Automatenstähle: 11SMn30 und 11SMnPb37
Die nachstehenden Diagramme zeigen die Ergebnisse für die Oberflächenhärte und die effektive Einsatztiefe nach dem ersten Testverfahren.
Bild 2: Vergleich der Oberflächenhärte nach dem LPCN/LPC-Verfahren (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 2: Vergleich der Oberflächenhärte nach dem LPCN/LPC-Verfahren (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 3: Vergleich der effektiven Gehäusetiefe nach dem LPCN/LPC-Verfahren (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 3: Vergleich der effektiven Gehäusetiefe nach dem LPCN/LPC-Verfahren (Quelle: SECO/WARWICK)
Die Ergebnisse für die Oberflächenhärte (Bild 2) und die effektive Einsatztiefe (Bild 3) haben deutlich gezeigt, dass die Anwendung eines Niederdruck-Karbonitrierverfahrens das Erreichen einer höheren Oberflächenhärte und einer dickeren effektiven Einsatztiefe ermöglicht, insbesondere bei Automatenstählen. Insbesondere bei 11SMnPb37 wurde eine Erhöhung der effektiven Einsatztiefe um 13% (Bild 2) und eine Erhöhung der Oberflächenhärte um 150HV [Abb. 4] beobachtet. Bei den anderen Stahlsorten war der Anstieg entweder minimal oder es wurde überhaupt kein positiver Effekt beobachtet.
Bild 4: Vergleich der Oberflächenhärte nach dem LPCN/LPC-Verfahren für 11SMnPb37 (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 4: Vergleich der Oberflächenhärte nach dem LPCN/LPC-Verfahren für 11SMnPb37 (Quelle: SECO/WARWICK)
Auf der Grundlage der gesammelten Informationen wurde festgelegt, dass die Stahlsorten 11SMn30 und 11SMnPb37 als Ausgangsmaterial für die nachfolgenden Tests dienen sollen. Diese Stahlsorten werden in der Industrie am häufigsten für das Karbonitrieren verwendet, und die nach dem Niederdruckaufkohlungsprozess erzielten Ergebnisse bestätigten die Vorteile dieses Verfahrens. Andere ausgewählte Stahlsorten wurden von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen, da die erzielten Ergebnisse keine signifikante Verbesserung zeigten und diese Stahlsorten in der Industrie nicht so häufig verwendet werden.
In weiteren Untersuchungen wurde untersucht, wie sich die Änderung der Wärmebehandlungsbedingungen auf die Ergebnisse auswirkt, indem fünf zusätzliche Prozesse mit unterschiedlichen Temperaturen und Ammoniakdosierungen durchgeführt wurden. Dabei wurde ein breites Spektrum an effektiven Temperaturen für die Verarbeitung von 11SMnPb37-Stahl ermittelt und die optimalen Parameter für die Ammoniakdosierung bestätigt. Mit diesen Informationen wurden die Schlüsselparameter für ein effizientes Niederdruck-Karbonitrierverfahren ermittelt, das günstige Ergebnisse und wirtschaftliche Effizienz gewährleistet.
Nach der Durchführung der Testprozesse wurden auch die Stickstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen in der Gehäusetiefe gemessen. Der ermittelte Wert für Stickstoff im Untergrund betrug ca. 0,3 % und die Gesamttiefe der Hülse ca. 0,50 mm. Bemerkenswert ist, dass nach der Niederdruckaufkohlung eine größere Eindringtiefe des Kohlenstoffs beobachtet wurde, was bedeutet, dass die Zugabe von Stickstoff die Diffusion des Kohlenstoffs in das wärmebehandelte Material erleichterte, wodurch gleichzeitig eine größere Einsatztiefe erreicht werden konnte (Bild 5).
Bild 5: Vergleich der Kohlenstoffkonzentration (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 5: Vergleich der Kohlenstoffkonzentration (Quelle: SECO/WARWICK)
Tribologische Tests
Tribologische Tests an der Kugel-Scheiben-Reibpaarung wurden durchgeführt, um die Verschleißfestigkeitseigenschaften der Scheibenoberfläche zu bewerten. Die genormten Scheiben für diese Tests wurden aus 11SMnPb30 hergestellt und entweder einer Niederdruckaufkohlung oder einem Niederdruckkarbonitrierverfahren unterzogen. Als genormte Gegenprobe für die Scheiben diente eine Kugel aus 100Cr6-Stahl. Die Kontaktfläche der beiden Werkstoffe des Paares war trocken, und für jedes Paar wurden drei Tests unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
- Geschwindigkeit – 0,1 m/s
- Zeit – 1000 s
- Reibradius – 0,009 m
- Drehgeschwindigkeit – 106 U/min
- Anzahl der Umdrehungen – 17684Reibweg – 1000 m
Die Ergebnisse der tribologischen Tests waren wie folgt:
Für den normalisierten Scheibenverschleiß wies die Indikatorprobe nach der Niederdruckaufkohlung einen mehr als 50-mal höheren Wert auf als die Probe nach dem Niederdruckkarbonitrieren. Das bedeutet, dass die mit LPCN behandelte Probe einen deutlich geringeren Verschleiß aufwies als die mit LPC behandelte Probe (Bild 6).
Bild 6: Vergleich der Verschleißindikatoren nach LPCN und LPC (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 6: Vergleich der Verschleißindikatoren nach LPCN und LPC (Quelle: SECO/WARWICK)
Der durchschnittliche Reibungskoeffizient war bei der Scheibe nach der LPCN-Behandlung niedriger, was bedeutet, dass die Bremskraft in diesem Fall ebenfalls geringer war (Bild 7).
Bild 7: Vergleich der durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 7: Vergleich der durchschnittlichen Reibungskoeffizienten (Quelle: SECO/WARWICK)
Die maximale Verschleißtiefe ist bei der mit LPCN behandelten Bandscheibe deutlich geringer, was darauf hindeutet, dass die Bandscheibe nach der LPCN-Behandlung eine deutlich bessere Verschleißfestigkeit aufweist (Bild 8).
Bild 8: Vergleich der maximalen Abnutzungstiefe der Scheiben (Quelle: SECO/WARWICK)
Bild 8: Vergleich der maximalen Abnutzungstiefe der Scheiben (Quelle: SECO/WARWICK)
Zusammenfassung
Diese Forschung hat dazu beigetragen, optimale Prozessparameter für das Niederdruck-Carbonitrieren in SECO/WARWICK-Vakuumöfen zu definieren. Mit Hilfe des hochentwickelten Softwaretools SimVAC definiert der Anwender Rezeptursegmente für das Niederdruck-Carbonitrieren in Abhängigkeit von der gewünschten effektiven Einsatztiefe. Nach Beendigung des Niederdruckaufkohlungssegments wird die Charge auf eine Austenitisierungstemperatur abgekühlt, bei der automatisch eine definierte Menge Ammoniak für einen bestimmten Zeitraum in den Ofen injiziert wird. Anschließend wird die wärmebehandelte Charge unter Schutzbedingungen in die Abschreckkammer überführt und in Öl abgeschreckt. Der gesamte Wärmebehandlungsprozess läuft automatisch nach einem vorprogrammierten Rezept ab, was eine vollständige Wiederholbarkeit gewährleistet, und kann aus der Ferne überwacht werden.
Die durchgeführten Tests und Untersuchungen haben bestätigt, dass das Niederdruck-Karbonitrieren in Vakuumöfen eine praktikable und umweltfreundliche Alternative zum herkömmlichen Karbonitrieren in Atmosphärenöfen darstellt. Die Gesamtergebnisse haben eindeutig gezeigt, dass das Niederdruckkarbonitrieren bei bestimmten Stahlsorten die Härtbarkeit, die Mikrohärte und das Gefüge verbessert und eine Erhöhung der effektiven Einsatztiefe und der Abriebfestigkeit bewirkt. Freischneidende Stahlsorten haben sich als am empfänglichsten für die positiven Auswirkungen der Niederdruck-Karbonitrier-Technologie erwiesen. Die Verbesserung der metallographischen Ergebnisse und die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften waren bei diesen Stahlsorten am bedeutendsten. Abgesehen davon kann das Niederdruck-Karbonitrieren auch für kohlenstoffarme Stähle und für niedrig legierte Stähle, die für die Aufkohlung vorgesehen sind, als praktikables Verfahren angesehen werden. Die Versuche haben auch bestätigt, dass bei mittel- und hochlegierten Stählen der Einsatz des Niederdruckkarbonitrierens keine sichtbaren Verbesserungen der metallographischen Eigenschaften bewirkt.
SECO/WARWICK und verschiedene Industriepartner haben andere mögliche Prozesskonfigurationen für bestimmte Stahlsorten untersucht, um die Niederdruckkarbonitrier-Technologie weiter zu verbessern und zu optimieren. Zu den aktuellen Untersuchungen gehören Arbeiten zur Verbesserung und Anpassung der Stickstoffkonzentration innerhalb der effektiven Härtetiefe sowie der Stickstoffdiffusionsprofile zur Erfüllung spezifischer Industrieanforderungen. Erfahrung und technologisches Fachwissen ermöglichen es SECO/WARWICK, umfassende und konstante Unterstützung bei der Mitentwicklung verschiedener Niederdruck-Aufkohlungs- und Karbonitrierverfahren zu bieten. Bestätigte technologische Ergebnisse werden in der Zukunft garantiert mit voller Reproduzierbarkeit erreicht. Mit der ständigen Weiterentwicklung vakuumbasierter Technologien ist SECO/WARWICK führend auf dem Weg in eine nachhaltige Zukunft der Wärmebehandlungstechnologie.
Literatur
[1] D. H. Herring, Vacuum Heat Treatment: Principles|Practices|Applications, BNP Media II (2012), 377
[2] D. H. Herring, Vacuum Heat Treatment: Principles|Practices|Applications, BNP Media II (2012), 377
[3] D. H. Herring, Vacuum Heat Treatment: Principles|Practices|Applications, BNP Media II (2012), 444
[4] Resolution adopted by the General Assembly on 25 September 2015, Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development, https://www.un.org/en/development/desa/population/migration/generalassembly/docs/globalcompact/A_RES_70_1_E.pdf, access on: 15.01.2024.
[5] The Paris Agreement, https://unfccc.int/process-and-meetings/the-paris-agreement, access on: 15.01.2024
[6] Carbon Neutrality Coalition, https://carbon-neutrality.global, access on: 15.01.2024
Autoren
G. Głuchowski
SECO/WARWICK
Grzegorz.Gluchowski@secowarwick.com
Dr. R. Pietrasik
HART-TECH Sp. z o.o.
M. Bazel
SECO/WARWICK
