Diese ermöglichen eine präzise Steuerung metallurgischer Prozesse und eröffnen neue Möglichkeiten für anspruchsvolle Anwendungen.

Um den Anforderungen an die Abschrecktechnologie gerecht zu werden, können sowohl Öl- als auch Hochdruckgasabschreckung angeboten werden. CO₂-neutrale Betriebsmedien betreffend, wird neben den klassischen Gasen Stickstoff und Helium auch die Hochdruckgasabschreckung mit Wasserstoff wiederentdeckt. Wie in [1] dargestellt, lassen sich die Einflussfaktoren des Hochdruckgasabschreckens in drei Kategorien unterteilen: physikalische Einflussgrößen, anlagenspezifische Faktoren einschließlich Peripherie sowie die Eigenschaften der Charge und deren Zusammensetzung.

Bild 1: Moderner Vakuumhärteofen mit Wasserstoff-Abschreckung und LPC-System (Quelle: Aichelin Group)

Bild 1: Moderner Vakuumhärteofen mit Wasserstoff-Abschreckung und LPC-System (Quelle: Aichelin Group)

Bild 2 zeigt die Abhängigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten von Druck und Gasart. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften erweist sich Wasserstoff dabei als ideales Abschreckmedium. Bedingt durch die niedrigere Gasdichte ergibt sich für Helium und Wasserstoff ein signifikant geringerer Leistungsbedarf für die Gasumwälzung, sodass auch Drücke bis 20 bar wirtschaftlich darstellbar sind.

Bild 2: Einfluss von Abschreckdruck und Gasart auf den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten (Quelle: Hoffmann, F.; Gondesen, B.; Lohrmann, M.; Lübben, Th.; Mayr, P.: Möglichkeiten und Grenzen des Gasabschreckens. HTM 53 (1998) 2, pp. 81-86)

Bild 2: Einfluss von Abschreckdruck und Gasart auf den mittleren Wärmeübergangskoeffizienten (Quelle: Hoffmann, F.; Gondesen, B.; Lohrmann, M.; Lübben, Th.; Mayr, P.: Möglichkeiten und Grenzen des Gasabschreckens. HTM 53 (1998) 2, pp. 81-86)

Bei der Betrachtung von Wasserstoff-Stickstoff-Gemischen hinsichtlich der Abschreckwirkung zeigt sich, dass Gemische, einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten als reiner Wasserstoff aufweisen, wobei dies im Wesentlichen von den  Strömungsverhältnissen abhängt [2]. Die bessere Abschreckwirkung von Wasserstoff in Verbindung mit höheren Drücken im Vergleich zu Stickstoff ermöglicht eine martensitische Härtung auch von Bauteilen mit größeren Querschnitten. In Tabelle 1 sind exemplarisch drei Kaltarbeitsstähle hinsichtlich des durchhärtbaren Querschnitts für unterschiedliche Medien bzw. Abschreckdrücke aufgeführt [3]. Damit wird eine Alternative zur Ölabschreckung bei gleichzeitig verbessertem Formänderungsverhalten der wärmebehandelten Bauteile aufgezeigt. Alternativ dazu ermöglicht die gesteigerte Abkühlrate den Einsatz kostengünstigerer Werkstoffe. Niedriglegierte Einsatzstähle wie 1.7131 oder 1.7147, welche sich in Kombination mit Ölabschreckung bewährt haben, erreichen bei angepasster Hochdruckgasabschreckung mit Wasserstoff vergleichbare Härtewerte.

Tabelle 1: Durchhärtbare Querschnitte verschiedener Kaltarbeitsstähle (Quelle: Altena, H.: Hochdruck-Wasserstoffabschreckung. HTM 53 (1998) 2, pp. 72-80)

Potentiale der Niederdruckaufkohlung

Nachfolgend soll mit Blick auf die Anwendungstechnik anhand des konkreten Beispiels der Niederdruckaufkohlung (LPC) das Potential der Vakuumtechnik in diesem Technologiebereich hinsichtlich der Prozesszeitverkürzung durch Erhöhung der Prozesstemperatur näher beleuchtet werden.

Das Einsatzhärten als solches kann als Kombination von Aufkohlen und dem anschließenden martensitischen Härten angesehen werden. Im industriellen Maßstab dominiert heute die Gasaufkohlung. Dabei erlaubt die Gleichgewichtsatmosphäre eine in-situ Messung und damit eine gezielte Regelung des Kohlenstoffpegels. Dieser Prozess wird durch die Niederdruckaufkohlung ergänzt. Hierbei wird Acetylen (Ethin) als kohlenstoffspendendes Gas eingesetzt. Der Prozess erfolgt bei Drücken unterhalb von 10 mbar, wobei sich Puls- und Diffusionsphasen abwechseln. Die spezifischen Vor- und Nachteile der Gas- und Niederdruckaufkohlung sind in den Ausführungen von Edenhofer [4] und Liedtke [5] beschrieben. Wesentlich für beide Prozesse ist die Temperaturabhängigkeit des Stoffübergangs- und Diffusionskoeffizienten, welcher durch einen Arrhenius-Ansatz beschrieben werden kann. Somit erlaubt eine Erhöhung der Prozesstemperatur eine signifikante Verkürzung der Prozessdauer. Bild 3 zeigt dies exemplarisch für zwei unterschiedliche Prozesstemperaturen bei unterschiedlichen Legierungssystemen für den Niederdruckaufholungsprozess.

Bild 3: Prozesszeiten beim Niederdruckaufkohlen von Pulsatorrädern (Quelle: Steinbacher, M.; Stenico, A.: Prozesssicheres Hochtemperatur-Aufkohlen feinkornstabilisierter Stähle in Atmosphären- und Vakuumöfen, Abschlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben 86ZN, Bremen, Juli 2006)

Bild 3: Prozesszeiten beim Niederdruckaufkohlen von Pulsatorrädern (Quelle: Steinbacher, M.; Stenico, A.: Prozesssicheres Hochtemperatur-Aufkohlen feinkornstabilisierter Stähle in Atmosphären- und Vakuumöfen, Abschlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben 86ZN, Bremen, Juli 2006)

Trotz erhöhtem Energieaufwand für das Aufheizen der Charge dominiert die Energieeinsparung durch die verkürzte Prozesszeit, was einen Beitrag zur Optimierung der Energieeffizienz und damit zur Reduktion des CO₂-Fußabdrucks darstellt. An dieser Stelle sei auf den Aspekt der Feinkornstabilität hingewiesen, etwaige Problematiken des Kornwachstumes durch die erhöhte Prozesstemperatur gilt es zu berücksichtigen. Die Arbeit von Steinbacher und Stenico [6] zeigt jedoch, dass dies durch geeignete Maßnahmen kompensiert werden kann, sodaß die Prozesssicherheit der Hochtemperaturaufkohlung gegeben ist. Die Untersuchungen zur Zahnfußt- und zur Grübchentragfähigkeit zeigen keine negativen Auswirkungen. Zur Unterdrückung der Stickstoffeffusion wurde in der Diffusionsphase ein Mindestdruck von 200 mbar gehalten.

Die beiden ausgewählten Werkstoffe (20MnCr5 und 18CrNi-Mo7-6) unterscheiden sich in ihrer Härtbarkeit. Dadurch ermöglichen sie in Kombination mit verschiedenen Abschreckmedien – insbesondere auch der Hochdruckgasabschreckung mit Wasserstoff sowie der Gasabschreckung mit Stickstoff oder Helium und der klassischen Ölabschreckung – ein breites Spektrum an Bauteilgeometrien.

Fazit

Um sowohl den ökonomischen als auch den ökologischen Anforderungen unserer Zeit gerecht zu werden, ist mehr denn je eine ganzheitliche Betrachtung der verschiedenen technologischen Ansätze im Bereich der Wärmebehandlung erforderlich. Je nach Anwendungsfall kann sich entweder die atmosphärische Wärmebehandlung oder die Vakuumanlagentechnik als vorteilhaft erweisen. Speziell im Bereich der Abschrecktechnik müssen bewährte Technologien aufgrund veränderter Randbedingungen sowie zur Nutzung neuer technologischer Potentiale neu bewertet werden. Die Hochdruckgasabschreckung mit Wasserstoff in modernen Vakuumanlagen kann dabei einen zukunftsweisenden Ansatz darstellen.

Literatur

[1] Hoffmann, F.; Gondesen, B.; Lohrmann, M.; Lübben, Th.; Mayr, P.: Möglichkeiten und Grenzen des Gasabschreckens. HTM 53 (1998) 2, pp. 81-86
[2] Laumen, Ch.; Holm, T.; Lübben, Th.; Hoffmann, F.; Mayr, P: Hochdruck-Gasabschrecken mit Wasserstoff. HTM 53 (1998) 2, pp. 72-80
[3] Altena, H.: Hochdruck-Wasserstoffabschreckung. HTM 50(1995) 1, pp. 27-30
[4] Edenhofer, B.: Einsatzhärten – Ein Prozess mit neuen Entwicklungen und Perspektiven. HTM Journal of Heat Treatment and Materials, vol. 56, no. 1, 2001, pp. 14-22
[5] Liedtke, D.: Stand des Einsatzhärtens aus industrieller Sicht. HTM Journal of Heat Treatment and Materials, vol. 64, no. 6, 2009, pp. 323-337
[6] Steinbacher, M.; Stenico, A.: Prozesssicheres Hochtemperatur-Aufkohlen feinkornstabilisierter Stähle in Atmosphären- und Vakuumöfen, Abschlussbericht zum AiF-Forschungsvorhaben 86ZN, Bremen, Juli 2006

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