Das Niederdruckaufkohlen (oder auch bekannt als Vakuumaufkohlen) bietet eine saubere, moderne Methode, den sogenannten Aufkohlungsprozess. Diese Wärmebehandlung erfordert echte Präzision, um eine minimale Verformung des Originalteils während des Aufkohlungsprozesses zu gewährleisten. Diese Methode kann auch zum Aufkohlen von Stahl verwendet werden.
Aufkohlungsprozess
Vakuumcarburieren (Niederdruck) ist eine Alternative zum traditionellen Gascarburieren (atmosphärisch). Der Carburierungsprozess unterzieht eine thermische und chemische Behandlung, bei der Stahlelemente typischerweise auf Temperaturen im Bereich von 900-1000°C erhitzt und dann in einer Carburierungsatmosphäre platziert werden. Das Ziel der Carburierung ist es, die Oberflächenschicht durch Kohlenstoffatome anzureichern, eine erhöhte Kohlenstoffkonzentration für viele Stahlsorten führt zu einer erhöhten Härte und Verschleißfestigkeit, während der Kern aus Kunststoff erhalten bleibt. Häufig erfolgt das Härten und Anlassen unmittelbar nach der Carburierung, aber im Gegensatz zur konventionellen Carburierung hat es viele Vorteile, sowohl in Bezug auf das verwendete Trägergas - Carburierung (chemische Zusammensetzung C2H2 - Acetylen), als auch auf die Umgebung - Vakuumofen. Dieser Prozess ist umweltfreundlich - es gibt keine CO2-Emissionen und es hat eine positive Auswirkung auf die Festigkeit des Kerns.
Carburierungsprozess - Anwendungsbereiche
Werkzeugstähle profitieren besonders von der Methode der Niederdruckcarburierung, da in diesem Prozess außergewöhnlich lange Verschleißflächen entstehen, die ideal für Zerspanungsoperationen und zur Verbesserung der Eigenschaften bestimmter Materialien sind:
Die Hauptvorteile sind:
– Keine Oxidation der Korngrenzen (kein IGO),
- geringere Toleranz für die CHD-Karbonschicht - geringere Streuung der Ergebnisse,
- Stabilität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,
- präzise Karbonisierung von schmalen Löchern, einschließlich Sacklöchern,
- Minimierung der Verzerrung beim Härten,
- erhöhte Produktivität durch die Möglichkeit, Prozesse bei Temperaturen über dem konventionellen Niveau, d.h. 980°C und höher, durchzuführen,
– saubere Oberfläche der Teile (silbernes Metall) – ohne Schuppen,
Vakuumcarburieren
Während der Bearbeitung wird besonderes Augenmerk auf das Erreichen und Halten kritischer Maße gelegt. Die Zahnräder werden dann zur Wärmebehandlung geschickt. Das Aussetzen der Teile hohen Temperaturen, die Änderung der chemischen Zusammensetzung des Materials und das schnelle Abkühlen in Öl zur Härtung sind notwendig, um die hohe Festigkeit und lange Lebensdauer zu erreichen, die von großen Getrieben erwartet wird. Die Wärmebehandlung, obwohl sie für die Leistung des Getriebes von entscheidender Bedeutung ist, kann eine erhebliche Belastung für die Teile darstellen und muss korrekt durchgeführt werden, um ein akzeptables Teil zu erhalten.
Eine der häufigsten Fragen lautet: "Wie stark wird das Rohmaterial durch diesen Prozess verformt?" Es ist schwierig, diese Frage zu beantworten. Faktoren wie die Chemie des Materials, die Wärmebehandlung und die Verarbeitungsgeschichte, die Geometrie, die Ausrüstung, die Homogenität des Gehäuses und die Härtungsprozesse spielen eine Rolle bei der Bestimmung, wie weit die Zahnräder verschoben werden. Die Wärmebehandlung kontrolliert die letzten drei Variablen und hilft, die Dimensionsvariabilität der Teile zu minimieren. Vakuumcarburieren kann diese Probleme effektiv lösen, da es eine zuverlässige Alternative zum konventionellen endothermen Gascarburieren in integrierten Härteöfen oder Tieföfen darstellt.
Wiederholbarkeit des Prozesses
Der erste Schritt des Verfahrens besteht darin, auf die Prozesstemperatur zu erhitzen, was unter Vakuum erfolgt. Vor Beginn des Aufkohlungsprozesses erhöhen und halten Sie die Belastung, bis das Teil eine einheitliche Temperatur erreicht hat. Vakuum-Aufkohlung ist ein nichtgleichgewichtiger Prozess, der eine Reihe von Auflade- und Diffusionszyklen nutzt. Während des Aufladezyklus wird bei niedrigem Druck eine einzigartige Mischung aus aufkohlenden Gasen injiziert. Kohlenstoffzusätze basieren auf aufgekohlten Oberflächen. Die Dauer des Aufladezyklus ist relativ kurz, während die längere Diffusionszeit zum Verteilen des Kohlenstoffs auf den Teilen verwendet wird. Nach dem Aufkohlen auf die gewünschte Tiefe wird das Teil mit Stickstoff gekühlt und dann erneut auf die Härtetemperatur erhitzt. Wenn das Teil eine einheitliche Temperatur hat, wird die Ladung in Öl gehärtet.
Verzerrungskontrolle
Die größte Herausforderung bei der Wärmebehandlung von Zahnrädern besteht darin, Verzerrungen zu minimieren. Vier Hauptfaktoren tragen dazu bei: Restspannung, Änderung der Martensitabmessungen, Wärmeableitung und Kriechen bei hoher Temperatur. Die Martensitumwandlung und die Wärmeableitung sind am wichtigsten.
Restspannungen in Materialien können nicht durch Wärmebehandlung kontrolliert werden, können aber während des Härtens erhebliche Probleme verursachen. Die beste Lösung für das Problem der Restspannungen ist die Wärmebehandlung vor der Bearbeitung. Typische Prozesse umfassen eine Kombination aus Normalisierung, Glühen, Härten und Anlassen sowie vollständigem Glühen.
Während des Härten nach dem Carburieren haben Substanzen mit einem höheren Kohlenstoffgehalt eine größere Volumenzunahme bei der Umwandlung in Martensit als andere Materialien und unterliegen einer höheren Sättigung der Oberflächenschicht. Dies kann zu einer großen Belastung des Materials führen und seine Verformung oder Größenänderung verursachen. Die effektivste Methode zur Minimierung dieses Effekts besteht darin, die Homogenität der Schalentiefe über das gesamte Profil des Teils aufrechtzuerhalten. Die durch das Härten verursachte Spannungsverteilung ist gleichmäßiger und die Bewegung des Teils ist reduziert. Es kann zu einigen Größenänderungen kommen.
Wenn die Wärmeableitung nicht gleichmäßig ist, kann dies zu einer erheblichen Verschiebung der Teile führen. Wenn das Getriebe mit Öl in Berührung kommt, beginnt es sich in Martensit zu verwandeln und die Materialstruktur ist vollständig. Mit dem Fortschreiten des Härtens der Teile nimmt die Materialveränderung und die inneren Spannungen zu. Wenn die Wärmeableitung im Querschnitt des Zahnrades asymmetrisch ist, kann die Spannung, die durch die Bildung von Martensit verursacht wird, das Teil verformen. Das Werkzeug muss so konzipiert sein, dass das Getriebe mit minimalen Turbulenzen in das Öl eindringt und so ausgerichtet ist, dass der Härtungsfluss von allen Seiten gleichmäßig ist.
Kriechen bei hohen Temperaturen tritt auf, wenn ein Teil während des Carbonisierungsprozesses nicht ausreichend abgestützt wird. Die Zykluszeiten sind sehr lang - bei einigen Beschichtungen über 100 Stunden. Bei dieser Temperatur bewegt sich das Metall oder kriecht, was zu einer erhöhten Ovalität führt. Wieder ist der Schlüssel ein korrektes Werkzeugdesign.
Der Vakuumcarburierungsprozess, der in einem Hüttenofen durchgeführt wurde, führte zu deutlich besseren Verformungen im Vergleich zu den in einem Schachtofen bearbeiteten Teilen. Wenn die Verformung gering ist, kann vor der Wärmebehandlung eine Bearbeitungskorrektur vorgenommen werden, um das Schleifen nach der Wärmebehandlung zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Tiefe der Bodenschale eingestellt werden, was zu kürzeren Wärmebehandlungszyklen und niedrigeren Kosten führt.
Mikrostruktur
Die Flexibilität der Variablen im Vakuumcarburierungsprozess ermöglicht es, jeden Zyklus zur Optimierung der Eigenschaften der wärmebehandelten Legierung zu entwerfen. Die Größe und Verteilung der Karbide in der carburisierten Schicht können präzise kontrolliert werden. Die Härteverteilung und Tiefe können vorhergesagt und an jede Spezifikation angepasst werden.
Da der Prozess im Vakuum stattfindet, gibt es keinen Sauerstoff. Dies eliminiert das Auftreten von interkristalliner Oxidation (IGO), die typisch für endothermische atmosphärische Verfahren ist. Das Vorhandensein von IGO erfordert Wärmebehandlungsoperationen nach Prozessen wie Vollprofil-Schleifen oder Kugelstrahlen. Die Eliminierung davon reduziert die Kosten.
Zusammenfassung
Der Vakuumcarburierungsprozess bietet Lösungen für einige der Herausforderungen, vor denen Getriebehersteller bei der Wärmebehandlung von Teilen stehen. Innovative Vorrichtungskonstruktion, gleichmäßige Schalenbildung, reduzierte Verformung und Eliminierung von IGO führen zu besseren Teilen. Wiederholbare Prozesse können zur Lösung einiger der schwierigsten Produktionsprobleme eingesetzt werden. Gas-Carburierung kann für viele Aufgaben dienen (z.B. Getriebebau).