Die Niederdruckaufkohlung (oder auch Vakuumaufkohlung genannt) ist eine saubere, moderne Methode der Aufkohlung. Diese Wärmebehandlung erfordert höchste Präzision, um eine minimale Verformung des Originalteils während des Aufkohlungsprozesses zu gewährleisten.
Aufkohlungsprozess
Die Vakuumaufkohlung (Niederdruckaufkohlung) ist eine Alternative zur traditionellen Gasaufkohlung (atmosphärisch). Dabei handelt es sich um eine thermochemische Behandlung, bei der Stahlteile auf Temperaturen von typischerweise 900 bis 1000 °C erhitzt und dann in eine Aufkohlungsatmosphäre gebracht werden. Der Zweck des Aufkohlens besteht darin, die Oberflächenschicht mit Kohlenstoff anzureichern und dadurch ihre Härte und Verschleißfestigkeit zu erhöhen, während der Kunststoffkern erhalten bleibt. Das Härten und Anlassen unmittelbar nach dem Aufkohlen ist die gängigste Methode, die jedoch im Gegensatz zum herkömmlichen Aufkohlen viele Vorteile bietet, sowohl was das verwendete Trägergas – das Aufkohlen (C2H2 – Acetylen) – als auch was die Umgebung – den Vakuumofen – betrifft. Das Verfahren ist umweltfreundlich – keine CO2-Emissionen.
Anwendungsbereiche
Werkzeugstähle profitieren besonders von der Niederdruckaufkohlung, da durch dieses Verfahren besonders lange Verschleißflächen entstehen, die sich ideal für die Bearbeitung eignen.
Die wichtigsten Vorteile sind:
- keine Oxidation der Korngrenzen (keine IGO),
- Engerer Toleranzbereich für die aufgekohlte Schicht CHD – Geringere Streuung der Ergebnisse,
- Stabilität und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse,
- Präzises Aufkohlen von engen Löchern, einschließlich Sacklöchern,
- Minimierung des Härteverzugs,
- erhöhte Produktivität durch die Möglichkeit, Prozesse bei höheren als den herkömmlichen Temperaturen durchzuführen, d.h. bei 980°C und darüber,
- saubere Werkstückoberfläche (Silbermetall) – keine Abplatzungen,
Vakuum-Aufkohlung
Bei der Verarbeitung wird besonders darauf geachtet, dass kritische Maße erreicht und eingehalten werden. Anschließend werden die Zahnräder einer Wärmebehandlung unterzogen. Um die von großen Zahnrädern erwartete hohe Festigkeit und lange Lebensdauer zu erreichen, müssen die Teile hohen Temperaturen ausgesetzt, die chemische Zusammensetzung des Materials verändert und zum Härten schnell in Öl abgekühlt werden. Die Wärmebehandlung ist zwar entscheidend für die Leistung des Getriebes, kann aber eine erhebliche Belastung für die Teile darstellen und muss korrekt durchgeführt werden, um ein akzeptables Teil zu erhalten.
Eine der am häufigsten gestellten Fragen lautet: „Wie stark wird dieses Verfahren das Rohmaterial verzerren?” Diese Frage ist schwer zu beantworten. Faktoren wie Werkstoffchemie, Wärmebehandlung und Bearbeitungshistorie, Geometrie, Vorrichtungen, Einsatzhomogenität und Härteverfahren spielen alle eine Rolle bei der Bestimmung der Beweglichkeit der Zahnräder. Die Wärmebehandlung steuert die drei letztgenannten Variablen und trägt dazu bei, die Schwankungen der Werkstückabmessungen zu minimieren. Die Vakuumaufkohlung kann diese Probleme wirksam angehen, da sie eine zuverlässige Alternative zur herkömmlichen endothermen Gasaufkohlung in integrierten Abschreck- oder Schachtöfen darstellt.
Reproduzierbarkeit des Prozesses
Der erste Schritt des Verfahrens ist die Erwärmung auf Prozesstemperatur, die unter Vakuum erfolgt. Vor Beginn der Aufkohlung ist die Last zu erhöhen und zu halten, bis das Teil eine gleichmäßige Temperatur erreicht hat. Die Vakuumaufkohlung ist ein Nicht-Gleichgewichtsprozess, bei dem eine Reihe von Lade- und Diffusionszyklen zum Einsatz kommen. Während des Ladezyklus wird ein einzigartiges Gemisch aus aufkohlenden Gasen bei niedrigem Druck eingespritzt. Die Kohlenstoffzusätze basieren auf aufgekohlten Oberflächen. Die Dauer des Ladezyklus ist relativ kurz, während eine längere Diffusionszeit dazu dient, den Kohlenstoff auf den Teilen zu verteilen. Nach dem Aufkohlen bis zur gewünschten Tiefe wird das Teil mit Stickstoff abgekühlt und anschließend auf die Abschrecktemperatur erwärmt. Wenn das Teil eine gleichmäßige Temperatur erreicht hat, wird die Charge in Öl abgeschreckt.
Verzerrungskontrolle
Die größte Herausforderung bei der Wärmebehandlung von Zahnrädern ist die Minimierung des Verzugs. Dazu tragen vor allem vier Faktoren bei: Eigenspannung, Maßänderung des Martensits, Wärmeabfuhr und Hochtemperaturkriechen. Die wichtigsten sind die martensitische Umwandlung und die Wärmeabfuhr.
Eigenspannungen in Werkstoffen lassen sich nicht durch Wärmebehandlung kontrollieren, können aber beim Härten erhebliche Probleme verursachen. Eigenspannungen lassen sich am besten durch eine Wärmebehandlung vor der Verarbeitung beseitigen. Typische Verfahren sind eine Kombination aus Normalisieren, Glühen, Vergüten und Vollglühen.
Beim Abschrecken nach der Aufkohlung haben Stoffe mit einem höheren Kohlenstoffgehalt nach der Umwandlung in Martensit eine größere Volumenzunahme als andere Werkstoffe. Dadurch kann das Material stark belastet werden und sich verformen oder seine Größe verändern. Die effektivste Methode, diesen Effekt zu minimieren, ist die Beibehaltung einer gleichmäßigen Schalentiefe über das gesamte Teileprofil. Die durch das Härten verursachte Spannungsverteilung ist gleichmäßiger und die Bewegung des Teils wird reduziert. Einige Größenänderungen können auftreten.
Wenn die Wärmeabgabe nicht gleichmäßig ist, kann dies zu erheblichen Bewegungen des Teils führen. Wenn das Zahnrad mit Öl in Berührung kommt, beginnt es, sich in Martensit umzuwandeln, und die Materialstruktur ist vollständig. Je weiter die Härtung des Teils fortschreitet, desto mehr Materialveränderungen und Eigenspannungen treten auf. Wenn die Wärmeabgabe im Getriebeteil asymmetrisch ist, können die durch die Martensitbildung verursachten Spannungen das Teil verformen. Das Werkzeug muss so konstruiert sein, dass das Zahnrad mit minimalen Turbulenzen in das Öl eintritt und so ausgerichtet ist, dass der Quenchstrom auf allen Seiten gleichmäßig ist.
Hochtemperaturkriechen tritt auf, wenn das Teil während des Aufkohlungsprozesses nicht richtig abgestützt wird. Die Zykluszeiten sind sehr lang – bei manchen Beschichtungen über 100 Stunden. Bei dieser Temperatur bewegt sich das Metall oder kriecht, was zu einer erhöhten Ovalität führt. Auch hier kommt es darauf an, das Werkzeug richtig zu gestalten.
Die Vakuumaufkohlung in einem metallurgischen Stapelofen führte zu einer wesentlich besseren Verformung der Werkstücke im Vergleich zur Bearbeitung in einem Schachtofen. Wenn die Verformung gering ist, kann die Bearbeitung vor der Wärmebehandlung angepasst werden, um das Schleifen nach der Wärmebehandlung zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Tiefe der geschliffenen Schale angepasst werden, was zu kürzeren Wärmebehandlungszyklen und geringeren Kosten führt.
Mikrostruktur
Die Flexibilität der Variablen des Vakuumaufkohlungsprozesses ermöglicht es, jeden Zyklus so zu gestalten, dass die Eigenschaften der wärmebehandelten Legierung optimiert werden. Die Größe und Verteilung der Karbide in der aufgekohlten Schicht kann genau kontrolliert werden. Die Härteverteilung und -tiefe kann vorhergesagt und an jede Spezifikation angepasst werden.
Da der Prozess unter Vakuum stattfindet, gibt es keinen Sauerstoff. Dadurch wird das Auftreten von intergranularer Oxidation (IGO) vermieden, die für endotherme atmosphärische Behandlungen typisch ist. Das Vorhandensein von IGO erfordert eine Wärmebehandlung nach Verfahren wie Vollprofilschleifen oder Hämmern. Die Beseitigung dieses Problems senkt die Kosten.
Zusammenfassung
Das Vakuumaufkohlungsverfahren bietet Lösungen für einige der Herausforderungen, mit denen Getriebehersteller bei der Wärmebehandlung von Teilen konfrontiert sind. Innovatives Werkzeugdesign, gleichmäßige Schalenformung, reduzierter Verzug und die Eliminierung von IGO führen zu besseren Teilen. Wiederholbare Prozesse können zur Lösung einiger der schwierigsten Fertigungsprobleme eingesetzt werden.
Der Kohlenstoffgehaltes beeinflusst die Anreicherung des Materials. Wir garantieren unsererseits, dass die von uns verwendete Technologie die beste für diese Art von Lösung ist. Wir laden Sie ein anwendungen, sich über die Stellen. Wenn Sie nicht wissen, was Aufkohlungstiefe und was Vakuumaufkohlung ist, suche die Antworten in unserem Blog!