Vakuum-Mehrzweckkammerofen zum Vakuumaufkohlen und Hochdruck-Gasabschrecken

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1 Vakuum-Mehrzweckkammerofen zum Vakuumaufkohlen und Hochdruck-Gasabschrecken Dual chamber vacuum furnace for Low Pressure Carburizing (LPC) and High Pressure Gas Quenching (HPGQ) Von Klaus Löser, Karl Ritter, Bill Gornicki Zweikammer-Vakuumöfen mit separater Erwärmungs- und Abkühlkammer weisen verschiedene Vorteile gegenüber Vakuum-Einkammeröfen auf, beispielsweise ein schnelleres Aufheizen, einen geringeren Energieverbrauch, eine höhere Abschreckintensität und einen geringeren Wartungsaufwand. Dem entsprechend wurde eine neue, zweite Generation von Zweikammer-Vakuumanlagen für Vakuum- bzw. Niederdruckaufkohlung und Hochdruck-Gasabschreckung, DualTherm, entwickelt, wobei auf bewährte Technologien der ModulTherm - Anlage zurückgegriffen wurde. Die erste Anlage dieser Art wurde kürzlich bei einem Lohnwärmebehandler in Betrieb genommen. Dual chamber vacuum furnaces with separated heating and cooling processes are providing several advantages when compared to single chamber vacuum furnaces. This includes faster heating up, less energy consumption, more quenching severity and less maintenance. Accordingly a new, second generation of dual chamber vacuum furnace for low pressure carburizing and high pressure gas quenching, DualTherm, was developed using proven technologies from the ModulTherm series of vacuum furnace systems. The first furnace was recently installed at a commercial heat treater and is now in three-shift-operation. Einleitung Der Einsatz von atmosphärischen Öfen mit separater Beheizungs- und Abschreckeinrichtung reicht zurück bis in die 50ger Jahre des letzten Jahrhunderts, wo die ersten atmosphärischen Mehrzweck- Kammeröfen eingesetzt wurden. Auch Vakuumanlagen mit separater Heiz- und Ölabschreckkammer gibt es bereits seit vielen Jahrzehnten auf dem Markt. Das neue Zweikammerkonzept mit kalter Abschreckkammer, genannt DualTherm, Bild 1, verbindet die Vorteile der Vakuumprozesstechnik mit denen der Hochdruck-Gasabschrecktechnik nach drei grundlegenden Prinzipien: die Behandlungskammer steht immer unter Vakuum und ist immer auf Temperatur während der Abschreckung wird nur das abgeschreckt was wirklich einer Abschreckung bedarf Chargentransportsysteme sollten außerhalb der Behandlungs-/Abschreckkammer angeordnet werden Bild 1: Vakuum-Mehrzweckkammerofen, Typ DualTherm Fig. 1: Dual chamber vacuum furnace, type DualTherm Es ist naheliegend, die Prozesse Abschreckung, Erwärmung und Chargentransport zu separieren. Dadurch ist es möglich, die Anlage so zu konstruieren, dass jede Baueinheit optimal auf die jeweilige Prozessanforderung zugeschnitten ist. Die Behandlungskammer ständig auf Temperatur und unter Vakuum zu halten bietet eine Vielzahl von Vorteilen: Die Erwärmung der Charge kann so schnell erfolgen, wie die Bauteile es zulassen Es muss nur die zur Erwärmung der Charge erforderliche Energie zugeführt werden, da die Heizkammer bereits auf Temperatur ist Ständiges Aufheizen und Abheizen der Behandlungskammer wird vermieden, wodurch sich die Lebensdauer der Behandlungskammer gegenüber der von Vakuum-Einkammeröfen um viele Jahre verlängert elektrowärme international Heft 3/2008 September 179

2 Bild 2: Schematischer Anlagenaufbau DualTherm Fig. 2: Schematic sectional view of DualTherm das Design der Behandlungskammer kann deutlich vereinfacht werden, da sie nur zum Erwärmen und nicht zum Abschrecken der Charge eingesetzt wird Die Behandlungskammer wird nicht durch einen unter hohem Druck und hoher Geschwindigkeit stehenden Gasstrom beansprucht, wie dies während der Abschreckung in Vakuum-Einkammeröfen der Fall ist, was deren Lebensdauer deutlich verlängert und den Wartungsaufwand minimiert Die Vorteile einer separaten, kalten Abschreckkammer lassen sich folgt zusammengefassen: Bauteile aus niedrig legierten Stählen können auch bei größeren Abmessungen prozesssicher gehärtet werden D Zeit = 30 % eine optimierte Gasverteilung ermöglicht eine gleichmäßigere Abschreckung ein Gasleitsystem mit schwenkbaren Klappen erlaubt es, den Gasstrom während der Abschreckung alternierend durch die Charge zu führen, um Abschreckverzügen vorzubeugen, ohne dass es zu störenden Einflüssen durch ein Transportsystem oder eine Beheizungseinrichtung kommt durch das Fluten der Abschreckkammer mit dem Abschreckgas bis auf einem max. Druck von 20 bar innerhalb von 6 s wird eine maximale Abschreckintensität erreicht, ohne, wie im Falle von Vakuum-Einkammeranlagen, eine Zerstörung der Heizkammerisolation befürchten zu müssen Eine separate Chargentransporteinrichtung außerhalb der Behandlungs- bzw. Abschreckkammer hat folgende Vorteile: die Transporteinrichtung wird nur kurzzeitig, während des Be- und Entladevorgangs, hohen Temperaturen ausgesetzt die Transporteinrichtung stellt kein Hindernis für den Gasstrom beim Abschrecken dar Motoren, Schalter und Sensoren der Transporteinrichtung sind nicht der Prozessatmosphäre ausgesetzt Die neueste Generation von DualTherm - Anlagen wurde auf Basis von bewährten Anlagenkomponenten des Systems ModulTherm entwickelt. Mit über 100 in den letzten fünf Jahren weltweit gelieferten Behandlungskammern hat sich dieses modulare System für die Wärmebehandlung von Serienbauteilen aus dem Bereich der Getriebe- und Diesel- Einspritztechnik bewährt. An Bild 3: Vergleich des Aufheizverhaltens bei konvektiver Erwärmung bzw. Vakuum-Erwärmung Fig. 3: Comparison of Heating-up characteristics using vacuum and convective heating processes Anlagenaufbau Wie bereits erwähnt handelt es sich bei der DualTherm -Anlage um einen Vakuum- Mehrzweckkammerofen. Eine schematische Schnittzeichnung der Anlage zeigt Bild 2. Die Behandlungskammer ist mit einer kompakten Heizkammer (Kühlgaskanäle sind nicht erforderlich) ausgerüstet, die aus einer mehrschichtigen Graphit-Keramikisolation besteht. Die grafitischen Heizstäbe sind radialsymmetrisch um die Charge angeordnet, was eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung der Charge sicherstellt und eine 180 elektrowärme international Heft 3/2008 September

3 Temperaturgleichmäßigkeit von ±5 C garantiert. Selbstverständlich ist auch die DualTherm -Anlage mit einer konvektiven Erwärmungseinrichtung ausgerüstet. Zu diesem Zweck wird die unter Vakuum stehende Behandlungskammer mit Stickstoff auf bis zu 1,2 bar geflutet. Die Umwälzung des Gases erfolgt durch einen internen Gasumwälzer aus kohlefaserverstärktem Grafit (CFC). Eine konvektive Erwärmung bietet eine Reihe von Vorteilen, wie zu Beispiel: niedrigere Temperaturgradienten innerhalb einzelner Bauteile bzw. zwischen Bauteilen innerhalb einer Charge höhere Erwärmungsgeschwindigkeiten, besonders effektiv bei dicht gepackten Chargen gleichmäßige Erwärmung während des gesamten Aufheizvorgangs Bild 3 zeigt den Vergleich zwischen einer konvektiven Erwärmung mit Stickstoff und einer reinen Vakuumerwärmung. Eine dicht gepackte Charge von Bolzen mit 25 mm Durchmesser wurde auf eine Temperatur von 890 C erwärmt. Mit Hilfe eines Furnace Tracking- Systems wurden Aufheizkurven aufgenommen, wobei die Thermoelemente im Kern der Bolzen angebracht waren. Die Bolzen waren gleichmäßig in der Charge verteilt. Für beide Erwärmungsverfahren sind in Bild 3 die Aufheizkurven der Bolzen mit jeweils höchster und geringster Aufheizgeschwindigkeit dargestellt. Wie gezeigt, führt die konvektive Erwärmung zu einer signifikanten Verbesserung der Aufheizgleichmäßigkeit, während die absolute Aufheizdauer um rd. 30 % reduziert werden konnte. Die Chargenträger in der Heizkammer der DualTherm -Anlage bestehen aus Siliziumkarbid, das sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit, auch bei sehr hohen Temperaturen, auszeichnet. Außer dem Konvektivgebläse gibt es keinerlei bewegte Bauteile in der heißen Kammer. Zum Transport der Chargen in der DualTherm -Anlage dient eine Teleskopgabel, die im Transportbereich angeordnet ist. Sämtliche Antriebe, einschließlich zeige_dt_deutsch_a5_quer_ _2:layout :32 Seite 1 der entsprechenden Sensorsysteme, sind außerhalb der Vakuum-Atmosphäre angeordnet, was deren Störanfälligkeit reduziert und eine einfache Zugänglichkeit während der Wartung ermöglicht. Zum Abschrecken der Charge wurde eine modulare Abschreckkammer entwickelt, die sich optimal an die Erfordernisse der Bauteile des Kunden anpassen lässt. Die Abschreckkammer kann mit einem maximalen Abschreckdruck bis 20 bar betrieben werden. Aus den kundenspezifischen Prozessanforderungen kann das Abschrecksystem entsprechend konfiguriert werden: ein oder zwei Abschreckmotore ein oder zwei Wärmetauscher dynamische Abschreckfunktion Kühlgasreversierung, insbesondere interessant für die Verzugskontrolle von Bauteilen mit einem Gewicht > 1 kg variable Abschreckgasgeschwindigkeiten Weiterhin besteht die Möglichkeit, ein erstmalig konfiguriertes System im Be- DualTherm - Vakuum Mehrzweckkammerofen - maximale Prozesstemperatur 1250 C - Vakuumaufkohlung - Abschreckgas 20 bar N 2 / He - Gasreversierung für gleichmäßiges Abschrecken - getrennte Heiz- und Abschreckkammer kg Chargiergewicht, optional 1000 kg Integration der Wärmebehandlung in die Produktion Glühen Einsatzhärten Härten Karbonitrieren Vergüten Löten ALD Vacuum Technologies GmbH Wilhelm-Rohn-Straße Hanau Tel info@ald-vt.de elektrowärme international Heft 3/2008 September 181

4 Die unterschiedliche Abkühlcharakteristik führt zu unterschiedlichen Härteverteilungen in der Verzahnung, wie dies in Bild 4 unten dargestellt ist. Durch Anwendung der reversierenden Gasabschreckung lässt sich die Härtestreuung im Zahngrund (b) von 29 HV auf 11 HV verbessern. Für die Härte in Zahnmitte (c) ergibt sich nahezu kein Unterschied zwischen Zahnrädern, die in der obersten bzw. in der untersten Lage der Charge angeordnet waren, wie dies gemäß der in (a) dargestellten Abkühlkurven auch zu erwarten war. Für eine hohe Produktivität sind größtmögliche Chargenabmessungen und ein hohes Chargengewicht von Bedeutung. DualTherm ermöglicht eine Chargierhöhe von 750 mm im Vergleich zu der Standardhöhe von 600 mm, die es erlaubt, entweder 25 % mehr Bauteile zu beladen oder aber besonders lange Teile, wie z.b. Getriebewellen, zu behandeln. Während das Standard-Chargengewicht in dieser Ofengröße in der Regel auf 500 kg limitiert ist, ermöglicht Dual- Therm ein optionales Chargengewicht bis 1000 kg. Betriebsweise der Anlage Bild 4: Vergleich verschiedener Gasabschrecktechnologien und resultierende Härteverteilung in einer Charge von Getrieberädern für Nutzfahrzeuge Fig. 4: Comparison of different gas quenching technologies and resulting hardness distribution in a load of truck gears darfsfall zu einem späteren Zeitpunkt nachzurüsten. Ein Beispiel für die positive Wirkung der Kühlgasreversierung während der Gasabschreckung ist in Bild 4 dargestellt. Eine Charge von Getrieberädern aus Nutzkraftfahrzeugen wurde von 820 C mit 18 bar Helium abgeschreckt, wobei die Kühlgasrichtung einmal, wie üblich, von oben nach unten und dann alternativ von oben nach unten bzw. von unten nach oben, also reversierend, erfolgte. Es wurden Kühlkurven in der Zahnmitte von Zahnrädern aufgezeichnet, die in der obersten Lage bzw. in der untersten Lage angeordnet waren. Die Abkühlkurven sind in Bild 4a dargestellt. Beim Abschrecken von oben nach unten kühlen die Zahnräder in der obersten Lage (blaue Kurve) deutlich schneller ab als Bauteile in der untersten Lage (rote Kurve). Dies ist zu erwarten, da sich das Gas beim Durchströmen der heißen Charge erwärmt und sich damit der übertragbare Wärmestrom verringert. Beim Abschrecken mit reversierender Gaskühlung erweist sich die Abschreckung als sehr viel gleichmäßiger und es ergibt sich nur ein geringer Unterschied zwischen der Abkühlung von Rädern in der obersten und in der untersten Lage. Wie bereits erwähnt bleibt die Behandlungskammer der DualTherm -Anlage während der gesamten Prozessdauer auf der vom Anwender definierten Prozesstemperatur und steht, mit Ausnahme des Prozessschrittes Konvektive Erwärmung, immer unter Vakuum. Das Abkühlen der Anlage erfolgt im einfachsten Fall unter Vakuum durch Abschalten der Heizung. Falls erforderlich, kann die Anlage innerhalb von 30 Minuten wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden. Zu Beginn des Prozesses wird die Abschreckkammer als Einschleuskammer verwendet, indem die Luft durch einfaches Evakuieren entfernt wird. Danach erfolgt der Transport der Charge in die Behandlungskammer unter Verwendung des bereits beschriebenen Transportsystems. Nach Abschluss der thermischen Behandlung entnimmt die Transportgabel die Charge aus der Behandlungskammer und befördert sie in die Abschreckkammer. Der Transport der Charge erfolgt dabei schnellstmöglich, um sicherzustellen, dass es während des Transportes nicht zu einer unzulässigen Chargenabkühlung kommt. Wenn die Charge die Abschreckkammer erreicht hat, setzt der rezeptgesteuerte Gasabschreckvorgang ein (Bild 5). Zu- 182 elektrowärme international Heft 3/2008 September

5 Bild 5: Gasabschreckung einer Charge mit Getrieberädern in der Abschreckkammer einer DualTherm - Anlage a) kurz nach dem Start des Gasumwälzers und b) 5 s später Fig. 5: Gas quenching of a load of gear parts in the cold quenching chamber of DualTherm a) shortly after the start of the gas circulator and b) 5 s later sätzlich zu einer Abschreckung mit maximaler Abschreckgeschwindigkeit ist es möglich, den Abschreckvorgang gestuft durchzuführen. Bei diesem, als Dynamic Quenching bekannten Prozess werden die Drehzahl des Abschreckgebläses und/oder der Kammerdruck während der Abschreckung geregelt. Nach dem Gasabschrecken sind die Bauteile sauber und trocken und müssen nicht weiter gereinigt werden. Prozesse Die DualTherm -Anlage kann sowohl für Glühprozesse bis zu Temperaturen von 1250 C als auch für Vakuum- Aufkohlungsprozesse bis 1050 C eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Abschreckgase (z. B. Stickstoff, Helium, Argon) können neben niedrig legierten Vergütungsstählen und Einsatzstählen auch Werkzeugstähle, Schnellarbeitsstähle oder Pulvermetallurgische Stähle (PM) wärmebehandelt werden. Die DualTherm -Anlage eignet sich für folgende Prozesse: Glühprozesse unter Konvektion bis 950 C Glühen unter Partialdruck bis zu 1250 C Härten bei Temperaturen bis 1200 C mit verschiedenen Abschreckgasen und max. Abschreckdrücken bis zu 20 bar Vakuumaufkohlung mit Hochdruckgasabschreckung Vakuum-Karbonitrieren Vakuum-Lötprozesse Auch Kombinationen dieser Verfahren können durchgeführt werden, wie zum Beispiel kombinierte Löt/Härteprozesse für Werkzeuge, wo im ersten Prozessschritt Schneidplatten auf einen Werkzeugträger aufgelötet werden und im zweiten Prozessschritt der Werkzeugträger vakuumgehärtet wird. Ein neu entwickeltes System zur Chargentemperaturerfassung erlaubt es, auch in einer Vakuum-Mehrkammeranlage wie DualTherm die Chargentemperatur in der Behandlungskammer kontinuierlich zu erfassen, wie dies bei Vakuum-Einkammeranlagen üblich ist. Anlagensteuerung Zum Bedienen und Beobachten der DualTherm -Anlage ist in der Nähe der Beladetür ein Panel-PC an einem Schwenkarm befestigt. Auf diesem PC werden alle Wärmebehandlungsrezepte eingegeben, gespeichert und ausgeführt. Wie in vielen Fällen erforderlich, werden dort anwenderspezifische Chargendaten (Bauteilname, Werkstoff, Stückzahlen) für jede spezifische Charge eingegeben. Zusätzlich gibt es die Möglichkeit, Chargendaten wie Bauteilnummer, Bauteilname, Stückzahl, Werkstoff oder sonstige Informationen zur jeweiligen Charge einzugeben. Im System werden die Sollund Istwerte der Behandlung auf einem Zeitstrahl dokumentiert (Schreiberfunktion). Selbstverständlich werden alle auftretenden Störmeldedaten angezeigt, gespeichert und können am PC entsprechend quittiert werden. Am PC werden neben der Rezeptverwaltung auch die Online Trends von Temperatur sowie die Druckverläufe angezeigt. Über eine Schnittstelle kann die Anlage an ein vorhandenes Netzwerk angeschlossen werden um z. B. eine zyklische Speicherung der Behandlungsdaten vorzunehmen. Die Sicherung der Behandlungsdaten kann auch über ein CD/DVD- Laufwerk erfolgen. Alle Bewegungen der Anlage sowie die Prozess- und Temperatursteuerung erfolgt über die SPS der DualTherm - Anlage. Wartung und Service Bei der Konstruktion der DualTherm - Anlage wurde besonderen Wert auf Wartungsfreundlichkeit gelegt. Alle zu wartenden Komponenten sind einfach zugänglich. Für Wartungen im Innern des Ofens ist eine Wartungstür an der Rückseite der Anlage angeordnet. Nachdem die Heizkammer heruntergekühlt und die Anlage belüftet ist, kann die Wartungstür geöffnet werden. Dadurch ist eine einfache Zugänglichkeit zur Heizung, dem Bedüsungssystem für das Aufkohlungsgas, dem Konvektionsgebläse sowie den Chargenauflagen gewährleistet. Der Vakuum-Pumpsatz ist direkt an der Ofenanlage befestigt. Das Pumpenöl elektrowärme international Heft 3/2008 September 183

6 wird gefiltert, so dass sich lange Ölwechselintervalle ergeben, selbst wenn die Anlage intensiv für Aufkohlungsprozesse verwendet wird. Fazit Der Vakuum-Mehrzweckkammerofen DualTherm ist einerseits die umweltfreundliche Alternative zum konventionellen atmosphärischen Mehrzweckkammerofen. Andererseits bietet er die gleiche prozesstechnische Vielfalt und Bauteilqualität wie Vakuum-Einkammeranlagen, allerdings ohne den Kompromiss einer kombinierten Heiz- und Abschreckkammer einzugehen, der mit vielen prozess- und anlagentechnischen Problemen verbunden ist. Bezüglich der Vielfalt der möglichen Verfahren ist die Anlage kaum zu überbieten. Die Bauteile sind nach der Wärmebehandlung sauber und blank und brauchen nicht gewaschen zu werden. An der Anlage sind weder Gasschleier noch Abfackeleinrichtungen erforderlich und die Außenwandtemperatur des Ofens liegt zwischen 30 und 40 C, wodurch eine Fertigungsintegration sehr einfach möglich ist. Die erforderlichen Medienverbräuche sind im Vergleich zur konventionellen Technik gering, insbesondere was den Verbrauch an Prozessgasen angeht. Die erste DualTherm -Anlage der zweiten Generation wurde Ende 2007 bei Fa. Härte- und Oberflächentechnik Chemnitz in deren Zweigwerk in Hohenstein-Ernstthal installiert. In der Anlage werden im Dreischichtbetrieb Zahnräder und Ritzel für Hydraulikgetriebe im Vakuum aufgekohlt und mit Hochdruck-Gasabschreckung gehärtet. Dr.-Ing. Klaus Löser ALD Vacuum Technologies, Hanau Tel / dr.klaus.loeser@ald-vt.de Karl Ritter ALD Vacuum Technologies, Hanau Tel / karl.ritter@ald-vt.de Bill Gornicki ALD-Holcroft Vacuum Technologies Co., Inc. Michigan, USA Tel. +1 (248) WGornicki@ALD-Holcroft.com Ihr Kontakt: b.schwarzer-hahn@vulkan-verlag.de 184 elektrowärme international Heft 3/2008 September