Thermogravimetrische Messungen zur Charakterisierung der Reaktionskinetik beim Niederdruckaufkohlen∗

Kurzfassung

Das Niederdruckaufkohlen findet aufgrund seiner verfahrenstypischen Vorteile – hoher Kohlenstoffübergang, Randoxidationsfreiheit, die Möglichkeit hoher Aufkohlungstemperaturen und damit Beschleunigung des Aufkohlungsvorgangs – immer mehr Anwendung in der Industrie. Insbesondere die Steigerung der Aufkohlungstemperatur in Kombination mit der erreichbaren hohen Randschichtqualität bietet großes Potenzial zur Kostensenkung im industriellen Einsatz. Ein großer Nachteil des Verfahrens liegt jedoch darin, dass der Prozess – im Gegensatz zum konkurrierenden Verfahren des Gasaufkohlens – nicht definiert regelbar ist. Die Niederdruckaufkohlung kann bisher nur gesteuert durchgeführt werden. Zum Einstellen des Kohlenstoffprofils im Bauteil werden alternierend Aufkohlungs- und Diffusionssequenzen durchgeführt, wobei Begasung, Segmenttemperatur und -dauer auf empirisch ermittelten Erfahrungswerten beruhen, da genaue Daten zum Kohlenstoffübergang nicht vorliegen. Eine Regelung der Aufkohlung, basierend auf der Messung von Reaktionskomponenten wie bei der Gasaufkohlung, wird zwar für möglich gehalten, ist jedoch bisher nicht realisiert. Um eine genauere Prozesssteuerung durchführen zu können, muss somit die Abhängigkeit des Kohlenstoffmassenstroms von Prozessparametern, wie Temperatur, Aufkohlungsatmosphäre und Stahlzusammensetzung, bekannt sein. In diesem Artikel werden das Verfahren der Thermogravimetrie sowie damit durchgeführte Messungen mit dem Ziel der Klärung dieser Zusammenhänge dargestellt.

Abstract

There is an increasing interest in low pressure carburization processes because of specific process advantages such as high treatment temperatures, high carbon transition coefficients, and the lack of internal oxidation. The main disadvantages of the process is the current impossibility of automatic control. The process is operated by series of boost (carburization) and diffusion steps which lead to the desired carbon profile. The order and timing of these steps is established using simulation. However, the problem with simulation is the lack of sufficient data. Especially the carbon flow depending on temperature, gas type, steel grade, surface carbon content and conditions of carbide formation and dissolution are not known exactly. Users of these programs work with empirical established parameters, which contain uncertainties. To minimize these uncertainties, measurements on carbon transition during low pressure carburization were done at the ‘Institut für Werkstofftechnik’ in Bremen. These were done in a special thermo-balance during a model low pressure carburization process. The results of different parameters, which do influence the process, will be presented.