De rol van vacuüm bij de warmtebehandeling van metalen producten

De rol van vacuüm bij de warmtebehandeling van metalen producten

J.W. Bouwman PhD Consultant Vacuüm-Warmtebehandelingstechniek Dorpstraat 70B 6909AN Babberich E-Mail: [email protected] Het Instrument, 7. Oktober 2010 In opdracht van de firma Ipsen Industries International GmbH, Kleve, Duitsland  2010 Ipsen International GmbH

Warmtebehandeling Proces, waarbij een werkstuk bewust wordt blootgesteld aan een TEMPERATUUR- TIJD – CYCLUS met het doel bepaalde eigenschappen te verkrijgen die voor de verdere bewerking of toepassing noodzakelijk zijn (bijv. hardheid, taaiheid, slijtvastheid, corrosiebestendigheid e.d.)

te m p e r a tu u r (°C )

opwarmen

houden

koelen

1300 langzaam langzaam

snel 100

tijd →

stapsgewijs

in vacuüm Waarom warmtebehandeling in vacuüm? Mogelijke reacties aan het oppervlak van de ovenlading tijdens een warmtebehandeling (afhankelijk van de ovenatmosfeer): -gewenst:

bijv. opkolen, nitreren, etc.

-niet gewenst:

bijv. oxidatie, ontkoling, effusie etc.

Bescherming van het oppervlak van de ovenlading door middel van: - vacuüm - en (/of) beschermgas (Endogas – N2 – Ar)

Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 1/10

Wat is vacuüm? Vacuüm is: - De toestand van een verdund gas in een ruimte met een druk die lager is dan die van de heersende atmosferische omstandigheden (“onderdruk”) -

De kwaliteit van het vacuüm wordt uitgedrukt in de absolute druk van het restgas in de vacuümruimte

-

De gasdruk wordt gemeten in Pascal (Pa), waar 1 Pa = 1N/m2

-

Verdere gebruikelijke drukeenheden zijn: bar, mbar en Torr, waarbij

-

1 Pa = 1*10-5 bar = 1*10-2 mbar = 7,6*10-3 Torr


Indeling drukbereik in de vacuümtechniek Het is gebruikelijk een aantal vacuümgebieden te onderscheiden die overeenkomen met bepaalde drukgebieden:

Druk p

Grofvacuüm

Fijnvacuüm

Hoogvacuüm

Ultrahoogvacuüm

1013 - 1

1 – 10-3

10-3 – 10-7

<10-7

1019 - 1016

1016 - 1013

1013 – 109

<109

<10-2

10-2 - 10

10 - 105

>105

viskeus

Knudsen

moleculair

moleculair

in mbar Gasdeeltjesdichtheid n / cm3 Gemiddelde vrije weglengte λ in cm Aard van de gasstroming


De constructie van de vacuümoven . Recipiёnt • Pompsysteem • Verwarmingskamer • Verwarmingssysteem • Meet- en regelsysteem voor temperatuur en vacuüm • Koelsysteem


Pompsysteem Bereikbare einddruk voor verschillende pompcombinaties Pomptype

Drukbereik in mbar 1 – 10-2

10-2 – 10-3

10-3 – 10-6

< 10-6

Draaischuifpomp

Noodzakelijk Noodzakelijk


Rootspomp

Aanbevolen

Noodzakelijk

Aanbevolen

Diffusiepomp

-

Aanbevolen


Turbomoleculairpomp

-

-

-

Noodzakelijk

Noodzakelijk


Samenstelling van de vacuümatmosfeer: a) de atmosferische lucht Gew.- %

Vol- %

Partiële druk (mbar)

N2

75,5

78,1

792

O2

23,0

20,9

212

Ar

1,3

0,93

9,5

CO2

0,04

0,03

0,3

Ne

1,2*10-3

1,8*10-3

1,9*10-2

He

7*10-5

5,3*10-4

5,3*10-3

CH4

2*10-4

2*10-4

2*10-3

Kr

3*10-4

1,1*10-4

1,1*10-3

N2 O

6*10-5

5*10-5

5*10-4

H2

5*10-6

5*10-5

5*10-4

Xe

4*10-5

8,7*10-6

9*10-5

O3

9*10-6

9*10-6

7*10-5

Σ

≤ 100 %

≤ 100 %

≤ 1013

1,6

1,15

11,7

H2O (50% RV, 20 °C)

Gasdeeltjesdichtheid n = 2,7*1025 per m3. Gemiddelde vrije weglengte < 10-2 cm = 0,1 mm


Samenstelling van de vacuümatmosfeer: b) Luchtsamenstelling bij verschillende drukken en bij kamertemperatuur

Druk(Torr)

Hoofdbestanddelen

Atm.

Lucht: 78% N2, 20% O2, 1%H2O, 1% Ar

10-3

Waterdamp (75%-95%)

10-6

Waterdamp (75%-95%)

Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 7/10 Vergelijking van O2- en H2O-gehalte van beschermgas met vacuüm O2- en H2O-gehalte in beschermgas O2

H2O

Helium zuiver

<10 vpm

<10 vpm

Helium extreem zuiver

<1

<1

Argon zuiver

<5

Argon extreem zuiver

<1

O2- en H2O-gehalte in lucht bij verschillende vacuümniveaus Relatieve vochtigheid lucht = 50% (20°C) (Aanname dat het watergehalte bij vacuüm-condities 80 % van de totale gasdruk bedraagt) H2 O Luchtdruk O2 mbar Vol.% vpm Vol.% vpm 1013

20,1

2,0x105

1,15

115x102

1,3

0,0264

264

0,94

94x102

1,3x10-1

0,00264

26,4

0,094

940

1,3x10-2

0,000264

2,64

0,0094

94

1,3x10-3

0,000026

0,26

0,0009

9

1,3x10-4

0,000003

0,026

0,00009

0,9

<5 <1

Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer beïnvloeden 8/10 Inlekwaarde van de oven en soort lek (lucht-,water-, gaslek)

Gebruikelijke inlekwaarde ovens in koude en ontgaste toestand (mbar.l/s): a) <1x10-3 voor niet oxidatiegevoelige producten/processen -harden/gloeien en Cu-solderen ongelegeerd staal, gereedschapstaal, roestvaststaal (niet Ti-gelegeerd) b) <1x10-4 voor oxidatiegevoelige producten/processen -gloeien, harden, solderen van Ti-gelegeerd roestvaststaal,Ti (legeringen), Al (legeringen)

Luchtsamenstelling bij beladen van de oven

Met name het watergehalte heeft een grote invloed

Ontgassing ovenlading en ovenkamer

Met name het watergehalte van de lucht, gekoelde plekken in de ovenruimte en de soort isolatie van de verwarmingskamer hebben een grote invloed(absorptie)

Terugstroming olie vacuümpompen naar de vacuümruimte

Vooral bij niet-optimale bedrijfsomstandigheden van de pompen, zoals onvoldoende koeling, slechte oliekwaliteit. Gevaar voor opkoling van de charge. Remedie: watergekoelde baffle boven diff.pomp aanbrengen / olievrije turbomoleculairpomp

Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer beïnvloeden 9/10 Reactie bij hogere temperatuur tussen constructiemateriaal voor verwarmingselementen en verwarmingskamer met restgas (waterdamp) in de vacuümruimte

Met name koolstof van verwarmingselementen en kamerisolatie reageert vanaf ca. 700 °C met waterdamp onder vormi ng van koolmonoxide en waterstof. Koolmonoxide kan bij hogere temperaturen opkolend werken, vooral bij Ti(legeringen

Verdampen van legeringselementen van het metalen product

Vooral Mn en Cr verdampen al bij relatief lage temperatuur. (Zie tabel). Gevolg: Verlies aan hardbaarheid van Cr- en Mn-gelegeerd staal Remedie: Warmtebehandeling met inertgas-deeldruk duidelijk boven de dampdruk van deze elementen bij de max. behandelingstemperatuur.

Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 10/10 Dampspanning van enkele voor de vacuümwarmtebehandeling belangrijke elementen bij verschillende temperaturen Temperatuur (°C) waar een dampdruk heerst van: 1,3x10-4 mbar

1,3x10-3 mbar

1,3x10-2 mbar

1,3x10-1 mbar

1000 mbar

Aluminium

808

890

997

1124

2058

Chromium

993

1091

1206

1343

2484

Goud

1191

1317

1466

1647

2999

Kobalt

1363

1495

1650

1834

-

Koolstof

2290

2473

2683

2928

4831

Koper

1036

1142

1274

1433

2764

Lood

548

620

718

821

1745

Magnesium

331

380

443

515

1108

Mangaan

792

878

981

1021

2153

Molybdenium

2097

2297

2535

3011

5573

Nikkel

1258

1372

1511

1680

2734

Tin

923

1011

1190

1271

2272

Titanium

1250

1385

1547

1725

-

IJzer

1196

1311

1448

1604

2737

Zilver

848

921

1048

1161

2214

Element

Vacuümniveaus en gebruikelijk toepassingsgebied Grofvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp

1000 – 1 mbar

Werkvacuüm <1 mbar

Harden/gloeien van staal: Voor enkele ongelegeerde staalsoorten voldoende; niet gebruikelijk voor het harden van gereedschapstaal Solderen: C-staal + Cu 1120 °C

Fijnvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp + Rootspomp

1 – 10-3 mbar

Werkvacuüm

Gebruikelijke bereik voor het harden/gloeien van gereedschap- en roestvaststaal(niet Ti-gelegeerd) en opkolen van staal

< 10-3 mbar

Solderen: roestvaststaal +Au/Ni 1050-1200 °C

Hoogvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp + Rootspomp + Diffusiepomp Evt. + LN2 - koelval

10-3 – 10-6 mbar Harden / gloeien van staal:

Werkvacuüm < 10-4 mbar

Gebruikelijk bereik voor het harden/gloeien van Ti-gelegeerd roestvaststaal Solderen: Voor Ti-legeringen, solderen met zilversoldeer 830°C Superlegeringen +Au/Ni 1010-1200 °C

Nieuwste ontwikkeling vacuümoventechniek Ontwikkelingen Energiebesparing LCP-Start (Low Current Power Start) Stroombesparing (3600A 570A) en verhoogde afschrikcapaciteit bij start gas-ventilatorkoeling Cosinus Phi-Omschakeling reduceert de blindstroom: 1000 °C 40% besparing Kleiner ovenvolume bij gelijkblijvende ruimte voor de lading 20% gas besparing

Nieuwste ontwikkelingen vacuüm-procestechniek 1/2 IPSEN

Door randopstikken kan het oppervlak van austenietische en martensietische roestvaste staalsoorten worden gehard

Doel: - Overdracht van N bij hoge temperatuur (≥ 1050°C) - Instellen van gedefinieerd rand-N-gehalte

Medium: N2:

splitst zich boven 1050°C

Injectiesproeier met SolNit® behandeld

(Verandering van de moleculaire in de atomaire toestand)

Nieuwste ontwikkelingen vacuüm-procestechniek 2/2 IPSEN SolNit® -M

Randopstikken van martensietische roestvaste staalsoorten

Het SolNit®-M-proces is o. a. geschikt voor: - Roestvaste wentellagers en gereedschappen - Geneeskundetechniek - Levensmiddelen- en polymeerverwerking - Slijtageonderdelen in de regenererings- en chemische techniek SolNit®-A

Randopstikken van (gedeeltelijk-) austenietische staalsoorten

Proces is zeer geschikt voor stromingswerktuigen zoals: - Pompen, - Turbines - Daartoe behorende hulpstukken, omdat daardoor de weerstand tegen cavitatie en erosie sterk wordt verhoogd. 16

Voordelen van warmtebehandelingen in vacuümovens

Seite 18

De rol van vacuüm bij de warmtebehandeling van metalen producten

Recommend Documents