De rol van vacuüm bij de warmtebehandeling van metalen producten

Transcriptie

1 De rol van vacuüm bij de warmtebehandeling van metalen producten J.W. Bouwman PhD Consultant Vacuüm-Warmtebehandelingstechniek Dorpstraat 70B 6909AN Babberich Het Instrument, 7. Oktober 2010 In opdracht van de firma Ipsen Industries International GmbH, Kleve, Duitsland 2010 Ipsen International GmbH

2 Warmtebehandeling in vacuüm 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.) Waarom warmtebehandeling in vacuüm? Mogelijke reacties aan het oppervlak van de ovenlading tijdens een warmtebehandeling (afhankelijk van de ovenatmosfeer): -gewenst: bijv. opkolen, nitreren, etc. opwarmen houden koelen -niet gewenst: bijv. oxidatie, ontkoling, effusie etc. te m p e r a tu u r ( C ) langzaam snel stapsgewijs langzaam Bescherming van het oppervlak van de ovenlading door middel van: - vacuüm - en (/of) beschermgas (Endogas N 2 Ar) tijd

3 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 1/10 Vacuüm is: Wat is vacuüm? - 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/m 2 - Verdere gebruikelijke drukeenheden zijn: bar, mbar en Torr, waarbij - 1 Pa = 1*10-5 bar = 1*10-2 mbar = 7,6*10-3 Torr

4 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 2/10 Indeling drukbereik in de vacuümtechniek Het is gebruikelijk een aantal vacuümgebieden te onderscheiden die overeenkomen Grofvacuüm met bepaalde drukgebieden: Fijnvacuüm Hoogvacuüm Ultrahoogvacuüm Druk p <10-7 in mbar Gasdeeltjesdichtheid <10 9 n / cm 3 Gemiddelde vrije weglengte λ < >10 5 in cm Aard van de gasstroming viskeus Knudsen moleculair moleculair

5 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 3/10 De constructie van de vacuümoven. Recipiёnt Pompsysteem Verwarmingskamer Verwarmingssysteem Meet- en regelsysteem voor temperatuur en vacuüm Koelsysteem

6 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 4/10 Pomptype Pompsysteem Bereikbare einddruk voor verschillende pompcombinaties Drukbereik in mbar < 10-6 Draaischuifpomp Noodzakelijk Noodzakelijk Noodzakelijk Noodzakelijk Rootspomp Aanbevolen Noodzakelijk Aanbevolen Noodzakelijk Diffusiepomp - Aanbevolen Noodzakelijk Noodzakelijk Turbomoleculairpomp Noodzakelijk

7 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 5/10 Samenstelling van de vacuümatmosfeer: a) de atmosferische lucht Gew.- % Vol- % Partiële druk (mbar) N 2 75,5 78,1 792 O 2 23,0 20,9 212 Ar 1,3 0,93 9,5 CO 2 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 CH 4 2*10-4 2*10-4 2*10-3 Kr 3*10-4 1,1*10-4 1,1*10-3 N 2 O 6*10-5 5*10-5 5*10-4 H 2 5*10-6 5*10-5 5*10-4 Xe 4*10-5 8,7*10-6 9*10-5 O 3 9*10-6 9*10-6 7*10-5 Σ 100 % 100 % 1013 H 2 O (50% RV, 20 C) 1,6 Gasdeeltjesdichtheid n = 2,7*10 25 per m 3. Gemiddelde vrije weglengte < 10-2 cm = 0,1 mm 1,15 11,7

8 Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 6/10 Samenstelling van de vacuümatmosfeer: b) Luchtsamenstelling bij verschillende drukken en bij kamertemperatuur Druk(Torr) Hoofdbestanddelen Atm. Lucht: 78% N 2, 20% O 2, 1%H 2 O, 1% Ar 10-3 Waterdamp (75%-95%) 10-6 Waterdamp (75%-95%)

9 Helium zuiver Helium extreem zuiver Argon zuiver Argon extreem zuiver Factoren die de druk en samenstelling van de vacuümatmosfeer tijdens de warmtebehandeling bepalen 7/10 Vergelijking van O 2 - en H 2 O-gehalte van beschermgas met vacuüm O 2 - en H 2 O-gehalte in beschermgas O 2 <10 vpm <1 <5 <1 H 2 O <10 vpm <1 <5 <1 O 2 - en H 2 O-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) Luchtdruk O 2 H 2 O mbar Vol.% vpm Vol.% vpm ,1 2,0x10 5 1,15 115x10 2 1,3 0, ,94 94x102 1,3x10-1 0, ,4 0, ,3x10-2 0, ,64 0, ,3x10-3 0, ,26 0, ,3x10-4 0, ,026 0, ,9

10 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 Luchtsamenstelling bij beladen van de oven Ontgassing ovenlading en ovenkamer Terugstroming olie vacuümpompen naar de vacuümruimte -gloeien, harden, solderen van Ti-gelegeerd roestvaststaal,ti (legeringen), Al (legeringen) Met name het watergehalte heeft een grote invloed Met name het watergehalte van de lucht, gekoelde plekken in de ovenruimte en de soort isolatie van de verwarmingskamer hebben een grote invloed(absorptie) 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

11 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 Verdampen van legeringselementen van het metalen product 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 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.

12 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 Element Aluminium Chromium Goud Kobalt Koolstof Koper Lood Magnesium Mangaan Molybdenium Nikkel Tin Temperatuur ( C) waar een dampdruk heerst van: 1,3x10-4 mbar 1,3x10-3 mbar 1,3x10-2 mbar 1,3x10-1 mbar mbar Titanium IJzer Zilver

13 Vacuümniveaus en gebruikelijk toepassingsgebied Grofvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp Fijnvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp + Rootspomp Hoogvacuüm Draaischuif-/ draaizuigerpomp + Rootspomp + Diffusiepomp Evt. + LN 2 - koelval mbar Werkvacuüm <1 mbar mbar Werkvacuüm < 10-3 mbar mbar Werkvacuüm < 10-4 mbar Harden/gloeien van staal: Voor enkele ongelegeerde staalsoorten voldoende; niet gebruikelijk voor het harden van gereedschapstaal Solderen: C-staal + Cu 1120 C Gebruikelijke bereik voor het harden/gloeien van gereedschap- en roestvaststaal(niet Ti-gelegeerd) en opkolen van staal Solderen: roestvaststaal +Au/Ni C Harden / gloeien van staal: Gebruikelijk bereik voor het harden/gloeien van Ti-gelegeerd roestvaststaal Solderen: Voor Ti-legeringen, solderen met zilversoldeer 830 C Superlegeringen +Au/Ni C

14 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

15 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 (Verandering van de moleculaire in de atomaire toestand) Injectiesproeier met SolNit behandeld

16 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

17 Voordelen van warmtebehandelingen in vacuümovens

18 Seite 18