Home | english  | Impressum | Sitemap | KIT

Entwicklung und Untersuchung des Niederdruck-Carbonitrierens zur Großserienreife

Entwicklung und Untersuchung des Niederdruck-Carbonitrierens zur Großserienreife
Ansprechpartner:

David Koch

Hoch beanspruchte Bauteile, wie z. B. Komponenten von Diesel-Einspritzsystemen, werden zukünftig durch Downsizing der Motoren und steigende Umweltauflagen noch größeren thermo-mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Neben der möglichen Verwendung von Höchstleistungswerkstoffen ist der Einsatz von niedriglegierten und gut weich bearbeitbaren Stählen in Kombination mit einem für die Anwendung optimalen Wärmebehandlungsverfahren eine sehr attraktive und kostengünstige Alternative.

Zum Erhöhen der thermo-mechanischen Beanspruchbarkeit werden bereits Bauteile im Prozessgas carbonitriert. Bei diesem Verfahren tritt jedoch zwangsläufig eine Oberflächenschädigung durch Randoxidation auf. Für viele Hightech-Komponenten muss die Randoxidationszone, sofern eine Nachbearbeitung möglich ist, anschließend wieder aufwändig abgetragen werden. Mit Niederdruckverfahren, z. B. Niederdruck-Carbonitrieren, kann die Randoxidation vermieden werden.

Das Niederdruck-Carbonitrieren ist ein modernes, sich in der Entwicklung befindendes Verfahren zur Einsatzhärtung von Stahl. Bei Temperaturen zwischen 800 °C und 1050 °C und bei Gesamtdrücken kleiner 50 mbar wird die Randschicht der zu härtenden Bauteile gezielt mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend durch Abschrecken gehärtet. Die Kohlen- und Stickstoffanreicherung erfolgt durch die Pyrolyse von C- und N-abgebenden Gasen (typischerweise wird Acetylen in Kombination mit Ammoniak verwendet) an der zu härtenden Bauteiloberfläche und der anschließenden Diffusion von C und N in das Werkstück. Gleichzeitig laufen jedoch auch Pyrolysepro-zesse in der Gasphase des Reaktors ab, die im Falle der Aufkohlung zur Bildung unerwünschter Verbindungen wie Benzol, Teer und Ruß führen können. Diese im Abgas enthaltenen Nebenprodukte erhöhen den Wartungs- und Reinigungsaufwand und verringern somit die Anlagenverfügbarkeit. Durch die Wechselwirkung zwischen Kohlen-stoff und Stickstoff können bei Carbonitrierprozessen zusätzlich Amine und Cyanide entstehen. Um das Prozessverständnis zu erhöhen, müssen die in der Gasphase ablaufenden Reaktionen verstanden werden. Für die Simulation des Carbonitrierprozesses ist es außerdem notwendig, einen kinetischen Ansatz zu entwickeln, mit dem die Gasphasenreaktionen in der Anlage beschrieben werden können.

Ziel des Projektes ist es, in Zusammenarbeit mit Industrie- und Forschungspartnern die Grundlagen des Niederdruck-Carbonitrierens zu erarbeiten (Schritte 1 bis 6 in Abbildung 1) und das neue Wärmebehandlungsverfahren zur Großserienreife zu entwickeln. Für die Arbeiten kann auf eine weite Basis an Erfahrungen und Ergebnissen von Vorgängerprojekten, bei denen die Gasphasenreaktionen bei der Niederdruckaufkohlung mit verschiedenen Kohlenstoffdonatoren (vor allem Propan und Ethin) untersucht wurden, zurückgegriffen werden.


Abbildung 1: 6 Teilschritte des Carbonitrierprozesses (schematisch)

Die Arbeitsschwerpunkte am Engler-Bunte-Institut lauten:

  • Identifikation verschiedener Carbonitriergase
  • Untersuchung der Gasphasenreaktionen
  • Entwicklung einer Abgasnachbehandlung für das Niederdruck-Carbonitrieren im Labormaßstab
  • Modellierung der Gasphasenreaktionen
  • Validierung des Modells an einer großtechnischen Versuchsanlage

Vorhandene Versuchsapparaturen:

  • Thermowaage (Tmax = 1600 °C, Messgenauigkeit: 5 µg)
  • Pyrolyseapparatur
  • Halbtechnische Vakuumapparatur
  • Spaltreaktor zur Abgasaufbereitung

Vorhandene Gasphasenanalytik:

  • Quadrupol Massenspektrometer
  • 4-Kanal Micro-Gaschromatograph
  • FTIR

Bei Fragen zu unseren Forschungsarbeiten oder bei Interesse an Forschungskooperationen, bzw. Auftragsarbeiten würden wir uns über eine Anfrage freuen.

Bisher durchgeführte Forschungsarbeiten:

Publikationen: