In the near future, steel parts that are exposed to high stress loads, e. g. diesel fuel injection systems, need to be able to withstand even higher thermo-mechanical loads due to the downsizing of engines and stricter environmental regulations. An attractive and economical alternative to the application of high performance steels is the use of low alloy, and therefore easily machinable steels in combination with a heat treatment process.
To increase the thermo-mechanical resistance of steel parts e. g. atmosphere carbonitriding can be used. However, with this process oxidation effects known as internal or intergranular oxidation damage the surface layer. For many high-tech parts the oxidized layer needs to be treated, which is not always possible. Internal oxidation can be prevented by using low pressure processes, e. g. low pressure carbonitriding.
Low pressure carbonitriding is a case hardening process under development. At temperatures between 800 °C and 1050 °C and at total pressures below 50 mbar the carbon and the nitrogen concentrations in the outer layer of steel parts are increased and the parts are subsequently hardened by quenching. Carbon and nitrogen are brought to the parts by first pyrolyzing gases that contain C and N (typical is the use of acetylene in combination with ammonia) on the surface of the steel parts, followed by diffusion of C and N into the parts. Simultaneously, pyrolysis reactions also occur in the gas phase, during which, in case of carburizing, unwanted compounds like benzene, tar, and soot can be formed. These compounds lead to an increase in maintenance and cleaning frequency, and to a decrease in plant availability. Through interactions between carbon and nitrogen during carbonitriding, amines and cyanides may additionally be formed. To increase the understanding of the process, the gas phase reactions need to be understood. Additionally, for modeling purposes, a kinetic approach describing the gas phase reactions needs to be developed.
The goal of the research project is to gain, together with partners from industry and research institutions, an understanding of the steps that govern low pressure carbonitriding (steps 1-6 in figure 1) to ease the transition from development state to a technical process used in industry. The basis for this research project is knowledge acquired and methodologies developed during previous research projects on low pressure carburizing.
Figure 1: Sub-Steps of Low Pressure Carbonitriding (schematic)
The work packages at EBI deal with:
- Identification of gases that can be used for carbonitriding
- Research on gas phase reactions
- Development of a lab scale flue gas cleaning plant
- Modeling of gas phase reactions
- Model verification at an industrial furnace
Existing lab scale plants:
- Thermobalance (Tmax = 1600 °C, measurement accuracy: 5 µg)
- Pyrolysis furnace
- Vacuum furnace
- Reactor for flue gas cleaning
Existing gas phase analytics:
- Quadrupole mass spectrometer
- 4-channel micro gas chromatograph
- FTIR
Please contact us if you have questions about our research or if you are interested in joint research projects.
Oliveira, Marcelo Joaquim: Investigation of produced coke over Ni catalyst surface in the thermal decomposition of propane
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, November 1999
Seifert, Christoph: Untersuchungen zum Einfluss des Materials der Ofenchargierung auf die Propanspaltung unter den Bedingungen der Vakuumaufkohlung von Stahl
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Juli 2000
Hotaman, Ali: Untersuchungen zur thermischen Propanspaltung unter den Bedingungen der Vakuumaufkohlung von Stahl
Seminararbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Oktober 2000
Graf, Frank: Untersuchungen zur thermischen Propanspaltung unter den Bedingungen der Vakuum-/Gasaufkohlung von Stahl
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, März 2001
Zissis, Stavros: Literaturstudie zur Propanpyrolyse unter den Bedingungen ausgewählter Industrieprozesse
Seminararbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Oktober 2001
Schön, Markus: Aufbau und Inbetriebnahme einer Anlage zur Kohlenwasserstoff-spaltung unter den Bedingungen der Vakuum-/Gasaufkohlung
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Juni 2002
Mbadinga Mouanda, Gelase: Untersuchungen zur thermischen und katalytischen Kohlenwasserstoffpyrolyse unter den Bedingungen der Vakuum-/Gasaufkohlung von Stahl
Seminararbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Juli 2002
Sinag, Ali: Experimentelle Untersuchungen zur Pyrolyse von Propan/Kohlenwasser-stoff-Mischungen
Abschlussbericht 37. Internationales Seminar, Juli 2002
Bajohr, Siegfried: Untersuchungen zur Propanpyrolyse unter den Bedingungen der Vakuum-/Gasaufkohlung von Stahl
Dissertation, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Dezember 2002
Sawady, Walter: Simulation der nichtisothermen Strömung in einer halbtechnischen Anlage zur Vakuumaufkohlung von Stahl mit Hilfe des CFD-Programms FLUENT
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Februar 2003
Haunß, Christina: Untersuchungen zur homogenen Ethinpyrolyse unter den Bedingungen der Vakuumaufkohlung von Stahl
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Mai 2003
Trujillo, Carlos: Katalytische Abgasbehandlung bei der Ethinpyrolyse unter den Bedingungen der Vakuumaufkohlung von Stahl
Abschlussbericht 38. Internationales Seminar, Juli 2002
Suchý, Tomás: Untersuchungen zur Aufkohlungswirkung und Aufbauproduktbildung bei der Vakuumaufkohlung von Stahl in einer halbtechnischen Versuchsapparatur mit C2H4 und C2H6 als Aufkohlungsgase.
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Oktober 2003
Buchholz, Dominic: Thermogravimetrische Untersuchung zur Aufkohlungswirkung verschiedener Aufkohlungsgase.
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, August 2004
Arasteh, Ghazal: Auslegung und Bau einer Apparatur zur Bestimmung der Kinetik der Ethinpyrolyse unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, April 2007
Frank, Thomas: Aufbau einer Apparatur zur Bestimmung der Kinetik der Ethinpyrolyse unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Oktober 2008
Huder, Jörg: Bestimmung des Einflusses von technisch bedingten Verunreinigungen auf die Pyrolysereaktionen von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, November 2008
Piechowiak, Lasse: Bestimmung des Einflusses von Wasserstoff auf die Pyrolysereaktionen von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Universität Karlsruhe, Juni 2010
Mondie Mutegi Kimandi: Untersuchungen zur katalytischen Spaltung von Ammoniak in Abgasströmen des Niederdruck-Carbonitrierprozesses
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, Januar 2013
Böckler, Martin: Literaturrecherche über die Entfernung von NH3 aus Abgasströmen von Niederdruck-Carbonitrierprozessen
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, März 2013
Lelièvre, Frank: Entwicklung eines kinetischen Ansatzes zur Pyrolyse von Ammoniak unter den Bedingungen des Niederdruck-Carbonitrierens von Stahl
Studienarbeit, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, September 2013
Kircher, Elvira: Untersuchungen zum Niederdruck-Carbonitrieren bei gleichzeitigem Angebot der Einsatzgase Ammoniak und Ethin
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, April 2013
Saddei, Peter: Untersuchungen zur katalytischen Spaltung von HCN in Abgasströmen des Niederdruck-Carbonitrierprozesses
Diplomarbeit, Engler-Bunte-Institut, Karlsruher Institut für Technologie, Dezember 2013
F. Graf, S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert: Thermogravimetrische Untersuchungen zur Aufkohlungswirkung verschiedener Kohlenwasserstoffe, HTM 61 (2006) Nr. 2, S. 85 - 92
F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert: Pyrolyse des Aufkohlungsgases Propan bei der Vakuumaufkohlung von Stahl, HTM (2003) 1, S. 20 – 23
D. Buchholz, R. U. Khan, F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert: Modellierung des Pyrolyseverhaltens von Ethin unter den Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl, HTM 62 (2007) 1, S. 5- 12
G. Mbadinga M., F. Graf, S. Bajohr, R. Reimert: Katalytische Abgasreinigung unter den Bedingungen der industriellen Niederdruckaufkohlung mit Acetylen, HTM 62 (2007) 2, S. 77- 84
R. U. Khan, S. Bajohr, F. Graf, R. Reimert: Modeling of Acetylene Pyrolysis under Steel Vacuum Carburizing Conditions in a Tubular Flow Reactor, Molecules 2007, 12, S. 290- 296
D. Koch, D. Buchholz, S. Bajohr, R. Reimert: A CFD Approach for Designing Low Pressure Carbonitriding, Tagungsband der 19. Internationalen Konferenz der International Federation of Heat Treatment and Surface Engineering, 17. – 20.10.2011, Glasgow, Großbritannien