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Vacuum Carburizing –What is the process?
Carburizado al vacío – ¿en qué consiste este proceso?
Dr. Volker Heuer, ALD Vacuum Technologies GmbH, Hanau, Germany
2
Topics
1. Vacuum Carburizing (VC) Carburizado al Vacío
2. High Pressure Gas Quenching Temple en Gas a alta presión
3. Outlook for Mexico Perspectiva para Mexico
3
1. Vacuum Carburizing (VC)
(VC = Vacuum Carburizing = Low Pressure Caburizing = LPC 2 names - same process)
(VC =Carburizado al vacío = Carburizado a baja presión = LPC
2 nombres - mismo proceso)
4
High hardness at the surface
and
medium hardness in the core
to achieve
wear-resistance at surface
and
good fatigue properties of the gear.
Motivation for Case hardening
Alta dureza en la Superficie
y
mediana dureza en el nucleo
para lograr
resistencia al desgaste en la superficie
y
aumentar la vida a la fatiga en pieza.
Motivos para la cementación o Case hardening
5
Case hardening consists of 3 steps:El cementado consiste de 3 pasos:
1. Austenitizing (heating) Austenización (calentamiento)
2. Carburizing Carburizado
3. Quenching Temple
which is typically followed by Tempering
donde típicamente después del temple sigue un Revenido.
6
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
Distance from Surface (mm) Distancia desde la superficie
0,4
0
0,1
0,2
0,3
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
C (
%)
Carburizing DepthDistance from Surface
at 0.35 % C
Carburizing= creating of a carbon-enriched surface area Cementado=enriquecer la superficie
con carbon
surface C-content
depending on the type of steel
0.65 ... 0.85 % C
Depende el tipo de acero se obtiene este
porcentaje de Carbono en la superficie
Example of a carbon profile after case hardening Ejemplo de un perfil de Carbon despues de Cementado
7
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
Distance from surface / mm Distancia desde la superficie
750
Ha
rdn
es
s/ H
VD
ure
za
CHD = 0,67mm550
core
hardness = 350 HV
Example of a hardness profile after case hardeningEjemplo de un perfil de dureza despues del carburizado
Dureza del
nucleo = 350 HV
8
Heating Carburizing Diffusion Quenching
Time
1000 C
Tem
pera
ture
Pre
ssu
re (
ab
s.)
Acetylene
10
0,1
1000mbar
NitrogenHeliumNitrogen
20 C
Con-vection
Vacuum carburizing (VC):
Temperature: 900 – 1050°C
Temperatura (1650 – 1922°F)
Process pressure : < 20 mbar
Presión usada: < 20 mbar
Process gas: Acetylene
Gas usado: Acetileno
High pressure - Gas
quenching (HPGQ):
Gas type: Nitrogen, Helium
Gas usado: Nitrógeno, Helio
Gas pressure: max. 20 bar
Presión del Gas : max. 20 bar
Gas velocity: max. 20 m/s
Velocidad del Gas : max. 20 m/s
20 bar
VC and High Pressure Gas Quenching
Carburizado al vacío y temple en gas a alta presión
9
reduced heat treat distortion menor distorsión
excellent carburizing homogeneity carburizado homogéneo
avoiding intergranular oxidation (IGO) and surface oxidation
Evita la oxidación intergranular y de la superficie
shorter cycle times tiempos de ciclo mas cortos
possibility to integrate heat treatment into the production line
se puede integrar el tratamiento térmico a la línea de producción
clean surfaces of parts after heat treatment with a “green”
process superficies mas limpias después del tratamiento usando un proceso
“verde”
Benefits of VC compared to Gas-carburizingBeneficios del Carburizado al vacio contra otros procesos de carburizado
10
we inject oxygen- free hydrocarbons into a rough vacuum
(some mbar) at carburizing temperature into the process
chamber.
Vacuum Carburizing Carburizado al vacío
decomposition into elementary carbon
se separa el carbón elemental
by thermal dissociation por disociación térmica C
C2H2C
CH 4
34
5C4H4
6
C6H6
8
91
7
2
C2H4
Dissociation-reactions during acetylene-pyrolysis
se agregan hidrocarbonos libres de oxigeno a la cámara en vacío (algunos mbar) a
temperatura de carburizado.
11
Low pressure carburising process with alternating boost and diffusion
steps; change of surface carbon content during the process (schematically)Carburizado a baja presión alternando los pasos de adición y difusión; cambiando
el contenido de carbono superficial (sistematicamente) durante el proceso
saturation limit límite de saturación
target surface carbon contentMeta de contenido de carbono
superficial
su
rfa
ce
ca
rbo
n c
on
ten
tC
on
ten
ido
de
ca
rbo
no
su
pe
rfic
ial
timetiempo
Carburizing strategies Estrategias de carburizado
Only an optimized
carb. strategy leads
to good results! Solo una estrategia de
carburizado
optimizada lleva a
buenos resultados
12
Carbide FormationCarburizing-phase: strong pulses --> supersaturation --> massive carbides
Diffusions-phase: correct --> right surface-C --> small amout of retained austenite
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800 5400 6000
time (sec)
co
nc
en
tra
tio
n c
arb
on
C-concentration
20 µm distance
18 CrNi 8
940°C
over 1.18 %C during carburizing
0.69 % surface-C
after diffusion
Carburizing strategies Estrategias de carburizado – Formación de carburos
14
Retained Austenitec arburizing phase: correct pulses --> no supersaturation --> no carbides
diffusion-phase: to short --> surface-C to high --> retained austenite
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 600 1200 1800 2400 3000
time (sec)
co
ncen
trati
on
carb
on
C-Concentration
20 µm surface distance
18 CrNi 8
940°C
under 1.17 %C during
carburizing
0.81 % surface C
after diffusion
Carburizing strategies Estrategias de carburizado – Austenita retenida
15
Optimized Microstructurecarburizing phase: correct pulses -->no supersaturation --> barely carbides
diffusion phase: ok --> right surface-C --> barely retained austenite
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 600 1200 1800 2400 3000 3600 4200 4800
time (sec)
co
ncen
trati
on
carb
on C-concentration
20 µm surface distance
18 CrNi 8
940°C
under 1.17 %C during carburizing
0.68 % surface-C
after diffusion
Carburizing strategies Estrategias de carburizado – Microestructura optimizada
16
Comparison of Treatment Time
VC vs. Gas Carburizing
Material Temperature AT Treatment Treatment
(0,35 % C) time* time*
VC gas
carburize
16 MnCr 5 930 °C 0,6 mm 2,00 hours 2,75 hours
~ SAE 5115 1700F 24/1000´´
18 CrNiMo7-6 960 °C 1,6 mm 7,50 hours 9,50 hours
~ SAE 9310 1760F 60/1000´´
* treatment time = carburizing + diffusion + lowering to hardening temperature
Comparación de tiempos de proceso
VC vs. Carburizado en gas
* Tiempo de proceso = carburizado + difusión + bajando a temperatura de endurecido
17
Improvement of Quality by VC Mejoras en Calidad usando VC
Micrograph of SAE 5115 after carburizing CD = 0.030´´
VC by means of oxygen-free hydrocarbons leads to part surfaces free from
intergranular oxidation Se obtienen superficies libres de oxidación intergranular
Vacuum Carburizing
Carburizado al vacío
Atmospheric gas carburizing
Carburizado atmosférico en gas
Intergranular
Oxidation
18material SAE 5115 material SAE 5115
distribution of alloying
elements under the surface
with vacuum carburizing
Distribucion de los elementos de la
aleación con carburizado al vacio
distribution of alloying elements
under the surface with
conventional carburizing
Distribucion de los elementos de la
aleación con carburizado convencional
depth (µm)
co
nc
en
tra
tio
n (
wt
%)
depth (µm)
co
nc
en
tra
tio
n (
wt
%)
Improvement of Quality by VC Mejoras en Calidad usando VC
19
Characteristics of VC Características del carburizado al vacío
Fast carbon transfer, i.e. short carburizing cycle rápida transferencia
de carbono
No intergranular oxidation No oxidación intergranular
Good case depth uniformityy Uniformidad de la capa
On-demand technology, no furnace conditioning Tiempos de arranque
menores
Little consumption of carburizing gas Bajo consumo de gas
Low gaseous and thermal emissions Bajo nivel de emisiones
High temperature carburizing Carburizado a altas temperaturas
20
High Temperature - VC Altas tempraturas de Carburizado al vacío
Quelle: Die Prozeßregelung beim Gasaufkohlen und Einsatzhärten,
AWT-FA 5, AK4 (1997) Expert Verlag
D
DtEHT
= D0exp(-Q/RT)
~610
1050°C
1000°C
950°C
900°C
Dt 60%
1920°F
1830°F
1740°F
1650°F
Carburizing time (h)
Ca
rbu
rizin
gd
ep
thfo
r0
.35
%C
~ C
D6
10
(mm
)
24
2. High Pressure Gas Quenching
Temple en Gas a Alta Presión
25Page 25
Motivation to apply gas quenching
Clean surfaces of parts after heat treatment, no washing of parts necessary Superficies mas limpias, no requieren lavado después del proceso
Environmentally friendly process (no disposal of oil, salt bath residues or detergent residues) Proceso amigable con el medio ambiente (no usa gases o sales, etc)
Full flexibility to control quench intensity
Flexibilidad total del control de intensidad del temple
Consistent quench intensity (no “aging” of quench medium)
Intensidad del temple consistente
Better control of distortion Mejor control de la distorsión
Possibility to integrate heat treatment into the production line
Posibilidad de integrar el tratamiento térmico a la línea de producción
26
Quench -
sequence / parameters Parametos y secuencia de temple
Main parameters Parámetros:
Gas velocity [m/s]Velocidad del gas
Gas Pressure [bar] Presión del gas
Type of Gas Tipo de gas
it’s not just the pressure!
No es solo la presión!
Start of blowers Arranque de sopladores
Flooding of cell to specified pressure Se ajusta a la presión requerida
Circulating and recooling of gas (integrated heat exchanger(s)) Circulación de gas
27
Re
lati
ve
mo
tor
po
we
r o
f g
as f
an
Pressure (bar)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
2
4
6
8
10
Re
latv
e h
ea
t tr
an
sfe
r co
eff
icie
nt
20
Pressure (bar)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Nitrogen
Helium
Hydrogen
Gas Properties Propiedades del gas
28
Heat Transfer
Coefficient Coeficiente de
transferencia del calor
29
the heat transfer coefficient and the local distribution of determines the quality of the product after quenching
T = 870°C
Tgas = 100°C
Gasparttheofsurface TTq
microstructure
core hardness
distortion
Heat Transfer Coefficient Coeficiente de transferencia de calor
el coeficiente de transferencia de calor y la distribución de determina la calidad del product después del temple
30 Heat Transfer Coefficient in W / m2 K
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Heat Transfer Coefficient for different quenching media
Water (15-25 °C)
Agitated oil (20-80 °C)
Air 1 bar
He 20 bar (hot chamber)
He 20 bar (cold Chamber)
Saltbath quench (550 °C)
N2 6-10 bar (hot chamber)
Still oil (20-80 °C)
Fluidised bed
N2 / He 1 - (10) / 20 bar
Coeficiente de Transferencia de calor para diferentes medios de temple
31
J
t
900°C
20°C
Single-chamber systems: thermochemical process and quenching in one chamber
Una sola cámara para tratamiento y temple
Types of
quench cells
“Cold chamber” as part of a multi-chamber system: separate chambers for thermochemical
process & quenching („Treatment chamber“ (TC) and „Quench chamber“ (QC))
Cámara de temple separada de las cámaras de tratamiento
J
t
No additional energy is consumed to heat and cool down the TC; higher throughput
TC
J
t
QC
900°C
20°C
250°C
20°C
No se consume energía adicional para calendar y enfriar las camaras de tratamiento; mayor producción
32
Single-chamber system Camara sencilla:
Single chamber vs. Cold chamber Comparativo de camaras de temple
+ in situ temperature measurement Medición de temperatura
+ very slow cooling curves can be realized Curvas de
enfriamento lento pueden ser realizadas
- low throughput Bajo volumen
- high energy consumption (heating up after each cycle) mayor consumo de energía
- low quench intensity baja intensidad de temple
- limited homogeneity of gas velocity distribution homogeniedad limitada para la velocidad del gas
“Cold chamber” as part of a multi-chamber system: Camara de temple separada que forma parte de un multi-Sistema de camaras de tratamiento
+ high throughput alto volumen/producción
+ high quench intensity alta intensidad del temple
+ low energy consumption menor consumo de energía
+ homogeneity of gas velocity distribution homogeniedad
para la velocidad del gas
- very slow cooling curves not possible Curvas de
enfriamento lento no pueden ser realizadas
- no in situ temperature measurement No hay Medición de
temperatura
33
Single chamber vs. Cold chamber Comparativo de camaras de temple
34
3.) Outlook for Mexiko
Perspectiva para México
35
ALD Tratamientos Termicos
Ramos Arizpe (Mexico)
SOP Arranque 2008
in 2016:
Sales (Mio. US$) Ventas ~11
Employees Empleados ~90
Installed capacity: 2 MT-7 lines + 1 MT-6 line
1 VZKQ & cryogenic unit
Technologies: Low Pressure Carburizing (LPC)
Vacuum hardening
Nitriding / FNC
Contract volume: >2500 units / day
ca. 25 t steel are heat-treated per day 25 toneladas al día
> 4 Mio transmissions succesfully treated since SOP
36
Customers ALD-TT Mexico
Clientes de ALD-TT México
ALD – TT Mexico has won the “GM Supplier
Quality Excellence Award“ in 2014 and 2015
ALD-TT ha recibido el premio de GM- Supplier
Quality Excellence Award – en 2014 y 2015.
37Page 37
Summary Resumen
Vacuum Carburizing (VC) in combination with Gas Quenching has today been established as one
of the standard casehardening technologies.
More than 200 systems with > 1000 treatment chambers have been installed globally.*
Carburizado al vacío (VC) en combinación con Temple en Gas es hoy, una de las tenologías standard para el
cementado o carburizado. Más de 200 sistemas con > 1,000 cámaras de tratamiento se han instalado en el
mundo.
The benefits of VC have been published by many authors:
excellent carburizing homogeneity even for components with complex shape
avoiding intergranular oxidation (IGO) and surface oxidation
shorter cycle times
potential for further reduction of cycle time with higher temperatures
possibility to integrate heat treatment into the production line
no conditioning of the equipment necessary
clean surfaces of parts after heat treatment, no washing of parts necessary
green process (small consumption of resources; no disposal of oil or salt bath residues)
potential to reduce heat treat distortion * ALD plus competitors
38
Thanks!
Muchas gracias!
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