ISBN 9783843913546

978-3-8439-1354-6, Reihe Verfahrenstechnik

Dominic Buchholz
Untersuchung und Modellierung des Niederdruckaufkohlens von Stahl mit Ethin

275 Seiten, Dissertation Karlsruher Institut für Technologie (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Niederdruckaufkohlung von Stahl ist ein modernes Verfahren zur Einsatzhärtung von Stahlbauteilen. Bei Temperaturen zwischen 900 und 1100 °C und Drücken zwischen 2 und 20 mbar zersetzen sich an der Bauteiloberfläche kurzkettige Kohlenwasserstoffe unter Freisetzung von atomarem Kohlenstoff. Der Prozess wird bei reduziertem Druck durchgeführt, um unerwünschte Nebenreaktionen zu beschränken und um den Kohlenstoffantransport an schwer zugängliche Bauteiloberflächen zu verbessern. Die breite Anwendung des Verfahrens wird bisher jedoch durch zwei prozessspezifische Nachteile beschränkt.

Erstens laufen neben der gewünschten Oberflächenreaktion unerwünschte Pyrolysereaktionen im Gasraum ab, die zur Bildung von unerwünschtem Ruß führen. Dieser verschmutzt den Ofenraum und die Ofenperipherie. Zweitens sind die bei der Niederdruckaufkohlung ablaufenden Pyrolyse- und Aufkohlungsreaktionen reaktionskinetisch bestimmte Vorgänge, die im Gegensatz zur Gasaufkohlung mit Endogas nicht mit Hilfe von Gleichgewichtsbetrachtungen beschrieben werden können. Daher wird der Prozess ausschließlich gesteuert betrieben. Die Bestimmung der Parameter für die Prozesssteuerung erfolgt empirisch. Dies macht die Entwicklung von Rezepten aufwendig und beschränkt den Einsatz des Verfahrens auf Großserien. Die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung des Aufkohlungsprozesses würde den Aufwand für die Erstellung von neuen Rezepten verringern und damit die Anwendung des Verfahrens auch für Kleinserien ermöglichen.

In dieser Arbeit wurde ein formalkinetisches Modell erstellt, dass die Pyrolyse- und die Oberflächenreaktionen von Ethin und seinen technischen Verunreinigungen für die typischen Bedingungen des Niederdruckaufkohlens von Stahl beschreiben kann. Nach der Kopplung mit einer CFD-Software kann das Modell die Ergebnisse verschiedener Laborapparaturen und auch die einer großtechnischen Aufkohlungsanlage zufriedenstellend beschreiben. Das Modell kann die Zusammensetzung der Abgase, den Aufkohlungsstrom während des instationären Aufkohlungsvorgangs und das resultierende Kohlenstoffprofil in den Bauteilen für unterschiedliche Aufkohlungszeiten zuverlässig vorhersagen. Damit wurde ein Werkzeug geschaffen, mit dem nicht nur bekannte Rezepte optimiert und neue vorausberechnet werden können. Es kann auch benutzt werden, die Geometrie der Aufkohlungskammer hinsichtlich der Verminderung der unerwünschten Rußbildung bei gleichzeitiger Verbesserung der Aufkohlungsqualität zu optimieren.