Plasma aktivierte Schutzgasaufkohlung Unsere revolutionäre Technologie Vorteile für den Kunden: • Beseitigung von intergranularer Randoxidation und Reduzierung der Verarmung an Legierungselementen im Randbereich • Vergleichbare Aufkohlungsqualität wie beim Niederdruckaufkohlen • Kein externer Endogasgenerator oder Methanoltank erforderlich • Flexible, bedarfsorientierte Einstellung der Schutzgasmenge und -zusammensetzungen • Keine Schutzgasverluste • Verringerter Verbrauch an Kohlenwasserstoffen für die Herstellung der Schutzgasatmosphäre • Geringere Emissionen • Aufkohlungssimulation in Echtzeit mithilfe eines Kohlenstoffstrom-Sensors Die patentierte Technologie von Air Products mit Unterstützung eines kalten Plasmas wurde entwickelt, um die Randoxidationseffekte zu beseitigen, die traditionell während der Aufkohlung bei Einsatz einer atmosphärischen Schutzgasatmosphäre auftreten. Die Zusammensetzung, Funktion und Steuerung einer Ofenatmosphäre ist sehr wichtig für alle Wärmebehandlungsverfahren. Wenn eine sauerstofffreie Stickstoff-KohlenwasserstoffWärmebehandlungsatmosphäre beim Aufkohlen, Neutralhärten oder Glühen angewandt wird, bietet diese zahlreiche Vorteile, z. B. eine verbesserte Teilequalität, im Vergleich zu konventionellen Methoden. Unser neuartiges System düst ein kaltes, Plasma-aktiviertes StickstoffKohlenwasserstoff-Gasgemisch ein um intergranulare Randoxidation zu eliminieren, mit dem Ergebnis einer verbesserten Teilequalität und zusätzlichen Kostenvorteilen im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Das einfach zu installierende Kaltplasma-System ermöglicht eine reduzierte Atmosphärentoxizität und Umweltbelastung sowie eine genaue Kontrolle des Aufkohlungsverfahrens. Es verfügt außerdem über eine sofortige Start-/Stoppfunktion. Aufkohlen, Neutralhärten oder Glühen von Kohlenstoffstahl wird durch die Eindüsung eines energiearmen Kaltplasma-aktivierten Gasgemisches aus Stickstoff und Kohlenwasserstoffgas, wie Methan oder Propan, erreicht. Die Kohlenwasserstoffkonzentration variiert dabei, je nach eingesetztem Kohlenwasserstoff, zwischen 0,1 und 5 Vol. %. Da keine sauerstoffhaltigen Gase wie Kohlenmonoxid und Kohlendioxid zugeführt werden, wird intergranulare Oxidation und Oberflächenoxidation verhindert. Die Oberflächenhärte des behandelten Stahls ist höher als die bei traditionellen endothermischen Schutzgasverfahren, da Diffusion und der Verlust von Legierungszusätzen wie Mangan oder Chrom verringert werden. (siehe Abbildung 1). Es wird ein extern angeschlossener, kompakter Plasmagasinjektor verwendet, um ein vorgemischtes Stickstoff- und Kohlenwasserstoff-Gasgemisch in den Ofen zu leiten. Die Plasmaentladung dient als Katalysator für die Reaktion zwischen den Gasen und den Bauteiloberflächen und erhöht die Geschwindigkeit der Oberflächenaufkohlung im Vergleich zu traditionellen Atmosphäreverfahren. Die eingeleitete Gas- und Kohlenwasserstoffmenge wird mithilfe eines Kohlenstoffstrom-Sensors in der Ofenkammer und intelligenter Kohlenstoffdiffusions-Software kontrolliert und geregelt. Abbildung 1 In dichten atmosphärischen Aufkohlungsöfen tritt bei Vermeidung von Lufteinbruch keine intergranulare Randoxidation auf. In geschlossenen Wärmebehandlungsöfen, die einen Eintrag an Umgebungsluft von etwa 5 % haben, wird die gebildete Randoxidation auf weniger als 3 Mikrometer Tiefe verringert. Abbildung 2: Plasmaeindüsung Warmes Plasma Gleitender Lichtbogen/ Glimmen Thermisches Plasma Übergang vom Glimmen zum Lichtbogen TownsendVerlauf Stromstärke (A) Spannung (V) Nicht-thermisches Plasma Lichtbogen Der Betrieb des Kaltplasma-Gasinjektors wird durch Anpassung der reversierenden Wirbelgeometrie und durch Änderung der elektrischen Hochspannungseinspeisung zur Anpassung der internen Glimm-zu-LichtbogenEntladungsrate gesteuert. Hochspannungsplasmen mit geringen Stromstärken (auch als Nichtgleichgewichtsplasma, Korona, Glühen bzw. gleitende Lichtbogenentladung bekannt) können chemische Reaktionen zwischen Gasmolekülen ohne übermäßige Erhitzung verbessern. Das ionisierende Gas aus einer Elektrode mit einem Plasma, welches sich nicht im Gleichgewicht befindet, hat eine längere Lebensspanne als das von thermischen Lichtbögen und Plasmen. Daraus ergibt sich eine Verbesserung der Reaktionseffizienz, Stabilität und Kontrolle. Verschiedene kalte und warme NichtgleichgewichtsplasmaEntladungen werden aufgrund von Druckdifferenzen, die sich innerhalb der Gaswirbel bilden, gleichzeitig im Injektor generiert. Das Gas kreuzt die Entladungen eines externen und dann umgekehrten oder internen Wirbels. Moleküle von vorgemischten Reaktionsgasen unterliegen einer dynamisch kontrollierten Ionisierung, die zu chemischen Reaktionen und Produkten wie Radikalen, Atomen und schwingungsangeregten Molekülen führt. Der Gasstrom ist elektrisch neutral. Das gewünschte Aufkohlungsprofil wird mithilfe einer In-situ Messung, integriert in einem in Echtzeit arbeitendem geschlossenen Regelkreis erreicht, der mit einem Aufkohlungssimulationsrechner verbunden ist. Die Hauptkomponenten dieses Systems sind der Kohlenstoffstrom-Sensor und der Protherm-Regler (von Processelectronic*). Ein Widerstandsdraht-Sensor wird zur Messung von in der Schutzgasatmosphäre gelöstem Kohlenstoff verwendet und ermöglicht eine direkte Überwachung des Massenstroms von Kohlenstoff in das Metall. Integriert über die Aufkohlungszeit wird mit dem gemessenen Kohlenstoffstrom die Diffusion des Kohlenstoffs in die Bauteiloberfläche betrachtet, um das Kohlenstoffkonzentrationsprofil zum jeweiligen Aufkohlungszeitpunkt vorauszusagen. Der Protherm-Regler *Process-electronic GmbH ist Mitglied von United Process Controls vergleicht dann die berechneten Ergebnisse hinsichtlich der eingestellten Spezifikation und reguliert die Durchflussmengen zum Plasmainjektors, um die vorgegebene Aufkohlungspezifikation zu erzielen. Abbildung 3: Aufkohlungsofen – vereinfachte Mengenbilanz N2 + m (1-e) CH4 + m e (C + 2 H2) Auslass N2 + m CH4 Einlass N2 + Rest- CH4 H2 Produkt Plasmainjektor CH4 lagert Kohlenstoff auf der Oberfläche ab Charge Ofen Das gemeinsam von Air Products und Process-Electronic entwickelte Prozessleitsystem für sauerstofffreie Schutzgasatmosphären prognostiziert das Kohlenstoffprofil in der Bauteiloberfläche über die Masse an Kohlenstoff, der in die Metalloberfläche eintritt und nicht mithilfe der allgemein verwendeten indirekten Methode über eine Messung der Schutzgaszusammensetzung im Ofen. Die Genauigkeit dieser direkten Messmethode ist hoch, da sie nicht abhängig von schwankenden Schutzgaszusammensetzungen ist, die üblicherweise in Aufkohlungsöfen zu finden sind (siehe Abbildung 3). Das intelligente System kann auch die erforderliche Verfahrensdokumentation erstellen, um den Qualitätsstandards der Branche gerecht zu werden. Kontaktieren Sie uns, um nähere Informationen zu erhalten. 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