Vacuum Carburizing – What is the process? Carburizado al vacío

Vacuum Carburizing –
What is the process?
Carburizado al vacío – ¿en qué
consiste este proceso?
Dr. Volker Heuer, ALD Vacuum Technologies GmbH,
Hanau, Germany
1
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
2
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)
3
Motivation for Case hardening
High hardness at the surface
and
medium hardness in the core
to achieve
wear-resistance at surface
Motivos para la cementación o Case hardening
and
good fatigue properties of the gear.
4
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.
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.
5
Carburizing
= creating of a carbon-enriched surface area Cementado=enriquecer la superficie
con carbon
Example of a carbon profile after case hardening
surface C-content
depending on the type of steel
1
0,9
0,8
0.65 ... 0.85 % C
0,7
C (%)
Ejemplo de un perfil de Carbon despues de Cementado
Depende el tipo de acero se obtiene este
porcentaje de Carbono en la superficie
0,6
0,5
0,4
0,3
Carburizing Depth
0,2
Distance from Surface
at 0.35 % C
0,1
0
0
6
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Distance from Surface (mm) Distancia desde la superficie
Example of a hardness profile after case hardening
750
Dureza
Hardness/ HV
Ejemplo de un perfil de dureza despues del carburizado
Dureza del
nucleo = 350 HV
CHD = 0,67mm
550
core
hardness = 350 HV
0
7
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
Distance from surface / mm Distancia desde la superficie
VC and High Pressure Gas Quenching
Carburizado al vacío y temple en gas a alta presión
Heating
Carburizing
Diffusion
Quenching
1000 C
Temperature
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
Pressure (abs.)
20 C
High pressure - Gas
20 bar
Helium
Nitrogen
Nitrogen
1000
mbar
Gas type: Nitrogen, Helium
Gas usado: Nitrógeno, Helio
Acetylene
10
quenching (HPGQ):
Convection
Gas pressure: max. 20 bar
Presión del Gas : max. 20 bar
Gas velocity: max. 20 m/s
Velocidad del Gas : max. 20 m/s
0,1
8
Time
Benefits of VC compared to Gas-carburizing
Beneficios del Carburizado al vacio contra otros procesos de carburizado

reduced heat treat distortion menor distorsión

excellent carburizing homogeneity

avoiding intergranular oxidation (IGO) and surface oxidation
carburizado homogéneo
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
“verde”
9
superficies mas limpias después del tratamiento usando un proceso
Vacuum Carburizing
Carburizado al vacío
we inject oxygen- free hydrocarbons into a rough vacuum
(some mbar) at carburizing temperature into the process
chamber.
se agregan hidrocarbonos libres de oxigeno a la cámara en vacío (algunos mbar) a
temperatura de carburizado.
decomposition into elementary carbon
CH 4
se separa el carbón elemental
4
C
5
3
6
C 2H 2
8
C 4H 4
C 6H 6
7
1
9
2
by thermal dissociation
por disociación térmica
10
C2H4
C
Dissociation-reactions during acetylene-pyrolysis
Contenido de carbono superficial
surface carbon content
Carburizing strategies
Estrategias de carburizado
saturation limit
límite de saturación
target surface carbon content
Meta de contenido de carbono
superficial
time
tiempo
 Only an optimized
carb. strategy leads
to good results!
 Solo una estrategia de
carburizado
optimizada lleva a
buenos resultados
Low pressure carburising process with alternating boost and diffusion
steps; change of surface carbon content during the process (schematically)
11
Carburizado a baja presión alternando los pasos de adición y difusión; cambiando
el contenido de carbono superficial (sistematicamente) durante el proceso
Carburizing strategies
Estrategias de carburizado – Formación de carburos
Carbide Formation
Carburizing-phase: strong pulses --> supersaturation --> massive carbides
Diffusions-phase: correct --> right surface-C --> small amout of retained austenite
160
over 1.18 %C during carburizing
concentration carbon
140
C-concentration
20 µm distance
120
100
80
60
18 CrNi 8
940°C
40
0.69 % surface-C
after diffusion
20
0
0
12
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
4800
5400
time (sec)
6000
Carburizing strategies
Estrategias de carburizado – Austenita retenida
Retained Austenite
c arburizing phase: correct pulses --> no supersaturation --> no carbides
diffusion-phase: to short --> surface-C to high --> retained austenite
concentration carbon
160
under 1.17 %C during
carburizing
140
C-Concentration
20 µm surface distance
120
100
80
0.81 % surface C
after diffusion
60
40
18 CrNi 8
940°C
20
0
0
14
600
1200
1800
2400
3000
time (sec)
Carburizing strategies Estrategias de carburizado – Microestructura optimizada
Optimized Microstructure
carburizing phase: correct pulses -->no supersaturation --> barely carbides
diffusion phase: ok --> right surface-C --> barely retained austenite
concentration carbon
160
140
under 1.17 %C during carburizing
C-concentration
20 µm surface distance
120
100
80
18 CrNi 8
940°C
60
40
0.68 % surface-C
after diffusion
20
0
0
15
600
1200
1800
2400
3000
3600
4200
time (sec)
4800
Comparison of Treatment Time
VC vs. Gas Carburizing
Comparación de tiempos de proceso
VC vs. Carburizado en gas
Material
Temperature
AT
(0,35 % C)
Treatment
time*
VC
Treatment
time*
gas
carburize
16 MnCr 5
~ SAE 5115
930 °C
1700F
0,6 mm
24/1000´´
2,00 hours
2,75 hours
18 CrNiMo7-6
~ SAE 9310
960 °C
1760F
1,6 mm
60/1000´´
7,50 hours
9,50 hours
* treatment time = carburizing + diffusion + lowering to hardening temperature
* Tiempo de proceso = carburizado + difusión + bajando a temperatura de endurecido
16
Improvement of Quality by VC
Mejoras en Calidad usando VC
VC by means of oxygen-free hydrocarbons leads to part surfaces free from
intergranular oxidation Se obtienen superficies libres de oxidación intergranular
Intergranular
Oxidation
Vacuum Carburizing
Atmospheric gas carburizing
Carburizado al vacío
Carburizado atmosférico en gas
17
Micrograph of SAE 5115 after carburizing CD = 0.030´´
Improvement of Quality by VC
Mejoras en Calidad usando VC
distribution of alloying elements
under the surface with
conventional carburizing
distribution of alloying
elements under the surface
with vacuum carburizing
Distribucion de los elementos de la
aleación con carburizado convencional
concentration (wt %)
concentration (wt %)
Distribucion de los elementos de la
aleación con carburizado al vacio
depth (µm)
18
material SAE 5115
depth (µm)
material SAE 5115
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
19
Carburizing depth for 0.35%C ~ CD610 (mm)
High Temperature - VC Altas tempraturas de Carburizado al vacío
Quelle: Die Prozeßregelung beim Gasaufkohlen und Einsatzhärten,
AWT-FA 5, AK4 (1997) Expert Verlag
EHT 610 ~
Dt
1000°C 1830°F
D = D0exp(-Q/RT)
 Dt  60%
Carburizing time (h)
20
1050°C 1920°F
950°C
1740°F
900°C
1650°F
2. High Pressure Gas Quenching
Temple en Gas a Alta Presión
24
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
Page 25
25
Quench sequence / parameters
Parametos y secuencia de temple

Start of blowers

Flooding of cell to specified pressure Se ajusta a la presión requerida

Circulating and recooling of gas (integrated heat exchanger(s)) Circulación de gas
Arranque de sopladores
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!
26
 No es solo la presión!
Gas Properties Propiedades del gas
10
14
Relative motor power of gas fan
Relatve heat transfer coefficient
16
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
6
4
2
0
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18 20
Pressure (bar)
Pressure (bar)
Nitrogen
Helium
Hydrogen
27
8
Heat Transfer
Coefficient 
28
Coeficiente de
transferencia del calor
Heat Transfer Coefficient 
Coeficiente de transferencia de calor
Tgas = 100°C
microstructure
core hardness
T = 870°C
distortion
q   Tsurface of the part  TGas 
 the heat transfer coefficient  and the local distribution of 
determines the quality of the product after quenching
29
 el coeficiente de transferencia de calor  y la distribución de 
determina la calidad del product después del temple
Heat Transfer Coefficient  for different quenching media
Coeficiente de Transferencia de calor  para diferentes medios de temple
Air 1 bar
N2 6-10 bar (hot chamber)
He 20 bar (hot chamber)
He 20 bar (cold Chamber)
N2 / He 1 - (10) / 20 bar
Saltbath quench (550 °C)
Fluidised bed
Still oil (20-80 °C)
Agitated oil (20-80 °C)
Water (15-25 °C)
0
30
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Heat Transfer Coefficient  in W / m2 K
Types of
quench cells
Single-chamber systems: thermochemical process and quenching in one chamber
Una sola cámara para tratamiento y temple
J
900°C
20°C
t
“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 TC
900°C
20°C
J
QC
t
250°C
20°C
t
 No31additional energy is consumed to heat and cool down the TC; higher throughput
 No se consume energía adicional para calendar y enfriar las camaras de tratamiento; mayor producción
Single chamber vs. Cold chamber
Comparativo de camaras de temple
Single-chamber system Camara sencilla:
+ 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
32
- no in situ temperature measurement No hay Medición de
temperatura
Single chamber vs. Cold chamber
33
Comparativo de camaras de temple
3.) Outlook for Mexiko
Perspectiva para México
34
ALD Tratamientos Termicos
Ramos Arizpe (Mexico)

SOP Arranque 2008

in 2016:
Sales (Mio. US$) Ventas
Employees Empleados
35
~11
~90

Installed capacity: 2 MT-7 lines + 1 MT-6 line
1 VZKQ & cryogenic unit

Technologies:

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
Low Pressure Carburizing (LPC)
Vacuum hardening
Nitriding / FNC
Customers ALD-TT Mexico
Clientes de ALD-TT México
36
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.
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)

37
Page 37
potential to reduce heat treat distortion
* ALD plus competitors
Thanks!
Muchas gracias!
38