5 Der Wärmebehandlungsmarkt 4/2008 The Heat Treatment Market

Zur Ergänzung der bestehenden Härtereiund Kapazitätserweiterung suchte dasKettenwerk HEKO in Wickede nach einem

modernen, sauberen, umweltverträglichenund vor allen flexibel einsetzbaren Wärmebe-handlungsverfahren als Alternative zurbekannten Gasaufkohlung mit Ölbadabschre-ckung. Weiterhin will man die neue Techno-logie auch als Dienstleistung anbieten. Daseigene Produktspektrum umfasst Rundstahl-ketten mit einer Nenndicke von 6 bis 42 mmund einer Teilung von ca. 20 bis 150 mm. EinMeter dieser Ketten bringt etwa 0,8 bis 36 kgauf die Waage. Im rauen Betrieb der Zement-werke, Kohlekraftwerke, etc. müssen sich dieKetten täglich in den Becherwerken und Ket-tenförderern beweisen. Dazu sind die techno-logischen Eigenschaften einer Oberflächen-härte von über 800 HV bei ausreichenderBruchspannung Mindestkriterien. Die gesam-te Aufkohlungstiefe richtet sich nach demKettentyp und liegt üblicherweise bei 10 %der Nenndicke und die EinsatzhärtungstiefeCHD550 mindestens bei 5 bis 6 % der Nenndi-cke. So muss eine Kette aus Rundstahl mit 42mm Glieddurchmesser 4,2 mm aufgekohltsein und eine Einsatzhärtungstiefe von 3,0mm erreichen.

Zur drastischen Reduzierung der Aufkoh-lungsdauer wurde auf die Hochtemperaturauf-kohlung im Bereich 1030 bis 1050°C gesetzt.Obwohl die Chargen zur Kornrückfeinung nachdem Aufkohlen zum Einfachhärten nochmalsauf die Kernhärtetemperatur von 870°C für3 Stunden erwärmt werden müssen, ergebensich deutliche Vorteile bei der Behandlungsdau-er. Die kurzen Behandlungsdauern beim Erwär-men auf Aufkohlungs- bzw. Härtungstempera-tur sind bei den schweren Chargen nur unterKonvektionserwärmung möglich, reine Strah-lungserwärmung im Vakuum würde die Behand-lungsdauer um mindestens eine Stunde pro Pro-zess verlängern. Das Diagramm in Bild 1 zeigtdie gesamte Behandlungsdauer inkl. Aufheizenfür einen Aufkohlungsprozess bei 950°C undDirekthärtung gegenüber der Anwendung von1050°C inklusive zusätzlicher Einfachhärtungvon 870°C. Übersteigt die Einsatzhärtungstie-fe einen Wert von 1,3 mm, wird die Gesamtbe-handlungsdauer auch für das Hochtemperatur-aufkohlen + Einfachhärten im Vergleich zumDirekthärten bei 950°C bereits kürzer.

In order to complete the existing heat treat-ment shop and expand capacity, the chainworks HEKO in Wickede was looking for a

modern, clean, ecological and, most of all,flexible heat treatment process as an alter-native to conventional gas carburizing withoil quenching. Furthermore, the new technol-ogy is to be offered as a service. Their ownproduct range comprises steel chains with arated thickness of 6 to 42 mm and a pitch ofapprox. 20 to 150 mm. One meter of chainweighs approx. 0,8 - 36 kg.

During the heavy duty use in cement works,coal-fired power plants etc. the chains mustprove themselves every day in bucket convey-ors and chain conveyors. Therefore the tech-nological properties like a surface hardness ofmore than 800 HV at sufficient ultimatestrength are minimum criteria. The total car-burizing depth depends on the chain type andusually amounts to 10 % of the nominal thick-ness and the case hardening depth CHD550 isat least 5 - 6 % of the nominal thickness. Thus,a round link chain with a diameter of 42 mmmust be carburized 4,2 mm and must obtain aCHD550 of 3,0 mm.

For a drastic reduction of carburizing time,high temperature carburizing in the range of1030 - 1050 °C was determined. After carbur-izing at that high temperatures a grain refine-ment process is necessary. Although thesecharges need to be reheated for 3 hours to acore hardness temperature of 870°C and sub-sequently quench hardened there are stilladvantages regarding the total process time.For heavy loads, short treatment cycles duringheating to carburizing temperature resp. hard-ening temperature are only possible with con-vective heating. Radiation heating in vacuumwould extend the treatment time by at leastone hour per cycle. The diagram in figure 1shows the total treatment time including heat-ing to a carburizing temperature of 950 °C anddirect hardening, as compared to the applica-tion at 1050 °C including additional single hard-ening at 870 °C. Once the case hardening depthexceeds a value of 1,3 mm, the total treatmenttime, even for high temperature carburizingand single hardening, is already shorter thanwith direct hardening at 950 °C.

Given a case hardening depth of 2 mm thetotal process time is reduced by 40 % and

Hochtemperatur-

Vakuumaufkohlung

für große Aufkohlungstiefen

an hoch belasteten

Rundstahlketten

The way to

high temperature vacuum

carburizing for large

carburizing depths in highly

stressed steel chains

Alexander Koch, Helmut Steinke, Frank Brinkbäumer, Gunther Schmitt

Alexander Koch

HEKO Ketten GmbH

Helmut Steinke

HEKO Ketten GmbH

Frank Brinkbäumer

HEKO Ketten GmbH

Gunther Schmitt

ALD

Vacuum Technologies AG

42

36

30

24

18

12

6

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

CHD (550HV) in mm

6The Heat Treatment Market Der Wärmebehandlungsmarkt 4/2008

Bei einer Einsatzhärtungstiefe von 2,0 mmwird eine Reduzierung der Gesamtdauer von40% und bei 3,0 mm eine Halbierung der Ofen-belegung erreicht. Nochmals 3 Stunden ließensich bei Einsatzstählen mit besonderer Feinkorn-stabilität einsparen, bei denen eine Direkthär-tung auch bei 1050°C möglich ist.

Da ein breites Spektrum an verschieden Ein-satzhärtungstiefen aufgekohlt bzw. einsatzge-härtet werden muss, schied eine starre Durch-stoßanlage aus. Außerdem bestand der Wunschnach einer einfachen Kapazitätserweiterung,da man nicht von Anfang an alle Produkte überdie neue Härteanlage fahren wollte. Eine Anla-ge mit durchschnittlich 5000 kg Durchsatz proTag bei einer mittleren Einsatzhärtungstiefevon 2,0 mm, bei der eine Verdopplung der Ka-pazität möglich ist, wurde aus sinnvoll und wirt-schaftlich angesehen. Zur optimalen Ausnut-zung der Anlage sollte auch über Nacht und amWochenende ohne Bedienungspersonal gefah-ren werden können.

Die ALD ModulTherm-Anlage, Bild 2, erfüll-te diese Anforderungen an Leistungsdurchsatzund Flexibilität. Mehrere Behandlungskammernkönnen von einer Chargentransfer- und Ab-schreckkammer bedient werden, die auf einemSchienensystem vor den Behandlungskammernverfährt. Die unbehandelten Chargen könnenautomatisch aus einem Puffer entnommen undnach vorher bestimmten Abläufen über Vorrei-nigung und Voroxidation oder auch direkt denWärmebehandlungskammern zugeführt wer-den. Da das Transfermodul jede Behandlungs-kammer individuell anfahren kann, ist ein belie-biger „Chargenmix“ möglich .Während in dereinen Behandlungskammer auf 3 mm aufge-kohlt wird, kann in einer anderen Kammer eineCharge gehärtet, oder auch geglüht werden.Fertigchargen werden automatisch im Puffereingelagert oder vom Bedienungspersonal zumEntladen angefordert.

In umfangreichen Vorversuchen und Lohn-aufträgen wurden die Anforderungen an die-sen Anlagentyp in der Lohnhärterei WegenerHärtetechnik, Homburg verifiziert.

Die Anlage kann bei HEKO bis auf 7 Behand-lungskammern erweitert werden. Durch die Mo-dularität wird der anstehende Ausbau von 2 auf7 Kammern parallel zur Produktion geschehen,was den Wärmebehandlungsdurchsatz nicht be-einträchtigt.

Die ModulTherm Anlage ist seit November2007 in Betrieb und die Firma HEKO schaut aufeine erfolgreiche Startphase zurück, in der dieQualifizierung für das gesamte HEKO Programmerarbeitet wurde. Es stehen jetzt etwa 30 Re-zepte für verschiedene Einsatzstähle und Ket-tenabmessungen zur Verfügung.

Für die Rezeptentwicklung wurde eine spe-zielle Simulationssoftware genutzt. Mit diesemWerkzeug ist es möglich, die Kohlenstoffanrei-cherung und das sich daraus entwickelnde Koh-lenstoffprofil der Stahloberfläche zu simulieren.

regarding 3 mm it is halved. An additional threehours can be saved in the treatment of casehardening steels with a special fine grain stabil-ity, where direct hardening is also possible at1050 °C.

Since a wide range of various case harden-ing depths must be carburized resp. casehard-ened, the installation of an inflexible pusher fur-nace was not considered. Moreover an easycapacity expansion was desired because not allproducts should be treated in the new harden-ing plant. A plant, averaging a throughput of5.000 kg per day at a mean case hardeningdepth of 2 mm, allowing to double the capaci-ty was considered reasonable and economical.The optimal use of the plant also includes oper-ation at night time and on weekends withoutoperating personnel.

ALD’s ModulTherm system, figure 2, meetsthese requirements regarding throughput andflexibility. Several treatment chambers can beserved from one charge transfer- and quenchchamber, moving on rails in front of the treat-

Bild 1

Vergleich der komplet-

ten Behandlungsdauern

inkl. Aufheizen bei

950°C und 1050°C

Aufkohlungstemperatur.

Einsatzhärten im

Vakuumofen von Ketten

aus 15CrNi6

Fig. 1:

Comparison of complete

process times including

heating up for carburi-

zing temperatures of

950°C and 1050°C. Case

hardening of 15CrNi6-

chains in a vacuum car-

burizing furnace.

Bild 2

ALD - ModulTherm Anlage

bei Fa. HEKO

Fig 2:

ALD Modultherm facility

at HEKO

7 Der Wärmebehandlungsmarkt 4/2008 The Heat Treatment Market

ment chambers. The untreated charges areloaded automatically from a buffer and trans-ferred either directly to the heat treatmentchambers or according to the preselectedprocesses such as pre-cleaning and pre-oxida-tion. Since the transfer module can access eachtreatment chamber individually any kind of“charge mix” is possible. While carburizing to 3mm is performed in one treatment chamber, acharge may be hardened or even annealed inanother chamber. Ready heat treated chargesare automatically stored in the buffer orunloaded by the operating personnel.

During comprehensive pre-testing and ser-vice heat treating, the demands on that heattreatment system were verified at the com-mercial heat treating company WegenerHärtetechnik, Homburg.

The plant at HEKO can be expanded up to7 treatment chambers. The modularity allowsto perform the upcoming expansion from 2 to7 chambers during production, which will notinterfere with the heat treatment throughput.

The ModulTherm plant has been operatingsince November 2007 and HEKO is looking backon a successful starting phase, during which thequalification for the entire HEKO program wasworked out. There are now approx. 30 recipesavailable for various case hardening steels andchain dimensions.

A special simulation software was used forthe recipe development. This tool allows to sim-ulate the carbon accumulation and the result-ing carbon profile of the steel surface. Throughshort pulses, injection acetylene at approx. 10- 15 mbar into the treatment chamber duringvacuum carburizing, saturation of the surfaceis obtained. Each pulse is followed by a so-calleddiffusion pause, during which the carbon dif-fuses into the work piece and the surface car-bon content is slightly reduced. The final diffu-sion leads to the required carbon profile with asurface C of approx. 0,75 %.

Figure 3 shows the carbon development asa result of the simulation; figure 4 shows theactual result in a production charge.

A total amount of 2 Nm3 acetylene (C2H2)in 8 pulses are injected into the treatmentchamber. The charge with a surface of approx.15 m2 absorbs approx. 1.500 g carbon. The car-bon absorption is measured by weighing a stan-dardized sample on a precision scale before andafter treatment. In this case, the massincreased by approx. 190 mg. The high level ofcarbon utilization of approx. 75 % can only beobtained if the acetylene flow in the pulse isadjusted to the steel’s absorption capacity.

Quenching in helium is possible in theinstalled plant. Therefore, a very homogeneoushardness distribution is obtained even in denseand economic charges.

Bei der Vakuumaufkohlung wird durch sehr kur-ze Pulse, in denen Acetylen bei etwa 10-15 mbarin die Behandlungskammer in gedüst wird, eineSättigung der Oberfläche erreicht. Nach jedemPuls erfolgt die so genannte Diffusionspause inder der Kohlenstoff in das Werkstück diffun-diert und der Randkohlenstoffgehalt etwas ab-sinkt. Die finale Diffusion führt zur Erreichungdes angestrebten Kohlenstoffprofils mit einemRand-C von etwa 0,75 %. Bild 3 zeigt den Koh-lenstoffverlauf als Ergebnis der Simulation, undBild 4 das reale Ergebnis an einer Produktions -charge.

In 8 Pulsen werden 2 Nm3 Acetylen (C2H2)in die Behandlungskammer eingedüst und dieCharge mit 15 m! Oberfläche nimmt ca. 1500 gr.Kohlenstoff auf. Die Kohlenstoffaufnahme wirdüber eine normierte Probe durch Wiegen auf ei-ner Feinwaage vor und nach der Behandlung er-mittelt. In diesem Fall erhöhte sich die Masse umca. 190 mg. Der hohe Kohlenstoffausnutzungs-grad von etwa 75% kann nur erreicht werden,wenn der Acetylenfluss im Puls der Aufnahme-fähigkeit des Stahles angepasst wird.

Bild 3

Ergebnisdarstellung

der VC-Sim Software

Fig. 3:

Results of VC-Sim

software

Bild 4

Kohlenstoffprofil einer

Charge mit 713 kg netto /

968 kg brutto

Fig. 4:

Carbon profile of a 713 kg

batch (net) / 968 gross

In der installierten Anlage ist das Abschre-cken ist unter Helium möglich, weshalb auch beidichter und wirtschaftlicher Chargierung einesehr gleichmäßige Härteverteilung erzielt wird.