Ofentechnologie

Analytik der Wärmebehandlung

Das Ziel der Prozessanalytik ist die effiziente Optimierung des Wärmebehandlungsprozesses. Durch ein vertieftes Verständnis der thermochemischen Vorgänge während des Entbinderns und Sinterns, aber auch anderer Wärmebehandlungsprozesse, können wir die Bauteilqualität verbessern und regelmäßig die Prozessdauer verkürzen und damit die Prozessführung wirtschaftlicher gestalten. Und das häufig nach nur wenigen Versuchen.

 

Unser Leistungsspektrum in Kürze

  • Effiziente Auslegung von Entbinderungs- und Sinterprozessen
  • Eindeutige Fixierung von Temperatur-Zeit-Parametern für neue Werkstoffe, Legierungen oder neue Metallpulver
  • Trouble-Shooting für Bauteile, in denen erhöhte oder zu niedrige Gasgehalte Probleme bereiten (z. B. Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel). Eine besondere Rolle spielt dies bei Fertigungsverfahren von Werkstoffen, die sensibel auf Entkohlung oder Aufkohlung bzw. Oxidation oder Reduktion reagieren (z. B. Aluminium, Titan)
  • Fertigungsoptimierung für die Wärmebehandlung von Metallpulverspritzguss-Bauteilen (MIM), pulvermetallurgische Press- und Sinterverfahren sowie sinterbasierte additive Fertigung
  • Entwicklung von neuen Bindern oder Additiven
  • Entwicklung angepasster Prozessgase

Die Messinstrumente zur Prozessgaszusammensetzung sind mobil einsetzbar. Wir können Sie daher auch bei Ihnen vor Ort unterstützen mit:

  • Prozessoptimierung und Prozessauslegung
  • Untersuchungen zur Atmosphärengenauigkeit und zum Stofftransport am Ofensystem des Kunden 

Hintergrund

Prozessgasanalyse mittels Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie
© Fraunhofer IFAM Dresden
Abb. 1: Prozessgasanalyse mittels Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie
Beispielprozess vor und nach Optimierung.
© Fraunhofer IFAM Dresden
Abb. 2: Beispielprozess vor und nach Optimierung. Die starke Gasfreisetzung am ersten Peak führte zu Riss- und Blasenbildung im Bauteil, was durch eine etwas niedrigere Temperatur der Haltestufe verhindert werden konnte. Die Temperatur der zweiten Haltestufe wurde für eine saubere und vollständige Entbinderung erhöht. So konnte trotz verkürzter Prozesszeit eine deutlich geringere Konzentration an Verunreinigungen an Kohlenstoff und Sauerstoff erreicht werden.

Den Zugang zu verschiedensten thermochemischen Vorgängen liefert die Prozessgasanalyse mittels Fourier-Transform-Infrarotspektrometrie. Mit dieser Methode kann am Fraunhofer IFAM direkt im Ofen und in Echtzeit die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre gemessen werden. So erhält man temperaturgenau Aufschluss über Beginn und Ende von Zersetzungs- oder Reduktionsprozessen.

Während der Messung wird ein Infrarotstrahl durch die Ofenatmosphäre geleitet (s. Abb. 1). Verschiedene Moleküle absorbieren durch ihre Schwingungen unterschiedliche Wellenlängen. Die so nicht mehr am Detektor ankommenden Strahlungsanteile werden als Absorbanz über der Wellenlänge (bzw. der Wellenzahl) aufgetragen. Aus der Integration über einen definierten Bereich können wir die integrierte Absorbanz als Maß für die in der Atmosphäre vorhandene Stoffmenge im Prozessverlauf auftragen (Abb. 2).

Damit können Wärmebehandlungsprozesse wie z. B. Entbinderung-, Reduktions- und Sinterprozesse zuverlässig charakterisiert und effizient ausgelegt oder optimiert werden. Derartige Messungen können sowohl in unseren Laboröfen als auch häufig an kontinuierlichen und Batch-Produktionsanlagen vor Ort durchgeführt werden. Unter bestimmten Voraussetzungen ist die ortsaufgelöste Messung der Gasatmosphäre möglich.

Technologie und Analysemöglichkeiten

Die direkte in-situ Prozessgasphasenanalyse erfolgt mittels optischer Methoden:

  • Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) für alle Spezies
  • H2, O2, N2, Ar-Analysen mittels Quantenkaskadenlaser (Q-MACS)

Die in-situ FTIR-Spektroskopie kann mit einer parallelen Prozessgasphasenanalyse mittels Massenspektrometer (MS) kombiniert werden. Zusätzlich stehen in separaten Laboratorien thermische Analyse (DSC, DTA, TG), Elementaranalyse (H, C, N, O, S), Metallographie und mechanische Prüfung (Härte, Zug-, Druck- und Biegefestigkeit) zur Bewertung der Ergebnisse zur Verfügung.

Die Analysen werden am Fraunhofer IFAM Dresden in einem Rohrofen sowie einem integrierten Enbinder- und Sinterofen angeboten, können aber in der Regel auch an den Öfen des Kunden vor Ort durchgeführt werden.

Rohrofen

  • Temperaturbereich bis 1.300 °C,
  • Atmosphären Inertgase (Ar, N2), Wasserstoff (H2), sowie Gasmischungen
  • Normaldruck und Partialdruck bis 65 mbar
  • Probenabmessungen max. 70 mm Breite, 300 mm Länge

Integrierter Entbinder- und Sinterofen

  • Temperaturbereich bis 1.450 °C,
  • Atmosphären: Inertgas (Ar, N2), Wasserstoff (H2), diverse Gasmischungen
  • Partialdruck bis 3 mbar bis Normaldruck beliebig wählbar
  • Probenabmessungen bis 170 mm Breite, 300 mm Länge