Een nieuw proces voor het harden van staal wordt ontwikkeld door de wetenschappers van het Karlsruher Institut für Technologie (KIT): zij gebruiken methylamine voor het verrijken van laag gelegeerde staalsoorten met koolstof en stikstof. Het lagedruk carbon-nitreren met methylamine bespaart tijd en procesgas. De zo geharde staalsoorten zijn geschikt voor mechanisch en thermisch zwaarbelaste onderdelen in energie-efficiënte en emissie-arme motoren van de toekomst.
Verbrandingsmotoren hebben nog steeds veel potentie om energie te besparen en emissies te verminderen. De trend is kleinere motoren bij dezelfde of zelfs hogere vermogens. Motoren met een kleiner slagvolume verbruiken dankzij hun lage gewicht, door verminderde wrijving en minder afgevoerde warmte ook minder brandstof. Maar het zogenaamde downsizing zorgt er wel voor, dat zwaarbelaste onderdelen zoals de componenten van de dieselinspuitsystemen mechanisch en thermisch nog zwaarder worden belast. Deze systemen moeten hogere inspuitdrukken bij een grotere inspuitnauwkeurigheid leveren, om aan de eisen van de downsizing te voldoen. Daarom moeten de injectoren worden geproduceerd van hoogwaardige en zeer slijtvaste materialen.
Harden in de eindfase
Een interessante en goedkopere mogelijkheid is het gebruik van laag gelegeerde staalsoorten, staalsoorten, die behalve ijzer maximaal vijf massaprocenten andere metalen bevatten. Omdat ze relatief zacht zijn, kunnen ze goed worden bewerkt en worden voor de toepassing gehard, om een hard oppervlak bij een taaie kern te krijgen. Wetenschappers van het Engler-Bunte-Institut bij het KIT werken nu aan een nieuw proces voor het harden van staal in de eindfase, het lagedruk carbon-nitreren: bij temperaturen tussen 800 °C en 1050 °C en een druk onder de 50 mbar wordt de buitenste laag van het te harden onderdeel gericht verrijkt met koolstof en stikstof en aansluitend daarop door het afschrikken gehard.
Het doel van dit project, onder leiding van David Koch is, om gemeenschappelijk met partners uit onderzoek en industrie de basis van het lagedruk carbon-nitreren uit te werken en te ontwikkelen voor grote series. “Het lagedruk carbon-nitreren combineert de voordelen van een lage drukproces met die van het atmosferisch carbon-nitreren”, verklaart David Koch. Bij het atmosferisch carbon-nitreren wordt de oppervlakte van het te behandelen onderdeel beschadigd door oppervlakkige oxidatie. Dit kan worden vermeden bij het lagedruk proces. Bovendien wordt een gelijkmatiger hardingsproces van het component verkregen, zelfs bij bijzonder complexe onderdelen en geometrieën.
Bij het lagedruk carbon-nitreren werd tot nu toe bijna uitsluitend ammoniak gebruikt als stikstofleverancier, in combinatie met een koolstofleverancier, meestal acetyleen of propaan. De onderzoekers bij het KIT hebben andere gassoorten en gasmengsels onderzocht op hun geschiktheid voor het lagedruk carbon-nitreren en het verrijken van het oppervlak van een onderdeel met koolstof en stikstof in een thermoschaal experimenteel getest.
De wetenschappers uit Karlsruhe in samenwerking met de onderzoekers van Robert Bosch GmbH in Stuttgart stelden daarbij vast, dat methylamine (CH3NH2) en dimethylamine (CH3)2NH) als procesgassen leiden tot een goede verrijking van de oppervlaktelaag met koolstof en stikstof. De onderzoeksresultaten van hun lagedruk carbon-nitreren met methylamine publiceren ze in het tijdschrift HTM – Journal of Heat Treatment and Materials.
Reduceren processtap
Bij het gebruik van methylamine voor het lagedruk carbon-nitreren is, in plaats van twee gassen maar een gas noodzakelijk en de anders vaak gebruikelijke twee processtappen kunnen nu worden teruggebracht tot een. In de vergelijking met ammoniak als stikstof leverancier in combinatie met een koolstof donateur wordt met methylamine een betere verrijking van de stikstof in de oppervlaktelaag bereikt.
Omdat tegelijkertijd ook koolstof wordt ingebracht, wordt procesduur beduidend korter. Ook kan bij dit proces een beduidend hogere temperatuur worden gebruikt, wat ook weer voor een kortere procesduur zorgt. Methylamine wordt als procesgas ook beter benut en dat zorgt weer voor reductie van de gebruikte hoeveelheid gas.
De wetenschappers van het KIT werken er nu aan om het lagedruk carbon-nitreren verder te optimaliseren met behulp van aminen. Hierbij gaat het er vooral om de uniformiteit en de vrije aanpassing voor het inbrengen van koolstof en stikstof te verbeteren. Het volgende doel is om het proces van laboratoriumniveau op te schalen naar een pilot.
