Vacuum Carburizing – What does it mean to metallurgy?
Carburizado en vacío – ¿qué significa en metalurgia
Vincent LELONG , Dennis BEAUCHESNE , Vincent ESTEVE
Introduction
• LPC Market
• LPC Description
• Furnace Evolution
• Cycle data vs. Temperature
• Metallurgical results
Introducción
• CBP Mercado
• CBP Descripción
• Evolución del horno
• Datos del ciclo frente a la temperatura
• Resultados Metalúrgicos
AUTOMOTIVE
AUTOMOVIL
AEROSPACE
AEROESPACIAL
HEAT TREATERS
ESPECIALISTAS EN TRATAMIENTO
TERMICO
Gears – Shafts
Engranajes - Ejes
Transmissions
Transmisiones
Axles / Ejes
OTHERS / OTROS
Gear Boxes
cajas de cambios
Common Rail
Systems-CRS
Marine, Energy, Mining,
Marina, Energía, Minería,
Steering / Direcciones
LPC MARKET TODAY / CBP MERCADO HOY DIA
0
200
400
600
800
1000
1992 2004 2015
Installation
Heating Cell
Gas Quench Cell
Oil Quench Cell
EVOLUTION of ECM MODULAR LPC FURNACESEvolución de los HORNOS MODULARES de CBP ECM
150% Growth in last 10 years
150% de crecimiento en los últimos 10
años InstalaciónCelda de calentamiento
Celda de templepor gasCelda de templepor aceite
Total number of cells:Número total de celdas:
1008
OVER 20 YEARS OF ECM INSTALLATIONSMÁS DE 20 AÑOS CON EQUIPOS ECM
Number of ICBP cells by country (1991 – 2015 )Número de celdas ICBP por país (1991 - 2015)
INFRACARB® Process Description
• Cracking at constant low pressure
vacuum ( 7 - 13 mbar )
• Alternative injections:
• Carburizing gas : Propane or
acetylene
• Neutral gas : Nitrogen
• Saturation of Austenite achieved by
software CBPWin®
• Initial Carbon content
• Carburizing temperature
• Case depth requirement
• Final Carbon content
INFRACARB® Descripción del Proceso
• Disociación sobre baja presión constante
nivel de vacío (7 - 13 mbar)
• inyecciones alternativas:
• Gas para carburizar: propano o
acetileno
• gas neutro: Nitrógeno
• Saturación en austenita alcanzado por el
software CBPWin®
• El contenido de carbono inicial
• La temperatura de carburación
• Profundidad de capa requisita
• El contenido de carbono final
Standard carburizing steel:• 5120• 8620• 4320• 4118• 8820
Aerospace steel:• 9310• M50NiL• M53• P675
Power Metal:• Astaloy® CrA• Astaloy 85Mo
STEEL USE WITH LPC• To succeed with LPC and gas
quench : steel supplier increase the quenching properties of the steels by add more alloy into it.
• To increase temperature of heat treat : micro-alloys are added: Al, V, Ti, Nb, B…
ACERO UTILIZADO CON CBP• Para tener éxito con LPC y temple
gas: proveedor de acero aumentan las propiedades de enfriamiento de los aceros con la addicion de mas aleación.
• Para aumentar la temperatura de tratamiento térmico: se añaden micro-aleaciones: Al, V, Ti, Nb, B ...
LPC vs. Atmosphere CarburizingInfracarb Process Conventional Carburizing
> Controlled by Simulation software > Repeatability> 1 carburizing gas: No Mixture> Most of heating cycle under neutral gas
> Subject to atmosphere variation> Mixture of gas> Presence of Oxygen
> Sujeto a la variación de la atmósfera> Mezcla de gas> Presencia de oxígeno
> Controlado por el software de simulación> Repetabilidad> 1 gas de carburación : No Mezcla> La mayor parte del ciclo de calentamiento bajo gas neutro
Furnace : No Dew Point to calculate , No Flame , Clean Environment
Horno: No hay punto de rocío para calcular, ninguna llama, Medio Ambiente Limpio
LPC Process Advantages• No inter-granular oxidizing,
• Perfectly controlled and reproducible carburizing depths with narrow tolerances,
• Ability to provide a choice of the surface carbon content,
• Improvement of wear resistance,
• The process can use either gas or oil quenching,
• Reduced treatment time with elevated temperatures
• Possible protection of zone against carburizing
• Metal cover, paint, cooper plating
Ventajas del Proceso del CBP• Sin oxidacion inter-granular,
• Profundidades de cementación perfectamente controladas y reproducibles con tolerancias estrechas,
• Capacidad para proporcionar una elección del contenido de carbono de la superficie,
• Mejora de la resistencia al desgaste,
• El proceso se puede utilizar con enfriamiento por gas o aceite,
• Tiempo de tratamiento reducido con temperaturas elevadas
• Posible protección de la zona contra la carburación• cubierta de metal, pintura,
revestimiento de cobre
Low Pressure Carburizing Infracarb®
GRAIN SIZE ANALYSIS / Análisis del tamaño de grano
950°C • 980°C
LPC vs. Atmosphere Carburizing
CBP vs. carburación en atmósfera
Improve pitch to root case ratio from 70%
(Atmosphere Carburizing)
to between 85% to 90%
(Vacuum Carburizing)
Process Difference: Carburizing HomogeneityDiferencia de proceso: Homogeneidad de carburación
Oil quenching
Evolution of Quenching Media with LPCEvolución de los medios de temple en CBP
Constant Evolution of Horizontal ICBP
Oil Quench Created in 1998 2002 : Hot Oil Quench up to 180°C2015 PFTH: Load size up to Ø1500 , Height=2000 mm, Weight=2000Kg
Gas Quench Single Flow Created in 19982004 : FIMA Turbines, Motor Power
130 kW (N2) 2012 : ENSAM Turbines Motor Power 160 kW
Gas Quench Reverse Flows : Created in 2010
Centrifugal Turbines, Motor Power 250 kW (N2) : HighestPowered Gas Quench in Production today
2012 Centrifugal Turbines for Helium,Motor Power 130 kW
NANO Furnace 2015 : small load design to integrate production line part to part : 600 x 500 x 250 mm
Gas quenching : Reverse flow with Centrifugal turbine
Gas quenching : Helicoid turbines
ENSAM vs. FIMA :+ 12 % gas flow through turbines
+ 25% available pressure through turbine
ICBP : Heat Control
• Furnace set for Celsius or Fahrenheit
• Up to 16 Set points of Temperature & Duration
• Temperature Control on each step of the recipe available
ICBP : control de calentamiento
• Equipos listos para grados Celsius o Fahrenheit
• Hasta 16 puntos de ajuste de temperatura y duración
• Control de la temperatura en cada paso de la receta
Recipe TimeTiempo de receta
Temperature Control
Info on Step :Ramp Up
Dwell TimeCooling
Infracarb Process :
Example of time for 1 mm
Info en Paso:Rampa
Tiempo de permanenciaEnfriamiento
Control de temperatura
Proceso Infracarb:
Ejemplo de tiempo para 1
mm
Infracarb Process Control• Up to 128 steps
• Choice of Process Gas
– Acetylene
– Propane– Ammonia ( Carbonitriding )
• Choice of Flow for each Step
• Choice of Tolerance of Flow
on each Gas
Infracarb Control de Procesos• Hasta 128 pasos
• Elección del Gas
• Acetileno
• Propano– amoníaco (carbonitruración)
• Elección del flujo para cada Paso
• Elección de la Tolerancia de Flujo
por cada Gas
Gas Quenching Control
Control de gas de la tremple
Axial design / diseño axial
Vertical Gas Quenching : Top to Bottom
/ Temple gas Vertical: de arriba a abajo
Recipe TimeTiempo de
receta
Pressure Control
Control de la presión
Centrifugal Design / Diseño centrífuga
• Horizontal Gas Quenching Motor Position
/ Posición horizontal de los motores en la celda de temple
• Reverse Flow : Top to Bottom OR Bottom to Top
/ Reverse Flujo : De arriba a abajo o de abajo hasta arriba
• Flow Switch : Less than 1 Second
Interruptor de flujo: menos de 1 segundo
Both Design with N2 or He
Diseño compatible con N2 o He
• Up to 10 Steps of Pressure
/Hasta 10 pasos de Presión
• Pressure / Presión : 1 to 20 Bars
• Up to 20 Steps of Speed
/Hasta 20 pasos de velocidad
Cycle Data vs. Temperature• Material = 0.2 % Carbon
• Final Surface Carbon = 0.8%
• ECD @ 50 HRC
• 0.5 mm
• 1 mm
• 1.5 mm
• 2 mm
• Gross Load Weight = 500 KG – 1100 LBS
• Heating up Time :
• Carb. Temp. 930°C & 960°C = 90 minutes
• Carb. Temp. 1000°C & 1030°C = 120 minutes
• Gas Flow :
• C2H2 = 2000 nL/h
• N2 = 1500 nL/h
• Fixed Austenitizing Temperature = 900°C - 1650°F
• Drop Time between Carb. & Aust. :
• Carb. Temp. 930°C & 960°C = 20 minutes
• Carb. Temp. 1000°C & 1030°C = 45 minutes
• Dwell Time @ Aust. Temp. = 30 mn
Datos del ciclo vs. temperatura• Material = 0,2% de carbono
• Final de carbono en la superficie = 0,8%
• ECD @ 50 HRC
• 0.5 mm
• 1 mm
• 1.5 mm
• 2 mm
• Peso bruto de la carga= 500 Kg - 1100 LBS
• Tiempo de calentamiento:
• Carb. Temperatura. 930 ° C y 960 ° C = 90 minutos
• Carb. Temperatura. 1000 ° C y 1030 ° C = 120 minutos
• Caudal de gas :
• C2H2 = 2000 nl / h
• N2 = 1500 nl / h
• Temperatura de austenización fija = 900 ° C - 1650 ° F
• Tiempo de espera entre carburizacion y Aust. :
• Carb. Temperatura. 930 ° C y 960 ° C = 20 minutos
• Carb. Temperatura. 1000 ° C y 1030 ° C = 45 minutos
• Tiempo de permanencia @ Aust. Temperatura. = 30 mn
0
2
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930°C - 1706°F 960°C - 1760°F 1000°C - 1832°F 1030°C - 1886°F
Infr
aca
rb®
Cyc
le (
Hrs
)
Temperature : Celcius - Fahrenheit
Infracarb® Carburizing Cycle Time vs. Temperature & ECD
0.5 mm @ 50Rc (~0.020")
1.0 mm @ 50Rc (~0.040")
1.5 mm @ 50Rc (~0.060")
2.0 mm @ 50Rc (~0.080")
930°C to 960°C Time Reduction
from 40 to 55 %
930°C to 1000°C
Time Reduction from 70 to 75 %
930°C to 1030°C
Time Reduction from 80 to 85 %
Infracarb® Cycle Time vs. Temperature & ECDInfracarb® tiempo de ciclo vs. temperatura y ECD
Atmosphere Carburizer Process
Equipment : Pusher Carburizer
Temperature of carburizing : 900°C - 1650°F
Cycle time : Approximately 22 hours
Process : Machining , Washing , Carburizing , Oil Quench , Clean , Temper , Blast , Final Machining
Current Atmosphere vs LPC Process OverviewDescripción general Atmósfera controloda vs proceso CBP
Low Pressure Carburizer Process
• Equipment: Batch Carburizer
• Temperature of carburizing : 960°C -1760°F
• Cycle time : Approximately 4.5 hours
• Process : Machining , Washing , Preoxidizing , Carburizing , Gas Quench , Temper , Final Machining
Proceso de carburizado en atmosfera
• Equipo: Pusher carburizer
• Temperatura de carburación: 900 °C - 1650 °F
• Tiempo de ciclo: Aproximadamente 22 horas
• Proceso de: Mecanizado, Lavadora, carburación, enfriamiento rápido por aceite, limpio, revenido, explosiva, acabado
Proceso de carburizado por baja presion
• Equipo: Horno tipo batch
• Temperatura de carburación: 960 °C -1760 °F
• Tiempo de ciclo: Aproximadamente 4,5 horas
• Proceso de: Mecanizado, Lavadora, Preox, cementación, temple gas, revenido, acabado
Metallurgical Testing Results• Core hardness not comparable (too low) for
2008 trials; no product testing
• Core hardness in comparable range for 2015 trial; continued on with metallurgical and product testing
• Product testing: Cages built into assemblies and “Rocker” tested
• Fractured parts analyzed
Resultados de las pruebas metalúrgicas
• dureza del núcleo no es comparable (demasiado baja) para los ensayos de 2008; no hay pruebas sobre productos
• dureza del núcleo de rango comparable en 2015; continuó con las pruebas metalúrgicas y de producto
• El ensayo de productos: Las jaulas construidas en asambleas y "Rocker" probados
• Análisis de las partes fracturadas
Trial 2008 2008 20152015
Atmosphere
Load 29289 29335 052602 1
Surface Hardness 64 63 62 63
Core Hardness 30 32 40 45
Total Case Depth (mm) 1.5 1.3 1.3 1.4
Effective Case Depth to 513HV-50 HRC (mm)
0.99 0.93 1.00 1.10
2015 LPC vs Atmosphere Carburizing Results2015 Resultados CBP vs atmósfera de cementación
Low
Pressure
Carburized
and Gas
Quenched
Cage
Atmosphere
Carburized
and Oil
Quench
Cage
Fracture origin: Outer Diameter
Corner
50um
2015 LPC vs Atmosphere Carburizing Results2015 Resultados CBP vs atmósfera de cementación
Microstructure at Fracture Origin: Tempered Martensite case
Microstructure at Core: Mix of Bainite and Tempered Martensite
Intergranular oxidation (IGO) present on Atmosphere carburized part and none present on Low pressure carburized part
50um
Atmosphere
Carburized
and Oil
Quench
Cage
Low
Pressure
Carburized
and Gas
Quenched
Cage
IGO
Microestructura al Origen de la fractura: martensita templada
Microestructura del nucleo: Mezcla de bainita y martensita templada
Oxidación intergranular (IGO) presentes en la cementación por atmosfera y ninguna parte presente en la parte carburizado por baja presion
Potential Cage Process ImprovementPotencial de Mejora de Procesos de la jaula
Potential Removal of 3 Processes = Cost Savings
CONCLUSION
• HEAT TREAT @ HIGHER TEMPERATURE
• CONTROL OF PROCESS LOAD TO LOAD
• INTEGRATION TO PRODUCTION LINE
• COST SAVING
• METALLURGY IMPROVEMENT
CONCLUSIÓN
• TRATAR TÉRMICAMENTE @ TEMPERATURA MÁS ALTA
• EL CONTROL DEL PROCESO CARGA POR CARGA
• INTEGRACIÓN EN LÍNEA DE PRODUCCIÓN
• AHORRO DE COSTES
• MEJORA DE LA METALURGIA
OUTLOOKS:
• LOOK AT THE FULL MANUFACTURING
• GAS QUENCH: NO POST HEAT TREAT CLEANING
• SAVING GRINDING TIME
• PAINTING?
• TRANSPORTATION?
PERSPECTIVAS:
• MIRAR A LA FABRICACIÓN COMPLETO
• GAS QUENCH: NO NECESITA LIMPIAR DESPUES EL TRATAMIENTO TERMICO
• AHORRO DE TIEMPO DE MOLIENDA
• ¿PINTURA?
• ¿TRANSPORTE?