vacuum carburizing mean to metallurgy? carburizado en

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


• Gas Flow :

• C2H2 = 2000 nL/h

• N2 = 1500 nL/h

• Fixed Austenitizing Temperature = 900°C - 1650°F

• Drop Time between Carb. & Aust. :



• 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


• 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. :



• Tiempo de permanencia @ Aust. Temperatura. = 30 mn

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

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?

vacuum carburizing mean to metallurgy? carburizado en

Documents