Gas för värmebehandling

Gas för värmebehandling Metoder och möjligheter www.airliquide.se

Inledning INNEHÅLLSFÖRTECKNING Inledning... 3 Allmänt om industrigaser... 4 Gaser för värmebehandling Produktion och transport av gas On-sitegenererad gas Generatorgas Krackergas... 6 Krav på atmosfären... 8 Neutral och reducerande atmosfär... 9 Kväveatmosfär Kväve väteatmosfär Kväve väte Kolväteatmosfär Uppkolande atmosfär... 12 Kväve metanolatmosfär Nitrerande atmosfär... 14 Andra atmosfärstyper... 15 Argonatmosfär Vätgasatmosfär Övrig värmebehandling... 16 Tabeller... 17 För att förbättra ett materials eller en detaljs egenskaper i fråga om hållfasthet, slitagemotstånd, korrosionsmotstånd eller utmattningsegenskaper kan detaljen eller materialet undergå en eller fl era termiska cykler, s k värmebehandlingar. Materialet värms, kyls eller svalnas enligt defi nierade värden på temperatur och tid. En sådan termisk cykel kan t ex vara en härdning, där materialet blir hårdare och segare, eller en glödgning som gör materialet mjukare och lättare att bearbeta. För att undvika oavsiktlig förändring i metallytans egenskaper sker värmebehandlingen ofta under skyddsgas, t ex för att undvika oxidation, av- eller uppkolning. Ibland inbegriper värme behandlingen en medveten förändring av själva metallytan. Det kan vara en uppkolning där kol tillförs eller en nitrering där kväve överförs till metallytan. Kraven på dagens ugnsatmosfärer har ökat med avseende på prestanda, kvalitet och säkerhet, men även på ekonomi. Det innebär att valet av atmosfär, samt styroch reglerbarheten av atmosfären, spelar en allt större roll. I denna skrift redogörs för några olika typer av ugnsatmosfärer som används inom värmebehandling av järn och stål samt en del andra metaller. 3

Allmänt om industrigaser Industrigas framställs centralt hos gasleverantören och transporteras sedan ut till kunden. Produktionssättet innebär att gasen har mycket snäv toleransnivå och höga krav avseende sammansättningen t ex beträffande renhet. Ekonomiskt innebär det att kunden alltid kan ha tillgång till en högkvalitativ produkt till ett konkurrenskraftigt pris. Idag fi nns också så kallad on-siteproducerad gas, d v s gasen produceras på plats hos kunden. Vanliga industrigaser är Kvävgas (Nitrogen, N 2 ), Argon (Ar), Syrgas (Oxygen, O 2 ), samt Vätgas (Hydrogen, H 2 ). Kvävgas fi nns i de fl esta försörjningslösningar tillgänglig oberoende av elförsörjning och kan då användas som säkerhetsgas. Kvävgas har därför ett stort användningsområde som säkerhetsgas eller spolgas även om den inte används i processen i övrigt. Gaser för värmebehandling Gaser klassifi ceras ofta i två kategorier: - inerta gaser - reaktiva gaser Inerta gaser Till de inerta gaserna räknas argon, helium och kvävgas. Kvävgas är dock inte inert i sann mening, den reagerar vid höga temperaturer med ett fl ertal metaller och bildar med dessa nitrider. Vid glödgning av rostfria kromstål bildas till exempel kromnitrider i stålet och på metallytan. Vid värmebehandling av de fl esta stålsorter använda i verkstadsteknisk industri, t ex sätthärdningsstål och seghärdningsstål har kvävet ingen praktisk nitrerande verkan. Reaktiva gaser Efter sin effekt på stål kan olika reaktiva gaser indelas enligt nedan: - oxiderande: O 2, H 2 O och CO 2 - reducerande: CO och H 2 - uppkolande: CO och C X H Y, (t ex CH 4 ) - avkolande: CO 2, H 2 O och O 2 - nitrerande: NH 3 Dessa olika gaser kan användas ensamma eller i blandningar och möjliggör neutrala eller aktiva atmosfärer lämpade för olika värmebehandlingsprocesser. En ugnsatmosfär kan alltså bestå av reaktiva gaser som beroende av blandningsförhållandet gör atmosfären neutral, t ex varken upp- eller avkolande. Produktion och transport av gas En av de vanligaste gaserna som används för värmebehandling är kvävgas, även kallad NITROGEN. Kvävgasen framställs i industriell skala hos gasleverantören genom destillation av fl ytande luft. Kvävgasen utvinns i fl ytande fas och lagras samt transporteras i värmeisolerade behållare. Detta transportsätt medger att en stor gasmängd kan transporteras på ett ekonomiskt och säkert sätt. Den fl ytande kvävgasen benämns LIN (Liquid Nitrogen). Vid mindre förbrukningar lagras och transporteras gasen i komprimerat gasformigt tillstånd i cylindrar eller fl askor av metall. On-sitegenererad gas KVÄVGAS (N 2 ) I vissa situationer är det inte ekonomiskt försvarbart att transportera gasen. Man kan då framställa gasen på plats ute hos kunden. Det fi nns ett antal olika tekniker för detta. Produktion av kvävgas 4

kan t ex ske genom så kallad membranteknik där luften separeras i en speciell typ av fi lter. SPI och AMSA är utrustningar som är baserade på membranteknik men som har olika kapacitetsområden. SPI är en mindre och enkel enhet som är lätt att installera och fl ytta medan AMSA är framtagen för den stora förbrukaren men som också är designad för att kunna byggas ut och modifi eras avseende krav på kapacitet och renhet. Vid krav på hög renhet och stor kapacitet fi nns APSA som bygger på avancerad destillationsteknik. I fi gur 1 visas kapacitetsomfång och renhet på producerad gas för olika metoder av on-sitegenererad kvävgas. VÄTGAS (H 2 ) På grund av ökad användning av ren vätgas inom värmebehandlingsindustrin och därmed ökande krav på ekonomiska och säkra försörjningslösningar, fi nns idag även on-sitegeneratorer för vätgas anpassade för olika renhetskrav och kapaciteter (fi g. 2). Figur 1. Principiellt kapacitetsomfång för on-sitegenererad gas: SPI, AMSA och APSA. För jämförelse visas också försörjningsomfång och renhet av transportgas (LIN). Vätgas framställs genom elektrolys av vatten. Genom att reagera vätgasen i en s k deoxo och sedan torka den, kan man uppnå renheter på bättre än 5 ppm O 2 och daggpunkter lägre än -60 C. Figur 2. Kapacitetområde för olika HYOS vätgasgeneratorer. 5

Generatorgas Krackerga Ett ekonomiskt alternativ vid hög och jämn förbrukning av skyddsgas. Generatorgas och krackergas är exempel på gaser som produceras på plats hos kunden och som ofta direkt kan användas i processen. Nackdelen med generatorframställd gas är en begränsad fl exibilitet i kapacitet samt höga investeringskostnader. De rörliga kostnaderna är dock ofta lägre än vid annan framställning. Generatorgas Med generatorgas menas i allmänhet den gasatmosfär som erhålles då en bränsle-luftblandning partiellt förbränns. Den kan vara av i princip två typer: - exogas - endogas 6

s Exogas Exogas erhålls genom förbränning av propan eller naturgas med luftunderskott. Blandningsförhållandet luft/propan kan variera kraftigt och därmed exogasens sammansättning, exempelvis: CO 0-16% CO 2 14-4% H 2 0-17% Exogasen är billig att framställa men har vissa nackdelar, bl a. låg kolpotential vilket medför risk för avkolning. Genom att reducera halterna av CO 2 och H 2 O får man en torrare gas som kraftigt reducerar denna verkan. Endogas Endogas framställs genom partiell förbränning av propan eller naturgas. Reaktionen sker över en nickelkatalysator vid hög temperatur. Processen är främst endotermisk och gasens huvudanvändning är som uppkolande atmosfär eller neutral atmosfär för härdning (utan upp- eller avkolning). Endogas framställd av propan har sammansättningen: med små halter av CO 2 och H 2 O beroende på blandningsförhållandet luft/propan. Halterna av CO 2 och H 2 O är av avgörande betydelse för vilken kolpotential atmosfären har. En nackdel med endogasen är bland annat giftigheten som den höga halten CO medför. ALNAT I Genom att reagera kvävgas, producerad med on-siteteknik, med t ex propan över en katalysator, kan man framställa generator- N 2 N2 + 3% O2 + propan rest. H 2 7,5% CO 4,5% CH 4 0,5% CO 2 < 0,2% H 2 O < - 20 C O 2 CO 23% H 2 31% N 2 46% < 5 ppm Exempel på ALNAT I atmosfär. baserade atmosfärer för t ex glödg ning, sintring, neutralhärdning, anlöpning och lödning mycket ekonomiskt fördelaktigt och säkert. ALNAT I erbjuder en modern generatorteknik där man kraftigt ökat fl exibiliteten i gassamansättning och kapacitetsområde (fi g. 3). Krackergas Genom att dissociera ammoniak, NH3, vilket sker genom upphettning av ammoniakgasen över en katalysator, får man en gas bestående av kvävgas och vätgas. Från reaktionsformeln: 2NH 3 > N 2 + 3H 2 framgår att sammansättningen på gasen är: N 2 = 25% H 2 = 75% Gasen kan ha olika vatteninnehåll beroende på ammoniak-kvalitet och om gasen torkas efter krackning. Figur 3. Exempel på sammansättning av en ALNAT I -atmosfär genererad från kvävgas med renheten 97% och propan. 7

Krav på atmosfären Exempel på gaser inom värmebehandling. Förutom de rent ekonomiska kraven fi nns krav på säkerhet, tillgänglighet, fl exibilitet och förmåga att uppfylla de rena tekniska krav som ställs på atmosfären. Inom värmebehandling av metalller är de vanligaste ämnena som ingår i atmosfärens tekniska uppgift att överföra, till eller ifrån metallytan, kol, kväve och syre. Kol: uppkolning - avkolning - neutralhärdning Kväve: nitrering - nitrokarburering Syre: oxidation - reduktion En medveten överföring av t ex kol sker vid sätthärdning där stål ytan uppkolas för att sedan snabbt kylas. För att kunna säkerställa att rätt mängd kol överförs så att rätt kolhalt i stålet uppnås, måste atmosfären kunna styras med avseende på kolhalten (kolaktivitet) men också överföringsförmågan av kol är en viktig faktor. För kväve och nitrering gäller samma resonemang som för kol, d v s att atmosfärens kväveaktivitet måste styras samt att överföringsförmågan måste vara tillräcklig och anpassad till aktuella förhållanden. Överföring av syre i form av oxidation är i de fl esta fall en oönskad reaktion men tillämpas i vissa processer. Vid reduktion vill man att atmosfären skall överföra syre från stålytan till gasen. Merparten av alla glödgningar och värmebehandlingsprocesser sker med reducerande atmosfär för att undvika oxidation och för att reducera redan förekommande oxid så att en blank yta erhålls efter processen. En annan mycket viktig uppgift för atmosfären är att överföra värme till eller ifrån godset. Valet av atmosfär är i första hand beroende av beskaffenheten på materialet och vilken värmebehandling som skall utföras. Skall enbart en rent termisk cykel genomföras fi nns inte kravet att atmosfären skall vara aktiv t ex uppkolande eller nitrerande. Dock kan atmosfären vara styrd neutral med avseende på t ex kol. I de fl esta fall gäller att atmosfären inte skall oxidera behandlat gods utan vara reducerande. Beroende på materialets legeringsinnehåll kan atmosfären vara mer eller mindre torr, d v s i fråga om en väte-kväveatmosfär ha olika vatteninnehåll. Ugnsutrustningens utförande och kvalitet är också en viktig faktor vid val av atmosfär. I en icke helt tät ugn med luftläckage kan det t ex vara nödvändigt att använda en väte-kväveatmosfär i motsats till en tät ugn där enbart kvävgas skulle duga som atmosfär. I följande kapitel kommer några typer av atmosfärer för olika värmebehandlingar och material att diskuteras. 8

Neutral och reducerande atmosfär Kväveatmosfär Kvävgas används förutom som säkerhets- eller inerteringsgas, också som atmosfär där materialet inte kräver en reducerande verkan. Kvävgasen innehåller, beroende på kvalitet, alltid en mindre mängd syre och vatten, för LIN-kvalitet i storleksordningen < 10 ppm. För många värmebehandlingar är detta fullt tillräckligt. Typiska tillämpningar där ren kvävgas används som atmosfär är t ex - inertgas under kylförloppet vid - vakuumhärdning - oxidfri glödgning och anlöpning - av stål - glödgning av koppar Tillämpningsområdet för ren kvävgas är beroende av ugnsutrustningens beskaffenhet. En otät ugn innebär att syre läcker in och spolierar den ursprungliga kvaliteten på tillsatt gas. Kväve-väteatmosfär Genom att använda en blandning av kvävgas och vätgas får man en atmosfär som är reducerande. Reduktionsförmågan är beroende av atmosfärens vätgas- och vattenhalt. För oxidation/reduktion av en metall generellt (i nedanstående formel betecknad, Me) med vatten gäller: där jämviktskonstanten uttrycks: Aktiviteten för metall respektive oxid sätts oftast till 1. Genom att välja detta s k standardtillstånd för metall respektive metalloxid får man enklare beräkningar. Jäm viktskon stan ten kan då uttryckas enligt nedan: Me + H 2 O < > MeO + H 2 K Me / MeO = a MeO. p H 2 a Me.p H 2O K Me / MeO = p H 2 p H2 O Av ovanstående förstår man att jämviktskonstanten K Me / MeO beskriver när halten vätgas i relation till vattenhalten i atmosfären utgör den punkt där metall och metalloxid är i jämvikt. Det betyder att om förhållandet mellan väte och vatten är större än K Me / MeO så sker en reduktion av metalloxiden, och om förhållandet är mindre, sker en oxidation av metallen. Generellt gäller också att jämviktskonstanten K Me / MeO är beroende av temperaturen, där värdet på K Me / MeO ökar med sjunkande temperatur, vilket innebär att kravet på reduktionsförmågan hos atmosfären är större vid lägre temperatur. Det är därför alltid viktigt att känna till atmosfärens vätgas- och vatteninnehåll. Vattenhalten uttrycks ofta som daggpunkt vilket motsvarar den temperatur där vattnet i atmosfären kondenserar, se Tabell 1 sid 17. Järnoxider När järn och stål värms upp i oxiderande miljö bildas olika oxider beroende på temperatur och atmosfärens syrehalt. I det vanligaste temperaturområdet för värmebehandlingar (vanligtvis över 650 C utom för anlöpning) är det t ex risk att wüstit (FeO) bildas. I en väte-kväveatmosfär sker reduktionen av FeO enligt: FeO + H > 2 < Fe + H 2 O (Observera att reaktionsformeln är skriven åt motsatt håll jämfört med det generella fallet ovan vilket innebär att K = 1/ K Me / MeO ) Figur 4 visar jämviktskurvorna för järn och några järnoxider som funktion av temperatur och 9

forts. Neutral och reducera Temp ( 0 C) 900 800 700 600 500 400 ph 2 O/pH 2 -förhållandet. Från detta diagram kan man avläsa för vilken temperatur och gassammansättning som atmosfären är oxiderande respektive reducerande. Vid t ex 900 C krävs enligt diagrammet att förhållandet ph 2 O/pH 2 skall vara mindre än 0,53 för att atmosfären skall vara reducerande. Fe 3 Fe + 4 H 2O Om man har en atmosfär med 5% vätgas i ugnen betyder det att maximalt tillåten vattenhalt får vara 2,65% motsvarande en daggpunkt på ca 23 C. Fe 3O 4 + 4 H 2 Fe + H 2O Fe + H 2O Det är alltså relativt lätt att undvika oxidation av järn vid 900 C i ovan nämnda atmosfär. Vid kylningen eller svalningen av chargen under rådande atmosfär kommer dock 3 FeO + H 2O Fe 3O 4 + H 2 Fe 3 O 4 FeO 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 förhållandet ph 2 O/pH 2 att minska, varför atmosfären då måste vara mycket torrare. Vid t ex 400 C måste samma atmosfär hålla en daggpunkt på ungefär -4 C för att vara reducerande enligt diagrammet. För att minska risken för oxidation Figur 5. Redoxkurvor för rent krom och ett 10% kromstål. Figur 4. Jämviktsdiagram för järnoxider. p H 2 O ph 2 ( 0 C) 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 C r2 O 3 + 3H 2 vid sjunkande temperatur kan man vidta någon av följande ändringar: - öka halten vätgas - minska eller begränsa inläckage - av luft i ugnen - öka svalningshastigheten - öka omsättningshastigheten av - skyddsgasen Kromoxid Vid uppvärming av rostfritt stål oxideras krom lätt och bildar kromoxid, Cr 2 O 3. Under närvaro av vätgas reduceras denna oxid enligt: Cr 2 O 3 + 3H 2 < > 2Cr + 3H 2 O Liksom i fallet med järn, motsvaras atmosfärens reducerande eller oxiderande verkan vid en given temperatur av ett ph 2 O/pH 2-10 -8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 Rent krom > < 2Cr + 3H 2 O Vatten / väte-förhållandets (ph2o/ph2) inverkan på jämvikten mellan krom och kromoxid. Stål med 10% krom p H2O/pH2 10

nde atmosfär förhållande. Figur 5 visar detta förhållande för rent krom samt för ett 10% kromstål. Vid 900 C får ph 2 O/pH 2 -förhållandet inte överstiga ca 10-4 för ren krom och ca 4 x 10-4 för kromstålet med 10% krom. I en atmosfär med 5% vätgas innebär detta att motsvarande daggpunkt är ca -62 C respektive ca -57 C för kromstålet. Om man ökar vätgashalten i atmosfären minskar kravet på daggpunkten. I fallet 100% vätgas motsvarar det ca -47 C i fallet ren krom. De ovan nämnda exemplen visar att för undvikande av oxidation är halten av vätgas i atmosfären beroende av: - typ av metall eller legering som - skall behandlas - temperaturen vid behandlingen - och betingelserna vid kylningen - daggpunkten i ugnsatmosfären Ugnsatmosfärer baserade på väte-kväveblandningar används idag vid ett antal olika värmebehandlingsoperationer. Vid t ex normaliseringar och glödgningar kan halten vätgas ligga på ca 3-5%. Genom en blandarstation blandas kvävgas från en tank (LIN) med vätgas från ett fl askpaket eller onsitegenerator och leds därefter in i ugnen. Under helgstopp stängs vätgasen av och ett reducerat fl öde av kvävgas spolar ugnen. Fördelarna med en sådan installation är: - låga driftkostnader - hög driftsäkerhet - hög säkerhet - stor fl exibilitet Kväve-väte-Kolväteatmosfär Gasblandningar med N 2 och H 2 passar mycket bra om ugnsatmosfärens uppgift är att undvika oxidation av metallytan. De har dock nackdelen att vid högre temperaturer orsaka ytavkolning speciellt om en legerings kolhalt är hög. Tendensen till avkolning vid lägre temperaturer är ytterst beroende av daggpunkten i atmosfären. För att undvika risken för avkolning kan man tillsätta en mindre mängd kolväte, t ex propan eller metan, till kväve-väteatmosfären. Atmosfärer baserade på kvävgas och vätgas har i många applikationer en maximal vätehalt på 5% (volym%) av säkerhetstekniska skäl. Om atmosfären också har en tillsats av metan gäller att summan av vätgas och metan i en kvävgasbaserad atmosfär inte får överstiga 5% och att samtidigt metanhalten inte får överstiga 1% för att klassas som ej brännbar. En sådan atmosfär är därför mycket säker att använda och används ofta vid austenitisering, glödgningar etc. Exempel på reglersystem. 11

Uppkolande atmosfär Uppkolande atmosfär har stor användning inom tillverknings- och bilindustri där olika komponenter sätthärdas för att förbättra komponenternas slitage- och utmattnings-egenskaper. Ugnsatmosfärer för uppkolning är ofta av s k endogastyp. De är i allmänhet komponerade på följande vis: - en bärargas med höga halter - av kolmonoxid och vätgas, med - kvävgas som bas - en aktiv tillsatsgas, normalt - propan eller naturgas Den uppkolande effekten i dessa gasblandningar fås framförallt av koloxiden. De reaktioner som normalt sker är enligt nedan: CO + H > 2 < C _ + H 2 O 2CO < > C _ + CO 2 CH < > 4 C _ + 2H 2 Uppkolningsugn Av dessa är det den första som är den dominerande då den är fl era storleksordningar snabbare än de övriga. Med kolpotential menas den kolhalt som fås i stålytan då denna är i jämvikt med omgivande atmosfär. Kolpotentialen (egentligen kolaktiviteten) kan för ovanstående reaktioner tecknas: 12

a c = K 1. P CO. P H 2 a c = K 2. a c = K 3. P H2 O P 2 CO P 2 CO 2 P CH 4 P 2 H 2 där K 1, K 2 och K 3 är jämviktskonstanterna för respektive reaktion ovan. Den s k vattengasreaktionen, är mycket snabb och ställer in jämvikten av CO och CO 2 i atmosfären. Analys av CO, och CO 2 - halten i ugnen kan därför utnyttjas för bestämning av kolaktiviten. Idag används ofta en s k syresond för att bestämma kolaktiviteten i atmosfären. Genom att uttnyttja reaktionen där CO är den direkt uppkolande gasen, där H 2 + CO 2 < > CO+ H 2 O CO C _ + 1/20 2 a c = K 5 P CO _ P o2 och genom att utnyttja sambandet E(mV) log P O2 = 0.678 4.96. 10-2. T(K) får man kolaktiviteten som funktion av ett mv-värde från syresonden, se tabell 2, sid 18. CO-halten måste dock vara känd. Genom att tillsätta propan eller naturgas (CH 4 ) kan CO 2 och H 2 O- halterna kontrolleras och därmed kolpotentialen i atmosfären: C 3 H 8 + CO 2 < > 2CO + 2CH 4 C 3 H 8 + H 2 O < > CO + 2CH 4 + H 2 CH 4 + CO 2 < > 2CO + 2H 2 CH 4 + H 2 O < > CO + 3H 2 På motsvarande sätt kan kolpotentialen i atmosfären minskas genom lufttillsats där kolmonoxid och vätgas ombildas till koldioxid respektive vatten. Kväve-metanolatmosfär Uppkolande atmosfärer kan vara av typen generatorgas (endogas) eller framställas direkt i ugnen, s k in-situ-generering av atmosfären. Genom att injicera metanol i ugnen sker en dissociation av metanolen under bildning av kolmonoxid och vätgas. Tekniken bygger på att metanolen injiceras på rätt sätt och vid rätt temperatur för att få bästa resultat. Metanol dissocierar vid temperaturer över ca 800 C enligt formeln: CH 3 OH > CO + 2H 2 Från reaktionsformeln ser man att vätgas fås i dubbla mängden jämfört med kolmonoxid. Genom att justera blandningsförhållandet mellan kvävgas och metanol kan atmosfärer med olika halter av CO och H 2 erhållas. Magra blandningar kan t ex användas för austeniteseringar och glödgningar, medan rik inblandning av metanol kan utnyttjas för uppkolning. Fördelar med kväve-metanolatmosfärer gentemot generatorbaserad atmosfär är att: - gassammansättningen kan väljas - för varje enskild ugn - kapaciteten och fl exibiliteten är - mycket stor - kväve-metanolatmosfären har - en högre kolaktivitet vilket gör att det totala gasbehovet kan minskas - genom att använda mycket rik - blandning (hög CO-halt) kan - uppkolningshastigheten ökas - säkerhetsgasen kväve är in- - byggd i processen 13

Nitrerande atmosfär Nitrering och nitrokarburering är värmebehandlingsprocesser som ökar i betydelse. Kväve överförs till metallytan genom dissociation av ammoniak, NH 3, enligt följande reaktionsformel. där N betecknar atomärt kväve löst i stålet. Kväveaktiviteten av en nitrerande atmosfär bestäms av följande ekvation: En nitrerande atmosfär består alltid till en större eller mindre del av ammoniak, NH 3, eller blandningar av ammoniak och kvävgas. Vid nitrokarburering önskar man att också tillföra kol till metallytan, därför ingår då också en gas innehållande kol, t ex CO 2, CH 4 eller CO. Då ammoniak tillförs ugnen kommer en del av denna att delvis dissociera till kvävgas och vätgas enligt: NH 3 N + 3/2H 2 a n = K P NH 3 P H2 3/2 2NH 3 N 2 + 3H 2 Den grad till vilken ammoniaken dissocierar kallas dissociationsgrad och beror på temperatur, omsättningshastighet av atmosfären, graden av intern atmosfärscirkulation i ugnen, typ av charge etc. För att erhålla repeterbara resultat måste atmosfären kontrolleras med avseende på kväveaktiviteten, a N, som måste upprätthållas på konstant nivå från charge till charge. Kväveaktiviteten beräknas genom analys av halten ammoniak tillsammans med halten vätgas i ugnsatmosfären enligt ekvationen ovan. För ren nitrering används oftast en atmosfär bestående av 100% ammoniak. En vanlig atmosfärssammansättning för nitrokarburering är 35-50% NH 3 + 5% CO 2 med kvävgas som bas. På samma sätt som för uppkolningsatmosfärer kan nitrokarbureringsatmosfärens kolaktivitet bestämmas genom analys av halterna CO och CO 2 i ugnen. Man kan också använda en speciell typ av syresond. Nitrokarbureringsatmosfärer med CO 2 -tillsats har också ofta högt vatteninnehåll. Det motsvarar en hög daggpunkt vilket försvårar gasanalys. 14

Andra atmosfärstyper Argonatmosfär Vid värmebehandling av stålsorter med högt legeringsinnehåll av nitridbildare t ex krom, kan man få icke önskvärd nitrering av stålet. Ett sätt att undvika denna nitrering är att byta ut kvävet som bas och ersätta detta med argon. Argonbaserade atmosfärer är ofta, på samma sätt som kvävebaserade atmosfärer, sammansatta med vätgas för att erhålla en reducerande atmosfär. Vätgasatmosfär Ren vätgasatmosfär används då man eftersträvar maximal reduktionsförmåga hos atmosfären, men också för att dra nytta av vätgasens överlägsna värmeledningsförmåga. Ren vätgasatmosfär används bland annat vid blankglödgning av band och tråd. Vätgasen ger också rena ytor vid reaktion med kvarvarande oljeoch emulsionsrester på bandytan. Värmeledningsegenskaperna gör att processtiderna kan kortas pga snabbare uppvärmnings- och kylförlopp. 15

Övrig värmebehandling Värmebehandling under vakuum Genom att hålla halterna av CO 2 och H 2 O mycket låga kan oxidation och avkolning i princip undvikas helt. Med vakuumteknik kan man uppnå mycket låga totaltryck i ugnen. Vid härdning av verktygsstål använder man sig i praktiken av totaltryck i storleksordningen 10-2 -10-3 mbar, och till exempel vid lödprocesser ned till 10-6 -10-7 mbar. Ett problem vid de mycket låga tryck som används vid värmebehandling i vakuum, är att ångtrycket av legeringselementen i stålet är av samma storleksordning som vakuumtrycket självt. Man kan då få problem med utarmning av legeringselement i metallytan. Om man ökar trycket något i ugnen genom insläpp av kvävgas eller argon kan detta undvikas. Lågtrycksuppkolning Lågtrycksuppkolning genomförs, som namnet antyder, under ett reducerat totaltryck i ugnen, ofta runt 10-50 mbar. Genom att använda kolinnehållande gaser, t ex acetylen och propan som uppkolningsmedia, utsätts inte metallytan för någon oxidation. Man kan därför undvika inre oxidation och korngränsoxidation som förekommer vid uppkolningsprocesser vid atmosfärstryck och med ugnsatmosfärer av endogastyp. Kolpotentialen vid lågtrycksuppkolning kan inte defi nieras eller styras som vid atmosfärsuppkolning då uppkolningsgasen inte uppnår någon jämvikt med stål ytan. Principen vid lågtrycksuppkolning är att under en relativt kort period mätta stålytan med kol och därefter låta denna mängd kol diffundera in i stålet. En sådan uppkolningspuls sker genom att öka trycket genom tillsats av uppkolningsgasen, för att sedan evakuera ned till lägre tryck igen. Genom att applicera en eller fl era sådana pulser med olika intervall kan olika kolprofi ler i stålytan uppnås. Processen genomförs normalt vid en högre temperatur (ca 1050 C) jämfört med normal atmosfärsuppkolning och vid ett lägre tryck. Överföringsförmågan av kol från uppkolningsgasen till metallytan ökar då, vilket minskar den totala processtiden. Eftersom det inte fi nns någon risk för ytoxidation kan också processtemperaturen ökas, vilket är den huvudsakliga orsaken till den betydligt kortare processtiden vid lågtrycksuppkolning. Övriga värmebehandlingsprocesser Det fi nns också ett fl ertal andra processer där gas ingår som ett viktigt medium i processen. PVD (Physical Vapour Deposition) och CVD (Chemical Vapour Deposition) är exempel där olika gaser aktivt används för att modifi era matrialets ytbeskaffenhet. Andra processer är plasmanitrering, plasmanitrokarburering och plasmauppkolning. Kylning med gas För att kunna kyla snabbt efter värmebehandling, speciellt i vakuum- eller lågtrycksprocesser, används oftast kvävgas under högt tryck. Vanligen används tryck mellan 5 och 15 bar, men i vissa fall är trycket betydligt högre. Ibland används också helium, argon eller vätgas eller blandningar därav. Efter själva värmebehandlingen fylls ugnen med gas under högt tryck. Gasen sätts i kraftig cirkulation av en fl äkt. Gasen får passera över en värmeväxlare som kyler den av chargen uppvärmda 16

Dp % H2O Dp % H2O gasen. Lagring av fl ytande kvävgas (LIN) sker under högt tryck, upp till ca 30 bar, i en lagertank. För att få snabb fyllning vid rätt tryck av själva ugnen fi nns också en bufferttank i direkt anslutning till ugnen. Vid kylning av chargen fylls ugnen med kvävgas direkt från bufferttanken som i sin tur direkt återfylls från lagringstanken. Ett sådant system kräver därför ingen extra utrustning som till exempel kompressorer för att erhålla rätt tryck in till ugnen. Det är därför mycket driftsäkert och ekonomiskt. Tabell 1 Daggpunkt som funktion av vol% H 2 O -80 = 0,000 0 = 0,556-79 = 0,000 1 = 0,598-78 = 0,000 2 = 0,643-77 = 0,000 3 = 0,691-76 = 0,000 4 = 0,742-75 = 0,000 5 = 0,796-74 = 0,000 6 = 0,854-73 = 0,000 7 = 0,915-72 = 0,000 8 = 0,981-71 = 0,001 9 = 1,050-70 = 0,001 10 = 1,125-69 = 0,001 11 = 1,203-68 = 0,001 12 = 1,287-67 = 0,001 13 = 1,376-66 = 0,001 14 = 1,470-65 = 0,001 15 = 1,570-64 = 0,001 16 = 1,676-63 = 0,001 17 = 1,788-62 = 0,002 18 = 1,907-61 = 0,002 19 = 2,033-60 = 0,002 20 = 2,166-59 = 0,002 21 = 2,307-58 = 0,003 22 = 2,456-57 = 0,003 23 = 2,614-56 = 0,003 24 = 2,781-55 = 0,004 25 = 2,957-54 = 0,004 26 = 3,143-53 = 0,005 27 = 3,340-52 = 0,005 28 = 3,547-51 = 0,006 29 = 3,765-50 = 0,006 30 = 3,996-49 = 0,007 31 = 4,239-48 = 0,008 32 = 4,495-47 = 0,009 33 = 4,764-46 = 0,010 34 = 5,048-45 = 0,011 35 = 5,347-44 = 0,012 36 = 5,661-43 = 0,013 37 = 5,992-42 = 0,015 38 = 6,340-41 = 0,016 39 = 6,705-40 = 0,018 40 = 7,089-39 = 0,020 41 = 7,492-38 = 0,022 42 = 7,915-37 = 0,025 43 = 8,360-36 = 0,027 44 = 8,826-35 = 0,030 45 = 9,315-34 = 0,033 46 = 9,828-33 = 0,036 47 = 10,366-32 = 0,040 48 = 10,929-31 = 0,043 49 = 11,519-30 = 0,048 50 = 12,137-29 = 0,052 51 = 12,785-28 = 0,057 52 = 13,462-27 = 0,063 53 = 14,171-26 = 0,068 54 = 14,912-25 = 0,075 55 = 15,688-24 = 0,082 56 = 16,498-23 = 0,089 57 = 17,346-22 = 0,097 58 = 18,231-21 = 0,106 59 = 19,155-20 = 0,115 60 = 20,121-19 = 0,125 61 = 21,129-18 = 0,136 62 = 22,181-17 = 0,148 63 = 23,279-16 = 0,161 64 = 24,424-15 = 0,175 65 = 25,618-14 = 0,190 66 = 26,863-13 = 0,206 67 = 28,160-12 = 0,223 68 = 29,512-11 = 0,241 69 = 30,921-10 = 0,261 70 = 32,388-9 = 0,282 71 = 33,915-8 = 0,305 72 = 35,505-7 = 0,329 73 = 37,160-6 = 0,356 74 = 38,881-5 = 0,384 75 = 40,672-4 = 0,414 76 = 42,534-3 = 0,446 77 = 44,470-2 = 0,480 78 = 46,483-1 = 0,517 79 = 48,574-0 = 0,556 80 = 50,747 17

Kolpot. Temperatur C vikt.%c 820 830 840 850 860 870 880 0,20 1039,5 1041,1 1042,7 1044,3 1046,0 1047,7 1049,5 Kolpot. vikt.%c 0,20 0,25 1050,0 1051,7 1053,5 1055,3 1057,1 1059,0 1060,9 0,30 1058,8 1060,7 1062,6 1064,5 1066,5 1068,5 1070,5 0,35 1066,5 1068,5 1070,5 1072,5 1074,6 1076,7 1078,9 0,40 1073,4 1075,4 1077,6 1079,7 1081,9 1084,1 1086,3 0,45 1079,6 1081,7 1083,9 1086,1 1088,4 1090,6 1092,9 0,50 1085,3 1087,5 1089,8 1092,1 1094,4 1096,7 1099,0 0,55 1090,6 1092,9 1095,2 1097,5 1099,9 1102,2 1104,6 0,60 1095,5 1097,8 1100,2 1102,6 1105,0 1107,4 1109,9 0,65 1100,1 1102,5 1104,9 1107,4 1109,8 1112,3 1114,8 0,70 1104,5 1107,0 1109,4 1111,9 1114,4 1116,9 1119,4 0,75 1108,7 1111,2 1113,6 1116,2 1118,7 1121,2 1123,8 0,80 1112,7 1115,2 1117,7 1120,2 1122,8 1125,4 1128,0 0,85 1116,5 1119,0 1121,5 1124,1 1126,7 1129,3 1131,9 0,90 1120,1 1122,7 1125,3 1127,9 1130,5 1133,1 1135,8 0,95 1128,8 1131,5 1134,1 1136,8 1139,4 1,00 1134,9 1137,6 1140,3 1143,0 1,05 1143,7 1146,4 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 Temperatur C 890 900 910 920 930 940 950 1051,3 1053,1 1054,9 1056,8 1058,7 1060,6 1062,6 1062,9 1064,8 1066,8 1068,8 1070,9 1072,9 1075,0 1072,6 1074,7 1076,8 1078,9 1081,0 1083,2 1085,3 1081,0 1083,2 1085,4 1087,6 1089,8 1092,0 1094,3 1088,5 1090,8 1093,0 1095,3 1097,6 1099,9 1102,2 1095,2 1097,6 1099,9 1102,2 1104,6 1106,9 1109,3 1101,4 1103,8 1106,1 1108,5 1110,9 1113,4 1115,8 1107,1 1109,5 1111,9 1114,4 1116,8 1119,3 1121,8 1112,3 1114,8 1117,3 1119,8 1122,3 1124,8 1127,3 1117,3 1119,8 1122,3 1124,8 1127,4 1129,9 1132,5 1121,9 1124,5 1127,0 1129,6 1132,2 1134,8 1137,4 1126,4 1128,9 1131,5 1134,1 1136,7 1139,4 1142,0 1130,6 1133,2 1135,8 1138,4 1141,1 1143,7 1146,4 1134,6 1137,2 1139,9 1142,5 1145,2 1147,9 1150,6 1138,4 1141,1 1143,8 1146,5 1149,2 1151,9 1154,6 1142,1 1144,8 1147,5 1150,2 1153,0 1155,7 1158,4 1145,7 1148,4 1151,1 1153,9 1156,6 1159,4 1162,1 1149,1 1151,9 1154,6 1157,4 1160,2 1162,9 1165,7 1152,5 1155,2 1158,0 1160,8 1163,6 1166,4 1169,2 1158,5 1161,3 1164,1 1166,9 1169,7 1172,5 1164,5 1167,3 1170,1 1173,0 1175,8 1173,3 1176,1 1179,0 1182,1 Tabell 2 mv signal vid 60% metanol / 40% nitrogen- atmosfär (20%CO) Kolpot. vikt.%c 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 1,50 Temperatur C 960 970 980 990 1000 1964,5 1066,5 1068,4 1070,4 1072,4 1077,0 1079,1 1081,2 1083,3 1085,4 1087,5 1089,7 1091,9 1094,1 1096,3 1096,5 1098,8 1101,1 1103,3 1105,6 1104,5 1106,8 1109,2 1111,5 1113,9 1111,7 1114,1 1116,5 1118,9 1121,3 1118,2 1120,7 1123,1 1125,6 1128,0 1124,2 1126,7 1129,2 1131,7 1134,2 1129,8 1132,3 1134,9 1137,4 1140,0 1135,0 1137,6 1140,2 1142,8 1145,3 1140,0 1142,6 1145,2 1147,8 1150,4 1144,6 1147,2 1149,9 1152,5 1155,2 1149,0 1151,7 1154,4 1157,0 1159,7 1153,2 1155,9 1158,6 1161,3 1164,0 1157,3 1160,0 1162,7 1165,4 1168,2 1161,2 1163,9 1166,7 1169,4 1172,2 1164,9 1167,7 1170,4 1173,2 1176,0 1168,5 1171,3 1174,1 1176,9 1179,7 1172,0 1174,8 1177,6 1180,4 1183,2 1175,4 1178,2 1181,0 1183,9 1186,7 1178,6 1181,5 1184,3 1187,2 1190,1 1181,8 1184,7 1187,6 1190,5 1193,3 1184,9 1187,8 1190,7 1193,6 1196,5 1188,0 1190,9 1193,8 1196,7 1199,6 1196,8 1199,7 1202,6 1202,6 1205,6 1208,5 18

Anteckningar 19

Air Liquide Gas AB är medlem i Air Liquide-gruppen, som med sina bolag i 70 länder inte bara är världens största industrigaskoncern, utan även ledande när det gäller utveckling av gaser, utrustning och tillämpningar. Tillsammans med våra systerföretag i Danmark, Norge och Finland ingår vi i en gemensam nordisk organisation med resurser att erbjuda alla kunder en mycket god service, även över landsgränserna. Våra kunder fi nns inom de fl esta områden, t ex industri, kemi, elektronik, livsmedel, miljövård och sjukvård. Vi hjälper dig att utnyttja gasteknikens unika möjligheter på bästa sätt. Från inledande behovsanalys, provkörning, installation och utbildning fram till optimalt intrimmad process. Därutöver kan vi erbjuda en rad olika tjänster, bl a service och underhåll, automatiska gasleveranser samt individuella lösningar anpassade efter våra kunders behov. Tack vare våra strategiskt placerade produktionsenheter, vår effektiva transportorganisation och mer än 350 försäljningsställen levererar vi snabbt och säkert över hela Norden. Air Liquide Gas AB är kvalitetscertifi erat enligt ISO 9001:2000 och miljöcertifi erat enligt ISO 14001. AF001.S www.marknadsutveckling.com / Markaryds Grafi ska Störst i världen på gas. I Sverige sedan 1912. Air Liquide Gas AB Lundavägen 151 212 24 Malmö Tel 040-38 10 00 Fax 040-43 69 43 www.airliquide.se