Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wärme- und werkstofftechnische Auswirkungen von Wasserstoffatmosphären bei der Wärmebehandlung

Hohe Abkühlraten sind eine im Ofenbau häufig gestellte Forderung zur Verbesserung mechanischer Eigenschaften behandelter Materialien oder zur Einstellung geforderter Eigenschaften mit verringertem Legierungseinsatz.

Der Einsatz von Wasserstoff in Ofenatmosphären ermöglicht höhere Wärmeübergänge als andere gasförmige Medien, dabei bessere Gleichmäßigkeit und Regelbarkeit als flüssige Medien. Bezüglich des Wärmeübergangs bestehen Unsicherheiten und Abweichungen in der vorhandenen Literatur, welche durch Messung in H2-Strömungen beseitigt werden.

Viele Werkstoffe, z. B. hochfeste Stähle und nicht desoxidiertes Kupfer, reagieren empfindlich auf H2. Das Gefährdungspotential einer Abkühlung unter H2 soll ermittelt werden, indem behandelte Proben auf ihren H2-Gehalt und dadurch bedingte Verschlechterung mechanischer Eigenschaften untersucht werden.

Für Werkstoffhersteller (selten kmU) ergibt sich die Möglichkeit hohe Abkühlraten ohne den Einsatz von hohen Gebläseleistungen zu erreichen und damit die Einstellung der geforderten mechanischen Eigenschaften bei verringertem Legierungseinsatz energie- und ressourceneffizienter zu erreichen. Bauteilfertiger wie Massivumformer (oft kmU) und Dienstleister für die Wärmebehandlung/Lohnhärtereien (oft kmU) profitieren durch energieeffizientere Prozesse durch kleinere Ventilatorleistungen und kürzere Prozesszeiten. Anlagenbauer (teilweise kmU) erhalten die Basis für ein neues Produktspektrum, ebenso verschiedene Zulieferer, z. B. Lieferanten von Gebläsen (oft kmU), Mess- und Sicherheitstechnik (teilweise kmU), und technischen Gasen (selten kmU).

Die angestrebten Ergebnisse leisten einen Beitrag zum volkswirtschaftlichen und gesellschaftlichen Ziel der Energie- und Ressourceneffizienz. Kann für einige Werkstoffe eine Alternative zu Schwermetallschmelzen als Kühlmedium geschaffen werden, so stellt dies zusätzlich einen Beitrag zu den volkswirtschaftlichen und gesellschaftlichen Zielen des Umwelt- und Gesundheitsschutzes dar.

Ergebniszusammenfassung:

Die detaillierten Kenntnisse über den Wärmeübergangskoeffizienten von Wasserstoff und dem Effusionsverhalten hochfester Stähle, die Identifikation der relevanten Prozesseinflussgrößen sowie die Ableitung von Prozessoptimierungsmaßnahmen zur Verbesserung der Bauteilsicherheit bringt für Werkstoffhersteller, Anlagenhersteller, Bauteilhersteller und Anwender folgenden Nutzen:

• Vertieftes Wissen zu den Auswirkungen einer Wärmebehandlung von Blechwerkstoffen unter Wasserstoff auf das Wasserstoffaufnahme- und das werkstoffspezifische Effusionsverhalten

• Ableitung von prozesstechnischen Maßnahmen, um das fertigungsbedingte Wasserstoff-Gefährdungspotenzial zu verringern

• Kosten, Energie- und Zeiteinsparungen bei der Einstellung der geforderten mechanischen Eigenschaften

• Einsparung von Kosten und Ressourcen durch verringerten Einsatz von Legierungselementen

• Substitution umweltgefährdender und gesundheitsschädlicher Schwermetallschmelzbäder

• Weiterentwicklung der Prozesse und Betriebsstoffe

• Sicherstellung der Bauteilsicherheit gegenüber fertigungsbedingter „Wasserstoffversprödung“

• Verbesserung der Prüfmethodik für die Prozesskontrolle und -freigabe

• Vertrauensgewinn bei den Kunden durch die Kenntnis und Beherrschung der Problematik der fertigungsbedingten „Wasserstoffversprödung“

• Vertrauensgewinn bei den Kunden durch verbesserte Beratung und optimierte Prozesse

• Verbesserung der Akzeptanz beim Einsatz hochfester Bauteile