FTIR-mätning för optimerad nitrokarburering

I många värmebehandlingsprocesser är gasen egenskapskritisk. Med rätta gasinställningar kan egenskaperna optimeras och processtiderna kortas. Det krävs dock gedigen gas-, process- och materialkunskap samt bra gasanalysinstrument för att nå de resultat man önskar.

Inom industrin finns idag ett stort intresse av nitreringsprocesser för ytbehandling då dessa använder lägre temperaturer, vilket sänker energikostnaderna, och kräver mindre efterbearbetning, vilket minskar berabetningskostnaderna. Ett problem är dock att varje ugn är unik och den optimala gassammansättningen kan variera kraftigt beroende på storlek, typ och godsmängd.

Exakta mätningar krävs för att hitta rätt gasblandning
Nitrokarburering används för att härda ytan på stål och skapa ett material som är extremt slittåligt. Gaserna ammoniak, kvävgas och koldioxid tillsätts en ugnskammare som har en temperatur på runt 550 till 580C. Nitreringen av stålet kommer i huvudsak från restammoniaken, ??₃ = ?_?? + ?₂ och kolet från CO som bildats från sönderfallen CO₂, ??₂+?₂=??+?₂? som sedan går in i ytan på stålet via reaktionerna ??+?2=?_??+?₂? alt. 2??=?_??+??₂ och bildar en föreningszon som ligger som ett slittåligt skikt på ytan som ger låg friktion mellan två ytor i gnidande kontakt. För exakt processtyrning måste man analysera gasen i processkammaren och därefter justera gasflödena för processen.

”Genom att mäta samtliga gaskomponenter i ugnen och förstå hur processen beter sig kan man trimma och optimera processen som man önskar”, säger Anders Åström, applikationsingenjör inom värmebehandling på AGA. “Eftersom alla ugnar är individer kan man inte säga att samma recept funkar på alla ungar. Varje ugn ska trimmas efter de förhållanden som gäller för den ugnen och de charger som processas där i. Och bäst resultat får man så klart om man kontinuerligt mäter och aktivt reglerar processen, men i och med de utmaningar man möter i nitrokarbureringsprocessen kan man behöva kompromissa och endast mäta ugnen en eller ett par gånger per år”

Infraröd strålning visar variationer över tid
“Ett FTIR instrument använder sig av infraröd strålning för att skapa ett spektrum som visar gasens sammansättning. Genom att mäta under en processcykel ser man variationen i sammansättning över tid och kan på så vis optimera gasbehovet utifrån gasanalysen. AGA har använt FTIR instrument i 17 år och har jobbat med den här sortens processer sedan 1990-talet”, säger Anders Åström.

”För att kunna göra en effektiv mätning behövs både gaskunskap, processkunskap och materialkunskap. Har man inte en bra gaskalibreringsprocedur kan du inte lita på dina värden. Det gäller ha koll på instrumentdriften och kalibrera regelbundet för att analysen skall stämma. Ändra på en gasblandning kan man göra, men man måste ha koll på vad resultatet i processen blir efter en sådan ändring så det inte slår tillbaka på godsets kvaliteten”, fortsätter Anders Åström.

Huskvarna Härdverkstad fördubblade sin kapacitet
AGA hjälpte Huskvarna Härdverkstad fördubbla sin kapacitet för nitrokarburering genom att optimera gasmixen till företagets satsugn på ett sätt som både förkortade processtiderna och höjde kvaliteten.

Huskvarna Härdverkstad ville ha hjälp med att snabba upp sin process, och AGA utförde då en FTIR mätning för att identifiera en optimal inställning på gasflödet. Resultatet blev att processtiderna kortades med 10 procent, vilket var tillräckligt för att företaget nu kan få in två charger per dag istället för en. När AGA utförde sina mätningar hos Huskvarna Härdverkstad upptäckte man att halten av restammoniak var lägre än optimalt och att även CO/CO₂ halterna inte var optimala och man kunde justera värdena för att förbättra gassammansättningen.

Huskvarna ville dokumentera och mäta.
Optimeringen har hjälpt företaget säkerställa att stålet håller en jämn kvalitet samtidigt som processen blivit snabbare. ”Vår prioritet har varit att fortsätta hålla samma kvalitet som kunderna förväntar sig även fast standarden på materialet på marknaden har försämrats något. Då behövs en bättre process. Man hade kunnat välja att prova sig fram själva, men vi ville dokumentera vad vi gör och mäta processerna”, säger Johan Ljunggren, VD på Huskvarna Härdverkstad.

För Huskvarna Härdverkstad var det just AGAs långa erfarenhet när det gäller den här metoden som gjorde att man vände sig till företaget. ”Vi ser att AGA har kompetens när det gäller de här mätningarna och är väldigt duktiga på att leverera teknisk rådgivning. Vi hade noll avvikelser förra året och vi har kvar det som målsättning, och då måste vi vara noga med vilka vi väljer som våra samarbetspartners”, säger Johan Ljunggren.

Text: Mattias Karén
Illustration: AGA