Gas för värmebehandling - Air Liquide

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, korro- 

sionsmotstånd eller utmattnings- 

egenskaper kan detaljen eller mate- 

rialet undergå en eller fl era termiska 

cykler, s k värmebehandlingar. 

Materialet värms, kyls eller svalnas 

enligt defi nierade värden på tem- 

peratur 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 föränd- 

ring i metallytans egenskaper sker 

värmebehandlingen ofta under 

skyddsgas, t ex för att undvika 

oxidation, av- eller uppkolning. 

Ibland inbegriper värme behand- 

lingen 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 pre- 

standa, kvalitet och säkerhet, men 

även på ekonomi. Det innebär 

att valet av atmosfär, samt styr- 

och reglerbarheten av atmosfären, 

spelar en allt större roll. 

I denna skrift redogörs för några 

olika typer av ugnsatmosfärer 

som används inom värmebehand- 

ling av järn och stål samt en del 

andra metaller. 

3

4 

Allmänt om industrigaser 

Industrigas framställs centralt hos 

gasleverantören och transporteras 

sedan ut till kunden. Produk- 

tionssättet innebär att gasen har 

mycket snäv toleransnivå och 

höga krav avseende sammansätt- 

ningen t ex beträffande renhet. 

Ekonomiskt innebär det att 

kunden alltid kan ha tillgång till en 

högkvalitativ produkt till ett konkur- 

renskraftigt 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 (Hydro- 

gen, H 2). 

Kvävgas fi nns i de fl esta för- 

sörjningslösningar tillgänglig obe- 

roende av elförsörjning och kan 

då användas som säkerhetsgas. 

Kvävgas har därför ett stort 

användningsområde som säker- 

hetsgas eller spolgas även om den 

inte används i processen i övrigt. 

Gaser för värmebehandling 

Gaser klassifi ceras ofta i två kate- 

gorier: 

- 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 krom- 

nitrider i stålet och på metallytan. 

Vid värmebehandling av de fl esta 

stålsorter använda i verkstadstek- 

nisk 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: O2, H2O och CO2 - reducerande: CO och H2 - uppkolande: 

- avkolande: 

- nitrerande: 

CO och C XH Y, (t ex CH 4) 

CO 2, H 2O och O 2 

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. Kväv- 

gasen utvinns i fl ytande fas och 

lagras samt transporteras i värme- 

isolerade behållare. Detta trans- 

portsätt medger att en stor gas- 

mängd kan transporteras på ett 

ekonomiskt och säkert sätt. Den 

fl ytande kvävgasen benämns LIN 

(Liquid Nitrogen). Vid mindre för- 

brukningar lagras och transporte- 

ras gasen i komprimerat gasfor- 

migt tillstånd i cylindrar eller fl askor 

av metall. 

On-sitegenererad gas 

KVÄVGAS (N 2) 

I vissa situationer är det inte eko- 

nomiskt försvarbart att transpor- 

tera gasen. Man kan då framställa 

gasen på plats ute hos kunden. 

Det fi nns ett antal olika tekniker 

för detta. Produktion av kvävgas

kan t ex ske genom så kallad 

membranteknik där luften separe- 

ras i en speciell typ av fi lter. 

SPI och AMSA är utrustningar 

som är baserade på membrantek- 

nik men som har olika kapacitets- 

områden. SPI är en mindre och 

enkel enhet som är lätt att instal- 

lera och fl ytta medan AMSA är 

framtagen för den stora förbruka- 

ren men som också är designad 

för att kunna byggas ut och modi- 

fi 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 värmebehand- 

lingsindustrin 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 elektro- 

lys 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. Kapa- 

citetområde 

för olika HYOS 

vätgasgenera- 

torer. 

 

5

6 

Generatorgas – Krackerga 

Ett ekonomiskt 

alternativ vid 

hög och jämn 

förbrukning av 

skyddsgas. 

Generatorgas och krackergas är 

exempel på gaser som produce- 

ras på plats hos kunden och som 

ofta direkt kan användas i pro- 

cessen. Nackdelen med genera- 

torframställd 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-luftbland- 

ning partiellt förbränns. Den kan 

vara av i princip två typer: 

- exogas 

- endogas

s 

Exogas 

Exogas erhålls genom förbränning 

av propan eller naturgas med luft- 

underskott.Blandningsförhållan- det luft/propan kan variera kraftigt 

och därmed exogasens samman- 

sättning, exempelvis: 

CO ≈ 0 - 16% 

CO 2 ≈ 14 - 4% 

H 2 

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 2O får man 

en torrare gas som kraftigt redu- 

cerar denna verkan. 

Endogas 

≈ 0 - 17% 

Endogas framställs genom partiell 

förbränning av propan eller natur- 

gas. Reaktionen sker över en nic- 

kelkatalysator 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 2O 

beroende på blandningsförhållan- 

det luft/propan. Halterna av CO 2 

och H 2O är av avgörande bety- 

delse för vilken kolpotential atmos- 

fären har. 

En nackdel med endogasen är 

bland annat giftigheten som den 

höga halten CO medför. 

ALNAT I 

Genom att reagera kvävgas, pro- 

ducerad med on-siteteknik, med 

t ex propan över en katalysator, 

kan man framställa generator- 

N 2 

H 2 

N2 + 3% O2 

+ propan 

rest. 

7,5% 

CO 4,5% 

CH 4 

CO 2 

0,5% 

< 0,2% 

H 2O < - 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, neutral- 

härdning, anlöpning och lödning 

mycket ekonomiskt fördelaktigt 

och säkert. ALNAT I erbjuder en 

modern generatorteknik där man 

kraftigt ökat fl exibiliteten i gassam- 

ansättning och kapacitetsområde 

(fi g. 3). 

Krackergas 

Genom att dissociera ammoniak, 

NH3 , vilket sker genom upphett- 

ning av ammoniakgasen över en 

katalysator, får man en gas bestå- 

ende av kvävgas och vätgas. 

Från reaktionsformeln: 

framgår att sammansättningen på 

gasen är: 

N2 = 25% 

Gasen kan ha olika vatteninnehåll 

beroende på ammoniak-kvalitet 

och om gasen torkas efter krack- 

ning. 

Figur 3. Exempel på sammansättning av en 

ALNAT I -atmosfär genererad från kvävgas med 

renheten 97% och propan. 

2NH 3 –> N 2 + 3H 2 

H 2 = 75% 

7

8 

Krav på atmosfären 

Förutom de rent ekonomiska 

kraven fi nns krav på säkerhet, till- 

gänglighet, fl exibilitet och förmåga 

att uppfylla de rena tekniska krav 

som ställs på atmosfären. 

Inom värmebehandling av metall- 

ler är de vanligaste ämnena som 

ingår i atmosfärens tekniska upp- 

gift att överföra, till eller ifrån metall- 

ytan, 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 överförings- 

förmågan måste vara tillräcklig och 

anpassad till aktuella förhållanden. 

Överföring av syre i form av oxida- 

tion är i de fl esta fall en oönskad 

reaktion men tillämpas i vissa pro- 

cesser. Vid reduktion vill man 

att atmosfären skall överföra syre 

från stålytan till gasen. Merparten 

av alla glödgningar och värme- 

behandlingsprocesser sker med 

reducerande atmosfär för att und- 

vika 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. 

Exempel på gaser inom 

värmebehandling. 

Valet av atmosfär är i första hand 

beroende av beskaffenheten på 

materialet och vilken värmebe- 

handling 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 materia- 

lets legeringsinnehåll kan atmosfä- 

ren 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 vär- 

mebehandlingar och material att 

diskuteras.

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 ugnsut- 

rustningens beskaffenhet. En otät 

ugn innebär att syre läcker in och 

spolierar den ursprungliga kvalite- 

ten 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 vat- 

tenhalt. 

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 vikts- 

kon stan ten kan då uttryckas enligt 

nedan: 

Me + H2O < > MeO + H2 K Me / MeO = a MeO .p H2 

a Me .p H2O 

K Me / MeO = p H2 

p H2 O 

Av ovanstående förstår man att 

jämviktskonstanten K Me / MeO beskri- 

ver när halten vätgas i relation till 

vattenhalten i atmosfären utgör 

den punkt där metall och metall- 

oxid 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 jämvikts- 

konstanten K Me / MeO är beroende av 

temperaturen, där värdet på 

K Me / MeO ökar med sjunkande tem- 

peratur, vilket innebär att kravet på 

reduktionsförmågan hos atmosfä- 

ren är större vid lägre temperatur. 

Det är därför alltid viktigt att känna 

till atmosfärens vätgas- och vat- 

teninnehåll. Vattenhalten uttrycks 

ofta som ”daggpunkt” vilket mot- 

svarar 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 reduk- 

tionen av FeO enligt: 

FeO + H < > 

2 Fe + H2O (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

10 

forts. Neutral och reducera 

Temp ( 0 C) 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

pH 2O/pH 2 -förhållandet. Från detta 

diagram kan man avläsa för vilken 

temperatur och gassammansätt- 

ning som atmosfären är oxide- 

rande respektive reducerande. 

Vid t ex 900°C krävs enligt dia- 

grammet att förhållandet 

pH 2O/pH 2 skall vara mindre än 

0,53 för att atmosfären skall vara 

reducerande. 

Om man har en atmosfär med 

5% vätgas i ugnen betyder det att 

maximalt tillåten vattenhalt får vara 

2,65% motsvarande en dagg- 

punkt på ca 23°C. 

Fe FeO 

3 Fe + 4 H 2O 

Fe 3O4 + 4 H2 

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 3O4 + H2 

Fe Fe3O4 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 

förhållandet pH 2O/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 diagram- 

met. 

För att minska risken för oxidation 

Figur 5. Redox- 

kurvor för rent 

krom och ett 10% 

kromstål. 

Figur 4. Jämviktsdia- 

gram för järnoxider. 

p H 2O 

pH 2 

( 0 C) 

1200 

1100 

1000 

900 

800 

700 

600 

500 

400 

10 -8 

C r2 O 3 + 3H 2 

10 -7 

> 

< 

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 

10 -6 

Kromoxid 

Vid uppvärming av rostfritt stål 

oxideras krom lätt och bildar 

kromoxid, Cr 2O 3 . Under närvaro 

av vätgas reduceras denna oxid 

enligt: 

Cr2O3 + 3H2 < > 2Cr + 3H2O Liksom i fallet med järn, motsvaras 

atmosfärens reducerande eller 

oxiderande verkan vid en given 

temperatur av ett pH 2O/pH 2- 

2Cr + 3H 2O 

Vatten / väte-förhållandets (pH2O/pH2) 

inverkan på jämvikten mellan 

krom och kromoxid. 

Rent krom Stål med 10% krom 

10 -5 

10 -4 

10 -3 

p H2O/pH2

nde atmosfär 

förhållande. Figur 5 visar detta 

förhållande för rent krom samt för 

ett 10% kromstål. 

Vid 900°C får pH 2O/pH 2-förhål- 

landet inte överstiga ca 10 -4 för ren 

krom och ca 4 x 10 -4 för kromstå- 

let 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 vätgas- 

halten 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 värme- 

behandlingsoperationer. 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 on- 

sitegenerator och leds därefter in 

i ugnen. Under helgstopp stängs 

vätgasen av och ett reducerat 

fl öde av kvävgas spolar ugnen. 

Fördelarna med en sådan instal- 

lation är: 

- låga driftkostnader 

- hög driftsäkerhet 

- hög säkerhet 

- stor fl exibilitet 

Kväve-väte-Kolväteatmosfär 

Gasblandningar med N 2 och H 2 

passar mycket bra om ugnsat- 

mosfärens uppgift är att undvika 

oxidation av metallytan. De har 

dock nackdelen att vid högre tem- 

peraturer 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 applikatio- 

ner 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 kvävgas- 

baserad atmosfär inte får överstiga 

5% och att samtidigt metanhalten 

inte får överstiga 1% för att klas- 

sas som ej brännbar. 

En sådan atmosfär är därför 

mycket säker att använda och 

används ofta vid austenitisering, 

glödgningar etc. 

Exempel på reglersystem. 

11

12 

Uppkolande atmosfär 

Uppkolande atmosfär har stor användning 

inom tillverknings- och bilindustri där olika 

komponenter sätthärdas för att förbättra 

komponenternas slitage- och 

utmattnings-egenskaper. 

Uppkolningsugn 

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: 

Av dessa är det den första som är 

den dominerande då den är fl era 

storleksordningar snabbare än de 

övriga. 

CO + H > 

2 < C _ + H2O 2CO < > C _ + CO2 < > C _ + 2H2 CH 4 

Med kolpotential menas den kol- 

halt som fås i stålytan då denna är 

i jämvikt med omgivande atmosfär. 

Kolpotentialen (egentligen kolakti- 

viteten) kan för ovanstående reak- 

tioner tecknas:

a c = K 1 . P CO . P H 2 

a c = K 2 . 

P H2 O 

P 2 

CO 

P 2 

CO 2 

PCH4 P 2 

a c = K . 3 

H2 där K 1, K 2 och K 3 är jämviktskon- 

stanterna för respektive reaktion 

ovan. 

Den s k vattengasreaktionen, 

är mycket snabb och ställer in 

jämvikten av CO och CO 2 i atmos- 

fären. 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… 

H2 + CO2 < > CO+ H2O CO C _ + 1/202 a c = K 5 

PCO √Po2 _ 

och genom att utnyttja sambandet 

4.96 .10 -2.T(K) 

E(mV) 

log P = – 0.678 – 

O2 

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 2O- 

halterna kontrolleras och därmed 

kolpotentialen i atmosfären: 

C3H8 + CO2 C3H8 + H2O < > 2CO + 2CH4 < > CO + 2CH4 + H2 CH4 + CO2 CH4 + H2O < > 

< > 

2CO + 2H2 CO + 3H2 På motsvarande sätt kan kolpo- 

tentialen 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: 

CH3OH – > CO + 2H2 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 använ- 

das för austeniteseringar och 

glödgningar, medan rik inbland- 

ning av metanol kan utnyttjas för 

uppkolning. 

Fördelar med kväve-metanol- 

atmosfärer gentemot generator- 

baserad 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

14 

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 bland- 

ningar av ammoniak och kvävgas. 

Vid nitrokarburering önskar man 

att också tillföra kol till metall- 

ytan, 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: 

NH3 N 

– 

+ 3/2H2 a n = K P NH 3 

P H2 3/2 

2NH 3 N 2+ 3H 2 

Den grad till vilken ammoniaken 

dissocierar kallas dissociations- 

grad och beror på temperatur, 

omsättningshastighet av atmosfä- 

ren, graden av intern atmosfärs- 

cirkulation i ugnen, typ av charge 

etc. För att erhålla repeterbara 

resultat måste atmosfären kontrol- 

leras med avseende på kväveakti- 

viteten, a N, som måste upprätthål- 

las 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 atmosfärs- 

sammansättning för nitrokarbure- 

ring är 35-50% NH 3 + 5% CO 2 

med kvävgas som bas. På samma 

sätt som för uppkolningsatmos- 

färer kan nitrokarbureringsatmos- 

färens kolaktivitet bestämmas 

genom analys av halterna CO och 

CO 2 i ugnen. Man kan också 

använda en speciell typ av syre- 

sond. Nitrokarbureringsatmosfärer 

med CO 2-tillsats har också ofta 

högt vatteninnehåll. Det motsvarar 

en hög daggpunkt vilket försvårar 

gasanalys.

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. Argon- 

baserade atmosfärer är ofta, på 

samma sätt som kvävebaserade 

atmosfärer, sammansatta med 

vätgas för att erhålla en reduce- 

rande atmosfär. 

Vätgasatmosfär 

Ren vätgasatmosfär används då 

man eftersträvar maximal reduk- 

tionsförmåga hos atmosfären, 

men också för att dra nytta av 

vätgasens överlägsna värme- 

ledningsförmåga. Ren vätgasat- 

mosfär används bland annat vid 

blankglödgning av band och tråd. 

Vätgasen ger också rena ytor vid 

reaktion med kvarvarande olje- 

och emulsionsrester på bandytan. 

Värmeledningsegenskaperna gör 

att processtiderna kan kortas pga 

snabbare uppvärmnings- och 

kylförlopp. 

15

16 

Övrig värmebehandling 

Värmebehandling under 

vakuum 

Genom att hålla halterna av CO 2 

och H 2O mycket låga kan oxida- 

tion och avkolning i princip undvi- 

kas helt. Med vakuumteknik kan 

man uppnå mycket låga totaltryck 

i ugnen. Vid härdning av verktygs- 

stål 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 värmebe- 

handling i vakuum, är att ång- 

trycket av legeringselementen i 

stålet är av samma storleksord- 

ning 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 uppkolnings- 

processer vid atmosfärstryck och 

med ugnsatmosfärer av endogas- 

typ. Kolpotentialen vid lågtrycks- 

uppkolning kan inte defi nieras 

eller styras som vid atmosfärs- 

uppkolning då uppkolningsgasen 

inte uppnår någon jämvikt med 

stål ytan. 

Principen vid lågtrycksuppkol- 

ning är att under en relativt kort 

period mätta stålytan med kol och 

därefter låta denna mängd kol dif- 

fundera in i stålet. En sådan upp- 

kolningspuls sker genom att öka 

trycket genom tillsats av uppkol- 

ningsgasen, för att sedan evaku- 

era 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 atmosfärs- 

uppkolning 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 proces- 

stemperaturen ökas, vilket är 

den huvudsakliga orsaken till den 

betydligt kortare processtiden vid 

lågtrycksuppkolning. 

Övriga värmebehandlings- 

processer 

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 Deposi- 

tion) är exempel där olika gaser 

aktivt används för att modifi era 

matrialets ytbeskaffenhet. Andra 

processer är plasmanitrering, 

plasmanitrokarburering och plas- 

mauppkolning. 

Kylning med gas 

För att kunna kyla snabbt efter vär- 

mebehandling, 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 cirkula- 

tion av en fl äkt. Gasen får pas- 

sera över en värmeväxlare som 

kyler den av chargen uppvärmda

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 buffert- 

tanken som i sin tur direkt återfylls 

från lagringstanken. Ett sådant 

system kräver därför ingen extra 

utrustning som till exempel kom- 

pressorer 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 

Dp % H2O Dp % H2O 

-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

18 

Tabell 2 

mV signal vid 60% metanol 

/ 40% nitrogen- atmosfär (20%CO) 

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. 

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 

0,3 55 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, 555 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 

00,65 1100,1 1102,5 1104,9 1107,4 1109,8 1112,3 1114,8 

00,70 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, 885 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 

00,95 1128,8 1131,5 1134,1 1136,8 1139,4 

1,00 1134,9 1137,6 1140,3 1143,0 

vikt.%C 

0 ,,20 

Kolpot. 

1,05 1143,7 1146,4 

0,25 

0,30 

0, 335 

0,40 

0,45 

0,50 

0, 555 

0 ,, 660 

0,65 

00, 77 00 

0,75 

0,80 

0,85 

0,90 

0, 995 

1,00 

1,05 

1,10 

1,15 

1,20 

1 ,,25 

1, 330 

vikt.%C 

0,20 

0,25 

0 ,,3 00 

0,35 

0,40 

0,45 

0,50 

00, 555 

0,60 

0,65 

0,70 

0,75 

0,8 00 

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 


8 990 900 910 920 930 940 950 

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 


960 9970 9980 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 

1173,3 1176,1 1179,0 

1208,5 

1182,1

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 kun- 

ders behov. 

Tack vare våra strategiskt placerade produktionsenheter, vår effek- 

tiva 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. 

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 

AF001.S www.marknadsutveckling.com / Markaryds Grafi ska

Gas för värmebehandling - Air Liquide

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?