Ipsen HybridCarb reduziert die Prozessgas-Kosten der Gasaufkohlung

Dirk Joritz  -  Ipsen Internaltional GmbH, Kleve

Die Kosten für Prozessgas und die vermeidbaren Emissionen beim Einsatzhärten von metallischen Teilen verringern sich um den Faktor 10, sobald nach dem neuen, patentierten HybridCarb-Verfahren zur Gasaufkohlung von Ipsen vorgegangen wird. Für Härtereien ergibt das eine jährliche Ersparnis von bis zu 25.000 Euro pro Ofen allein durch den signifikant geringeren Gasverbrauch. Nicht nur für Neuanlagen, sondern auch als Nachrüst-Kit für bereits bestehende Öfen kann das neuartige HybridCarb-System verwendet werden.  Weiterlesen →

Vakuumlöten

Matthias Rink – Ipsen International GmbH, Kleve

 

Einleitung

Löten ist ein vielfältig einsetzbares thermisches Fügeverfahren. Das besondere am Löten ist, dass tausende Verbindungen und unterschiedlichste Materialien in einem Schritt gefügt werden können. Verbindungen zwischen verschiedenen Metallen, Metallen und Keramiken sowie Metallen und Glas sind möglich. Vakuumlöten ist ein umweltfreundliches Verfahren, da im Gegensatz zu den meisten anderen Lötverfahren keine giftigen Flussmittel eingesetzt werden müssen.

Lötverfahren werden in vielen Industriesparten eingesetzt, u. a. im Automobilbau, in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt.

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Kontinuierliche Nitrocarburieranlage

Dirk Joritz – Ipsen International GmbH, Kleve

Am Standort Saarbrücken kooperieren die weltweit führenden Experten für Wärmebehandlung von Stahl der Ipsen International GmbH mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen, ZF AG. Dabei wurden einzelne Verfahrensschritte der Härteverfahren weiterentwickelt, um wesentliche Komponenten für das Acht-Gang-Automatikgetriebe von ZF herzustellen, das unter Fachleuten als derzeit modernstes Getriebe der Welt gilt.

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Der Ipsen MultiTreater

Kostensenkende Wärmebehandlung

Anlassen, Glühen, Nitrocarburieren in einem neuartigen Retortenofen

 

Michael Simon und Thorsten Südholt, Ipsen International GmbH, Kleve

Kurzfassung 

Beim MultiTreater® handelt es sich um die völlig neuartige Konstruktion eines horizontalen Retortenofens, die sich durch eine Entkoppelung der Chargengewicht-aufnahme von der Ofenretorte auszeichnet.

Im Gegensatz zu konventionellen horizontalen Retortenöfen ermöglicht dies ein weitaus höheres maximales Chargengewicht von bis zu 5t bei gleichzeitig wesentlich verlängerter Standzeit der Retorte. Der verfügbare Chargenraum kann bestmöglich ausgenutzt werden, ohne sich Sorgen um das zulässige Chargengewicht zu machen.

Aber nicht nur der Chargentisch, sondern nahezu alle Baugruppen des MultiTreater® wurden mit dem Ziel der jeweils optimalen Ausführung konsequent überarbeitet bzw. neu konstruiert. So wurde z.B. durch eine drastische Erhöhung der Abkühlleistung das Ziel erreicht, die Prozessdauer um bis zu 30% zu verkürzen.

Mit anderen Worten: Es können mehr Bauteile in kürzerer Zeit behandelt werden.

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Verfahrens- und Ofentechniken für die Einsatzhärtung von Komponenten für die Automobilindustrie

(Teil 2: Ofentechnik)

Matthias Rink, Dirk Joritz

5. Fortentwicklung des Abschreckens

Das Härten von aufgekohlten Stählen erfolgt in der Regel direkt im Anschluss an den Aufkohlungsprozess durch Abschrecken in einem Ölbad. Dieser Schritt ist sowohl bei atmosphärischen Aufkohlungsöfen wie auch bei Niederdruckaufkohlungsanlagen Teil des Wärmebehandlungsprozesses.

Seit einigen Jahren werden aufgekohlte Komponenten zunehmend unter Verwendung von Gas abgeschreckt. Bei Härteanlagen, in denen die Abschreckung milder als in einem umgewälzten Ölbad erfolgt, liegt die Problematik nicht im Härten der Randschicht (da diese auf Grund des hohen Kohlenstoffgehaltes eine ausreichende Härtbarkeit aufweist), sondern im Härten des Kerns. In Tabelle 2 sind die für eine Kernhärte von 300 HV bzw. 350 HV erforderlichen Abkühlgeschwindigkeiten zwischen 800 °C und 500 °C für verschiedene Einsatzstähle aufgeführt.

Tabelle 2: Kritische Kühlraten für Einsatzstähle

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Verfahrens- und Ofentechniken für die Einsatzhärtung von Komponenten für die Automobilindustrie

(Teil 1: Verfahren)

Matthias Rink, Dirk Joritz

1. Einleitung

Bei der Großserienfertigung von Fahrzeugteilen erfolgt das Einsatzhärten heute überwiegend durch Aufkohlen in Atmosphärenöfen mit anschließendem Abschrecken der Chargen im Ölbad bzw. bei Einzelkomponenten in Härtepressen.

Die verwendeten Aufkohlungsatmosphären, die gleichzeitig als Schutzgas dienen, bestehen im wesentlichen aus einem CO und H2 enthaltendem Trägergas und einem als Anreicherungsgas dienendem Kohlenwasserstoffgas. Das Trägergas lässt sich durch einen Endogasgenerator oder mittels im Ofen dissoziierenden Methanols erzeugen. Daneben kann es durch direkte Einspeisung eines Kohlenstoffgases in Kombination mit einem oxydierenden Gas (Luft oder CO2) in den Ofen gewonnen werden. Durch die Zugabe von Ammoniak wird die Randschicht zusätzlich mit Stickstoff angereichert, d. h. carbonitriert.

Seit den 90er Jahren des letzten Jahrhunderts werden aber auch zunehmend Vakuumanlagen für das Einsatzhärten verwendet. Das Abschrecken erfolgt dabei meistens im Hochdruckgasstrom, bei Mehrkammer-Anlagen aber auch im Ölbad.

Am häufigsten kommen dabei folgende Ofentypen zum Einsatz:

  • Einkammer-Vakuumöfen
  • Zweikammer-Vakuumöfen
  • Mehrkammer-Anlagen

Als Kohlungsgase verwenden diese Anlagen i. A. reine Kohlenwasserstoffe wie Acetylen oder Propan. Für die Anreicherung der Randschicht mit Stickstoff kommt Ammoniak zum Einsatz. Ein Niederdruckaufkohlungszyklus setzt sich aus mehreren Aufkohlungs (Boost)- und Diffusionssegmenten zusammen. Wobei in den Boostsegmenten das Kohlenwasserstoffgas zugeführt wird. Beim Niederdruckcarbonitieren wird in den Diffusionsegmenten zusätzlich ein Ammoniak-Partialdruck eingestellt.

2. Kohlenstoffübertragung und -steuerung bei der Atmosphärenaufkohlung

In Atmosphären mit CO und H2 erfolgt die Kohlenstoffübertragung durch Adsorption von CO-Molekülen auf der Werkstoffoberfläche und ihre Aufspaltung in C und O,

CO → COad → Cad + Oad,

sowie durch Desorption der Sauerstoffatome durch die H2-Moleküle (unter Bildung von Wasserdampf), wodurch neue freie Stellen für die CO-Adsorption entstehen. Die Summe beider Reaktionen (Adsorption und Desorption) führt zu der bekannten Wassergasreaktion:

CO + H2 → [C] + H2O

Das Erfolgsgeheimnis dieser Aufkohlungstechnik besteht darin, dass diese und andere Atmosphärenreaktionen wie beispielsweise

2CO → [C] + CO2

bei Aufkohlungstemperatur im Ofen in ein chemisches Gleichgewicht erreichen. Dies ermöglicht die Berechnung und Steuerung der Kohlenstoffaktivität (d.h. des Kohlenstoffpotentials) dieser Atmosphären.

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Ipsen Kundenseminare im Herbst 2010

D. Joritz & M. Rink, Verfahrenstechnik – Ipsen Internat. GmbH, Kleve


Wie in jedem Frühling (März / April) und Herbst (Oktober / November) führte die Firma Ipsen International GmbH, Kleve auch in den letzten Wochen wieder Ihre Kundenseminare durch. In jeweils zwei Seminaren zum Thema Atmosphärentechnik (Theorie und Praxis) sowie Vakuumtechnik (Theorie und Praxis) konnten insgesamt mehr als 50 Interessenten begrüßt und unterrichtet werden.

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Einsatzhärten von rostbeständigen Stählen nach dem SolNit®-Verfahren

M. Rink, Verfahrenstechnik, Ipsen International GmbH, Kleve

Einleitung

Das SolNit®-Verfahren ist ein patentiertes Wärmebehandlungsverfahren, bei dem Stickstoff in der Randschicht nichtrostender Stähle gelöst wird. Die Bauteile werden dazu bei 1050 bis 1150 °C in Stickstoffgas geglüht und so rasch abgekühlt, dass die Ausscheidung von Nitriden unterbleibt. Die Einlagerung von Stickstoffatomen führt zu einer Festigkeitssteigerung und verbessert den Korrosionswiderstand. Je nach Legierungsgehalt des Stahles und der Höhe des eingebrachten Randstickstoffgehaltes kann nach dem Abkühlen aus dem Austenitgebiet eine martensitische oder austenitische Randschicht erreicht werden.

Verfahrensgrundlagen

Ohne Verlust des Korrosionswiderstandes ist die Aufkohlung und die Nitrierung von hoch legierten, nicht rostenden Stählen im normalen Temperaturbereich der Verfahren i. A. nicht möglich ist. Das Lösungsvermögen dieser Stähle für Stickstoff und Kohlenstoff ist in den entsprechenden Temperaturbereichen zu gering und die entstehende Bildung von Chromcarbiden bzw. Chromnitriden führt zum Verlust des Korrosionswiderstandes. Ein Nitrieren zwischen 480°C und 900°C führt zur Bildung von  Nitriden des Typs CrN bzw. Cr2N, ein Aufkohlen im Bereich von 800-1150°C zu Carbiden des Typs Cr23C6 bzw. Cr7C3,

Durch Absenkung der Aufkohlungs- oder Austenitisierungstemperatur auf Werte um 400°C kann die Chromcarbid- oder –nitridbildung unterdrückt werden. Der Nachteil dieser Niedertemperaturverfahren ist, dass damit nur äußerst dünne Randschichten von 10-30 µm erzeugt werden können.

Erst mit der Entwicklung des SolNit®-Verfahrens wurde es möglich, wesentlich tiefere Diffusionsschichten zu produzieren. Es basiert auf der mit steigendem Chrom-, Mangan- und Molybdängehalt zunehmenden Stickstofflöslichkeit bei Temperaturen oberhalb von 1050°C [Berns 1999]. Aus Bild 1 geht hervor, dass innerhalb der gängigen Grenzen des Chromgehaltes in nichtrostendem Stahl das Gebiet des homogenen Austenits für den Fall einer Legierung mit Stickstoff (Bild 1 rechts) breiter ist und sich zu einem höheren interstitiellen Anteil erstreckt als für den Fall der Legierung mit Kohlenstoff (Bild 1 links).

 

Bild 1: Isotherme Schnitte von Gleichgewichtsphasendiagrammen bei 1100 °C, nach ThermoCalc

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Neuere Entwicklungstendenzen beim Gasnitrocarburieren durch Verwendung von Kohlenwasserstoffen

Dirk Joritz – Ipsen International GmbH, Kleve

Bernd Edenhofer – Ipsen International GmbH, Kleve

Wolfgang Lerche – Ipsen International GmbH, Kleve

Zusammenfassung

Industrielle Gas-Nitrocarburieranlagen benutzen in der Regel zusätzlich zum Ammoniak (NH3) entweder Kohlendioxid (CO2) oder Endogas als Kohlenstoff spendendes Medium. Beide Prozesse (sowohl das Gas-Nitrocarburieren mit Kohlendioxid als auch das Verfahren mit Endogas) weisen spezielle Eigenschaften auf und erzeugen dadurch leicht unterschiedliche Verbindungsschicht–Strukturen.

Der Nitrocarburierprozess unter Verwendung von Kohlendioxid (CO2) bewirkt ein schnelleres Wachstum der Verbindungsschicht und somit eine dickere, porenreichere Struktur. Im Gegensatz dazu erzeugt der Gas-Nitrocarburier-Prozess unter Einsatz von Endogas eine Verbindungsschicht die reicher an Kohlenstoff ist und dadurch einen höheren Anteil an e–Nitriden (Fe2-3N) aufweist.

Eine neuere Variante des Gas–Nitrocarburierens benutzt Kohlenwasserstoffe ( hier besonders Propan (C3H8) oder Erdgas / Methan (CH4) als Kohlenstoffspender, die das Kohlendioxid entweder komplett ersetzen oder diesem zugeführt werden. Diese neue Verfahrensvariante, die sowohl in ein- als auch in zweistufigen Prozessen durchgeführt  werden kann, verbindet die Vorteile der beschleunigten Stickstoffübertragungsrate des Kohlendioxid-Prozesses mit der höheren Kohlenstoffübertragungsrate des Endogas-Prozesses. Das Ergebnis ist ein schnelleres Verbindungsschichtwachstum bei gleichzeitig höherem Kohlenstoff- und somit e-Nitrid Anteil. Die so erzeugten Schichten zeichnen sich durch einen deutlich verbesserten Verschleißwiderstand der behandelten Bauteile aus. Zusätzlich wird durch diese neue Verfahrensvariante die Produktivität der Ofenanlage erhöht.

Abstract

Industrial gaseous ferritic nitrocarburising processes, or shortly named „fnc“, use mainly carbon dioxide or endothermic gas as the carbon providing gas in addition to ammonia gas. Both processes have positive and negative aspects and produce somewhat different layer structures. The carbon dioxide fnc process depicts a faster layer growth yielding a thicker and more porous nitride layer, whereas the endothermic fnc process produces a nitride layer with higher carbon content and a larger proportion of the є-nitride phase.

A newer variant of a fnc process uses hydrocarbons, and preferably propane or natural gas, as carbon providing gas replacing partly or totally carbon dioxide gas. This newer process uses different single or double step cycles combining the advantages of the enhanced nitrogen transfer as created by the carbon dioxide variant with the increased carbon transfer rate of the endothermic gas. This results in faster layer growth producing nitride layers with higher carbon content and a larger proportion of the є-phase. This is advantageous with respect to wear resistance of the nitrocarburised components. In addition, it improves furnace productivity.

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Wirtschaftlichkeit verschiedener Anlagen für das Einsatzhärten von Getrieben für Windkraftanlagen

Ralf Giebmanns
Ipsen International GmbH
Als Folge der globalen Finanzkrise, die bereits im Jahre 2007 begann, brach zum Ende des Jahres 2008 auch die Automobilindustrie rapide zusammen. Der fehlende Absatz in der Automobilindustrie führte fast zeitgleich auch bei den Wärmebehandlungsbetrieben zu starken Umsatzeinbrüchen und machte eine Neuausrichtung dieser Unternehmen am Markt notwendig. Aufgrund der global sehr schwachen Konjunktur initiierten viele Staaten Konjunkturprogramme. Dadurch ergeben sich neue Chancen auch für die Wärmebehandlungsbetriebe. Ein Teil des Geldes der Konjunkturprogramme fließt in den Ausbau erneuerbarer Energien, zum Beispiel in den Ausbau der Windkraftenergie. Hier sehen Sie das große Potential dieser Branche anhand von drei möglichen Szenarien:

Das moderate Szenario sagt für das Jahr 2010 eine Steigerung der weltweiten Windkraftanlagenkapazität um 28.904 MW voraus. Bei einer angenommenen mittleren Anlagenleistung von 2 MW bedeutet dies die Neu-Installation von 14.452 Windkraftanlagen innerhalb eines Jahres.
In dieser Arbeit wird das Thema Einsatzhärten von Großgetriebeteilen einer Windkraftanlage behandelt. Insbesondere werden Unterschiede verschiedener maßgeschneiderter Anlagenkonzepte bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit aufgezeigt.
Fallbeispiel: Planetenradgetriebe für eine 2-MW-Onshore-Windkraftanlage

Als Basis für unsere Betrachtung wird eine typische Windkraftanlage mit 2 MW Leistung, wie sie für Onshore Anwendungen derzeit üblich und gefragt sind, gewählt. Hier ihr Windkraftgetriebe:


Dieses Getriebe besteht typischerweise aus einer Planetenrad- und einer Stirnradstufe, wie unten schematisch dargestellt. Insgesamt besteht dieses Getriebe aus 6 unterschiedlichen Komponenten und insgesamt 8 einsatzzuhärtenden Rädern und Wellen mit einem Gesamtgewicht von rund 3,4 t. Der größte Durchmesser eines Teils liegt bei etwa 1120 mm (Stirnrad). Die größte Länge bei etwa 1.250 mm (Planetenradwelle). Weiterlesen →