Kontinuierliche Nitrocarburieranlage

Dirk Joritz ÔÇô Ipsen International GmbH, Kleve

Am Standort Saarbr├╝cken kooperieren die weltweit f├╝hrenden Experten f├╝r W├Ąrmebehandlung von Stahl der Ipsen International GmbH mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen, ZF AG. Dabei wurden einzelne Verfahrensschritte der H├Ąrteverfahren weiterentwickelt, um wesentliche Komponenten f├╝r das Acht-Gang-Automatikgetriebe von ZF herzustellen, das unter Fachleuten als derzeit modernstes Getriebe der Welt gilt.

In der Fertigung von ZF in Saarbr├╝cken laufen Komponenten f├╝r das k├╝rzlich mit dem PACE-Award ausgezeichnete Acht-Gang-Automatikgetriebe vom Band. Es hat einen besonders guten Wirkungsgrad (6 % Verbrauchsminderung allein durch die Getriebe-Auslegung) und ist f├╝r ein breites Einsatzspektrum vordefiniert. So erm├Âglicht das ZF-intern 8HP genannte Getriebe die Integration von Allradantrieb und Anfahrkupplung, Starter-Generator samt Stopp-Start-Funktion sowie Hybrid- Funktionen f├╝r die Fahrzeuge mehrerer Baureihen.

Innovative W├Ąrmebehandlungsanlage

Gemeinsam mit den Experten f├╝r W├Ąrmebehandlung von Ipsen International GmbH bereitete ZF die Fertigung in Saarbr├╝cken speziell auf die Belange der neuen Getriebe-Generation vor. Die innovativ gestaltete Anlage l├Ąuft mit dem Ipsen-Verfahren Nikotrieren┬«, einem Nitrocarburierverfahren unter Gas-Atmosph├Ąre. Standardm├Ą├čig arbeitet die Anlage unter einer Atmosph├Ąre aus Ammoniak und Endogas, wobei das Ammoniak den atomaren Stickstoff, und das Endogas den Kohlenstoff, f├╝r die Anreicherung in der Bauteiloberfl├Ąche zur Verf├╝gung stellt. Optional ist auch eine Begasung unter Ammoniak, Stickstoff und Kohlendioxid m├Âglich, die auch als ÔÇ×synthetische GaseÔÇť bekannt sind. Die komplette W├Ąrmebehandlungs- Anlage ist darauf ausgerichtet, H├Âchstleistungen in enger Toleranz-Spanne zu folgenden technischen Daten des Pflichtenhefts abzuliefern:

  • Arbeitstemperatur 570-580 ┬░C
  • Taktzeit pro Ofen unter 22,5 min
  • Chargengewicht > 630 kg/Stunde (nach komplettem Ausbau auf acht Bahnen)
  • die Werkst├╝cke (feinverzahnte Hohlr├Ąder aus niedrig legiertem Werkzeugstahl) sollen nach der W├Ąrmebehandlung nachbearbeitungsfrei sein
  • Ma├čgenauigkeit und Oberfl├Ącheng├╝te folgen allerh├Âchsten Standards der Fertigungsindustrie f├╝r Zahnr├Ąder im Getriebebau
  • gesicherte Prozess-Schritte f├╝r die vier Verfahrens-Segmente Voroxidieren, Nikotrieren / Nitrocarburieren, Schutzgask├╝hlen und Nachk├╝hlen

(Bild: ZF) Die Auslegung des 8HP-Automatikgetriebes von ZF als Tr├Ąger f├╝r Hybridantriebe erfordert die sorgf├Ąltige Abstimmung auf besonders hohe Betriebs-Drehmomente.

Ein ma├čgeschneidertes Anlagen-Layout von Ipsen sieht die Kombination von vier Durchsto├č├Âfen mit je zwei Durchlaufbahnen f├╝r die Werkst├╝cke vor (Stand 2011). Als Heizelemente f├╝r alle acht Durchsto├čbahnen kommen spezielle Recon┬«III – Gasbrenner zum Einsatz, die extrem enge Temperatur-Toleranzen f├╝r eine optimale Reproduzierbarkeit der einzelnen Verfahrensschritte bieten. Neben einem Voroxidationsofen, der f├╝r je zwei doppelbahnige Nitrocarburier├Âfen alle Chargen vorbehandelt, besteht die Anlage aus den eigentlichen Nitrocarburier├Âfen. Diese haben einen Nitrocarburier- und einen K├╝hlbereich, die eine T├╝r voneinander trennt. Am Eingang zum Nitrocarburier-Bereich, sowie am Ausgang des K├╝hlbereiches, sind Vakuumschleusen installiert. Sie dienen sowohl der Anlagensicherheit als auch einer Verk├╝rzung der Prozesszeit, da eine langwierige Stickstoffsp├╝lung durch das Evakuieren und Stickstoff-Fluten der Schleusen entf├Ąllt. Nach dem Verlassen des Nitrocarburier-Ofens werden die Chargen auf K├╝hlpl├Ątzen bis zur gew├╝nschten Endtemperatur abgek├╝hlt.

Reduktion des Ammoniakverbrauchs

Im Nitrocarburierprozess misst ein Ipsen HydroNit┬«-Sensor permanent den Wasserstoffgehalt der Ofenatmosph├Ąre direkt im Ofenraum. Mit diesem Wert sowie den Daten der Ofenbegasung wird die aktuelle Nitrierf├Ąhigkeit der Ofenatmosph├Ąre berechnet. Bei Bedarf kann diese ├╝ber die Massendurchflussregler in den einzelnen Gasstr├Ąngen der Mischbatterie variiert werden. So ist es m├Âglich, den Ammoniakverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren und die Betriebskosten deutlich zu senken.
Die exakte Kenngr├Â├čen-Aufnahme mit der Prozessteuerungs-Software Ipsen Nitro-Prof┬« erlaubt eine sehr pr├Ązise Reproduzierbarkeit s├Ąmtlicher Verfahrensschritte. Zus├Ątzlich flie├čen die Prozessdaten in eine umfassende Zyklus- und Chargen-Dokumentation ein, die alle Anforderungen der AMS 2750 D, 2759 6B, 2759 10A sowie der CQI9 erf├╝llt

Verzugsarmes Verfahren f├╝r komplexe Werkst├╝cke

Als Ergebnis des Nikotrier-Prozesses erreicht die Oberfl├Ąche der Werkst├╝cke (je nach Werkstoff) einen H├Ąrtewert von 550 bis 650 HV1 und die gew├╝nschten Verschlei├č- sowie Laufeigenschaften und Festigkeitswerte. Im Gegensatz zum Einsatz-H├Ąrten erzeugt die Nitrocarburier-Behandlung keine oder nur minimale Verz├╝ge, da es weder zu einer Gef├╝ge-Umwandlung noch zu extremen thermischen Spannungen innerhalb der Werkst├╝cke kommt. So entf├Ąllt ein aufw├Ąndiges Nacharbeiten oder Waschen der Bauteile und sie stehen sofort im weiteren Fertigungsprozess zur Verf├╝gung. Daher eignet sich das verzugsarm arbeitende Verfahren besonders f├╝r komplexe, d├╝nnwandige Bauteile wie die Hohlr├Ąder f├╝r das 8HP. Dank hoher Pr├Ązision und schmaler Toleranzb├Ąnder kann die Ipsen-Anlage filigrane Werkst├╝cke in gro├čer Serie bearbeiten. Die genaue ├ťberwachung aller Parameter der Prozessteuerung f├╝hrt zu einer hohen Reproduzierbarkeit der W├Ąrmebehandlungsergebnisse. So kann ├╝ber tausende von Bearbeitungs-Zyklen das immer gleiche Profil aller Werkst├╝ck-Eigenschaften ann├Ąhernd deckungsgleich eingehalten werden. Auf diese Weise setzt die neue Fertigungsanlage in Saarbr├╝cken zuk├╝nftig neue Ma├čst├Ąbe in Bezug auf Laufruhe, Ger├Ąuscharmut und Haltbarkeit der Getriebe.

 
(Bild: Ipsen) Heizkammer eines doppelbahnigen Ipsen-Nitrier-Durchsto├čofens.

Positives Fazit

Im Gesamten fiel die Auslegung der 8HP-Kraft├╝bertragung so verfeinert und zugleich vorteilhaft aus, dass der Technik-Vorstand von ZF, Dr. Michael Paul, einige Argumente f├╝r das Acht- Gang-Automatikgetriebe auflisten kann: ÔÇ×Mehr G├Ąnge, aber nicht mehr Gewicht. Mehr Beschleunigung, aber weniger Verbrauch. Mehr Drehmoment, aber nicht mehr Kosten.ÔÇť Peter Lankes, CEO von Ipsen International GmbH, schaut positiv in die Zukunft: ÔÇ×Die Tendenz der Fahrzeug-Industrie, immer h├Âhere Drehmomente ├╝ber immer zierlichere Zahnr├Ąder zu transferieren, wird das Know-how von Ipsen definitiv zu weiteren Projekten f├Ârdern. Wir sind jedenfalls ausgesprochen stolz ├╝ber die Lektionen, die wir Seite an Seite mit den Experten von ZF erlernen konnten.ÔÇť Auch die Fachpresse lobt das Resultat der Kooperation: ÔÇ×Das Beste (am ZF 8HP-Getriebe) ist die Tatsache, dass es gar nicht auff├Ąllt, so schnell und sanft jongliert es mit den Zahnr├Ądern.ÔÇť (auto motor und sport, 13. Januar 2011, Test Range Rover TD 4.4 V8)

 
(Bild: Ipsen) Kontinuierliche Ipsen-Anlage zur Getriebeteileh├Ąrtung im ZF-Werk Saarbr├╝cken.

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