Precision cubed

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Ipsen opens up new ways for heat treatment

Ipsen has created a special system for heat treating gearbox parts on behalf of Mercedes-Benz. The three-row pusher system requires comparatively little floor space but can nevertheless perform well – and all with particularly low power consumption.

Kleve, January 2014

The new Ipsen system for the heat treatment of gearbox parts, crown wheels and drive pinion wheels was moved into the Mercedes gearbox plant in Mettingen in the Neckar Valley in autumn 2013. The move was made all the more difficult by the site conditions since there was very little space around the planned three-row pusher furnace. Using a highly integrated feed mechanism it was possible, however, to install all the systems and components required for the heat treatment process in a very compact area. The high and low temperature furnaces, cleaning systems and quenching equipment were linked to form complex units while still providing good flexibility for various types of heat treatment for workpieces.

High-temperature furnace with single extraction door and oil bathThe workpiece charges are initially fed into the system manually using semi-automatic powered roller tracks for loading and unloading before they pass into the automatic charge storage conveyors. The charge temperature is raised in the preoxidation furnace to around 450°C. An intermediate transport unit then moves the charges into the entrance vestibule of the high temperature furnace. After then being pushed into the furnace’s heat treatment chamber, the charges are initially heated in the three-row heating zone to the carburizing temperature of over 900°C.

The subsequent three-row carburizing zone then takes care of the actual carburizing process in protective gas during which the carbon content for the surface of the workpieces precisely to suit requirements. The benefits of this are obvious – the three-row operation means that several charges can be treated at any one time which clearly helps to reduce cycle times so as to make the system more profitable.

At the end of the carburizing zone, the charges are once again transferred to a single-row hardening zone. At the end of this they are either quenched in an oil bath with two chambers which are separated by a gas-tight seal, or the charges pass through a quenching process in a downstream, fully automatic press hardening system with the charges mechanically prestressed in the press. This produces a distortion-free finish for large workpieces such as crown wheels with a diameter of over 30 centimeters and overall ensures that the finished components are true to size.

Control cabinetFinally all the workpieces can be transported fully automatically once again for further processing. All the workpieces undergo efficient cleaning in the subsequent three-zone post-washing machine after which they are dried. To make the final processes easier, it is possible to remove individual workpieces or alternatively certain parts of the charge for straightening and then return them to the process or to transport directly back to the two-row tempering furnace. The charges are returned to the loading and unloading track at the start of the system via the final cooling section with subsequent final storage section.

Overall, the complete Ipsen system comprises the following units:

  • Preoxidation furnace with an operating temperature of 450°C
  • High temperature heat treatment furnace with an operating temperature of up to 950°C comprising the following equipment:
    • Entry gate
    • Three-row heating zone
    • Three-row carburizing zone
    • Single-row hardening zone
    • Gas-tight intermediate doors
    • Discharge station for individual press-hardened parts
  • Oil bath with two separate immersion baths
  • Fully automatic Heess press hardening system
  • Three-zone post-washing machine
  • Tempering furnace
  • Various transport units

There is permanent pressure in the heat treatment furnace

Three-row heating zone with pusher deviceThe pusher furnace described here has three rows in all its main operating zones and is the first continuous heat treatment furnace from IPSEN to feature the new, patented “Lock up” system. This system is characterized by an entrance vestibule and an oil bath which are both separated from the heat treatment chamber in the pusher furnace by gas-tight doors. Using special gas guiding systems on the furnace, this principle means that for the first time it is possible to feed all charges in and out of the furnace without interfering with the furnace atmosphere. The furnace atmosphere thus fluctuates less in terms of temperature and carbon content. The result is precise, straight-line characteristics which are easy to monitor and can be adjusted accurately. “The charge is right” as the experts put it.

Another benefit is that the intergranular oxidation (igo) on the workpieces is minimized – after all these workpieces are primarily high quality precision gearbox components such as crown wheels and drive pinion wheels for gearboxes and axles which are designed for a service life of several decades.

A further advantage of the system with the gas-tight separation of the working chambers in the furnace is the reduced consumption of protective gas. This benefit is as a result of the fact that the pressure in the heat treatment chamber does not drop while the charge is being fed in and out of it. The pressure only has to be adjusted in the vestibules before the charges continue on the transport belts.

High efficiency using “Ecofire-Preheat”

A process known as “Ecofire-Preheat” which has been patented by Ipsen takes a very large step forwards in terms of improving energy efficiency. This particularly innovative process means that the endogas used to fill the furnace chamber is not simply lost by burning it off. In the past, simply burning it off has been standard procedure in all similar furnace systems resulting in both high temperatures around the furnace and large bills for process gases.

Now though, “Ecofire-Preheat” uses the surplus endogas in the preheating furnace as a combustion gas via strictly controlled process steps. This means that the process gas is recycled in a way so that it can be used. The major progress of this is in the costs. An Ipsen system with Ecofire-Preheat makes for savings in process gas costs of over 20,000 euros over the course of a year on a three-shift operation basis. The system therefore pays for itself within only a few years of use, depending on the size of the furnace.

To ensure that workpieces do not get cold

Another supporting measure to help the furnace system to be operated particularly economically is Ipsen’s new insulation technology. With a wall thickness of 40 to 50 centimeters in the main sections of the furnace system, micro porous material is used for rear insulation, material that surpasses all previous materials in terms of its insulation effect. The principle of this material is essentially that with its enormously high temperature resistance of up to 1100°C very few air molecules remain insulated within the tiny chambers. Compared to conventional designs, this results in a reduction in waste heat of up to 30 percent which is demonstrated by comparatively lower process costs.

Time-tested, durable Ipsen masonry consisting of refractory bricks continue to be used as front insulation for the walls, floor and ceilings. The hearth floor elements are made of high strength SIC materials and provide a very long service life.

All are equal in the flow diagram of the protective gas atmosphere

Equipping the entire system with sophisticated circulation equipment ensures both the homogeneous distribution of the protective gas in the heat treatment chambers and also a generous flow of reactive gases around the workpiece. The improved aerodynamics and the use of the latest burner technology ensure excellent uniformity and outstanding reproducibility of the heat treatment results.

Less is more

It should be mentioned that against the backdrop of the energy-saving principle of Ipsen’s new furnace technology, the massive energy consumption of heat treatment systems is not just a tricky topic from the point of view of the environment and costs. In fact, a new “Energy Using Products Directive” (EuP Directive) is currently passing through the normal committee stages at the EU Commission. Alongside the existing Ecodesign Directive 2005/32 EC, the resulting directive will result in the imposition of stringent requirements on the energy consumption of heat treatment systems in the near future.

The general public is not really aware at the present that almost 40 percent of energy used in industry in Germany is actually consumed in industrial furnaces. This appetite for energy is at least as striking in this respect as it is for the balance sheets of the companies concerned. The turnover generated by all this energy amounts to around 30 billion euros for all the companies concerned every year. In view of the rapid increase in global energy demand, we can certainly assume that prices will continue to rise.

Ipsen will continue to work on creating economical systems for handling energy. You can expect Ipsen to continue to produce particularly demanding solutions for handling energy as a valuable resource and also for reducing the running costs of these systems.

Please visit us at for more information, background details, interviews and additional comments.

This text is approved for immediate use. The photographs may also be used with the approved press material for publication purposes with the note “Source: Ipsen”.

IPSEN-ECOFIRE – Effizienz im Einklang von Ă–konomie und Ă–kologie

Ipsen steht weltweit für Qualität und Innovation in der Atmosphären- und Vakuumofentechnik. Dank modularer Bauweise lassen sich alle Ipsen-Systeme individuell an die Anforderungsprofile der Kunden anpassen. Speziell für die Wärmebehandlungsindustrie entwickelte Produktions¬software verkettet dabei Transport-, Be- und Entladeeinrichtungen zu vollautomatischen Systemen, die den Fertigungsfluss von A bis Z optimieren. Mit dem System ECOFIRE hat sich das Klever Unternehmen nun noch konsequenter den Zukunftsthemen Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit gewidmet.

Innovation senkt Verbrauch und Emissionen

Intelligente Modifikationen von Hardware- und Softwarekomponenten der Brennersysteme zur Ofenbeheizung durch die Ipsen Forschungs- und Entwicklungsingenieure ermöglichen ab sofort auch die Verbrennung des für den Wärmebehandlungsprozess notwendigen Schutzgases in allen gasbeheizten atmosphärischen Ofenanlagen. Damit verbleibt der Energieinhalt des Schutzgases im Prozess und steigert überdies entscheidend den Wirkungsgrad der Gesamtanlage. Das System ECOFIRE senkt so den Energieverbrauch für die Ofenbeheizung in der Haltephase auf bis zu 100 Prozent und verringert gleichzeitig die klimarelevanten CO2-Emissionen. Für Unternehmen bedeutet das geringere Energiekosten, mehr Energieeffizienz, eine bessere Umwelt-Bilanzen und damit entscheidende Vorteile gegenüber dem Wettbewerb. Zusätzlich verbessert der reduzierte Abbrand des Schutzgases, z.B. durch kühlere Werkshallen, die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter vor Ort.

Die Nutzung fossiler Energien zur Wärmegewinnung geht naturgemäß mit dem Ausstoß des umwelt- und klimaschädlichen Kohlendioxids einher. Dies gilt in besonderem Maße für Thermoprozesse in Industrieöfen, die derzeit fast 40(!) Prozent der Energie, die in Deutschland industriell zum Einsatz kommt, beanspruchen. Dieser Energiehunger stört inzwischen nicht allein Umweltschützer. Auch die Europäischen Union wird demnächst aktiv: Eine neue „Energy using Products“-Richtlinie (EuP-Richtlinie) steht kurz vor der Genehmigung. Sie wird zu deutlich strengeren Anforderungen an den Energieverbrauch von Wärmeprozessanlagen führen. Mittelfristig aber werden die finanziellen Aufwendungen für Energie ohnehin zu einem entscheidenden Risikofaktor für die Bilanzen von Industrieunternehmen, denn jedes Jahr kostet der „Appetit“ ihrer Öfen (besser hier evtl. Thermoprozess Anlagen) die Industrie weltweit etwa 30 Milliarden Euro. Angesichts global rasant anwachsender Energienach¬frage ist zukünftig von steigenden Preisen auszugehen.

Technologievorsprung generiert Mehrwert(e)

Unter dem Motto „Advanced Efficiency“ optimiert Ipsen bereits seit vielen Jahren den Wirkungsgrad und die Umweltverträglichkeit seiner Öfen und Anlagen sowie Prozesse. Aktuelles Beispiel dieser fortschreitenden Entwicklungsarbeit ist die ECOFIRE-Technologie; sie basiert auf einem hoch effektiven Rekuperator-Brenner, der sich sowohl mit Erd- als auch mit Schutzgas betreiben lässt.

Die Anzahl der in einem Ofen benötigten RECON III-ECOFIRE-Brenner hängt von der Ofengröße und der damit verbundenen, zur Verfügung stehenden Schutzgasmenge ab. Die ECOFIRE-Brenner können im Schutzgasbetrieb etwa mit der gleichen Leistung beaufschlagt werden, wie es bei den herkömmlichen reinen Erdgasbrenner möglich ist.

Solange der Ofen nicht über die erforderliche Schutzgasmenge bzw. -qualität verfügt, laufen alle Brenner mit Erdgas. Steht ausreichend Schutzgas zur Verfügung, stellt die Anlagensoftware die Brennerversorgung automatisch auf Schutzgasbetrieb um und der Abbrand wird geschlossen. Den Transport des bisher ungenutzten Schutz¬gases zu den Brennern übernimmt eine Gasförderanlage, die gleichzeitig den Druck des Gases auf das nötige Niveau erhöht, um es mit den neuen RECON III-ECOFIRE-Brennern vollständig zu verbrennen. In der Regel liegt die durch das Schutzgas zur Verfügung stehende Heizleistung stets unterhalb der Verlustleistung der Öfen – was einen Dauereinsatz der Schutzgasbrenner und somit die größtmögliche Ausnutzung des ECOFIRE-Systems ermög¬licht.

Neuinstallation oder NachrĂĽstung?

Das ECOFIRE-System kann optional mit allen neuen gasbeheizten Ipsen-Atmosphärenanlagen geliefert werden. Zum Lieferumfang bei Neuanlagen zählen:

  • Einrichtungen zum VerschlieĂźen des/der Abbrände des Ofens
  • Gasförderanlage inkl. GaskĂĽhleinrichtung zur Förderung des Schutzgases vom Ofen in die RECON III-ECOFIRE-Schutzgasbrenner.
  • Auf die Ofengröße abgestimmte Anzahl von RECON III-ECOFIRE-Schutzgasbrennern.
  • ECOFIRE-Softwarepaket zur Steuerung des Schutzgasverbrennungssystems.
  • Einrichtung und Anfahren des Systems im Rahmen der Anlageninbetriebnahme.

Überdies lässt sich das ECOFIRE-System an fast allen bestehenden gasbeheizten Atmosphärenanlagen nachrüsten. Eine Investition, die sich bereits nach kurzer Zeit amortisiert. Immerhin liegt die Energieersparnis bei neuen Anlagen (oder nach erfolgter Umrüstung auf ECOFIRE-Technik) für die Ofenbeheizung in der Haltephase bei bis zu 100 Prozent Prozent. So wird der return on investment schnell erreicht.

Ipsen bringt Kunden komplett oder in Teilbereichen auf den neuesten Stand der Technik, zum Beispiel durch eine Modifizierung der Prozess¬regelung, durch Umbauten bzw. die Erweiterung von Anlagen oder die Erneuerung von Anlagensteuerung.

Vorteile auf einen Blick

Senkung Erdgasverbrauch = höhere Energie-Effizienz

  • Verringerung CO2-Emmision = bessere Klima-Bilanz
  • NachrĂĽstbarkeit = einfache Installation und schnelle Amortisation
  • optimierte Arbeitsbedingungen = Mitarbeiterzufriedenheit
    = Imagegewinn in relevanten Zielgruppen und Ă–ffentlichkeit

Mehr Informationen und Kontaktpersonen unter:

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


Matthias Rink – Ipsen International GmbH, Kleve



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.


Der Ipsen MultiTreater

Kostensenkende Wärmebehandlung

Anlassen, GlĂĽhen, Nitrocarburieren in einem neuartigen Retortenofen


Michael Simon und Thorsten SĂĽdholt, Ipsen International GmbH, Kleve


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.


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


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-MolekĂĽle (unter Bildung von Wasserdampf), wodurch neue freie Stellen fĂĽr die CO-Adsorption entstehen. Die Summe beider Reaktionen (Adsorption und Desorption) fĂĽhrt 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.


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.


Einsatzhärten von rostbeständigen Stählen nach dem SolNit®-Verfahren

M. Rink, Verfahrenstechnik, Ipsen International GmbH, Kleve


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.


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