Präzision hoch drei

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Im Auftrag von Mercedes-Benz entstand eine Ipsen-Spezialanlage f√ľr die W√§rmebehandlung von Getriebeteilen. Die dreibahnige Durchsto√ü-Anlage findet Platz auf vergleichsweise engem Raum und leistet dennoch ungew√∂hnlich viel ‚Äď und dies auch noch auf besonders niedrigem Niveau, was den Energieverbrauch angeht.

Kleve, im Januar 2014

Die neue Ipsen-Anlage f√ľr die W√§rmebehandlung von Getriebeteilen Teller√§dern und Antriebskegelr√§dern zog im Herbst 2013 im Mercedes-Getriebewerk in Mettingen im Neckartal ein. Der Einzug war von erschwerten Bedingungen begleitet, denn es stand recht wenig Raum rund um den geplanten dreibahnigen Durchsto√ü-Ofen zur Verf√ľgung. Mittels hochintegrierter Zuf√ľhrungsmechanik gelang es jedoch, alle f√ľr den W√§rmebehandlungsprozess notwendigen Anlagen und Komponenten sehr kompakt anzuordnen. Hoch- und Niedertemperatur√∂fen, Reinigungssysteme und Abschreckvorrichtungen sind dabei zu komplexen Einheiten verkettet und erlauben dennoch eine gute Flexibilit√§t f√ľr verschiedene W√§rmebehandlungsarten der Werkst√ľcke.

Hochtemperaturofen mit Einzelentnahmet√ľr und √Ėlbad√úber halbautomatisch angetriebene Rollenbahnen zum Be- und Entladen erfolgt die Zufuhr der Werkst√ľckchargen zun√§chst manuell, bevor sie in den automatischen Transfer der Chargen-Speicherf√∂rderung √ľbergehen. Bereits im Voroxidationsofen steigt die Chargentemperatur auf etwa 450¬įC. Eine Zwischen-Transporteinheit bringt die Chargen anschlie√üend in die Eingangsschleuse des Hochtemperaturofens. Nach weiterem Vorschub in den W√§rmebehandlungsraum des Ofens erfolgt in der dreibahnigen Aufheizzone zun√§chst die Erw√§rmung auf Kohlungstemperatur √ľber 900 Grad Celsius.
Die nachfolgende dreibahnige Kohlungszone besorgt den eigentlichen Vorgang der Aufkohlung im Schutzgas, bei dem der Kohlenstoffgehalt f√ľr die Randschicht der Werkst√ľcke nach Bedarf pr√§zise ausgesteuert werden kann. Die Vorteile liegen auf der Hand: Durch Dreibahn-Betrieb kann eine Vielzahl an Chargen auf engstem Raum den W√§rmebehandlungsprozess durchlaufen, was f√ľr den Kunden eine hohe Effektivit√§t bei der Ausnutzung seiner Produktionsfl√§che bedeutet.

Am Ende der Kohlungszone erfolgt der Transfer wiederum in eine einbahnige H√§rtezone. An deren Ende erfolgt entweder das Abschrecken, das √ľber ein √Ėlbad mit zwei gasdicht voneinander getrennten Kammern erfolgen kann. Oder die Charge durchl√§uft, mit Hilfe einer nachgeschalteten, vollautomatischen Pressh√§rteanlage, den definierten Abschreckvorgang unter mechanischer Vorspannung in der Presse. Das sorgt f√ľr das verzugsfreie Finish von gro√üen Werkst√ľcken wie Tellerr√§dern mit einem Durchmesser √ľber 30 Zentimetern und gew√§hrleistet insgesamt eine gute Ma√ügenauigkeit.

SchaltschrankanlageAbschlie√üend lassen sich alle Werkst√ľcke wiederum vollautomatisch f√ľr die weiteren Verfahrensschritte weiterf√ľhren. In der folgenden Drei-Zonen Nachwaschmaschine erfahren alle Werkst√ľcke eine effiziente Reinigung und werden anschliessend getrocknet. Im Interesse einer gezielten Nachbearbeitung besteht die M√∂glichkeit, einzelne Werkst√ľcke ‚Äď wahlweise auch bestimmte Sortimente der Charge – zum Richten aus- und wieder einzuschleusen, oder sie direkt noch einmal zum zweibahnigen Anlassofen zu transportieren. √úber die Nachk√ľhlstrecke mit anschlie√üender Nachspeicherstrecke gelangen die Chargen wieder zur Be- und Entladebahn am Anfang der Anlage.

Insgesamt besteht die komplette Ipsen – Anlage aus folgenden Einheiten

  • Voroxidations-Ofen mit 450¬įC Arbeitstemperatur
  • Hochtemperatur-W√§rmebehandlungsofen bis 950¬įC mit folgender Ausstattung:
    • Eingangsschleuse
    • dreibahniger Aufheizzone
    • dreibahniger Kohlungszone
    • einbahniger H√§rtezone
    • gasdichten Zwischent√ľren
    • Entnahmestation f√ľr einzelne Pressh√§rteteile
  • √Ėlbad mit zwei separaten Tauchb√§dern
  • Vollautomatische Heess-Pressh√§rteanlage
  • 3-Zonen Nachwaschmaschine
  • Anlassofen
  • Diverse Transporteinheiten

Im Ofen f√ľr die W√§rmebehandlung herrscht permanenter √úberdruck

Dreibahnige Aufheizzone mit SchubvorrichtungenDer hier vorgestellte Durchsto√ü-Ofen, der in allen wesentlichen Arbeitsbereichen √ľber drei Bahnen verf√ľgt, ist der erste kontinuierliche W√§rmebehandlungsofen aus dem Hause IPSEN, der mit dem neuen, patentierten ‚ÄěLock-up‚Äú ‚Äď System ausgef√ľhrt ist. Dieses System zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl die Eingangsschleuse als auch das √Ėlbad durch gasdichte T√ľren von dem W√§rmebehandlungsraum des Durchsto√ü-Ofens getrennt sind. Mittels spezieller Gasf√ľhrungssysteme am Ofen entsteht durch dieses Prinzip erstmals die M√∂glichkeit, alle Chargen v√∂llig ohne st√∂rende Beeinflussung der Ofenatmosph√§re zu- und abf√ľhren zu k√∂nnen. Die Ofen-Atmosph√§re schwankt dadurch weniger hinsichtlich der Temperatur und des Gehaltes an Kohlenstoff. Die Folge. Pr√§zise, geradlinige Charakteristika, einfach zu √ľberwachen und definiert einzustellen. ‚ÄěDie Charge stimmt‚Äú, so sagen die Fachleute.

Ein weiterer Vorteil: die Randoxidation an den Werkst√ľcken bleibt minimal ‚Äď schlie√ülich handelt es sich hier vorwiegend um hochwertige Pr√§zisions-Getriebeteile wie Tellerr√§der und Antriebskegelr√§der f√ľr Getriebe und Achsen, die auf eine Betriebsdauer von mehreren Jahrzehnten ausgelegt sind.

Ein weiterer Vorteil des Systems mit gasdichter Separation der Arbeitsräume im Ofen besteht im reduzierten Schutzgasverbrauch. Dieser Vorteil stellt sich dadurch ein, dass während Zu- oder Abfuhr der Charge der Druck in der Wärmebehandlungskammer nicht abfällt. Lediglich in den Schleusen muss Druck angepasst werden, bevor der weitere Transport der Chargen erfolgt.

Hohe Effizienz durch das ‚ÄěEcofire-Preheat‚Äú

Einen ganz entscheidenden Schritt zur Steigerung der Energie-Effizienz leistet ein von Ipsen erfolgreich patentiertes Verfahren, das auf den Fachbegriff ‚ÄěEcofire-Preheat‚Äú getauft wurde. Dieser besonders innovative Verfahrensschritt sieht es vor, die Ofenkammer-F√ľllung mit Endogas nicht einfach im Verluststrom abzufackeln. Das war bisher bei allen vergleichbaren Ofenanlagen √ľblich, wobei die Temperaturen rund um den Ofen und die Rechnung f√ľr die Prozessgase gleichzeitig unangenehm ansteigen.
Mittels ‚ÄěEcofire-Preheat‚Äú wird nunmehr das √ľbersch√ľssige Endogas √ľber streng kontrollierte Verfahrensschritte im Vorw√§rmofen als Brenngas verwendet. Damit findet so eine Art Prozessgas-Recycling auf einer neuen Wertstufe statt. Der gro√üe Fortschritt liegt auf der Kostenseite: Eine Ipsen-Anlage mit Ecofire-Preheat hilft im Dreischichtbetrieb √ľbers Jahr leicht √ľber 20.000 Euro an Prozessgaskosten einsparen. Die Amortisation f√ľr den Mehraufwand liegt je nach Anlagengr√∂√üe im Bereich weniger Betriebsjahre.

Damit es den Werkst√ľcken nicht kalt wird

Eine weitere unterst√ľtzende Ma√ünahme zur besonders guten √∂konomischen Betriebsweise der Ofenanlage findet sich in der neuen Isolations-Technologie von Ipsen: √úber eine Wandst√§rke von 40 bis 50 Zentimetern in den entscheidenden Bereichen der Ofenanlage kommt mikropor√∂ser D√§mmstoff als Hinterisolierung zur Anwendung, der in der Isolationswirkung alle bisher bekannten Materialien √ľbertrifft. Das Prinzip dieses D√§mmstoffs besteht im Wesentlichen darin, dass bei einer enorm hohen Temperatur-Resistenz von bis zu 1100¬įC stets nur wenige Luftmolek√ľle innerhalb der winzigen Kammern isoliert bleiben. Im Vergleich zur konventionellen Bauweise ergibt sich dabei eine Reduktion der Abw√§rme von bis zu 30 Prozent, die sich in vergleichbarer Proportion wohltuend in den Prozesskosten niederschl√§gt.
Als Vorderisolierung kommt nat√ľrlich auch weiterhin sowohl im Wand-, Boden- und Deckenbereich die bei Ipsen bew√§hrte und standfeste Mauerung aus Feuerleichtsteinen zum Einsatz. Die Herdbodenelemente bestehen aus hochfesten SIC-Werkstoffen und verf√ľgen √ľber eine sehr gute Standfestigkeit.

Im Strömungsbild der Schutzgas-Atmosphäre sind alle gleich

Die Ausstattung der gesamten Anlage mit ausgekl√ľgelter Umw√§lztechnik gew√§hrleistet sowohl eine homogene Verteilung des Schutzgases in den W√§rmebehandlungs-Kammern als auch ein gro√üz√ľgiges Umstr√∂men der reaktionsf√§higen Gase am Werkst√ľck. Die optimierte Aerodynamik sowie der Einsatz modernster Brennertechnik sorgen f√ľr eine optimale Gleichm√§√üigkeit und f√ľr eine herausragend gute Reproduzierbarkeit der W√§rmebehandlungsergebnisse.

Weniger ist Mehr

Zum Effekt der energiesparenden Bilanz der neuen Ofentechnologie von Ipsen geh√∂rt noch die folgende erg√§nzende Anmerkung: Der enorme Energieverbrauch von W√§rmeprozessanlagen ist nicht nur unter Umwelt- und Bilanzgesichtspunkten eine brisantes Thema. Im Umfeld der EU-Kommission durchl√§uft momentan eine neue ‚ÄěEnergy Using Products‚Äú-Richtlinie (EuP-Richtlinie) das √ľbliche Genehmigungsverfahren. Die daraus entstehende Richtlinie wird ‚Äď neben der bereits bestehenden √Ėko-Design-Richtlinie 2005/32 EG ‚Äď in absehbarer Zeit einzuhalten sein und strenge Anforderungen auch f√ľr den Energieverbrauch von W√§rmeprozessanlagen mit sich bringen.

Es ist in der √Ėffentlichkeit bisher wenig bekannt, dass beinahe 40 Prozent der industriell genutzten Energie in Deutschland in Industrie√∂fen verbraucht wird. Dieser Energiehunger ist zumindest auff√§llig ‚Äď auch f√ľr die Bilanz der betroffenen Unternehmen. Der Umsatz, den diese Energie-Portion bewirkt, macht Jahr f√ľr Jahr f√ľr alle Industrieunternehmen zusammengerechnet 30 Milliarden Euro aus. Angesichts einer rasant anwachsenden globalen Energienachfrage kann man mit Sicherheit davon ausgehen, dass Preissteigerungen weiterhin absehbar sind.
Ipsen wird sich weiterhin den besonders √∂konomischen Zielen f√ľr den Umgang mit Energie widmen. Sie k√∂nnen von Ipsen weiterhin besonders anspruchsvolle L√∂sungen erwarten, was den Umgang mit Energie als wertvoller Ressource einerseits, mit den Betriebskosten der Anlage andererseits angeht.

Autoren:

Dipl.-Ing. Rolf Sarres
Ipsen International GmbH

 

 

 

 

Dipl.-Ing. Christopher Boye
Ipsen International GmbH

 

 

 

 

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W√§rmebehandlung an sich ist ma√ügeblich f√ľr die Verbesserung der Struktur und die hiermit verbundene Abriebsfestigkeit von Metallen verantwortlich, insbesondere gilt dies f√ľr Stahl und Titan-legierten Leichtmetalle.

Ipsen besitzt Fertigungsstätten in Europa, Amerika und Asien. Dadurch, sowie zusätzlich durch die Niederlassungen in 34 Staaten, wird ein herausragender Dienst am Kunden rund um die Welt aufrechterhalten. Die Kunden von Ipsen sind in den Branchen der Medizintechnik ebenso zu Hause wie in der Entwicklung und der Herstellung von Windkraftanlagen, der Lebensmittel-Industrie, der Automobilherstellung, der Luftfahrt, dem Werkzeugbau, dem mechanischen Maschinenbau, zudem in der Herstellung von Härterei-Anlagen.

Press Contact:

Martina Satzinger, Marketing Europe
Ipsen International GmbH
Flutstrasse 78, 47533 Kleve, Germany
Phone: (+49) 28 21 / 8 04 ‚Äď 306
Fax: (+49) 28 21 / 8 04 – 324
martina.satzinger@ipsen.de

Kontinuierliche Nitrocarburieranlage

Dirk Joritz ‚Äď Ipsen International GmbH, Kleve

Am Standort Saarbr√ľcken kooperieren die weltweit f√ľhrenden Experten f√ľr W√§rmebehandlung von Stahl der Ipsen International GmbH mit der Zahnradfabrik Friedrichshafen, ZF AG. Dabei wurden einzelne Verfahrensschritte der H√§rteverfahren weiterentwickelt, um wesentliche Komponenten f√ľr das Acht-Gang-Automatikgetriebe von ZF herzustellen, das unter Fachleuten als derzeit modernstes Getriebe der Welt gilt.

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Verfahrens- und Ofentechniken f√ľr die Einsatzh√§rtung von Komponenten f√ľr die Automobilindustrie

(Teil 2: Ofentechnik)

Matthias Rink, Dirk Joritz

5. Fortentwicklung des Abschreckens

Das H√§rten von aufgekohlten St√§hlen erfolgt in der Regel direkt im Anschluss an den Aufkohlungsprozess durch Abschrecken in einem √Ėlbad. Dieser Schritt ist sowohl bei atmosph√§rischen Aufkohlungs√∂fen wie auch bei Niederdruckaufkohlungsanlagen Teil des W√§rmebehandlungsprozesses.

Seit einigen Jahren werden aufgekohlte Komponenten zunehmend unter Verwendung von Gas abgeschreckt. Bei H√§rteanlagen, in denen die Abschreckung milder als in einem umgew√§lzten √Ėlbad erfolgt, liegt die Problematik nicht im H√§rten der Randschicht (da diese auf Grund des hohen Kohlenstoffgehaltes eine ausreichende H√§rtbarkeit aufweist), sondern im H√§rten des Kerns. In Tabelle 2 sind die f√ľr eine Kernh√§rte von 300 HV bzw. 350 HV erforderlichen Abk√ľhlgeschwindigkeiten zwischen 800 ¬įC und 500 ¬įC f√ľr verschiedene Einsatzst√§hle aufgef√ľhrt.

Tabelle 2: Kritische K√ľhlraten f√ľr Einsatzst√§hle

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Verfahrens- und Ofentechniken f√ľr die Einsatzh√§rtung von Komponenten f√ľr die Automobilindustrie

(Teil 1: Verfahren)

Matthias Rink, Dirk Joritz

1. Einleitung

Bei der Gro√üserienfertigung von Fahrzeugteilen erfolgt das Einsatzh√§rten heute √ľberwiegend durch Aufkohlen in Atmosph√§ren√∂fen mit anschlie√üendem Abschrecken der Chargen im √Ėlbad bzw. bei Einzelkomponenten in H√§rtepressen.

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 f√ľr das Einsatzh√§rten verwendet. Das Abschrecken erfolgt dabei meistens im Hochdruckgasstrom, bei Mehrkammer-Anlagen aber auch im √Ėlbad.

Am häufigsten kommen dabei folgende Ofentypen zum Einsatz:

  • Einkammer-Vakuum√∂fen
  • Zweikammer-Vakuum√∂fen
  • Mehrkammer-Anlagen

Als Kohlungsgase verwenden diese Anlagen i. A. reine Kohlenwasserstoffe wie Acetylen oder Propan. F√ľr 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 zugef√ľhrt wird. Beim Niederdruckcarbonitieren wird in den Diffusionsegmenten zus√§tzlich ein Ammoniak-Partialdruck eingestellt.

2. Kohlenstoff√ľbertragung und -steuerung bei der Atmosph√§renaufkohlung

In Atmosph√§ren mit CO und H2 erfolgt die Kohlenstoff√ľbertragung durch Adsorption von CO-Molek√ľlen auf der Werkstoffoberfl√§che und ihre Aufspaltung in C und O,

CO ‚Üí COad ‚Üí Cad + Oad,

sowie durch Desorption der Sauerstoffatome durch die H2-Molek√ľle (unter Bildung von Wasserdampf), wodurch neue freie Stellen f√ľr die CO-Adsorption entstehen. Die Summe beider Reaktionen (Adsorption und Desorption) f√ľhrt zu der bekannten Wassergasreaktion:

CO + H2 → [C] + H2O

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

2CO ‚Üí [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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Kostenreduzierung bei der Wärmebehandlung von Getrieben

Bernd Edenhofer
Ipsen International GmbH
Die W√§rmebehandlung schafft den eigentlichen Mehrwert bei der Herstellung von Funktionsbauteilen, insbesondere von Getriebekomponenten. Ein teuer, √ľber Erschmelzen, Warmumformen, Gl√ľhen, Grobzerspanen und Verzahnen hergestelltes Getriebeteil ist ohne W√§rmebehandlung unbrauchbar, also wertlos.
Erstaunlicherweise betragen die Kosten f√ľr diesen, einen derartig hohen Mehrwert schaffenden Verfahrensschritt nur einen Bruchteil der gesamten Herstellkosten. Sie liegen bei vielen Anwendungen nur im Bereich von 5%. Betrachtet man jedoch alle mit der W√§rmebehandlung zusammenh√§ngenden bzw. von ihr verursachten Arbeitsschritte, wie Reinigen, Strahlen und insbesondere die n√∂tig werdende Nacharbeit in Form von Schleifen der Zahnflanken, so kann die Gesamtheit dieser Kosten durchaus an 15% der St√ľckkosten heranreichen.
Eine deutliche Reduzierung der Herstellkosten ist deshalb in erster Linie durch Verminderung der Ma√ü√§nderungen zu erreichen. Hierzu sind die Einflussgr√∂√üen der Stahlherstellung, Formgebung, Gef√ľgehomogenit√§t, H√§rtbarkeitsstreuung, Zerspanung und nat√ľrlich auch der W√§rmebehandlung, wie insbesondere Positionierung der Werkst√ľcke in der Charge, Gleichm√§√üigkeit der Erw√§rmung, der Aufkohlung und des W√§rmeentzuges bei der Abschreckung zu analysieren und optimieren.
Es gibt Ver√∂ffentlichungen von Herstellern von Lkw-Getrieben, die aussagen, dass der Anteil der W√§rmebehandlung an den auftretenden Verz√ľgen nur bei etwa 10% liegt und der Gro√üteil von der Form und dem Werkstoff (Gef√ľge, H√§rtbarkeit, etc.) verursacht werden [1]. Das mag stimmen, zumindest so lange diese Einflussfaktoren nicht optimiert sind. Sind Werkstoff und Formgebung hinsichtlich Verz√ľge aber optimiert, steigt der Anteil der W√§rmebehandlungsfaktoren am Verzug aber in Richtung 50%
Also ist es durchaus lohnend, Aktivitäten bei der Wärmebehandlung, dem gleichmäßigen Erwärmen, Aufkohlen und insbesondere dem Abschrecken zu unternehmen. Weiterlesen