Kostensenken durch Plasmanitrieren im Großgetriebebau

Die globale Erwärmung der Erde zwingt unsere heutige Gesellschaft energiepolitisch umzudenken. Ohne regenerative Energie, wie die Windenergie, ist die Umsetzung dieses Zieles kaum zu erreichen. In der Windbranche gibt es zwei wesentliche Tendenzen: der Trend zu immer größeren Anlagen sowie der Schritt zum Offshore-Markt. Daraus ergeben sich besondere Anforderungen auch für deren Getriebe.Sie müssen zuverlässig und wartungsfreundlich sein,
um eine hohe Verfügbarkeit der Anlage sicherzustellen, gleichzeitig auch kompakt und geräuscharm. [ 1 ]

Die höchsten Beanspruchungen der Getriebekomponenten lokalisieren sich auf deren Randbereich. „Der hohen Beanspruchung der Randschicht kann man durch Fertigung des gesamten Bauteils aus einem Hochleistungswerkstoff Rechnung tragen. Kostengünstiger ist jedoch eine Funktionsteilung zwischen der Randschicht und dem Grundkörper durch Einsatz eines Randschichtverbundwerkstoffes. Der Randschichtwerkstoff schützt dabei das Bauteil vor Verschleiß und Korrosion sowie der Wirkung hoher Spannungsgradienten, während der Grundwerkstoff ihm die notwendige Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Eine Funktionsteilung wird zwingend, wenn es keinen Grundwerkstoff gibt, der den Anforderungen entspricht bzw. die Anforderungen an Rand und Kern so gegensätzlich sind, daß sie nicht durch einen einzigen Werkstoff erfüllt werden können“ [2]

Umgesetzt wird dies im Großgetriebebau durch ein Einsatzhärten oder Nitrieren.

„Die Kombination einer harten, dünnen artfremden Schicht mit einer dickeren, verfestigten arteigenen Stützschicht ist nur für Nitrierschichten charakteristisch. Daraus ergibt sich die von anderen Verfahren der Randschichttechnik unerreichte Anwendungsvielfalt des Nitrierens. Die relativ niedrigen Behandlungstemperaturen, gemessen am Einsatzhärten und thermischen Randschichthärten, gewährleisten niedrige Maß- und Formänderungen, aus ihnen ergeben sich aber auch Grenzen für die erreichbare Diffusionstiefe.“ [ 2]

Besonders die weitaus bessere Maß- und Formbeständigkeit nach dem Nitrieren gegenüber dem Einsatzhärten macht speziell Nitrierverfahren für Großgetriebe mit hohen Anforderungen an maßliche Toleranzen interessant.

Der ständig steigende Wettbewerbsdruck zwingt die Anwender auch bei den Nitrierverfahren nach kostengünstigsten Lösungen zu suchen.

Stand der Technik ist das Gasnitrieren in Ammoniak bei Atmosphärendruck sowie das Plasmanitrieren in einem Wasserstoff / Stickstoffgemisch im Vakuum. Das Plasmanitrieren wird dabei zunehmend eingesetzt. Es zeichnet sich neben den verfahrenstechnischen Vorteilen

– partielle Behandlung durch mechanisches Maskieren,
– geringerer Rauhigkeitszuwachs,
– sehr gute Reproduzierbarkeit und
– engste Toleranzen im Behandlungsergebnis

durch weitaus geringere Verbrauchskosten bei etwas höherem Investitionsbedarf aus.

Der Gasverbrauch wird beim Plasmanitrieren in Liter pro Stunde gemessen, der von Gasnitrieranlagen in Kubikmeter pro Stunde. Das Gas muß in Gasnitrieranlagen aufgeheizt werden (was höhere Energiekosten bedingt) und darf erst nach einer kostenintensiven Aufbereitung in die Atmosphere abgegeben werden. Da beim Plasmanitrieren kein Ammoniak eingesetzt wird, entfallen wesentliche Aufwendungen für eine Gasaufbereitung. Diese ergeben sich beim Gasnitrieren aus der TA-Luft um Grenzwerte für Ammoniak von 30 mg/m³ (40 ppm) zu unterschreiten, bzw. um die zulässigen Emissionen an CO2, und NOX einzuhalten.
Ammoniak darf beim Gasnitrieren erst in den gespülten Ofenraum eingeleitet werden, wenn der Sauerstoffgehalt weniger als 1 Vol-% beträgt. Dies wird in der Praxis erreicht, wenn das Gasvolumen im Ofenraum ca. 5-mal ausgetauscht worden ist. [3] Üblicherweise wird für das Spülen Stickstoff verwendet.
Bei Plasmanitrierprozessen muß nicht gespült werden, wodurch sich zusätzliche Einsparungseffekte ergeben.

Der Medienverbrauch einer Plasmanitrieranlage der Abmessungen 3,2 x 2,5 Meter (Durchmesser, Höhe) läßt sich für Kühlwasser und Elektroenergie wie folgt beschreiben.

– Kühlwasser ca. 5 l/min
– Bedarf an Elektroenergie pro Nitrierstunde ca. 120 KWh/h

Bezogen auf obige Ofengröße (3,2 m x 2,5 m) sind die Verbrauchsdaten für Gase beim Gas- und Plasmanitrieren wie folgt.

Gasnitrieren Plasmanitrieren

1. Spülen ca. 100 m3 entfällt, da ein Vakuum erzeugt wird
2. Nitrieren ca. 14 m3/h ca. 150 l/h

Für das Gasnitrieren wird eine Begasungsrate (Anzahl der auf das Volumen des Ofenraums bezogenen Gaswechsel/Stunde) von 2 – 3 empfohlen. [3] Bedingt durch die relativ kleine Oberfläche der Teile für Großgetriebe bezogen auf das Ofenvolumen kann mit geringeren Gasdurchsätzen nitriert werden. Für den Vergleich wurde eine durchschnittliche Begasungsrate von 0,7 angenommen.

Die Anschaffungskosten einer Plasmanitrieranlage sind bedingt durch die notwendige Plasmastromversorgung etwas höher als für Gasnitrieranlagen mit vergleichbaren Meß- und Regeleinrichtungen. Da jedoch die Lebensdauer der Retorte bei Plasmanitrieranlagen Jahrzehnte beträgt, sind die Kapitalkosten über die Lebensdauer gesehen in etwa vergleichbar.

Einsparungen ergeben sich bei Plasmanitrieranlagen insbesondere auch im Bereich der Logistik, da Plasmanitrieranlagen direkt in die Fertigungslinie intergriert werden.

In der Plasmawärmebehandlung haben sich überwiegend Haubenöfen durchgesetzt. Bei einem Haubenofen ist die Charge von allen Seiten frei zugänglich und die Teile können einfach von Hand oder Kran geladen werden. Der gesamte Chargenraum läßt sich sehr gut ausnutzen. Der Energieeintrag durch das Plasma, der bei konventionellen Öfen nicht existiert, kann in dieser vertikalen Bauform, unter Berücksichtigung minimaler Temperaturdifferenzen, optimal über die Wand abgegeben werden.

Die Arbeitsabläufe in der Fertigung untergliedern sich unabhängig vom Ofentyp in die Teilprozesse:

– Beladen,
– Plasmaprozess ( Erwärmen/Thermochemischer Prozess/Abkühlen)
– und Entladen.

ELTROPULS Plasmanitrieranlage
ELTROPULS Plasmanitrieranlage

Doppelbodenanlage H320/250

Einsparpotentiale erschließen sich dabei im Bereich Be- und Entladen (Lohnkosten), im Grad der Anlagennutzung sowie in geringerem Maße beim Aufheizen und Abkühlen. Insbesondere bei einschichtigem Batchbetrieb hat sich in diesem Zusammenhang das preisgünstige Doppelbodenkonzept bewährt. Eine Doppelbodenanlage verfügt über zwei Böden. Auf einem Boden wird eine Charge chargiert, während auf dem anderen Boden behandelt wird. Nach Prozessende fährt die Haube auf den bereits chargierten Boden, während die behandelten Teile zum Entladen bereit stehen. Das Be- und Entladen wird vom Behandeln entkoppelt. Praktisch läuft eine solche Anlage ständig durch und wird dadurch effektiv genutzt.

Literatur

[1] K.-U. Höltkemeier
http://www.windkraftkonstruktion.vogel.de/hydraulik/articles/216544/

[2] H.J. Spies
Optimierung des Gebrauchsverhaltens von Bauteilen durch Randschichtbehandlung
Techn. Universität Bergakademie Freiberg, 26.-28.9.1995

[3] Dieter Liedtke
Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen 2
Nitrieren und Nitrocarburieren
4. Auflage von 2007, 342 Seiten, mit 241 Bildern und 28 Tabellen, Paperback
expert-Verlag | ISBN: 3816927246