Zuverlässiges Vakuum beim Plasmanitrieren sichert Chargenqualität und spart Material

Die Wärmebehandlung von Stählen und anderen Metallen, hauptsächlich für die Luftfahrt- und Automobilindustrie sowie für die Kraftwerktechnik, ist die Kernkompetenz der HWL Löttechnik GmbH in Berlin. Dabei werden fast alle Arten der Wärmebehandlung vom Induktionshärten und -glühen bis hin zum Vakuumhärten, -glühen und -löten sowie alle Arten von Einsatzhärten angeboten. Beim Plasmanitrieren vertraut HWL auf Vakuumtechnik von Busch, mit der der Nitrierofen ausgestattet ist.

Kai Lembke, seit 2004 im Familienbetrieb HWL tätig und seit 2011 Gesellschafter sowie Mitglied der Geschäftsführung, sieht seine Firma als Entwicklungspartner für viele seiner Kunden, die manchmal nur mit einer Idee zu ihm kommen, aus der ein Prototyp, eine Kleinserie und daraus oft eine Großserie entsteht. Dabei geht es meist um äußerst komplexe  Aufgabenstellungen, für die gemeinsam mit dem Kunden eine Lösung gefunden wird. Die  Tätigkeit der HWL als offizieller Forschungsverbund-Partner von Rolls Royce Aerospace ist ein Zeichen der Anerkennung für das Familienunternehmen als kompetenter Lieferant.

Eine immer größere Bedeutung in der Wärmebehandlung gewinnt bei HWL das Plasmanitrieren, ein Verfahren, mit dem man schon 30 Jahre Erfahrung hat. Heute  sorgen modernste Anlagentechnik und -steuerung dafür, dass Aufbau und Zusammensetzung der Verbindungs- und Diffusionsschichten kontinuierlich gesteuert und überwacht werden können. Gearbeitet wird mit einem gepulsten Gleichstromplasma,  durch das ein gleichmäßiges Wärmebehandlungsergebnis erzielt wird. Dieses thermochemische Verfahren hat den Vorteil, dass die Wärmebehandlung bei vergleichbar niedrigen Temperaturen von 520 bis 580° Celsius durchgeführt werden kann. Damit das Plasma elektrisch leitfähig ist, müssen freie Ladungsträger für den Stromtransport vorhanden sein. Bei Atmosphärendruck wären wirtschaftlich unrealistische Temperaturen notwendig, um die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas zu erzeugen. Bei HWL arbeitet man bei Drücken von 2,5 Millibar, was in der Praxis eine Wärmebehandlung unter 600° Celsius ermöglicht. Die im Vergleich zu anderen Wärmebehandlungsmethoden niedrige Temperatur wirkt sich äußerst positiv auf das Verzugsverhalten der Bauteile aus. Außerdem bietet dieses Verfahren den Vorteil, dass einzelne Bereiche von Bauteilen, die nicht nitriert werden sollen, mechanisch abgedeckt und somit gezielt vom Nitrierprozess ausgeschlossen werden können. Dadurch werden die Eigenschaften der Randschichten unter den maskierten Bereichen nicht verändert.


Fig.1: Vakuumsystem bestehend aus einer R 5 Drehschieber-Vakuumpumpe und einer Puma Wälzkolben-Vakuumpumpe von Busch

Vor dem eigentlichen Plasmanitrierprozess werden die zu behandelnden Bauteile exakt auf den Aufnahmevorrichtungen platziert. Hier zahlt sich die langjährige Erfahrung  von HWL aus, denn die Teile müssen optimal im Ofen angeordnet sein, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften zu erzielen. Nach dem Chargiervorgang und dem Schließen des Nitrierofens wird dieser auf den notwendigen Prozessdruck evakuiert und über die Wandheizung erwärmt. Nach diesem Erwärmungsprozess werden die Bauteile unter Stickstoff-Atmosphäre einer Glimmentladung ausgesetzt. In dieser Glimmentladung bildet sich ein Plasma, der Stickstoff dissoziiert dabei, ionisiert und wird auf die Oberfläche der Bauteile geschossen. Die exakte Behandlungstemperatur und die Nitrierdauer sind abhängig von Material, Größe und Beschaffenheit der Bauteile sowie der zu erzielenden Nitrierhärtetiefe. Nach dem Nitriervorgang wird der Ofen mit den Bauteilen abgekühlt. Der ganze Prozess dauert zwischen 17 und 30 Stunden. Während dieser Zeit ist die Vakuumanlage in Betrieb (Fig. 1).

Nachdem HWL bereits bei anderen Wärmebehandlungsanlagen gute Erfahrungen mit Vakuumpumpen der Firma Dr.-Ing. K. Busch GmbH gemacht hat, wurde 2013 ein neuer Nitrierofen angeschafft, dessen Vakuumsystem ebenfalls von Busch ist. Es besteht aus einer ölgeschmierten R 5 Drehschieber-Vakuumpumpe als Vorpumpe und einer Puma Wälzkolben-Vakuumpumpe als Booster. Dieses Vakuumsystem erreicht einen Enddruck von <1 x 10-2 mbar, während der eigentliche Arbeitsdruck während des Prozesses bei 2,5 Millibar liegt. Damit wird das optimale Saugvermögen des Vakuumsystems genutzt, das in diesem Arbeitsbereich am höchsten ist (Fig. 2).


Fig.2: Saugvermögen des Vakuumsystems

Zu Beginn des Prozesses evakuiert die R 5 Drehschieber-Vakuumpumpe den Ofen von Atmosphärendruck auf ein Grobvakuum von 100 Millibar. Erst jetzt wird die Puma Wälzkolben-Vakuumpumpe zugeschaltet, die als Verstärkerpumpe (Booster) das Saugvermögen des Vakuumsystems erheblich erhöht, sodass der Prozessdruck schnell erreicht und sicher gehalten werden kann. Durch die Kombination des Vakuumsystems mit einer Drehschieber-Vakuumpumpe und deren genau auf den Prozess abgestimmten Steuerung ist es möglich, mit geringstmöglichem Energieaufwand ein Maximum an Saugvermögen zu erreichen.

Das präzise Einhalten des Arbeitsdrucks und des Saugvermögens ist ein Garant dafür, nachvollziehbare Prozesse zu fahren und zu dokumentieren. Dadurch lassen sich die exakt gewünschten Produkteigenschaften erzielen. Bei HWL werden meist hochlegierte Edelstähle plasmanitriert, aber auch Baustähle oder Sintermetalle werden durch dieses Verfahren wärmebehandelt. Seit der Inbetriebnahme des Nitrierofens im Jahr 2013 ist es noch nie zu einer Störung oder einem Ausfall des Vakuumsystems gekommen, obwohl es rund um die Uhr in Betrieb ist. Der kontinuierliche Betrieb wird nur durch die Rüst- beziehungsweise Bestückungszeiten unterbrochen.

Für Kai Lembke hat die absolute Zuverlässigkeit der Vakuumtechnik höchste Priorität. Denn ein Ausfall des Vakuumsystems während des Prozesses kann die komplette Charge von hochwertigen und kostspieligen Präzisionsbauteilen unbrauchbar machen. Bislang kam es noch nie zu einer Störung bei der Vakuumversorgung, deshalb ist für Kai Lembke klar, dass bei der geplanten Betriebserweiterung und dem Ausbau der Sparte „Plasmanitrieren" nur neue Nitrieranlagen in Frage kommen, die mit Busch Vakuumtechnik ausgestattet sind. Die Wartung des Vakuumsystems beschränkt sich auf ein Minimum. Neben der täglichen Sichtkontrolle des Ölstands wird alle zwei Jahre das Öl in der R 5 Drehschieber-Vakuumpumpe sowie im Getriebe der Puma Wälzkolben-Vakuumpumpe gewechselt. Für den Fall der Fälle weiß Kai Lembke auch, dass Busch mit seinem Service Center ganz in der Nähe vertreten ist und sofort vor Ort sein kann.

Über HWL Löttechnik

HWL Löttechnik wurde 1981 in einem Hinterhof in Berlin-Wedding mit nur einem Mitarbeiter gegründet. 1983 ging Berlins erster Vakuumofen überhaupt bei HWL in Betrieb. Seitdem beschäftigt man sich mit der Wärmebehandlung von Stählen und anderen Metallen, unter anderem Titan. 1996 zog das Unternehmen in ein neues Gebäude nach Berlin-Reinickendorf. 2006 wurde ein zweiter Standort bezogen. Heute sind 30 Mitarbeiter bei HWL beschäftigt, und eine weitere Expansion an einen dritten Standort ist bereits in der Planungsphase. Die Anlagen laufen an 365 Tagen im Jahr.


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