Pålitlig vakuumförsörjning för plasmanitrering

Om HWL Löttechnik

Kärnkompetensområdet hos HWL Löttechnik GmbH i Berlin är värmebehandling av stål och andra metaller, främst för flyg- och fordonsindustrin samt kraftverksteknologi. Företaget erbjuder nästan alla typer av värmebehandling, från induktionshärdning och glödgning till vakuumhärdning, glödgning och lödning, samt alla typer av fallbaserad härdning.

HWL Löttechnik grundades 1981 på en gård i Berlin-Wedding i Tyskland, med bara en anställd. År 1983 togs Berlins första vakuumugn i drift på HWL. Sedan dess har man arbetat med värmebehandling av stål och andra metaller, inklusive titan. År 1996 flyttade företaget till en ny byggnad i Berlin-Reinickendorf. År 2006 flyttade man till en andra anläggning. Idag har HWL 30 anställda och man har redan planer på att expandera ytterligare, till en tredje anläggning. Utrustningen är i drift 365 dagar om året.

Kai Lembke har arbetat i det familjeägda HWL sedan 2004 och har varit aktieägare och styrelseledamot sedan 2011. Han ser sitt företag som en utvecklingspartner för många av kunderna, som ofta kommer till honom med bara en idé. Dessa idéer utgör grunden för prototyper, småskalig tillverkning och resulterar ofta i storskalig tillverkning. I de flesta fall omfattar processen extremt komplexa uppgifter, där HWL arbetar tillsammans med kunden för att hitta en lösning. HWL:s aktiviteter som officiell partner till Rolls Royce Aerospaces forskningsorganisation är ett tecken på respekt för familjeföretaget som en kompetent leverantör.

Process för plasmanitrering

Plasmanitrering blir allt viktigare när det gäller värmebehandling på HWL. De har mer än 30 års erfarenhet av denna process. Idag säkerställer modern teknologi och systemkontroll att sammansättningen och diffusionsskiktens struktur kan kontrolleras och övervakas kontinuerligt. Pulsad likströmsplasma används för att uppnå enhetliga värmebehandlingsresultat. Fördelen med denna termokemiska process är att värmebehandling kan utföras vid jämförelsevis låga temperaturer på mellan 520 och 580 °C. Det måste finnas fria laddningsbärare för elöverföring tillgängliga för att göra plasman elektriskt ledande. Vid atmosfärstryck skulle det krävas ekonomiskt orealistiska temperaturer för att producera plasmans elektriska konduktivitet. HWL arbetar med tryck på 2,5 millibar, vilket i praktiken möjliggör värmebehandling under 600 °C. Temperaturerna är låga jämfört med andra värmebehandlingsmetoder och detta har en mycket positiv effekt på komponenternas deformationsbeteende. En annan fördel med metoden är att enskilda delar av komponenter som inte ska nitreras kan maskeras mekaniskt och därmed selektivt uteslutas från nitreringsprocessen. Detta ändrar inte ytans egenskaper under de maskerade sektionerna.

Före själva plasmanitreringsprocessen placeras de komponenter som ska behandlas exakt på monteringsanordningen. Här lönar sig HWL:s mångåriga erfarenhet, eftersom delarna måste placeras i optimal position i ugnen för att uppnå önskade ytegenskaper. Efter laddningsproceduren och efter att ugnen har stängts evakueras den till erforderligt processtryck och värms upp med hjälp av väggvärmaren. Efter denna uppvärmning utsätts komponenterna för glödurladdning i en atmosfär av kväve. I denna glödurladdning skapas plasma. Kvävet dissocieras i processen, joniseras och förbränns på komponenternas yta. Exakt hanteringstemperatur och nitreringstid beror på komponenternas material, storlek och sammansättning, samt vilket nitreringsdjup som ska uppnås. Efter nitreringsprocessen kyls ugnen med komponenterna ner. Hela processen tar mellan 17 och 30 timmar. Under hela denna tid är vakuumsystemet i drift (fig. 1).

Vakuumsystemlösning och fördelarna för kunden

Efter att HWL redan hade positiva erfarenheter av andra värmebehandlingssystem med vakuumpumpar från företaget Dr.-Ing. K. Busch GmbH, 2013 förvärvades en ny nitreringsugn, och den hade även ett Busch vakuumsystem. Den består av en oljesmord R5 lamellvakuumpump som förpump och en PUMA vakuumbooster. Detta vakuumsystem uppnår ett sluttryck på <1 x 10^-2 mbar, medan det faktiska arbetstrycket under processen är 2,5 millibar. Detta utnyttjar vakuumsystemets optimala kapacitet, vilket är högst inom detta arbetsområde (fig. 2).

I början av processen evakuerar R5 lamellvakuumpumpen ugnen från atmosfärstryck, till ett grovvakuum på 100 millibar. Det är bara nu som PUMA vakuumbooster är påslagen. Som booster ökar den markant vakuumsystemets kapacitet, för att snabbt erhålla och tillförlitligt upprätthålla processtrycket.
Genom att kombinera vakuumsystemet med en lamellvakuumpump och dess kontroller, som är specifikt koordinerade för processen, är det möjligt att erhålla maximal kapacitet med lägsta möjliga energiförbrukning. Exakt underhåll av arbetstryck och pumphastighet garanterar möjligheten att köra och dokumentera reproducerbara processer. På så sätt är det möjligt att uppnå exakt de önskade produktegenskaperna. För det mesta plasmanitreras höglegerade rostfria stål hos HWL, men även konstruktionsstål eller sintrade metaller värmebehandlas med denna process. Sedan nitreringsugnen togs i drift 2013 har det aldrig förekommit något fel på vakuumsystemet, trots att det är i drift dygnet runt. Den kontinuerliga driften avbryts endast av uppställnings- eller placeringstider.
För Kai Lembke är absolut pålitlighet hos vakuumtekniken högsta prioritet. Detta beror på att ett fel i vakuumsystemet under processen kan innebära att hela satsen med högkvalitativa och dyra precisionskomponenter blir oanvändbara. Under den här tiden har det aldrig förekommit något fel på vakuumförsörjningen. Därför är det uppenbart för Kai Lembke att de enda nitreringssystem som är värda att överväga för den planerade expansionen av företaget och divisionen ”plasmanitrering” måste vara utrustade med Busch vakuumteknik. Underhållet av vakuumsystemet är begränsat till ett minimum. Förutom den dagliga visuella inspektionen av oljenivån så byts oljan i R5 lamellvakuumpump och i växelenheten i PUMA vakuumbooster vartannat år. Kai Lembke vet också att Busch Service Center finns i närheten och kan vara på plats direkt om något skulle hända.