Ein Verfahren, das seit mehr als einem Jahrhundert bekannt ist – das Gasnitrieren – hat eine Technologie gesehen, die ein echter Game Changer im Bereich der Wärmebehandlung von Metallen ist. Die ZeroFlow®-Methode, die von SECO/WARWICK in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern einer der besten technischen Universitäten Polens – der Technischen Universität Poznan – in die weltweite Industrie eingeführt wurde, reduziert die Prozesskosten und ist um ein Vielfaches ökologischer.
Dr. Maciej Korecki, Erfinder und Förderer der modernen Wärmebehandlung und Vice President des Segments Vakuumöfen bei der SECO/WARWICK Gruppe, spricht darüber, warum ZeroFlow®-Öfen mit Nitrier-Technologie eine so große technologische Revolution sind und welche Branchen am meisten von dieser Methode profitieren können.
Das Gasnitrieren von Stahl ist ein Verfahren, das über 100 Jahre alt ist. Wie sah dieser Prozess in der Vergangenheit aus und wie sieht er heute aus?
Maciej Korecki: Genau. Das Nitrieren ist eines der am weitesten verbreiteten thermo-chemischen Behandlungsverfahren zur Herstellung von oberflächengehärteten Schichten. Heute wird es überall dort eingesetzt, wo Stahlteile hergestellt werden, z. B. Zahnräder, Buchsen, Wellen, Matrizen, Stempel oder Formen, vor allem im Maschinen-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Bergbau- oder Werkzeugbau etc.
Historisch gesehen begann es mit dem Nitrieren in reinem Ammoniak, aber es traten Schwierigkeiten bei der Kontrolle und Reproduzierbarkeit der Prozessergebnisse auf. Über 100 Jahre lang bis in die Gegenwart wurden dem Ammoniak dann verschiedene Gase zugesetzt, um den Prozess zu steuern – mit Erfolg. Heute wird beim Gasnitrieren ein in der Zusammensetzung kontrolliertes Gemisch aus Ammoniak und „Verdünnungs“-Gasen, hauptsächlich in Form von dissoziiertem Ammoniak oder Stickstoff, verwendet, um das Stickstoffpotenzial zu steuern, das die grundlegende „treibende Kraft“ des Nitrierprozesses ist. Ein charakteristisches Merkmal ist die Notwendigkeit eines kontinuierlichen Atmosphärenflusses durch den Ofen, d.h. ein Zu- und Abfluss. Die neueste technologische Entwicklung bei diesem Verfahren ist das ZeroFlow®-Gasnitrieren. Es ist eine Methode, die die Prozesskosten deutlich reduziert und gleichzeitig die Umwelt schont.
Was ist ZeroFlow® Gasnitrieren?
M.K.: ZeroFlow-Nitrieren ist ein Gasnitrierverfahren auf Ammoniakbasis. Es zeichnet sich dadurch aus, dass das Stickstoffpotenzial durch die Zufuhr der richtigen Portion Ammoniak zum richtigen Zeitpunkt und nur Ammoniak gesteuert wird, anstatt eines kontinuierlichen Flusses einer Mischung aus Ammoniak und Verdünnungsgas. Folglich verwendet die ZeroFlow-Methode die minimale Ammoniakmenge, die benötigt wird, um das erforderliche Stickstoffpotenzial zu erreichen und den Stickstoff in der Atmosphäre wieder aufzufüllen. Dabei wird die Situation berücksichtigt, in der dem Ofen überhaupt kein Ammoniak zugeführt wird, also kein Fluss, daher der suggestive Name der Lösung Zero (none) Flow. Bei der Verwendung von Ammoniak allein im Nitrierprozess haben wir es (im Gegensatz zu einigen traditionellen Methoden) mit einer stöchiometrischen Reaktion zu tun, d.h. einer Reaktion, die eindeutig definiert und vorhersehbar ist, zusätzlich auf der Basis der Überwachung einer Komponente der Atmosphäre. Daher steuert das ZeroFlow-Verfahren sehr präzise nur einen Gasanalysator, wodurch eine Verbesserung der Qualität und Wiederholbarkeit der Ergebnisse im Vergleich zu verschiedenen traditionellen Methoden erreicht wird.
Woher kam die Idee für ZeroFlow – wie lange arbeitet SECO/WARWICK schon an dieser Technologie?
M.K.: ZeroFlow geht sozusagen zurück zur Quelle, zu den Grundlagen des Nitrierprozesses, indem es nur Ammoniak ohne zusätzliche Gase verwendet. Der Erfinder des Verfahrens ist prof. Leszek Małdziński von der Technischen Universität Poznań, der die theoretischen Grundlagen entwickelt und in der Forschung bestätigt hat. Dann, vor mehr als 10 Jahren, wurde in einer Partnerschaft zwischen SECO/WARWICK und der Technischen Universität Poznan ein Projekt zur Entwicklung und zum Bau des ersten Industrieofens initiiert, der für die Durchführung von ZeroFlow-Nitrierprozessen ausgelegt ist. Der Ofen wurde in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung von SECO/WARWICK (SECO/LAB®) in Betrieb genommen, wo die Methode bereits an Dutzenden von Prozessen im industriellen Maßstab implementiert und validiert wurde. Das Projekt dauerte mehrere Jahre und umfasste Dutzende unserer Ingenieure und Forscher von der Technischen Universität Poznań.
Erzielt das ZeroFlow®-Nitrieren die gleichen Ergebnisse wie andere Gasnitrierverfahren?
M.K.: Eindeutig ja. Das ZeroFlow-Verfahren ist eine vollständige und vielseitige Alternative zu jedem Gasnitrierverfahren. Es kann eine Schicht mit beliebiger Struktur und Dicke hergestellt werden und es können verschiedene technologische Optionen wie ferritische Nitrocarburierung und Oxidation realisiert werden. Gleichzeitig ist es eine Methode, die denjenigen, die sich für sie entscheiden, große Vorteile bietet. Der wichtigste Vorteil ist die Minimierung des Ammoniakverbrauchs und der Gasemissionen nach dem Prozess. Die vereinfachte Gas- und Messinstallation und die erhöhte Genauigkeit der Prozesssteuerung führen direkt zu einer Reduzierung der Prozesskosten und des Umweltschutzes bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktionsqualität.
Was beeinflusst den Gasbedarf bei Nitrierprozessen und die Kosten von Nitrierprozessen?
M.K.: Was die Kosten betrifft, so sind der Energieverbrauch zum Erreichen und Aufrechterhalten der erhöhten Prozesstemperatur und die Nitriergase die Hauptfaktoren. Der Gasbedarf wird hauptsächlich durch die Art und Weise und die Qualität der Stickstoff-Potenzialregelung beeinflusst. Bei herkömmlichen Lösungen wird das voreingestellte Stickstoffpotential durch einen kontinuierlichen Atmosphärenstrom in der Menge erreicht, die sich aus der angewandten Methode und dem Ofenzustand ergibt, im Allgemeinen mit einem großen Überschuss im Vergleich zum Chargenbedarf. Dies ist vergleichbar mit der Aufrechterhaltung eines konstanten Wasserstands in einem Locheimer, bei dem je nach Größe des Lochs eine kontinuierliche Wasserversorgung erfolgen muss. Bei der ZeroFlow-Methode wird die optimale und minimale Ammoniakmenge verwendet, die notwendig ist, um die erforderliche Stickstoffmenge an die Oberfläche der bearbeiteten Teile zu bringen. In diesem Fall ist der Eimer dicht und es gibt keine Leckage. Anhand von Beispielen. Einer unserer Kunden – ein namhaftes Unternehmen aus der Automobilindustrie – verbrauchte bei traditionellen Nitrierprozessen etwa 160 Tonnen Ammoniak pro Jahr. Nachdem ZeroFlow implementiert wurde, sank der Verbrauch auf etwa 20 Tonnen pro Jahr. Das bedeutet eine Reduzierung des Ammoniakverbrauchs um bis zu 87,5 %.
Bedeutet das, dass das ZeroFlow-Nitrieren ein ökonomisches und ökologisches Verfahren ist?
M.K.: Eindeutig ja. Er verbraucht ein Vielfaches an Ammoniak, einem der Hauptkostenfaktoren des Prozesses, und emittiert ebenfalls ein Vielfaches an Abgasen, darunter letztlich auch Stickoxide (NOx), was wesentlich zur Umweltfreundlichkeit von ZeroFlow beiträgt.
Über den Gesprächspartner
Maciej Korecki
Er ist Absolvent der Universität von Zielona Góra, wo er 1988 den Titel Master of Science in Elektrotechnik erlangte. Er promovierte 2008 an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Lodz auf dem Gebiet der Konstruktion und Prüfung von Vakuumöfen. Er ist Autor zahlreicher internationaler SECO/WARWICK-Patente und hält regelmäßig Fachvorträge auf internationalen Konferenzen mit Schwerpunkt Vakuumofentechnik. Er begann seine Karriere 1988 bei Elterma als Servicetechniker für Vakuumöfen. 1991 wechselte er zu SECO/WARWICK, wo er sich Kompetenzen in den Bereichen Technologie und Prozesse sowie Entwicklung und Innovation aneignete, insbesondere in den Bereichen Vakuumaufkohlung und Hochdruck-Gashärtung.
Derzeit Vizepräsident des Segments Vakuumöfen, eine Position, zu der er 2012 vom Vorstand von SECO/WARWICK ernannt wurde. Dr. Maciej Korecki beschäftigt sich aktiv mit der Entwicklung und Verbesserung von Vakuum-Wärmebehandlungsanlagen und -prozessen und deren Anwendung in neuen industriellen und technologischen Bereichen. Er ist der Erfinder und Förderer der einteiligen Vakuum-Durchflusswärmebehandlung.
