Die Kraft des Plasmas, das in Ölfeldern verwendet wird

PulsplasmanitrierenVerbessert die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit und verringert den Reibungskoeffizienten für kritische OEM-Komponenten, die auf Ölfeldern verwendet werden

In den rauen, korrosiven und abrasiven Umgebungen, die beim Bohren und Explorieren von Ölfeldern üblich sind, werden OEM-Produkte wie nahtlose Stahlrohre, Ventile und Pusher- oder Pipeline-Anschlüsse verwendet. Für solche extremen Betriebsbedingungen ist die Einsatzhärtung von Kohlenstoffstahl, ferritischem Edelstahl, austenitischem Edelstahl oder Inconel häufig eine Konstruktionsanforderung. Zu diesem Zweck sind Nitrieren und Nitrocarburieren seit Jahrzehnten die Oberflächenbehandlung der Wahl.

Bei den heutigen hochentwickelten Teilen greifen Konstrukteure zunehmend auf fortschrittliches Plasmanitrieren zurück, um die Bildung der Diffusionsschicht, die Härtungstiefe und die Beibehaltung der Bauteilabmessungen präziser steuern zu können. Hochentwickelte Elektronik und Software ermöglichen eine hervorragende Steuerung des DC-Pulssignals sowie ein verbessertes Kammerdesign und -konstruktion. Dies ermöglicht eine präzisere Temperaturregelung und eine gleichmäßigere Verteilung der Heizzone in der gesamten Heißwandkammer. Das Ergebnis ist eine äußerst konsistente und gleichmäßige Nitrierung von Charge zu Charge mit einem geringeren Gasverbrauch als beim herkömmlichen Gasnitrieren.

„Die Vorteile liegen in einer präziseren Steuerung der Diffusionsschichten und der Möglichkeit, vielfältigere Materialien als Stahl, darunter Edelstahl, Titan und sogar Aluminium, wärmezubehandeln“, sagt Thomas Palamides von PVA TePla America.

Dadurch haben Hersteller von Ölfeldteilen die Möglichkeit, Teile mit verbesserten Eigenschaften wie höherer Verschleißfestigkeit, verbesserter Korrosionsbeständigkeit und verringertem Reibungskoeffizienten herzustellen. Darüber hinaus können Hersteller und Prozessingenieure jetzt aus mehreren Systemkonfigurationen und Prozessrezepten wählen, die Flexibilität, Effizienz und Wiederholbarkeit bieten.

Mit den jüngsten Fortschritten beim Pulsplasmanitrieren ist ein neues Maß an Präzision und Kontrolle möglich, was zu einer gleichmäßigeren und gleichmäßigeren Einsatzhärtung führt. Zusammen mit den Vorteilen der ausschließlichen Verwendung umweltfreundlicher Gase ist das plasmabasierte Nitrieren zu einem Schwerpunkt für weitere Innovationen und zu einer Anforderung für diejenigen geworden, die eine sicherere und umweltfreundlichere Lösung suchen.

Beim PulsPlasma-Nitrieren werden Teile in einer beheizten Vakuumkammer bearbeitet. Nach dem Laden der Teile auf eine Stützvorrichtung wird die Vorrichtung mit einer Glockenkammer abgedeckt und die Kammer auf unter 10 Pascal evakuiert. Der Prozess beginnt mit der Aktivierung eines Generators, der eine Gleichspannung von mehreren hundert Volt zwischen der Ladelastkathode (-) und der Kammerwandanode (+) pulsiert. In der Kammer werden nach und nach Prozessgase zugeführt, die anschließend ionisiert und elektrisch leitend werden. Beim Pulsplasmanitrieren wird typischerweise ein Gasgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff verwendet, und Methan kann hinzugefügt werden, falls ein Nitrocarburierungsprozess angestrebt wird.

Während der Behandlung bewirkt das auf der freiliegenden Oberfläche der Bauteile leuchtende Plasmafeld, dass Stickstoffionen in das Material diffundieren und eine Diffusionszone bilden. Diese Diffusionszone verstärkt das Metall. Der atomare Stickstoff wird Atom für Atom im Grundmaterial des Eisengitters gelöst.

Um die Präzision noch weiter zu steigern, haben Innovatoren im Bereich Pulsplasma Methoden zur Optimierung des Prozesses durch eine bessere Steuerung der Leistungsimpulse entdeckt. Bei dem von PVA TePla Industrial Vacuum Systems entwickelten PulsPlasma-Verfahren kommt beispielsweise ein präzise reguliertes Gasgemisch aus Stickstoff, Wasserstoff und kohlenstoffbasiertem Methan zum Einsatz. In weniger als 10 ms pro Impuls wird ein pulsierendes Gleichspannungssignal von mehreren hundert Volt abgegeben, um das Gas zu ionisieren. Dies dient dazu, die Zeit zwischen den Impulsen zu maximieren und so eine bessere Temperaturkontrolle in der gesamten Kammer zu erreichen.

„Bei einer Temperaturschwankung von +/-10° innerhalb einer Charge erhält man deutlich unterschiedliche Behandlungsergebnisse“, sagt Dietmar Voigtländer von PlaTeG – Produktgruppe mit PVA Industry Vacuum Systems (IVS), dem Hersteller von PulsPlasma-Nitrieranlagen. „Durch die Steuerung des Impulsstroms mithilfe eines exakten Impuls-Ein- und Ausschaltzeitmanagements kann die Gesamttemperatur jedoch präzise gesteuert werden, mit einer gleichmäßigen Verteilung von oben nach unten in der gesamten Heißwandkammer.“

Ein einzigartiges Merkmal dieses Ansatzes besteht darin, dass das System eine sehr stabile Glimmentladung bei Raumtemperatur liefert. Aufgrund der Auswahl der verwendeten Generatoren können die meisten Systeme dieses Maß an Steuerung nicht erreichen. Um dies zu kompensieren, müssen andere Systeme zunächst auf 300–350 °C erhitzt werden, bevor Plasma angewendet werden kann, was den Gesamtprozess verlängert. Mit der PulsPlasma-Technologie kann dieser Prozesszeitunterschied stattdessen genutzt werden, um die Oberfläche vor Ort vorzubereiten, indem eine feine Plasmareinigung oder bei Bedarf ein Depassivierungsprozess bei korrosionsbeständigen Legierungen durchgeführt wird.

Die zur Herstellung der Nitriersystemöfen verwendeten Komponenten und Materialien wurden über viele Jahre hinweg optimiert, um eine hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer zu gewährleisten. In allen Systemen verwendet PlaTeG Isoliermaterialien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt wurden, um eine Ofenwand von nur 40 mm im Vergleich zum Industriestandard von 150 mm zu schaffen. Durch die geringere Wandmasse benötigt der von PlaTeG entwickelte Ofen weniger Energie und Zeit zum Aufheizen und schützt gleichzeitig Arbeiter, die versehentlich die Außenseite der Kammer berühren könnten.

Mit einer besseren Gesamtkontrolle bieten die PulsPlasma-Nitrieröfen mehrere unabhängige Heiz- und Kühlzonen, von denen jede durch ein eigenes Thermoelement gesteuert wird. „Dadurch ist eine äußerst gleichmäßige Temperaturverteilung von +/-5°C vom Boden bis zur Oberseite des Ofens möglich“, sagt Voigtländer.

Die Gleichmäßigkeit der Temperatur innerhalb einer Kammer zahlt sich über die Konsistenz der Nitrierergebnisse hinaus aus. Mit einer gleichmäßigen Temperatur in der gesamten Kammer steht der gesamte Raum zum Laden von Komponenten zur Verfügung, wodurch die Betriebskapazität der Kammer effektiv erhöht wird.

Einer der Hauptvorteile des PulsPlasma-Nitrierens besteht darin, dass es sich sehr gut für die Wärmebehandlung von hochlegierten Materialien wie Edelstahl eignet.

Edelstahl hat auf der Oberfläche eine natürliche Passivierungsschicht aus Chromoxid. Diese dünne Schicht verhindert Korrosion. Um einen Weg für Stickstoffionen in das Material zu schaffen, muss zunächst die Chromoxidschicht entfernt werden. Beim herkömmlichen Gasnitrierverfahren erfordert die Entfernung der Passivierungsschicht den Einsatz einer speziellen Chemie. Rostfreie Stähle können auch in Salzbädern nitriert werden, allerdings geht ein gewisses Maß an Korrosionsbeständigkeit verloren, da die Kombination aus der Chemie des Salzbades und der höheren Temperatur des Mediums zu einem schnellen Verlust von elementarem Chrom auf den freiliegenden Oberflächen führt.

Beim PulsPlasma-Nitrieren wird die Passivierungsschicht durch kontrollierten Ionenbeschuss der Oberfläche entfernt. Durch die Wahl einer Nitriertemperatur unter 450 °C und die präzise Steuerung der Gasmischungen mit geringem Volumen leidet die Materialoberfläche nicht unter einer verringerten Korrosionsbeständigkeit des Metalls.

Das Endergebnis für Ölfeldanwendungen ist, dass die fortschrittliche PulsPlasma-Technologie eine verbesserte Gleichmäßigkeit für Produktdesigner, eine verbesserte Materialleistung für Ingenieure und wirtschaftliche Vorteile durch einen höheren Komponentendurchsatz für Wärmebehandler bietet. Die vielen Ölfeldausrüstungshersteller auf der ganzen Welt, die auf Nitrierkomponenten angewiesen sind, können heute sofort von diesen Verbesserungen der Materialprozesse profitieren.