热必科 RUBIG 从环境角度比较等离子氮化和气体氮化工艺

等离子氮化和气体氮化已经是诸如航空、机械工程、汽车、安全技术及其他诸多行业必不可少的工艺过程。为了满足钢铁材料表面处理技术稳定增长的要求并不断提高其在技术上的领先地位，热必科(RUBIG)不断加强其在设备领域和工艺技术领域的深入研究与开发。作为氮化专家，热必科(RUBIG)制造气体氮化和等离子氮化设备，以便实现特定工艺的优势最大化，并为客户的应用提供量身定制的解决方案。为满足客户的需求，热必科(RUBIG)致力于优化设备和工艺，并开发出了独具特色的工艺产品，例如垂直钟形或坑式炉系统，水平炉膛设备等，以及专门开发的工艺变更。

新挑战

“除了提高填充率（即一次性允许装载的、可同时氮化的最大零件数量）、降低单个零件成本、增强设备对零件温度的直接控制外，事实证明，能源效率的提高也变得越来越重要。”热必科(RUBIG)工业炉公司董事总经理Thomas Müller说道。这个趋势正在转化使用更经济的等离子氮化技术。

图1:工业等离子氮化技术的效率发展图

因此，等离子技术进一步发展的主要原因是因为其效率和环境友好性。这家位于奥地利的家族企业已经成功地大大降低了等离子氮化工艺的能源需求，从而大大减轻了环境负担。然而，气体氮化技术的使用在当下以及未来都将在许多应用领域中扮演十分重要角色。因此，热必科(RUBIG)已经在寻求减少环境影响和排放水平的解决方案。

经济优势——环境影响评估的真实例

此环境影响评估的主要目标是将传统的气体氮化技术与较新的等离子氮化技术进行比较，以分析和评估零件的整个生产过程。选定的研究调查了工序对环境的影响，并从环境角度审查了竞争能力。

被研究部件是一种用等级为42CrMo4的材料制成的耦合装置，它的氮化被当作一个函数。作为函数单位，其定义“氮化体积”(氮化体积[kg] ＝部分密度×氮化深度×氮化表面积)。所使用的等离子氮化设备的容积为1.4立方米，为大约的可容纳体积。500颗车辆耦合装置，利用率约为80％。相比之下，所研究的气体氮化设备的容积为1.1立方米，每次装料只能装约340件，氮化利用率约为70％。

为了验证结果，将其与Tom教授和Bell教授（1）进行的一项研究进行比较，该研究还涉及碳氮共渗工艺的环境评估。这项研究已经表明，与气体碳氮共渗工艺相比，等离子碳氮共渗工艺的气体消耗量以及排放水平要低得多。

从图2中可以看出，按标准装载容量(500颗汽车耦合装置)的标准进行氮化实验，通过比较等离子氮化和气体氮化工艺每功能单元的耗气量[m3/fE]以及每小时耗气量[m3/h]，可得出等离子氮化的耗气量减少了4-6倍。通过与Bell的值(每小时的气体消耗量和氮氧化物的排放量)进行比较，等离子氮化工艺的NOx、CO和CO2污染气体的排放量实际减少了约250至2200倍。通过比较，我们可以立即认识到，在等离子氮化的情况下，输入和输出端的质量流量都相当低，这样的输入和输出组合可限制工艺对环境的负面影响。

图2:气体氮化与等离子氮化工艺的气体需求和排放比较

耗电量在工艺中（特别是等离子工艺中）起着至关重要的作用。如图3所示，耗电量被分为三个部分：等离子生产的耗电量，加热元件的耗电量以及其它耗电量。加热阶段所需要耗电量最多，氮化过程本身所需的耗电量更少——持续时间更长——因为加热能量主要由等离子提供。在工艺后段增加的其它电能消耗可用空气冷却风扇消耗来解释。因此，该等离子氮化过程的总功耗为707kWh。与此相比，气体氮化过程所消耗的1007kWh的电量要多得多。

图3:等离子氮化过程的电力需求

为了以更直接的方式呈现结果并为Bell的研究提供基准值（1），该研究还使用客运车队的年排放量值作为比较参考值。该车队由100辆汽车组成，每车的平均年行驶里程为15,000公里，运行时间为一个年度。

比较结果很有趣。通过比较，可得出以下结论：气体氮化设备的能源消耗量约为参考工艺能源消耗量的87％，等离子氮化设备的能源消耗量约为参考工艺能源消耗量的36％。通过比较可知，与气体氮化相比，通过使用等离子氮化工艺，一次性能源消费量可以减少56％，这个结果十分惊人。

气候变化问题也得到了更详细的研究。通过相互比较，可得出以下结论：一方面通过的气体流量较高；另一方面，由于在气体氮化过程中使用的工艺气体随后进行后燃烧，这将导致核心过程中气体的供应和消耗率大大提高，与相应的等离子氮化相比，其影响要大得多。

图4显示了车队与氮化过程的全球变暖潜势的比较。比较结果再次证明：100辆平均每辆车每年行驶1.5万公里的客车对环境的影响远远高于所研究的气体氮化设备对环境的影响，更是比等离子氮化设备的影响高约4倍。

图4:通过比较对气候变化影响以确定环境负担大小

为了在可接受的时间内以系统的方式取得更多环境方面的结果，环境评估工具是一个极好方法，在大多数情况下，它为优化和改进措施提供了机会。该研究可以非常清楚地解释等离子氮化和气体氮化对环境影响的差异。为不同的应用选择最合适的氮化技术取决于许多因素。然而，必须强调的是，环境影响的审查将在未来的热处理领域发挥越来越重要的作用。