Innovative Wärmebehandlungsverfahren und Anwendungsbereiche

Autor: Dr.-Ing. Olaf Irretier, Industrieberatung für Wärmebehandlungstechnik IBW Dr. Irretier
Vortrag vom 11.02.2010 im ETP Hannover

1. Einführung

Zur Klärung der Frage „was innovative Wärmebehandlungsverfahren sind“, mag zunächst einmal die Bestimmung des Begriffes im Fordergrund stehen: Die Wärmebehandlung beinhaltet ein zeitlich begrenztes Erwärmen von metallischen Werkstücken auf bestimmte Temperaturen, unter Beachtung der Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeiten zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften. Durch Wärmebehandlung erhalten die Bauteile die Eigenschaften wie z.B. Härte, Zähigkeit und Zugfestigkeit, die für ihren späteren Einsatz erforderlich sind [1].

Bei Wärmebehandlungsprozessen sind als Einflussfaktoren Zeit (Erwärmungs- und Haltezeit), Temperatur, Atmosphäre und Abschreckung bzw. Abkühlung von entscheidender Bedeutung. Die Erwärmungszeit ist so festzulegen, dass die Temperatur sehr gleichmäßig im gesamten Bauteil ansteigt und sich entsprechend verteilt, um den Verzug möglichst gering zu halten. Die Haltezeit ist bei einer bestimmten Temperatur so zu wählen, dass die gewünschte Gefügeänderung abläuft, oder Elemente wie Kohlenstoff beim Einsatzhärten bzw. Stickstoff beim Nitrieren eindiffundieren können.

Die Höhe der Temperatur hängt vom Werkstoff und vom gewünschten Wärmebehandlungsergebnis ab. Durch die Auswahl der Atmosphären können während der Wärmebehandlung Verfärbungen und Verzunderungen an den Bauteiloberflächen vermieden werden. Dies geschieht durch die Verwendung von “Schutzgasen” oder dem Einsatz von Vakuum.

Durch die Abschreckung bzw. Abkühlung des Stahls wird eine Veränderung der Gefügestruktur erreicht, um so ein neues hartes Gefüge mit dem Namen “Martensit” zu erzeugen.

In der Wärmebehandlung unterscheidet wird zwischen Verfahren, die eine durchgreifende Gefügeumwandlung bewirken und Verfahren die lediglich eine Umwandlung an der Oberfläche eines Werkstückes bewirken. Zu den erstgenannten Verfahren gehören das Glühen und das Härten, d.h. die thermischen Verfahren. Wärmebehandlungsverfahren, die eine Umwandlung an der Oberfläche zum Ziel haben, zählen zu den Diffusions- und Beschichtungsverfahren bzw. zu den thermochemischen Verfahren. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über die wichtigsten Wärmbehandlungsverfahren [1]:

Thermische Verfahren		Thermochemische Verfahren
Glühverfahren	Härteverfahren	Diffusionsverfahren	Beschichtungsverfahren (PVD, CVD)
Normglühen Weichglühen Spannungsarmglühen Rekristallisationsglühen Grobkronglühen Diffusionsglühen Lösungsglühen	Härten Vergüten Randschichthärten Zwischenstufen- vergüten	Aufkohlen Einsatzhärten Carbonitrieren Nitrieren Borieren Chromieren Vanadieren Aluminieren Silicieren	TIN TIC TICN CrN AI2O3 CrN2 TIB TIALN

Der Begriff „Innovation“, aus dem lateinischen stammend, kann im Sinne von neuen Ideen oder Erfindungen und deren wirtschaftliche Umsetzung übersetzt werden. Die Verfahren der Vakuumwärmebehandlung haben dabei in den letzten Jahren eine besondere Entwicklung genossen und werden im folgenden Beitrag in den Anwendungen und Marktchancen im Detail vorgestellt.

In Kapitel 2 bis 6 werden zunächst die Verfahren vorgestellt, die den überwiegenden Anteil der Wärmebehandlungstechnik ausmachen und die für das Grundverständnis relevant sind.

2.    Thermische Verfahren
2.1   Glühen

Unter Glühen versteht man die Behandlung eines Werkstückes bei einer bestimmten Temperatur, mit einer bestimmten Haltedauer und einer nachfolgend, der Erzielung der angestrebten Werkstoffeigenschaften, angepassten Abkühlung.
Man unterscheidet folgende wichtige Glühverfahren:

• Normalglühen
• Spannungsarmglühen
• Weichglühen
• GKZ-Glühen
• Grobkornglühen
• Diffusionsglühen
• Rekristallisationsglühen
• Lösungsglühen

Das Normalglühen wird hauptsächlich nach vorausgegangener Warmumformung von Bauteilen vorgenommen. Das Erwärmen erfolgt auf eine Temperatur etwas oberhalb der Härtetemperatur mit einem anschließenden Abkühlen an ruhender Atmosphäre, um eine gleichmäßige Kornstruktur zu erzielen.

Das Spannungsarmglühen ist ein Glühen bei hinreichend hohen Temperaturen (bei vergüteten Stählen jedoch unterhalb der letzten Anlasstemperatur) mit dem Ziel, die Eigenspannungen ohne wesentliche Änderungen des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften zu verringern.

Unter Weichglühen versteht man ein Glühen bei einer Temperatur dicht unterhalb des unteren Umwandlungspunktes mit anschließendem, langsamen Abkühlen, um einen möglichst weichen Zustand zu erzielen.

Das GKZ-Glühen, das Glühen auf kugeligem Zementit, ist auch ein Weichglühvorgang, wobei allerdings durch ein Pendelglühen mit anschließender, langsamer Abkühlung ein möglichst hoher Einformgrad der Karbide erzielt wird. Diese Behandlung ist z.B. für ein nachfolgendes Kaltmassivumformen von großer Bedeutung.

Das Grobkornglühen, auch Hochglühen genannt, findet bei einer Temperatur oberhalb der Härtetemperatur mit einer zweckentsprechenden Abkühlung statt, um ein gröberes Korn (z.B. zur Verbesserung der Zerspanbarkeit) zu erzielen.

Das Diffusionsglühen ist ein Glühen bei sehr hohen Temperaturen im Rekristallisationsgebiet. Ziel ist, z.B. die durch Kaltumformung eingetretenen Eigenschafts- und Gefügeänderungen partiell oder vollständig rückgängig zu machen, ohne dass eine Gefügeumwandlung stattfindet.

Das Lösungsglühen wird vorwiegend bei austenitischen Stählen zum Lösen ausgeschiedener Bestandteile in Mischkristallen und zur Eliminierung von Spannungen bei vorausgegangener Kaltverfestigung durchgeführt.
Die Vorteile des Glühens sind Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, Optimierung der mechanischen Bearbeitung (spanlose und spanabhebende), Verbesserung der Gefügezustände zur Kaltumformung, Verringerung der Be- und Verarbeitungsspannung, Wiederherstellung des Ausgangszustandes.

2.2   Härten

Unter Härten versteht man eine Wärmebehandlung bestehend aus Austenitisieren und Abkühlen unter solchen Bedingungen, dass eine Härtezunahme durch mehr oder weniger vollständige Umwandlung des Austenits in der Regel in Martensit erfolgt. Das Austenitisieren ist der Behandlungsschritt, in dem das Werkstück auf Austenitisierungstemperatur gebracht wird und durch vollständige Phasenumwandlung und Carbidauflösung die Matrix des Stahls austenitisch wird. Nach dem Austenitisieren erfolgt das Abkühlen. Damit das gesamte Werkstück ein martensitisches Gefüge annimmt, muss die Geschwindigkeit des Temperatursturzes größer sein als die kritische Abkühlgeschwindigkeit des jeweiligen Stahls. Das Abkühlen kann in verschiedenen Medien erfolgen, die sich charakteristisch durch ihre Abkühlwirkung in den verschiedenen Temperaturbereichen unterscheiden.

Nach dem Härten besteht das Gefüge sogenannter übereutekoider Stähle üblicherweise aus Martensit + Restaustenit + Carbid. Dem Anteil dieser Phasen ist z.B. bei der Wärmebehandlung von Werkzeugstählen große Bedeutung beizumessen, da Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Maßhaltigkeit vom Gefügezustand nach dem Härten beeinflusst werden.

Im Prinzip ist jeder Stahl mehr oder weniger gut härtbar. Die Härtbarkeit ist entscheidend von der chemischen Zusammensetzung des Stahls abhängig. Unter Härtbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Stahls, in der oberflächennahen Zone mehr oder weniger tiefgreifend eine erhöhte Härte anzunehmen. Der Begriff „Härtbarkeit“ beinhaltet die Höhe sowie die Verteilung der Härtezunahme im Werkstück (Einhärtbarkeit).

Das Härten wird angewendet, um Bauteilen und Werkzeugen eine ausreichende Härte und Festigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen – z.B. statischer oder dynamischer Verformung durch Zug, Druck, Biegung, Verschleiß – zu verleihen.

2.3   Bainitisieren (Zwischenstufenvergüten)

Der übliche Weg zur Erhöhung von Härte bzw. Festigkeit ist das Vergüten. Eine weitere Möglichkeit ist das Bainitisieren, das früher Zwischenstufenvergüten genannt wurde. Bei dieser Wärmebehandlung wird das Bauteil in gleicher Weise wie beim Härten austenitisiert, d.h. es erfolgen abhängig vom Werkstoff Wärmebehandlungen bei Temperaturen von 800 – 1.050°C.

Das Abschrecken erfolgt anschließend im Salzwarmbad bei Temperaturen in Abhängigkeit des Werkstoffs zwischen 250 und 450°C. Das Bauteil verbleibt im Salzbad bei gleichbleibender Temperatur (isotherm), bis die Gefügeumwandlung von Austenit nach Bainit (=Zwischenstufe) abgeschlossen ist. Die Martensitumwandlung findet nicht statt. Je nach Werkstoff kann die Umwandlung in einigen Minuten abgeschlossen sein; manchmal dauert es aber auch mehrere Stunden. Anschließend wird das Bauteil an der Luft abgekühlt und nicht mehr angelassen.

Bainitgefüge haben sehr spezielle Eigenschaften, die durch hohe Festigkeiten (Härten), maximale Zähigkeiten und relativ geringe Verzüge gekennzeichnet sind. Typischerweise werden Bauteile aus Stählen wie C45, C75, C67E, 42CrMo4, 65Cr3, 67SiCr5, aber auch legiertes Gusseisen bainitisiert (ADI Material). Typische Anwendungsbeispiele für das Bainitisieren findet man bei Sicherheitsgurtbeschlägen aus dem Automobilbau, bei Federn, Nägeln und speziellen Messerklingen, aber auch bei Kurbelwellen aus legiertem Gusseisen.

2.4   Kolsterisieren

Kolsterisieren ist ein Oberflächenhärteverfahren für austenitische, rostfreie Edelstähle. Diese Stähle sind für ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bei atmosphärischen Bedingungen, gegen Wasser und diverse Chemikalien, bekannt. Jedoch ist die Verschleißbeständigkeit und die Härte gering und für viele Anwendungen ungenügend. Die austenitischen, rostfreien Stähle sind mit herkömmlichen Wärmebehandlungsverfahren nicht härtbar. Prozesse wie z.B. Nitrieren und Aufkohlen erhöhen das Verschleißverhalten, vermindern aber die Korrosionsbeständigkeit dieser Stähle durch Chromkarbid- bzw. Chromnitridbildung.

Kolsterisieren bietet die Lösung für austenitische, rostfreie Stähle zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie z.B. Verschleißfestigkeit, “Fressen”, ohne dabei die Korrosionsbeständigkeit zu verändern. Die kolsterisierten Produkte überzeugen durch bessere technische Eigenschaften und Wirtschaftlichkeit, da die Lebensdauer entscheidend verlängert wird.

Die Forderungen nach Erhaltung der Korrosionsbeständigkeit sowie Verschleißfestigkeit werden beim Kolsterisieren mittels eines Diffusionsverfahrens bei niedriger Temperatur (< 300°C) erzeugt. Hierbei werden große Mengen Kohlenstoff eindiffundiert. Der Kohlenstoff wird in Zwischengitterplätzen gelöst und bildet keine Carbide. Aufgrund der großen Mengen Kohlenstoff kommt es zu Druckspannungen in der Oberfläche, die eine sehr hohe Oberflächenhärte von > 1000 HV 0,05 erzeugen.
In der Praxis werden 3 Typen von Behandlungen angewandt:

• Standardbehandlung mit einer Einhärtetiefe von 22µm, für austenitischen, rostfreien Stahl als Verschleißschutz bei adhäsiven Verschleiß und als Schutz vor Fressen.
• Standardbehandlung mit einer Einhärtetiefe von 33µm, für austenitischen, rostfreien Stahl und Nickelbasis-Legierungen bei höherer Beanspruchung.
• Duplex-Behandlung für Duplex-rostfreien Edelstahl (z.B. 1.4462) und bei V2A Stählen (z.B. 1.4301)

Das Kolsterisieren ist ein form-, farb- und maßfestes Oberflächenhärteverfahren, mit dem man auch Bohrungen bis zu einer Größe von wenigen Mikrometern gleichmäßig Oberflächenhärten kann. Grundsätzlich kann jeder austenitische, rostfreie Edelstahl kolsterisiert werden. Genauso können auch Nickelbasis-Legierungen wie z.B. Inconel 718 oder Hastelloy C276 und Duplex-Edelstähle behandelt werden. Bevorzugt werden molybdänhaltige Austenite, die nach dem Kolsterisieren eine Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

3.    Oberflächenhärteverfahren
3.1   Induktiv- und Flammhärten

Unter Randschichthärten versteht man das örtlich begrenzte Erwärmen (Austenitisieren) und Abschrecken der Bauteile. Beim Flammhärten wird die Wärme mit Gasbrennern auf das Werkstück übertragen. Bei der induktiven Erwärmung wird durch mittel- oder hochfrequenten elektrischen Wechselstrom über einen an die zu härtende Kontur angepassten Induktor ein Induktionsstrom im Werkstück erzeugt, wodurch die Wärme entsteht.

Die Härtezunahme erfolgt durch eine Umwandlung der Erwärmungsschicht (beim Abschrecken) in Martensit, die erreichbare Härte ist vom Kohlenstoffgehalt und der Legierungszusammensetzung abhängig. Das Abschrecken erfolgt kontrolliert innerhalb eines werkstoffabhängigen Zeitfensters, meist mit einer synthetischen Polymerlösung mittels Abschreckbrausen, seltener durch Tauchabkühlung. Da die induktive Erwärmung üblicherweise unter Luft (im Sekundenbereich) stattfindet, ist eine dünne Zunderschicht kaum zu vermeiden, deshalb müssen die Teile nach dem Randschichthärten (im Regelfall) mechanisch nachgearbeitet werden. Jedoch sind auch Härtungen unter Schutzgas möglich, um Verzunderungen zu vermeiden.
Fast alle Vergütungsstähle ab einem Kohlenstoffgehalt von > ca. 0,30 %; Gusswerkstoffe sowie hochlegierte Werkstoffe (mit ausreichend freiem Kohlenstoff) lassen sich ebenfalls bedingt Randschichthärten. Eine Abarbeitung der Walzhaut/Gusshaut ist für ein optimales Ergebnis notwendig.

Das Randschichthärten wird angewandt, um der Randschicht von Werkstücken aus Stahl eine höhere Härte zu geben und dadurch bessere mechanische Eigenschaften zu erreichen. Durch die Entstehung einer harten Randzone und einer zähen Kernzone zeichnen sich die randschichtgehärteten Bauteile durch einen erhöhten Verschleißwiderstand, eine erhöhte Biegewechselfestigkeit (im gehärteten Bereich) oder hohe Wälzfestigkeit (bei Zahnrädern und Wälzlagern) aus. Weitere Vorteile speziell des Induktionshärtens sind schnelles und partielles Erwärmen des Werkstückes, hohe Durchsätze, Gleichmäßigkeit des Härteverlaufes und der Härtewerte, hohe Reproduzierbarkeit und Automatisierbarkeit, geringer Verzug und Zunderanfall.

3.2   Laserstrahlhärten

Das Laserstrahlhärten zählt wie das Flamm- und Induktionshärten zu den Randschichthärteverfahren. Viele Werkzeuge und Maschinenkomponenten unterliegen bei ihrem Einsatz erhöhtem Verschleiß.Um eine höhere Verschleißfestigkeit und damit eine höhere Standzeit zu erreichen, werden diese Teile randschichtgehärtet. Bei dem Laserstrahlhärteverfahren wird der Laserstrahl mit einstellbarer Brennfleckgröße mittels einer CNC- gesteuerten Mehrachsenanlage oder eines Roboters über die hochbelasteten Funktionsflächen geführt, die sich dabei über die Austenitisierungstemperatur (Härtetemperatur) erwärmen. Bei der anschließenden Selbstabschreckung durch das kalte, nicht erwärmte Bauteilvolumen härtet das Teil an der entsprechenden Stelle auf.

Während bei großen Werkzeugen und Formen der Umformtechnik (Biege- und Schneidkanten) und der Kunststoffindustrie (Tauch- und Schließkanten) mit mehreren Tonnen Stückgewicht oftmals der wirtschaftliche Aspekt das partielle Härten mit dem Laser favorisiert, stehen bei anderen Bauteilen vor allem die technischen Vorteile im Vordergrund. Getriebe- und Motorenkomponenten mit einem Anforderungsprofil von harten verschleißfesten Oberflächen und zähen Kernen lassen sich beim Laserstrahlhärten ebenso realisieren wie gehärtete Teilbereiche von Turbinenschaufeln.

Durch die lokal begrenzte Wärmebehandlung entsteht nur eine minimale Wärmeeinbringung und entsprechend geringer Verzug. Nacharbeit lässt sich dadurch stark reduzieren oder ganz vermeiden. Hohe Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit bewirken in der Härteschicht besonders feinkörnige Umwandlungsstrukturen (Gefügestrukturen) mit sehr guten mechanischen Eigenschaften; ein Abplatzen der Härteschicht ist nicht bekannt. Eine anschließende Anlassbehandlung zur Vermeidung von Rissgefahr ist nur in bestimmten Fällen, und zwar bei hochlegierten kohlenstoffreichen Kaltarbeitsstählen, erforderlich.
Die Lasertechnik eröffnet neue Dimensionen für das Härten stark beanspruchter Stellen, z.B. Werkzeuge der Umformtechnik, Biegestempel, Spritzgusswerkzeuge und Maschinenteile. Verschleißbeanspruchte Zonen, z.B. Biegeradien, können konturgenau und lokal präzise begrenzt gehärtet werden. Die Vorzüge dieser Wärmebehandlung lassen sich wie folgt zusammenfassen: lokal begrenzte Wärmeeinbringung, kurze Behandlungszeiten, reduzierter Verzug, Härten von komplexen Geometrien möglich, hohe Flexibilität, da keine Induktoren nötig sind, temperaturkontrolliertes Härten möglich, keine Kontamination der Oberfläche.

4.    Thermochemische Verfahren
4.1   Einsatzhärten

Das Einsatzhärten zählt zu den thermochemischen Verfahren. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Randschicht von Bauteilen und Werkzeugen mit einem Kohlenstoff abgebenden Medium aufgekohlt und anschließend abgeschreckt. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften der Bauteilrandschicht (z.B. Verschleiß) verbessert. Die Abschreckung kann entweder direkt aus der Aufkohlungstemperatur oder nach einem Zwischenkühlen und Wiedererwärmen auf eine werkstoffspezifische Härtetemperatur erfolgen. Dies sind nur zwei Varianten möglicher Temperatur-Zeit-Folgen beim Einsatzhärten. Die Aufkohlung erfolgt in der Regel zwischen 880 bis 980°C. Nach dem Abhärten der aufgekohlten Bauteile ist überwiegend ein Anlassen erforderlich, um die aus der Härtung entstandenen Spannungen zu mindern und die geforderten Gebrauchs- festigkeiten einzustellen. Für das Einsatzhärten stehen dem Wärmebehandler unterschiedliche Anlagentechniken wie z.B. Kammeröfen, Durchlauföfen, Salzbäder, Niederdruckanlagen etc. zur Verfügung.
Partielles Einsatzhärten ist dank geeigneter Isoliertechniken möglich. Aufgekohlt wird mit Pulver, Salz, Gas und Plasma. Als Abschreck- medien werden hauptsächlich Öle und synthetische Polymerlösungen eingesetzt.
Einsatzstähle sind Baustähle mit verhältnismäßig niedrigem Kohlenstoffgehalt, die für Bauteile verwendet werden und deren Randschicht vor dem Härten üblicherweise aufgekohlt oder carbonitriert wird. Einsatzhärtestähle liegen im Kohlenstoffgehalt unter dem der Vergütungsstähle, also unter 0,25%.
Das Einsatzhärten dient dazu, der Randschicht von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl eine wesentlich höhere Härte und den Werkstücken und Werkzeugen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Einsatzgehärtete Bauteile und Werkzeuge zeichnen sich durch erhöhten Verschleißwiderstand, einen zähen Kern sowie durch eine erhöhte Biegewechselfestigkeit aus. Diese Eigenschaften sind vor allem bei Getriebeteilen erwünscht.

4.2   Carbonitrieren

Das Carbonitrieren zählt zu den thermochemischen Verfahren. Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Randschicht von Bauteilen mit Kohlen- und Stickstoff angereichert und die mechanischen Eigenschaften der Bauteilrandschicht (z.B. Verschleiß) verbessert. Die Carbonitriertemperaturen sind niedriger als die bei der Einsatzhärtung, jedoch höher als die Nitriertemperaturen. Die Temperaturen bei der Carbonitrierhärtung im Gas liegen im Allgemeinen zwischen 760 und 900°C. Während beim Einsatzhärten Kohlenstoff und beim Nitrieren Stickstoff in die Stahloberfläche eindringt, beruht die Wirkung der Carbonitrierung auf Kohlenstoff- und gleichzeitig Stickstoffdiffusion. Durch Anreicherung von Stickstoff werden die Härtetemperatur und die kritische Abkühlgeschwindigkeit herabgesetzt, so dass milder abgeschreckt werden kann. Beide Faktoren verringern das Risiko des Verzugs. Mit einer anschließenden Anlassbehandlung wird die gewünschte Oberflächenhärte eingestellt. Falls eine partielle Carbonitrierung gefordert ist, können die nicht zu carbonitrierenden Bereiche isoliert werden.

Für das Carbonitrieren eignen sich unlegierte und niedrig legierte Einsatzstähle sowie Automaten- und Baustähle. Dies sind im allgemeinen Stähle mit Kohlenstoffgehalten unter 0,2%.  Das Carbonitrieren dient dazu, der Randschicht von Werkstücken und Werkzeugen aus Stahl eine wesentlich höhere Härte und den Werkstücken und Werkzeugen bessere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Durch das Carbonitrieren entsteht ein erhöhter Verschleißwiderstand unter gleichzeitiger Verzugsarmut.

4.3   Nitrieren

Das Nitrieren bietet im Wesentlichen folgende gängige Varianten:
Nitrieren bei Diffusion von Stickstoff:

• Gasnitrieren
• Plasmanitrieren
• Vakuumnitrieren

Nitrieren bei Diffusion von Stickstoff und Kohlenstoff:

• Gasnitrocarburieren
• Plasmanitrocarburieren
• Salzbadnitrocarburieren

Für alle Verfahren gelten folgende Bedingungen: Je länger die Nitrierdauer, desto größer die Nitrierhärtetiefe (Nht). Je höher die Temperatur gewählt wird (Temperaturspannen von 350 – 630°C), desto tiefer kann der Stickstoff bei gleicher Zeiteinheit eindringen. Allgemein sinkt jedoch die Eigenhärte der Nitrierschicht mit zunehmender Behandlungstemperatur.
Werkstoffe mit nitridbildenden Elementen (z.B. Chrom, Molybdän, Vanadium, Aluminium) weisen eine höhere Nitrierhärte auf, jedoch reduziert sich die mögliche Stickstoffeindringtiefe mit zunehmendem Legierungsgehalt. Die verschiedenen Nitriertechniken im kurzen Überblick:

Gasnitrieren: In einer aufgespalteten Ammoniakgasatmosphäre diffundiert üblicherweise bei 500 – 530°C Stickstoff in die Bauteile ein. Durch lange Behandlungsdauern von 10 – 160 Stunden werden Nitrierhärtetiefen (Nht) von 0,1 – 0,9 mm erzielt, je nach verwendetem Werkstoff. Hauptziele sind z.B. Verbesserungen der Bauteilfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Gleiteigenschaften, Temperaturbeständigkeit und Biegewechselfestigkeit. Eine partielle Behandlung kann durchgeführt werden.

Plasmanitrieren: Das Plasmanitrieren bewirkt die Einlagerung von Stickstoff in Eisenwerkstoffen üblicherweise bei 480 – 580°C und findet im Vakuum unter Zuhilfenahme des mit einer Glimmentladung erzeugten Plasmas an der Werkstückoberfläche statt. In Sonderfällen sind auch Behandlungstemperaturen von 350 – 480°C möglich. Hauptziele sind die bei der Gasnitrierung bereits genannten Eigenschaften. Das Verfahren eignet sich besonders für hochlegierte Werkstoffe (> 13% Cr) unter Berücksichtigung einer sich ggf. einstellenden Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit. Enge Spalten oder Bohrungen sind nicht immer gleichmäßig nitrierbar. Ergänzende Informationen über das Plasmanitrieren können Sie dem Infoblatt “Plasmanitrieren” entnehmen.

Vakuumnitrieren: Die Vakuumnitrierung ist ein Spezialnitrierprozess mit Ammoniak und Lachgas bei 450 – 550°C im Unterdruck. Sie dient zur Erzielung maximaler Härten bei Werkzeugstählen und hochlegierten Werkstoffen. Übliche Nht’s liegen bei 0,05 – 02mm. Eine Teilnitrierung ist nicht möglich. Gegenüber der Behandlung im Plasma werden aber bessere allseitige und gleichmäßige Nitrierergebnisse bei scharfen Kanten und Stegen sowie engen, tiefen Bohrungen bzw. Spalten erreicht.

Nitrocarburierung im Gas oder Plasma: Dieser Prozess erfolgt vorzugsweise bei 570 – 580°C in einem Gasgemisch Stickstoff-Kohlenstoff abgebender Medien und stellt eine Alternative zur Salzbadnitrocarburierung mit langsamerer Chargenabkühlung dar. Hauptziel ist der Verschleiß- oder Korrosionsschutz. Bei Abkühlung in oxidierenden Atmosphären kann die Korrosionsbeständigkeit noch zusätzlich verbessert werden. Die Nht liegt bei 0,1 – 0,35 mm. Die Oxidationsbehandlung nach der Nitrocarburierung ist nach allen Verfahrensvarianten möglich. Partielle Behandlungen sind bei Gas- oder Plasmabehandlungen möglich. Für alle Nitrocarburierverfahren gilt: Die Behandlung erfolgt zur Erzeugung der gewünschten Verbindungsschicht (VS), die Ausscheidungsschicht ist normalerweise von untergeordneter Bedeutung.

Salzbadnitrocarburierung: In einer Salzschmelze wird bei 570 – 580°C eine Nitrocarburierbehandlung durchgeführt. Die Behandlungszeit beträgt üblicherweise 60 – 120 Minuten, die Abkühlung erfolgt werkstoffabhängig im Wasser- oder Salzwarmbad. Die Nht beträgt ca. 0,1 – 0,25 mm (je nach verwendetem Werkstoff). Die Behandlung erfolgt vorwiegend zum erschleiß- und Korrosionsschutz; für hohe Belastungen ist das Salzbadnitrocarburieren weniger geeignet. Partielles Salzbadnitrocarburieren ist nicht möglich.

Zum Salzbadnitrocarburieren, Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren können alle gebräuchlichen Stahl-, Guss- und Sinterwerkstoffe eingesetzt werden. Geeignet sind sowohl unlegierte als auch niedrig und hochlegierten Stähle.

Zum Gasnitrieren, Gasnitrocarburieren können alle gebräuchlichen Stahl-, Guss- und Sinterwerkstoffe eingesetzt werden. Geeignet sind unlegierte, niedrig legierte und mittellegierte Werkstoffe; hochlegierte Werkstoffe (> 13% Cr) sind – aufgrund ihrer Oberflächenpassivitäten – eher ungeeignet.

Die Vorzüge des Nitrierens sind hoher Verschleißwiderstand bei Adhäsion, Anpassung der Schichten an Verschleißarten, Reduzierung der Reibungskoeffizienten, Einsparung von Schmiermitteln, Schaffung korrosionsbeständiger Schichten, Warmbeständigkeit der Nitrierschicht bis 400°C, Teilnitrierungen möglich (Ausnahme: Salzbadnitrocarburieren).

4.4   Borieren

Borieren ist wie Nitrieren, Nitrocarburieren und Einsatzhärten ein thermochemisches Randschichthärteverfahren zur Erzeugung einer verschleißbeständigen Randschicht auf den Bauteilen. Boridschichten werden zur Senkung des abrasiven und adhäsiven Verschleißes eingesetzt. Die hohe Härte der Boridschicht, die je nach Substratwerkstoff zwischen 1600 und 2800 HV liegt, bildet die Basis für den Widerstand gegen Abrasivverschleiß. Die gute Eigenschaft gegen Adhäsivverschleiß ist auf die geringe Kaltschweißneigung der Boridschicht zurückzuführen. Anwendungsgebiete für Boridschichten sind der Fahrzeug-, Maschinen-, Anlagen- und Apparatebau.
Borieren ist eine thermochemische Behandlung, die Anreicherung der randnahen Zone eines Werkstückes mit Bor und die Bildung einer Boridschicht auf den Werkstücken. Das Borieren läuft bei Temperaturen von 850 bis 950°C ab. Als Borspender kommen pulver- und pastenförmige Bormittel zur Anwendung. Das Bor diffundiert in die Randzone der Werkstücke und bildet an der Oberfläche eine kompakte Randschicht aus FeB, Fe²B. Die Härte (1600-2800 HV) und die Dicke der Boridschicht (bis 100µm) hängt vom Grundwerkstoff ab. Zum Borieren können alle Eisen-Basislegierungen, Bau-, Einsatz-, Vergütungs-, Werkzeug- und chemisch beständige Stähle, HSS-Stähle, Armco-Eisen, Gusseisen, Sinterwerkstoffe, alle PM-Qualitäten, Nickel-Basislegierungen und Hartmetalle verwendet werden. Boridschichten werden bei der Herstellung von Werkzeugen für die Glasindustrie eingesetzt. Durch die geringe Adhäsionsneigung kommt die Boridschicht bei der Aluminiumverarbeitung zum Einsatz. Typische Einsatzgebiete sind außerdem Mühlenteile, Pumpenteile, Armaturenteile, Zement- und Kohleverarbeitung, Tabak- und Holzverarbeitung sowie Keramikverarbeitung.

4.5   Plasmanitrieren

Das Plasmanitrieren wird mit dem Ziel durchgeführt, die Verschleiß-, Ermüdungs- und Korrosionsverhaltens von Werkstücken zu verbessern. Im Gegensatz zu den sonstigen Methoden wie Gas-, Salz- und Pulvernitrieren besitzt das Plasmanitrieren eine Reihe von verfahrensspezifischen Vorteilen.
Das Plasmanitrieren wurde bereits vor dem zweiten Weltkrieg erfunden und immer weiter entwickelt. Ein wesentlicher Fortschritt gelang durch gepulste Entladung, wodurch der Energieeintrag gesenkt und die Temperaturgleichmäßigkeit verbessert werden konnte.
Neben dem Aspekt der Umweltfreundlichkeit lassen sich mit dem Plasmanitrieren die Eigenschaften des Schichtaufbaues gezielt an das geforderte Beanspruchungsprofil anpassen. Die Nitriertemperatur ist werkstückabhängig und liegt zwischen 350°C und 570°C. Dabei entwickelt sich eine Verbindungsschicht mit einer Stärke von 0 – 30µm und eine Diffusionszone von 0,1mm – 0,7mm. Die Behandlungszeit beim Plasmanitrieren beträgt zwischen 10 Minuten und 70 Stunden und richtet sich nach dem Werkstoff, dem gewünschten Schichtaufbau und der zu erreichenden Schichtdicke.
Zu den Hauptvorteilen des Plasmanitrierens zählen die Verbesserung der Reib- und Gleiteigenschaften, die Schaffung korrosionsbeständiger Schichten und die große Verzugsarmut. In der Regel werden fertigbearbeitete Bauteile plasmanitriert, die nach dieser thermochemischen Wärmebehandlung keiner weiteren mechanischen Fertigungsoperation wie z.B. Schleifen mehr unterzogen werden müssen.
Beim Plasmanitrieren werden zunächst die Werkstücke in Schutzgasatmosphäre mittels Ofenwandheizung auf Solltemperatur erhitzt. Durch Sputtern, d.h. Reinigung und Aktivierung der Werkstückoberflächen (Bombardement durch Ionenbeschuß) werden Passivschichten auf der Oberfläche entfernt, was das Nitrieren von korrosionsbeständigen Stählen und anderen passivschichtbildenden metallischen Werkstoffen erst ermöglicht.
Grundsätzlich eignen sich alle Stähle für eine Nitrierbehandlung. Das Ergebnis ist von Art und Gehalt der Legierungselemente und der Prozesstechnik abhängig. Maßgebend dafür sind die erreichbaren günstigen Randschicht- und Verbindungsschichteigenschaften. So werden Eisenwerkstoffe wie z. B. Einsatz-, Bau- und Vergütungsstähle, Werkzeugstähle, hochfeste und nichtrostende Stähle sowie auch Gusseisen mit Erfolg plasmanitriert. Durch die niedrige Behandlungstemperatur findet selbst bei hoher plastischer Verformung des Grundgefüges keine Rekristallisation statt. Folge: geringste Maßänderungen.
Die Vorteile des Plasmanitrierens sind:

• Flexibilität der Prozessführung, wodurch das Verfahren an unterschiedlichsten Werstoffen und Schichtanforderungen anpassbar ist.

• Partielle Behandlungen eröffnen wesentliche Möglichkeiten für Verbundkonstruktionen

• Optimierung des Schichtaufbaus hinsichtlich Beanspruchung. (z. B. dünne Verbindungsschichten bei großer Nitrierhärtetiefe)
• Hohe Reproduzierbarkeit und enge Toleranzen im Behandlungsergebnis

• Geringere Rauhigkeiten im Vergleich zu Salzbad und Gas

• Kompakte Verbindungsschichten

• Integrierbarkeit in die Fertigung

• Prozesskombinationen Nitrieren und Beschichten oder Nitrieren und Oxidieren

• Hohe Maß- und Formbeständigkeit bei Sinterteilen

• Temperaturmessung erfolgt direkt am Bauteil, dadurch ist eine präzise Temperaturführung möglich.

• Porenfreie bzw. Porenarme Verbindungsschichten möglich

• Geringe Maßänderungen und geringfügige Änderungen der Werkstückrauheit ermöglichen es, in vielen Fällen die Bauteile und Werkzeuge vor der Wärmebehandlung montagefertig zu bearbeiten.

• Effektive Nutzung des Prozessgases

• Höchste Umweltverträglichkeit, im Vergleich zu alternativen thermochemischen Verfahren.

• Einfaches mechanisches Abdecken nicht zu nitrierender Stellen am Werkstück möglich.

Demgegenüber können als Nachteile genannt werden:

• Definiertes Chargieren der zu behandelnden Teile

• Plasma dringt nicht in Spalte kleiner 0,6 – 0,8 mm ein, daher ist die Behandlung von Schüttgut nicht möglich

Neben dem Wegfall der Nacharbeit ist das Plasmanitrieren führend, wenn gleichzeitig Korrosions-, Verschleiß- sowie Festigkeitssteigerungen an Bauteilen erzielt werden sollen. Aufgrund der hohen Prozeßsicherheit werden vor allem auch kritische Serien- und Normteile wie beispielsweise Synchronringe, Präzisionszahnräder für Hochleistungsgetriebe, Ventile, Werkzeuge und Gesenke, Auswerferstifte, oder eng tolerierte Hydraulikkolben, die nach der Behandlung einbaufertig sind, heute plasmanitriert.

5.    Sonderverfahren
5.1   Tiefkühlen

Im Wesentlichen bestimmen die Härte und der Verschleißwiderstand die Lebensdauer von Werkzeugen. Daneben sind Maßhaltigkeit und geringe Eigenspannung bei vielen Werkzeugen unverzichtbare Voraussetzungen für eine einwandfreie Funktion. Gefügeveränderungen, wie eine Restaustenitumwandlung während des Gebrauchs, können zum Ausschuss des Werkzeugs führen; sie sind daher möglichst zu vermeiden. Als Restaustenit wird der Austenitanteil bezeichnet, welcher nach dem Abschrecken bis auf RT im Gefüge verbleibt. In bestimmten Anwendungsfällen, insbesondere bei Verwendung hochlegierter Werkzeugstähle, kann der Austenitgehalt eines Stahls auf dessen Verwendbarkeit und Güte entscheidenden Einfluss nehmen.

In letzter Zeit wird vor allem für die hochlegierten ledeburistischen Werkzeugstähle das Tiefkühlen verstärkt in Erwägung gezogen. Hierbei wird neben dem Tiefkühlen unmittelbar nach dem Abschrecken aus Gründen möglicher Rissgefahr oftmals auch das Tiefkühlen nach dem ersten Anlassen favorisiert. Hervorzuheben ist, dass ein Tiefkühlen immer eine Rissgefahr in sich birgt und somit nicht ohne weiteres für alle Werkzeuge geeignet ist. Zusätzlich muss bedacht werden, dass ein Tiefkühlen nicht bei allen Stählen Sinn macht, da nicht in allen Stählen Restaustenit entsteht. Die Bildung von Restaustenit hängt hauptsächlich vom C-Gehalt ab. In unlegierten und schwachlegierten Stählen muss ein C-Gehalt von mindestens 0,5% vorhanden sein. Grundsätzlich kann der Restaustenitgehalt auch durch ein mehrfaches, mindestens dreimaliges Anlassen gesenkt werden.

Der bei RT nach dem Härten vorliegende Restaustenitanteil kann durch ein Tiefkühlen, insbesondere bei ledeburitischen Chromstählen (z.B. 1.2379, 1.2080, 1.2436) sowie Schnellarbeitstählen, verringert werden. Auch bei eutektoiden Werkzeugstählen, wie beipielsweise 1.2842, kann ein Tiefkühlen sinnvoll sein. Grundsätzlich sollte die Tiefkühlbehandlung unmittelbar nach dem Härten, also vor dem ersten Anlassen, stattfinden.

Der Erfolg eines Tiefkühlens erst nach dem ersten Anlassen ist dagegen nach dem aktuellen Kenntnisstand zum Zweck der Restaustenitumwandlung zunächst zweifelhaft. Dennoch ergeben sich augenscheinlich auch nach einer solchen Prozessfolge, Standzeitverbesserungen. Gründe hierfür können die Ausscheidung dispers verteilter ?-Karbide sein.

Die gezielte Umwandlung von Restaustenit durch Kombination konventioneller Wärmebehandlungstechniken mit Tiefkühlen ist oft die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Verfahrensweise, um die angestrebten Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Eine große Anwendungsvielfalt kennzeichnet die Entwicklung der letzten Jahre; ebenso der Trend zu immer tieferen Temperaturen. Temperaturen bis auf -60°C lassen sich in gekühlter Luft (übliche Tiefkühltruhen oder -schränke) erreichen. Niedrigere Temperaturen als -60°C können unter Verwendung von Trockeneis, Alkoholmischungen oder in verflüssigten Gasen (flüssiger Stickstoff: -196°C) erzielt werden. Minustemperaturen von -196°C durch Flüssigkstickstoff werden heute überwiegend direkt und indirekt angewendet. In Sonderfällen ist sogar die Unterschreitung dieser Temperaturen durch Übergang auf Flüssighelium mit einem Temperaturniveau von ca. -269°C sinnvoll.

6.    Beschichtungsverfahren
6.1   CVD-Verfahren

CVD steht als Abkürzung für chemical vapour desposition. Es handelt sich dabei um die Abscheidung von Feststoffen aus der Gasphase, wobei die Gasphase im Gegensatz zu den PVD-Verfahren, auf chemischem Weg erzeugt wird. Man macht sich dabei zunutze, dass flüchtige Verbindungen unter Zuführung von Wärme chemisch reagieren und als Schicht kondensieren. Seit 1960 wird die relativ aufwendige Verfahrenstechnik zur industriellen Herstellung, insbesondere von Verschleißschutzschichten, angewendet. Chemische Reaktionen, die zur Erzeugung der Verschleißschutzschichten genutzt werden, sind zum Beispiel:

Titankarbid TiC	aus Titantetrachlorid TiCl4 und Methan CH4
Titannitrid TiN	aus Titantetrachlorid TiCl4 und Stickstoff N2
Aluminiumoxid Al2O3	aus Aluminiumchlorid AlCl3, Kohlendioxid CO2 und Wasserstoff H2

Bei Titankarbid lassen sich Schichthärten über 3000 HV0,05 erreichen, bei Titannitrid bis 2300 HV0,05, bei Aluminiumoxid bis 2100 HV0,05. Damit diese Reaktionen ablaufen, sind Temperaturen von 800 bis 1100°C notwendig. Der Fertigungslauf für die Herstellung von CVD-beschichteten Werkzeugen und Bauteilen kann wie folgt beschrieben werden:

1. Zerspanung
2. Spannungsarmglühen (Vorbeugung von Verzug)
3. Ersthärtung in Vakuum oder Schutzgas
4. Fertigstellen der Werkzeuge (Schleifen, evtl. Polieren, R z < 1 µm) auf Korrekturmaße, um nach Beschichtung und Zweitwärmebehandlung die gewünschten Maße einzuhalten
5. CVD-Beschichtung zwischen 800 und 1100°C, abhängig von Trägerwerkstoff und CVD-Schichtsystem
6. Zweithärtung im Vakuum unter Berücksichtigung der Soll-Maße
7. eventuelle Nachpolitur / Finish der CVD-Schicht

Mit dem CVD-Verfahren beschichtbare Trägerwerkstoffe sind Schnellarbeitsstähle, Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, Hartmetall-P-Sorten.

Vorteile von CVD-Schichten sind insbesondere ihre sehr gute Haftung aufgrund ihrer Verankerung durch Diffusion im Trägerwerkstoff. Durch das Einbringen der Beschichtungsstoffe in den CVD-Ofen als Gase ergibt sich eine sehr gute Konturenfolgung der Schicht auch auf komplizierten Geometrien. Anwendungsbereiche von CVD-Schichten sind insbesondere Werkzeuge für die Massivumformung, Großwerkzeuge für die Blechbearbeitung, Hartmetall-Wendeschneidplatten

6.2   PVD-Verfahren

Das Schlagwort PVD (Abkürzung für physical vapour deposition) bezeichnet alle Verfahren der physikalischen Abscheidung dünner Schichten über die Dampfphase. Dabei wird das Ausgangsmaterial für die Schichten über die physikalischen Vorgänge des Verdampfens (mit Lichtbogen (“Arc”) oder Elektronenstrahl) oder der Kathodenzerstäubung im Hochvakuum in die Dampfphase übergeführt und anschließend auf einem geeigneten Substrat wieder niedergeschlagen. Die dabei erzeugten Schichtdicken auf Werkzeugen und Bauteilen bewegen sich zwischen 1 µm und maximal 15 µm.

Verschleißschutzschichten auf Werkzeugen und Bauteilen werden mit allen drei oben erwähnten PVD-Verfahren auf computergesteuerten Beschichtungsanlagen abgeschieden. Es handelt sich dabei um nitridische Hartstoffschichten, d.h. Verbindungen aus den Übergangsmetallen Titan und Chrom mit Stickstoff. Erweiterte Eigenschaften liefern Schichten, die zusätzlich Aluminium und Kohlenstoff enthalten. Die bei den Lohnschichtern auf dem Markt erhältlichen Schichten basieren auf den Grundtypen der nitridischen Hartstoffschichten Titannitrid TiN, Titankarbonitrid TiCN, Titanaluminiumnitrid TiAlN und Chromnitrid CrN, die mit einigen ihrer Eigenschaften in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.

Schicht	TiN	TiCN	TiAlN	CrN
Farbe	gold	violett – dunkelgrau	anthrazit	metallisch
Schichtdicke µm	1 – 5	1 – 5	1 – 5	1 – 10
Mikrohärte HV 0,05	2.300	3.000	3.000	1.900
Oxidationstemperatur °C	> 450	> 350	> 700	> 600

Sie zeichnen sich augrund der hohen kovalenten Bindungsanteile der Schichtatome durch hohe Schichthärte, gute Oxidationsbeständigkeit und chemisch träges Verhalten aus.

Der von den Verdampfern ausgehende, gerichtete Teilchenstrahl des metallischen Schichtbestandteils durchfliegt die Hochvakuumkammer, wobei der Ionenanteil durch das am Beschichtungsgut liegende negative Potential auf die Werkzeuge beschleunigt wird. Die aufwachsende Schicht ist dadurch einem Ionenbeschuss ausgesetzt, was zu einer Verdichtung und insbesondere zu einer verbesserten Haftung der Dünnschicht auf der Werkstückoberfläche führt. Durch den hohen Ionenanteil beim Lichtbogenverdampfen ist dieser Effekt gegenüber den anderen PVD-Verfahren besonders ausgeprägt.

Zur Erzeugung dieser Verbindungsschichten wird ein Reaktivgas durch die Hochvakuumkammer geleitet. TiN-Schichten erhält man so durch die Reaktion des Titandampfes mit Stickstoff im Plasma, für TiCN wird zusätzlich ein kohlenstoffhaltiges Gas eingesetzt. Wegen des gerichteten Stroms der Schichtteilchen müssen die Werkzeuge bzw. Bauteile während des Prozesses bewegt werden, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erhalten.

Schichten zur Reibungsverminderung, wie Weichschichten auf Basis von Molybdändisulfid und Kohlenstoffschichten, werden vorzugsweise mit dem PVD-Verfahren Kathodenzerstäubung abgeschieden.
Geeignet zur Abscheidung der nitridischen Hartstoffschichten sind gehärtete Werkzeugstähle mit Anlasstemperaturen über 500°C (Schnellarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle, ausgewählte Kaltarbeitsstähle, rostbeständige Stähle, Kunststoffformenstähle, da die Beschichtungstemperaturen im allgemeinen bei 450°C liegen. Des weiteren sind Hartmetalle beschichtungsfähig. Es ist zu beachten, dass es sich bei der PVD-Beschichtung um eine weitere Wärmebehandlung an einem fertig bearbeiteten Werkzeug handelt und es deshalb wichtig ist, dass das Werkzeug vorher beschichtungsgerecht wärmebehandelt wurde, um Veränderungen im Gefüge, der Härte und der Maße zu vermeiden. In Spezialfällen und/oder für Spezialschichten sind auch PVD-Beschichtungsprozesse unterhalb von 200°C möglich.
Die PVD-Beschichtung erfolgt als letzter Veredelungsschritt auf dem fertig bearbeiteten Werkzeug oder Bauteil ohne Veränderung der Maßhaltigkeit aufgrund der dünnen Schichtdicken. Durch die besonderen Eigenschaften der Schichten erhält man eine deutliche Steigerung des Verschleißwiderstandes bzw. eine Reibungsminderung. Dadurch ergibt sich ein breites Anwendungsspektrum auf Werkzeugen zur Zerspanung, Umformung, Druckgießen, Werkzeugen zur Kunststoffverarbeitung und vielen Bauteilen.

7.    Innovative Wärmebehandlungsverfahren
7.1 Vakuumwärmebehandlung

Die Vakuumtechnik findet in vielen Anwendungsbereichen der Wärmebehandlung von Metallen, so beim, Härten, Glühen, Anlassen, Sintern von Metallen oder Keramik Löten, Lösungsglühen von rostfreien Stählen, Aushärten, Entgasen von Sonderlegierungen, etc.
Die Vorteile der Vakuumwärmebehandlung sind bezogen auf die Wärmebehandlung und das Härten von Metallen im Wesentlichen:

• optimale Härte
• blanke Oberflächen
• oxidations- und entkohlungsfreie Randzonen
• Verzugsarmut, auch bei Werkstücken mit komplexen Geometrien
• Qualitätskonstanz
• Reproduzierbarkeit
• einsetzbar für eine breite Werkstoffpalette

Zum Einsatz kommen eine Vielzahl von Ein- und Mehrkammerofentypen in horizontaler und vertikaler Bauart. Vakuumöfen sind generell flexibel im Design, energieeffizient oder optional erweiterbar und in vielen Bereichen dezentral aber auch aufgrund der „sauberen“ Betriebsweise im Bereich der „lean“-Produktion im Einsatz.

Die wesentlichen Anwendungen der Vakuumwärmebehandlung sind

• Werkzeug- und Formenbauer
• Luft- und Raumfahrtindustrie
• Automobilindustrie
• Lohnhärtereien
• Hersteller von PM-Sinterprodukten einschließlich MIM-Technologie
• Industrielle Oberflächenbehandlung
• Medizinindustrie und chirurgische Geräte
• Lebensmittelindustrie
• Solartechnik
• Universitäten, Laboratorien und Forschungszentren
• Münz- und Medaillenhersteller Lohnwärmebehandler
• Stahllieferanten
• Hersteller von Turbinen für Industrieanlagen sowie für die Luft- und Raumfahrt
• Hersteller von Wärmetauschern
• Hersteller von Schneidwerkzeugen

7.1.1 Anwendungen

Die industrielle Anwendung der Vakuumwärmebehandlung begann bereits in den 50er Jahren in der Luftfahrttindustrie und hat mittlerweile in den wesentlichen Industriebereichen Einzug gefunden. Insbesondere das Glühen von hitzebeständigen Werkstoffen, z.B. Mo, W, Titan und Ti-Legierungen oder auch das Hochtemperaturlöten von hochlegierten Werkstoffen wie Ni-Fe-Legierungen, Ni-Ti-Legierungen, Ti-Al-Co-Legierungen sind ohne Vakuumofentechnik in der erforderlichen Qualität nicht denkbar.
Die Vakuumwärmebehandlung findet in der Regel im Druckbereich von von 10^-3 mbar bis 10^-6 mbar statt. Die erforderlichen „Dichtheiten“ der Ofenanlagen oder auch Leckraten genannt liegen bei 10^-3 mbar l/s. Restgasatmosphären bestehen aus geringen Mengen an oxidierenden oder aufstickenden Gasen wie z.B. H₂O(ca.80%), N₂  (ca.15%), O₂ und CO (ca.5%). Der Temperaturbereich für Vakuumwärmebehandlungen liegt in der Regel bei 150-1300°C (bis max. 3000°C) mit einer engen Streuung im Ofenraum und der Charge (Temperaturverteilung im Arbeitsraum +- 5°C). Die Verwendung von Gasen zum Abschrecken ermöglicht das Härten von Metallen in diesen Öfen (Abschreckdruck: 1 – 10 bar (max.25 bar)). Standard Vakuumofen sind mit Grafitauskleidung/-beheizung und integriertem Abschrecksystem ausgestattet.
Die Vakuumwärmebehandlung findet Anwendung in den folgenden Werkstoffgruppen:

• Pulvermetallurgische Werkstoffe (PM)
• Spritzgegossene Werkstoffe (PIM)
• Technische Keramik (SiC, Al2O3, AlN, B4C), Konstruktionskeramik
• Halbleiterkeramik/Funktionskeramik (z.B. Piezokeramik „PZT“)
• Dentalkeramik
• Hartstoffe (WC-Co, TiC, TiN, TiCN, TiB)
• Stähle
• Ti und Ti-Legierungen, Sonderlegierungen
• Keramische/metallische Verbundwerkstoffe (CMC/MMC)
• Hochkovalente Werkstoffsysteme (Si-C; Si-C-N; Si-B-C-N; Si-C-O etc.)
• Graphit, Kohlenstoff
• Gläser (z.B. Quarz, CaF2 etc.)
• Dünnschicht Si-Solarzellen

7.1.2 Verfahren
7.1.2.1       Vakuumhärten und –glühen

Das Vakuumhärten hat in den letzten 20 Jahren eine immer größere Bedeutung erlangt. Es ist umweltfreundlich, sauber und durch moderne Programmsteuerungen, die volle Reproduzierbarkeit sichern, auch wirtschaftlich. Das behandelte Werkstück hat in jedem Fall eine metallisch blanke Oberfläche. Hinsichtlich Maßänderung und Verzug gibt es kein vergleichbares Verfahren. Für die wesentlichen Anwendungsfälle existieren vakuumhärtbare Stähle.

Tab. 1 :          Härtbare Stahlqualitäten (Quelle Werz)

Unter Vakuumhärten versteht man generell die Erwärmung in einem Vakuumkessel, dabei wird durch Abpumpen der Luft ein Vakuum von bis zu 10–3 mbar und mehr erzeugt. Anschließend wird durch elektrisch beheizte Graphitstäbe die Charge stufenweise bis auf Härtetemperatur erwärmt. Das Abschrecken der Teile erfolgt durch Einblasen von gasförmigem Stickstoff bis zu einem Druck von in der Regel 6 – 10 bar.

Bei jeder Erwärmung reagiert der vorhandene Luftsauerstoff mit der Oberfläche des Werkstückes (Oxidation). Diese Reaktion ist umso heftiger, je höher die Temperatur ist. Bei entsprechend langer Verweilzeit auf hohen Temperaturen kommt es zu einer Verzunderung (ab ca. 600°C) und zur Ent- bzw. Abkohlung der Oberfläche (ab ca. 780°C), die sich beim anschließenden Härten als sogenannte “Weichhaut” darstellt. Aus diesem Grund ist bei jeder Erwärmung ab ca. 400°C eine Schutzgasatmosphäre erforderlich. Bei höheren Temperaturen (üblicher Temperaturbereich beim Härten: 850 – 1200°C) bietet das Vakuum Schutz vor Oxidation und Entkohlung. Selbst bei Härtetemperaturen von 1300°C sind die Werkstücke nach dem Härten absolut blank.

7.1.2.2       Vakuumlöten

Löten ist ein thermisches Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen, wobei eine flüssige Phase durch Schmelzen eines Lotes (Schmelzlöten) oder durch Diffusion an den Grenzflächen (Diffusionslöten) entsteht. Löten gehört zu den wichtigen elektrischen Verbindungstechniken. Damit der Diffusionsprozess stattfinden kann, müssen alle Metalloberflächen blank und somit frei von Oxiden und Verschmutzungen sein. In der Großserienfertigung wird aus Kostengründen ohne Flussmittel unter Vakuum oder Schutzgas gelötet. Das Vakuum bzw. Schutzgas verhindert die Oxidation; Schutzgas kann zusätzlich auch reduzierend auf vorhandene Oxidschichten wirken.
Das Vakuumlöten macht es möglich, Vorzüge der Wärmebehandlung im Vakuum zu nutzen: Flexibilität des Chargenofens, Integrierbarkeit in die Produktionslinie und Schutz der Oberflächen. Im Vergleich zu den traditionellen und atmosphärischen Lötverfahren bieten sich Vorteile bei der Verbesserung der Benetzbarkeit und der kapillaren Penetration/Eindringung. Angesichts des wachsenden Bedarfs an Lötverbindungen höchster Qualität für kritische Anwendungen wenden sich Industrien von den klassischen Verfahren der Verbindung ab und orientieren sich zunehmend hin zum Vakuumlöten.
Das Verfahren Flussmittelfreies Hochtemperaturlöten im Grob-, Fein- oder Hochvakuum wird bei thermisch und mechanisch höher belasteten Verbindungen durchgeführt. Hauptsächlich werden Lote auf Nickel-, Kupfer- oder Edelmetallbasis als kristalline Folien, Plattierungen, Pulver oder Pasten eingesetzt.
Vakuumlötöfen müssen daher für die Arbeit mit Loten auf Kupfer- oder Nickelbasis ausgelegt sein, die einen hohen Schmelzpunkt aufweisen. Je nach Anwendung kommen Isolierungen aus Faserisolierungen oder Metallstrahlblech-Isolierung, bzw. Beheizungen aus. Grafit- oder Metallwiderständen zum Einsatz.
Auch das Löten von Aluminium (Kühler im Automobilbau) findet zunehmend Verwendung und stellt für den Ofenbau eine anspruchsvolle Anwendung dar, da diese bei Temperaturen von ca. 600 °C eine hohe Temperaturgleichmäßigkeit von ± 3 °C voraussetzt. Dieses ist erforderlich, da die Schmelzpunkte der Basislegierung und des Lotes nahe beieinander liegen.
Vorteile des Vakuumlötens:

• Definiert einstellbare Ofenatmosphäre
• Ausgezeichnete Temperaturgleichmäßigkeit
• Schnelle Temperaturregelung
• Umweltfreundliche, flussmittelfreie Lötung
• keine Nachbehandlung der Teile, kein Entsorgen von Flussmittelrückständen,
• keine Beanspruchung des Ofeninnenraums durch Flussmittel
• Beeinflussung der Korrosionsbeständigkeit durch Flussmitteleinschlüsse
• Hohe Reinheit der Lötung
• Hohe Verbindungsfestigkeit im Bereich des Grundwerkstoffs

Der Standard Vakuum-Lötofen weist in der Regel die folgenden Spezifikationen auf :

• Chargenabmessungen bis zu 1.200 x 1.500 x 1.200 mm (B x L x H)
• Stückgewichte bis 3 t
• Temperaturgleichmäßigkeit besser ± 5 K
• Arbeitsvakuum von 10-2 bis 10-6 mbar
• Grafit- oder metallische Ausführung der Heizkammer
• Drucklose Gehäuse in Normal- oder Edelstahl
• Arbeitstemperatur ca. 1.200 °C

7.1.2.3       Niederdruckaufkohlung

Beim Vakuumaufkohlen werden die aufzukohlenden Teile aufgrund des hohen Kohlenstoffübergangs durch einen Wechsel aus Aufkohlungs- und Diffusionszyklen gesteuert. In den Aufkohlungsphasen werden reine Kohlenwasserstoffe wie Methan, Propan oder Acetylen als Aufkohlungsatmosphäre bei Drücken von 2 bis 25 Millibar verwendet. Während der Diffusionsphase wird kein Kohlenstoffspender der Ofenatmosphäre zugeführt: Typischerweise wird der Druck mittels Vakuumpumpen abgesenkt oder mit Inertgasen bei geringen Drücken gespült.
Seit mehr als 25 Jahren stellt die Niederdruckaufkohlung eine interessante Alternative zu den herkömmlichen Verfahren der Aufkohlung dar. Ihre Verwendung, die lange Zeit durch technische und wirtschaftliche Probleme gebremst wurde, hat sich im Laufe der letzten 10 Jahre etabliert und eine Verbesserungen der Homogenität bei Vermeidung von Oxidation ergeben.
Die Vorteile der Niederdruckaufkohlung sind:

• hohe Kohlenstoff-Übertragungsrate
• höchste Gleichmäßigkeit der Aufkohlung auch bei schwierigen Geometrien
• hohe Wirtschaftlichkeit durch geringe Gasverbräuche
• kurze Behandlungszyklen
• hohe Umweltverträglichkeit

Diverse Anlagenhersteller sind im Markt vertreten und bieten Ihre speziellen Verfahrenstechniken an. Die Abschreckung mit Überdruckgas, unabhängig vom Druck und von der Art des Gases, weist grundsätzlich eine beschränkte Kapazität auf. Vakuumöfen mit Öl- und Gasabschreckung weisen eine erweiterte Bandbreite von Stahlsorten auf, angefangen von den klassischen Einsatzstählen über rostfreie Stahlsorten bis hin zu den legierten Stahlsorten.

7.1.2.4       Vakuum-Ölhärten

Öl ist das bevorzugte Härtemedium für niedrig legierte Baustähle, Einsatzstähle, Walzstähle oder auch für bestimmte Kaltarbeitsstähle. Diese Stähle benötigen höhere Abkühlgeschwindigkeiten als die Stahlsorten, die normalerweise mit Überdruck-Gasabschreckung gekühlt werden, wie z.B. Werkzeugstahl, nichtrostender Stahl, Superlegierungen, etc.

Abb. 2:          Vakuumofen mit Ölabschreckung, Ø 900 x H 1600 mm, 1000 kg Charge, Vakuum < 5.10-3 mbar, max. Temperatur: 1250°C, Homogenität +/- 5°C. (Quelle ECM)

7.1.2.5       Tiefkühlen

Die Tiefkühlbehandlung bietet sich vor allem für die Behandlung von rostfreiem Stahl, Schnellarbeitsstahl, Werkzeugstahl und Kaltarbeitsstahl an und kommt zwischen Härte- und Anlasszyklus zum Einsatz. Das Tiefkühlen reduziert den Restaustenitgehalt und erhöht zugleich die Härte und Abmessungsstabilität der behandelten Teile. Wirtschaftlich ist dieses Verfahren, da die Dauer der Vergütezyklen reduziert wird.
Das Tiefkühlen beruht auf der Einspeisung von flüssigem Stickstoff mit – 185° C. Bei der Einspeisung in die Heizkammer geht der Stickstoff von der Flüssigphase in die Gasphase über. Die Verdunstung führt zu einer erheblichen Zunahme (x 700) des Volumens des konstant eingeführten Stickstoffs, der mit den zu behandelnden Teilen in Kontakt kommt. In Abhängigkeit von den besonderen Anforderungen und den verschiedenen Einsatzgebieten, variieren die erforderlichen Temperaturen im Allgemeinen zwischen -60° C und -150° C.
Eine weitere Möglichkeit des Tiefkühlens besteht, indem flüssiger Stickstoff durch einen im Vakuumofen eingebauten Wärmetauscher geleitet wird. Auf Grund der Erwärmung wird der Stickstoff gasförmig und ändert sein Volumen und Druck. Der aus dem Wärmetauscher austretende Stickstoff wird zur weiteren Verwendung in Pufferbehälter gespeichert. Der Vakuumofen wird mit einer Stickstoffatmosphäre versehen. Diese Atmosphäre wird über einen internen Umwälzlüfter immer wieder über den Wärmetauscher, der den flüssigen Stickstoff vergast, geleitet. Hat die Charge die gewünschte Temperatur erreicht, wird der Zustrom flüssigen Stickstoffs unterbunden. Der restliche Stickstoff im Wärmetauscher kann weiterhin zu den Pufferbehältern expandieren. Ist der max. Druck in den Pufferbehältern erreicht, wird der überschüssige Stickstoff in die Umgebungsluft geleitet. Sollte die Stickstoffmenge in den Pufferbehältern nicht reichen, kann über eine separate Stickstoffleitung nachgefüllt werden.

7.1.2.6       Lösungs- oder Niederdrucknitrierung

Analog der Niederdruckaufkohlung bietet die Lösungs- oder Niederdrucknitrierung eine Reihe von Vorteilen.
Prozessbedingt können eine Vielfalt von Chargentypen behandelt werden: Schüttgutteile, kompakte oder scharfe Teile, Teile mit Sacklöchern, Hohlräumen, verdeckten Flächen u.a.

7.1.2.7     Sintern

Sintern ist ein urformendes Fertigungsverfahren für Formteile in einem Vakuumofen. Es gestattet die Herstellung von Halbzeugen und Fertigteilen unter Umgehung der flüssigen Phase. Beim Sintern werden Pulvermassen zunächst so geformt, dass wenigstens ein minimaler Zusammenhalt der Pulverpartikel gegeben ist. Deshalb darf z.B. bei der Pulvermetallurgie die Korngröße 0,6 mm nicht übersteigen.
Der vorgepresste Grünling wird im Anschluss durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Der Sintervorgang läuft in drei Stadien ab, während deren sich die Porosität und das Volumen des Grünlings deutlich verringert. Im ersten Stadium erfolgt lediglich eine Verdichtung des Grünlings, wohingegen sich im zweiten Stadium die offene Porosität deutlich verringert. Die Festigkeit der Sinterkörper beruht auf den im dritten Stadium gebildeten Sinterhälsen, die durch Oberflächendiffusion zwischen den Pulverpartikeln entstehen. In manchen Fällen erfolgt nach dem letzten Vorgang noch ein Richten des Werkstückes, meistens wenn eine sehr hohe Maßgenauigkeit erforderlich ist. Beim Richten wird das quasi fertige Werkstück noch einmal unter hohem Druck in eine Form gepresst und somit ist eine hohe Maßhaltigkeit oder z.B. die Einhaltung der technischen Toleranzen (Form- und Lagetoleranz) möglich.
Vakuumsintern von z.B. rostfreien Stahle wird bei Temperaturen von etwa 1250°C ausgeführt. MIM (Metal Injection Molding) – Teile werden bei Temperaturen bis zu 1400°C – 1.600°C entweder in Grafit- oder Ganzmetallvakuumöfen (Molybdän / Wolfram) gesintert. Das sogenannte „Hippen“ findet bei Temperaturen bis zu 1600°C und Drücken bis zu 100bar gesintert.

Abb. 3:          MIM-Sinter-Teile

Technische Keramik (SiC, AlN, etc) wird in Vakuumöfen bei Betriebstemperaturen bis zu 2.500°C gesintert.

Abb. 4 :          Keramik-Sinterteile

7.2.  Anwendungen
7.2.1 Wärmebehandlung von Werkzeugen

Ein wesentlicher Anwendungsbereich der Vakuumhärtetechnik ist die Behandlung von Werkzeugen aus Werkzeugstählen nach DIN 17350, aus mittel- bis hochlegierten Sonderstählen, über den Bereich der rost- und säurebeständigen Qualitäten bis hin zu den pulvermetallurgischen Varianten.

Abb. 5:          Wärmebehandlung von Werkzeugen, Formen und Gesenken    (Quelle SWF)

Dabei wird in der Regel in einem Verfahrensschritt gehärtet und angelassen (zum Beispiel bei einer Sekundärwärmebehandlung von Werkzeugen aus 1.2379; Voraussetzung ist eine Chargenregulierung über Schleppelemente). Zwischengeschaltete programmgesteuerte Tiefkühloperationen bei bis zu -196°C, unmittelbar nach dem Härten und vor dem zwei- bis dreimaligen Anlassen, sind vor allem bei stark zu Restaustenit neigenden hochlegierten Stählen, aber auch zur Maßstabilisierung von passgenauen Werkzeugen erforderlich.

7.2.2 Luft- und Raumfahrt

Die Luftfahrttechnik ist eine der wesentlichen Anwender der Vakuumwärmebehandlung, die entweder als Subunternehmer oder Ausrüster, die anspruchsvollen Normen und technischen Bedingungen der AMS (NADCAP-Spezifikationen) unterliegen, die von der SAE Aerospace herausgegeben werden.
Sie erfordert die Gewähr einer ständigen Kontrolle der Produktionswerkzeuge und der Systematisierung einer lückenlosen Rückverfolgbarkeit. Die Überarbeitung der Norm AMS2750-C, die im September 2005 offiziell mit dem Index D herausgegeben wurde, legt die Messlatte noch etwas höher, indem sie die Toleranzen und Unsicherheiten bei der Eichung und Kalibrierung von Temperaturfühlern und pyrometrischen Geräten noch enger zieht. Aktuell findet hierzu vor allem auch Zusammenhang mit der CQI9 in Deutschland (IHT) eine für die Praxis nutzbare „Auslagung“ unter Federführung der Automobilisten Ford und Bosch statt.

7.2.3 Automobilindustrie

Da das Härten im Vakuumofen besonders geeignet für stark verzugsempfindliche Präzisionsbauteile sowie Formbauteile und Werkzeuge ist und eine sehr exakte Temperatursteuerung mit Dokumentation ermöglicht, werden Vakuumöfen sehr breit im Bereich der Automobilindustrie eingesetzt.

7.2.4 Lohnhärtereien

Die große Bandbreite der Anwendungen prädestiniert den Vakuumofen für den flexiblen Einsatz in der Lohnhärterei.

7.2.5 Solartechnik/Photovoltaik

Seit 2001 ist die Photovoltaik Branche jährlich im Mittel mit 46 % gestiegen (Quelle: AMG Geschäftsbericht) und bietet daher für den Vakuumofenbau ein interessantes Potential. Angesichts der Endlichkeit der fossilen Brennstoffvorkommen und des bei ihrer Nutzung entstehenden Treibhausgase (CO2) wird eine grundlegende Änderung der Energieerzeugung in nächster Zukunft unabdingbar. Regenerative Energien, wie zum Beispiel Sonnenenergie sind unerschöpflich und ökologisch bedenkenlos.
Die Photovoltaik nutzt den Photoeffekt, um mittels kristalliner Solarzellen aus der Energie der Photonen des Sonnenlichts direkt elektrischen Strom zu erzeugen. Die Vakuumofentechnik bietet mit ihren Ausführungen im Bereich der Kristallzuchttechnologie zur Herstellung hochwertiger Kristalle, aus denen Solarwafer hergestellt werden, Lösungen an.
Vakuumöfen werden hier zur Kristallzüchtung, insbesondere zur Züchtung von mono- und polykristallinen Siliziumkristallen eingesetzt.

Abb.6:                       Herstellung polykristallinem Silizium (Quelle ECM)
Abb. 7:          Tiegel mit polykristallinem Silizium


7.2.6 Halbleitertechnik, Optoelektronik

Ein weiterer Zukunftsmarkt für die ist die Halbleiterindustrie. Verfahren zur schnellen und breitbandigen Nachrichtenübermittlung steigen ständig an Bedeutung. Für optoelektronische und Hochfrequenzanwendungen setzt man zunehmend Verbindungshalbleiter (Compound Semiconductor) ein. Die hierfür verwendeten Materialien reagieren in der Wechselwirkung mit Licht wesentlich effektiver. Zudem besitzen sie eine größere Elektronenbeweglichkeit, was den Bau von Transistoren mit höheren Frequenzen ermöglicht. Damit sind diese Verbindungshalbleiter prädestiniert für den Einsatz in der Mobilfunkkommunikation, und für Glasfasernetze. Darüber hinaus werden die Verbindungshalbleiter für optoelektronische Anwendungen wie LEDs neue Märkte erobern.

7.2.7 Medizintechnik

Die Zuwachsraten im Bereich der Medizintechnik waren in den letzten Jahren sehr vielversprechend. Das weltweite Marktvolumen für Medizintechnik ist um schätzungsweise knapp 10 % pro Jahr gestiegen und erreichte damit weit überdurchschnittliche Steigerungsraten. Trotz vielfältiger staatlicher Regulierungen überall auf der Welt liegt eine so hohe Innovationsdynamik vor, wie sie von kaum einer anderen Branche erreicht wird. Auch für die Zukunft sind die Rahmenbedingungen günstig, weil die Weltbevölkerung beständig wächst, in den Schwellen- und Entwicklungsländern der Wohlstand zunimmt und in den Industrieländern ein kontinuierlicher Alterungsprozess der Bevölkerung festzustellen ist.
Im Bereich der Medizintechnik findet die Vakuuumwärmebehandlung im Glühen und Härten der wesentlichen korrosionsbeständigen Edelstähle (austenitisch; martensitisch) statt. Darüberhinaus werden Titanwerkstoffe weich-, rekristallisations- oder spannungsarmgeglüht.

7.2.8 Elektromobilität

In Zusammenhang mit der Elektromobilität wird seit vielen Jahren die Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), eine Hochtemperatur-Brennstoffzelle, die bei einer Betriebstemperatur von 650–1000 C betrieben wird, genannt. Einen „Durchbruch“ in der Serien hat es bislang noch nicht gegeben. Aktuell gelten Brennstoffzellen aber als eine der aussichtsreichsten Techniken für die Autos von morgen. Peugeot beispielsweise plant die Serieneinführung im Jahr 2015. Derzeit ist die Lebensdauer der Zellen jedoch noch unbefriedigend: Sie reicht für maximal 2.000 Stunden aus, was etwa 100.000 Kilometer entspricht. Das Ziel der Automobilindustrie liegt bei 5.000 Stunden.

Werkstoff- und verfahrenstechnisch ist bei der Produktion der Brennstoffzelle vor allem der Sinterprozess des Elektrolyten interessant, einem Zelltyp bestehend aus keramischem Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, für Elektronen jedoch isolierend wirkt. Die Kathode ist ebenfalls aus einem keramischen Werkstoff (strontiumdotiertes Lanthanmanganat) gefertigt, der für Ionen und für Elektronen leitfähig ist. Die Anode wird aus Nickel mit yttriumdotierten Zirkonoxid gefertigt, der ebenfalls Ionen und Elektronen leitet.

In breiter Serienfertigung ist zu erwarten, dass diese keramischen Komponenten auf dem Wege des Pulver-Spritzguss (Powder Injection Moulding (PIM) mit anschließendem Sinterprozess unter „oxidierender oder inerter“ Atmosphäre bei Temperaturen bis etwa 2000°C erzeugt werden. Ofentechnisch kommen aufgrund der extrem hohen Temperaturen „klassische“ Öfen mit Kanthal-Super-Elementen nur bis 1800°C zum Einsatz. Darüberhinausgehende Sintertemperaturen können nur in Vakuumöfen durchgeführt werden.

7.3    Anlagentechnik

Moderne Vakuumöfen zeichnen sich durch schnelle und homogene Abschreckgeschwindigkeit aus, durch Erfüllung der Vorgaben der NADCA Empfehlung 207-97, d.h. hohe  Temperaturhomogenität von +/- 3 K und das Zertifikat nach DIN 65570 für Luft- und Raumfahrt.

Abb. 8:          Standard-Vakuumofen (Quelle Rübig)
Vakuumöfen werden für Temperaturen bis 3000°C geliefert.
Abb. 9:          Vakuumhärteofen (Quelle ECM)
Abb. 10:        Modulares Vakuumhärtesystem ICBP (Quelle ECM)
Ein in den letzten Jahren erfolgreicher Markt lag in der Herstellung polykristallinen Silizium wird durch ECM.
Abb. 11:        Ofenanlage ECM zur Herstellung von polykristallinem Silizium (Quelle ECM)

Einkammer-Vakuumöfen sind in der Regel modular und vergleichsweise einfach aufgebaut, da die Bauteile keiner weiteren Chargierung innerhalb der Ofenanlage unterzogen werden. Für Mehrkammer-Vakuumanlagen oder verketteten Annlagensystemen gilt diese Aussage selbstverständlich nicht. Die Chargierung in Ein- oder Zweikammervakuumöfen erfolgt in der Regel manuell.
Bei Vakuum-Wärmebehandlungsprozessen wird nicht nur das Wärmebehandlungsgut mit den zugehörigen Chargiermitteln, sondern auch die Heizelemente und/oder die komplette Heizkammer der Prozeßumgebung ausgesetzt und auf die erforderliche Prozesstemperatur aufgeheizt (Kaltwandöfen). Die Auslegung der Heizkammer hinsichtlich verwendeter Materialien spielt daher eine entscheidende Rolle.
Beim Aufheizprozess in graphitisolierten Vakuum-Härteöfen wird ein beträchtlicher Bestandteil der zugeführten Energie und der Gas-Atmosphäre (bzw. Vakuum) in die „Tot“ bzw. nicht von der Charge eingenommenen Bereiche der Heiz- bzw. Vakuumkammer geleitet. Das Volumen insbesondere der Vakuumkammer sollte daher minimiert werden, um die Energie- und Abschreckeffizienz zu maximieren, d.h. während der Temperaturhaltephasen muss zugeführte elektrische Heizenergie Leerverluste ausgleichen. Bei anschließender Überdruckgasabschreckung wird wiederum mit hohem energetischen Aufwand die sowohl in der Charge als auch die in der Heizkammer gespeicherte Wärmeenergie abgebaut.
Als Isolationswerkstoff der Heizkammer von horizontalen Vakuum-Kammeröfen wird (abgesehen von Ganzmetallkammern für hochreine Vakuumprozesse) vornehmlich Graphitmaterial wegen der hohen Temperaturbeständigkeit und Formstabilität eingesetzt. Leerverluste der Heizkammer werden durch einen konstruktiv möglichst dichten Aufbau reduziert. Ein Isolationsaufbau mit verstärktem Querschnitt der Graphitfilzisolation erzielt eine zusätzliche Leerverlustminimierung während der Temperaturhaltephasen.
Der Aufbau einer Heizkammer, die in der Regel als „Modul“ ohne größeren montagetechnischen Aufwand in der Vakuumkammer installiert wird, wird in kubischer und zylindrischer Bauweise unterschieden. In Europa hat sich vor allem die kubische Heizkammervariante durchgesetzt.
Der Aufbau der Heizkammer lässt sich vor im Aufbau des Chargenherds, der Anordnung der Luken zum Abdichten und Abschrecken und der Türabdichtung (Labyrinth) unterscheiden. Hier liegen konstruktionsbedingt auch die entsprechenden Einsparmöglichkeiten.
Außerdem ist die elektrische Beaufschlagung und thermische Oberflächenbelastung ein entscheidendes Kriterium für die kostenreduzierte Auslegung der Vakuumheizkammer.
Im Folgenden sind die wesentlichen Heizkammeraufbauten der Hersteller dargestellt.

Abb. 12:        Heizkammer (Quelle Rübig)

Zylindrische aufgebaute Heizkammern resultieren vor allem auch noch aus der ursprünglichen Konstruktionen. Die Heizelemente sind entweder als „gebogene“ Graphitplatten ausgeführt oder aber als „gerade“ Graphitplatten in einer „vieleckigen“ Heizkammer platziert. Der grundsätzliche Vorteil dieser Konstruktion liegt im vergleichsweise großen Heizkammervolumen bezogen auf die äußere Vakuumkammer des Ofens.

Der Aufbau von „Ganzmetall-Heizkammern“ entspricht im Wesentlichen der von Graphit-Heizkammern, wobei die Isolierung über „Strahlbleche“ reflektieren erfolgt und nicht isolierend, wie dies bei Graphitisolierungen der Fall ist.

Die Gasabschreckeinrichtung im Vakuumofen hat die Aufgabe, die Bauteile nach der Austenitisierung oder Aufkohlung durchgeführten Gefügeumwandlung schnell abzuschrecken. Um eine möglichst gleichmäßige und verzugsminimierte Abschreckung sicherzustellen, kann der Gasstrom über spezielle Gasleiteinrichtungen über den gesamten, der Charge zur Verfügung stehendem Nutzraum, verteilt. Die hierfür in die graphitisolierte Heizkammer integrierten Gasleiteinrichtungen müssen dabei zum einen optimale Strömungsverhältnisse sicherstellen, zum anderen aber auch den Erfordernissen an geringer Eigenmasse bei gleichzeitig hohen Standzeiten gerecht werden.

Literatur:

[1]        IHT, Technische Datenblätter
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Mittelbare Widerstandserwärmung in Industrieöfen

Dr.-Ing. Olaf Irretier, Industrieberatung für Wärmebehandlungstechnik IBW Dr. Irretier

1.         Einführung

In jedem stromdurchflossenen Leiter wird aufgrund seines Widerstandes elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Während dieser Effekt bei der Energieübertragung zu Verlusten führt und daher nach Möglichkeit unterdrückt wird, kann er durch zweckentsprechend konstruierte Geräte zur Erwärmung nutzbar gemacht werden. Dabei kann der Strom durch das zu erwärmende Gut selbst oder aber in sogenannten Heizelementen fließen. Im vorliegenden Beitrag wird der zweite, als mittelbare Widerstandserwärmung bezeichnete Fall, beschrieben.
Bei den Heizelementen handelt es sich um elektrische Leiter, die so konstruiert sind, daß von ihnen ein Maximum an Wärme freigesetzt wird. Diese wird durch Wärmeübertragung dem zu erwärmenden Gut zugeführt. Die Erwärmung erfolgt definitionsgemäß also mittelbar, die Wärme wird außerhalb des Gutes erzeugt und gelangt über dessen Oberfläche in das Werkstückinnere.
Die mittelbare Widerstandserwärmung erfolgt in der Regel in Öfen. Bild 1 zeigt eine Heizleiterwendel, die in widerstandsbeheizten Industrieöfen zum Einsatz kommt.

Bild 1:  Heizleiterwendel (Foto Kanthal)

Bild 2 zeigt einen Kammerofen zum Brennen keramischer Produkte. An den Ofenwänden und in der Tür sind die Heizelemente erkennbar. In Bild 3 ist ein Rohrofen dargestellt, der in Labor und Produktion für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden kann.

Bild 2:  Heizelemente in einem Industrieofen (Foto)

Bild 3:  Heizmodule (Foto)

2             Physikalische Grundlagen der Widerstandserwärmung

2.1       Prinzip

Die Wärmefreisetzung in einem stromdurchflossenen Leiter wird durch das Joulesche Gesetz beschrieben:

W = R · I² · t = (U² / R) · t

Darin ist R der elektrische Widerstand des Leiters, I die Stromstärke im Leiter, U die elektrische Spannung, die über dem Leiter abfällt und t die Zeit, in welcher der Stromfluß stattfindet. Die freigesetzte Wärmemenge kann also zunächst über die Größen Strom bzw. Spannung sowie die Erwärmungsdauer beeinflußt werden. Daneben hängt sie jedoch auch vom elektrischen Widerstand R des Leiters ab, der durch die Gleichung

R = (r · l) / A

beschrieben werden kann. Hierin sind l die Leiterlänge, A der Leiterquerschnitt und r der spezifische elektrische Widerstand des Leiters. Letzterer ist eine Stoffeigenschaft, die vom Leitermaterial abhängig ist. Zudem hängt der spezifische elektrische Widerstand eines Materials auch von dessen momentaner Temperatur ab und steigt mit dieser an. Heizelemente bedürfen daher einer regelbaren Spannungs- bzw. Stromversorgung, um eine bestimmte gewünschte Wärmemenge und damit Temperatur auch bei verschiedenen Betriebstemperaturen der Elemente realisieren zu können.
Entsprechend den genannten Beziehungen und Stoffwerten werden Heizelemente konstruiert und hergestellt, die die Basis für die mittelbare Widerstandserwärmung darstellen. Die Heizelemente werden in einen Ofenraum eingebaut, in dem das zu erwärmende Gut untergebracht wird. Die Wärmeübertragung f von den Heizelementen auf das zu erwärmende Gut erfolgt dabei durch drei verschiedene Mechanismen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Je nach Art der Betriebsbedingungen können unterschiedliche Anteile der drei Übertragungsarten auftreten.
Die Wärmeübertragung durch Leitung f_L stellt in Festkörpern den Hauptübertragungsmechanismus dar. Sie hängt neben der Geometrie des Wärmeleiters vor allem von dessen Wärmeleitfähigkeit und der Temperaturdifferenz zwischen den im Wärmeaustausch stehenden Bereichen ab:

f_L = DT · l · A/L;

mit DT = Temperaturdifferenz, l = Wärmeleitfähigkeit, A = Querschnittsfläche, L = Materiallänge.
Konvektion findet in Fluiden statt, wobei die Wärme mit dem Fluidstrom vom Ort der höheren an den Ort der niedrigeren Temperatur transportiert wird. Die durch Konvektion übertragbare Wärmemenge wird von der Geometrie der im Wärmeaustausch stehenden Oberflächen, der Temperaturdifferenz zwischen beiden sowie den stofflichen Eigenschaften des übertragenden Fluids bestimmt:

f_K = DT · a · A;

mit DT = Temperaturdifferenz, a = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, A = Querschnittsfläche, L = Materiallänge.
Der Mechanismus der Wärmeübertragung durch Strahlung zeichnet sich vor den beiden zuerst erläuterten vor allem dadurch aus, daß die übertragbare Wärmemenge hier weit überproportional mit der Temperatur der abgebenden Oberfläche wächst Boltzmann-Gesetz). Zu höheren Temperaturen hin nimmt daher der Anteil der Strahlung an der gesamten übertragenen Wärmemenge stark zu. Die Strahlung beruht auf einer elektromagnetischen Wellenausbreitung und bedarf daher keinerlei Materie zwischen den im Strahlungsaustausch stehenden Flächen. Dies macht sie im Vakuum zur einzigen wirkenden Wärmeübertragungsart:

f_S = A · e · s · T⁴

mit A = Querschnittsfläche, e = Emissionsgrad, s = Strahlungskonstante, T = Temperatur in K

2.2       Erwärmung durch Heizelemente
Die in Industrieöfen eingesetzten Heizelemente unterscheiden sich vor allem in Form und Material. Letzteres bestimmt die maximale Anwendungstemperatur. Heizleitermaterialien lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: metallische und keramische.
Zu den metallischen Heizleiterwerkstoffen gehören die seit langem genutzten Chrom-Nickel-Legierungen (CrNi), die bis etwa 1200°C verwendbar sind, ferritische Chrom-Eisen-Aluminium-Legierungen (CrFeAl) für Temperaturen bis 1400 °C und die reinen Metalle Molybdän (Mo) und Wolfram (Wo), die bis über 1400 °C unter Schutzgas betrieben werden.
Zu den keramischen Heizleiterwerkstoffen gehören Siliziumkarbid (SiC), das bis 1600 °C verwendet wird, Molybdändisilizid (MoSi₂) für Anwendungstemperaturen bis 1850 °C und Graphit. Letzterer kann nur in reduzierenden und inerten Atmosphären sowie im Vakuum eingesetzt werden, hier allerdings bis 3000 C. In Bild 4 sind die Anwendungstemperaturen der Heizelemente im Überblick dargestellt.

Bild 4:  Anwendungsgrenztemperaturen von Heizelementen
Neben dem Material unterscheiden sich Heizelemente durch ihre Form. Metallische Elemente werden aus Drähten oder Bändern in verschiedenen Durchmessern und Breiten hergestellt. Metallelemente zeichnen sich durch ihre mechanische Robustheit aus, sind einfach zu regeln und preiswert. Sie können frei aufgehängt werden, auf Unterstützungskonstruktionen gelagert oder aber in Träger eingebettet werden. In Bild 5 ist ein metallisches Heizelement dargestellt.

Bild 5:  Bandheizelement aus Metall (Foto Kanthal)
Neben Wendeln, Schlangen etc. sind viele weitergehend auf den Verwendungszweck zugeschnittenen Elemente erhältlich. Bild 6 zeigt eingebettete Elemente in vorgefertigten Fasermodulen, mit denen sehr schnell und einfach Öfen (z.B. Rohröfen) aufgebaut werden können.

Bild 6:  CrFeAl-Elemente für Rohröfen (Foto Kanthal)
In Bild 7 ist eine Heizpatrone (Rohrheizkörper) dargestellt, bei der der Heizleiter in einen Mantel aus Stahl einlassen ist. Mit solchen Heizpatronen können Flüssigkeiten oder Gasströme o.ä. beheizt werden.

Bild 7:  Heizpatrone (Foto Kanthal)
Keramische Heizelemente werden in Standardausführungen hergestellt. Allgemein erfordern keramische Elemente eine aufwendigere Regelung als metallische. Zudem sind sie mechanisch vergleichsweise empfindlich. Für den Einbau keramischer Elemente stehen Systeme zur Verfügung, das ihnen eine große Breite möglicher Anwendungen sichert. Der Hauptvorteil der keramischen Elemente liegt in den hohen Anwendungstemperaturen.
SiC-Elemente sind als Rohrelemente und als Stäbe verfügbar. Neben Stabelementen sind mehrschenklige Ausführungen für Mehrphasenanschluß erhältlich. Für solche Elemente werden mehrere einfache Stäbe an einem Ende durch einen kurzen Querstab zusammengefügt.
Molybdändisilizidelemente kommen vor allem bei Hochtemperaturanwendungen zum Einsatz. Sie erfordern spezielle, meist hängende Einbauweisen, da sie im Betrieb erweichen. Neben der hohen Anwendungstemperatur weisen sie eine lange Lebensdauer auf (siehe Bild 8).

Bild 8:  Molybdändisilizid-Heizelement
Um eine möglichst lange Lebensdauer der Heizelemente zu erzielen, muß deren maximal zulässige Elementtemperatur eingehalten werden. Die Elementhersteller geben hierfür einzuhaltende Richtwerte für zwei Kenngrößen, die Elementbelastung und die Wandbelastung, vor. Die Elementbelastung ist die Leistungsdichte auf der Elementoberfläche. Grundsätzlich wächst die maximale Leistungsdichte an der Elementoberfläche nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann mit der vierten Potenz der Temperatur. Praktisch wird sie durch Rückstrahlung von den Ofenwänden und vom Erwärmungsgut stark begrenzt. Die Wandbelastung ist die auf die Wandfläche des Ofens konzentrierte Leistungsdichte. Für eine richtige und gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofen müssen ausreichende Wandflächen zur Verfügung stehen. Die zulässigen Werte für die Element- und Wandbelastung sinken mit zunehmender Ofentemperatur. Zudem hängen sie von der Art und Anordnung der Heizelemente ab.

2.3      Energetischer Wirkungsgrad

Die Wirtschaftlichkeit eines thermischen Prozesses hängt im wesentlichen vom energetischen Wirkungrad der Wärmebehandlungsanlage ab. Die dem Prozeß zugeführte Energie sollte nach Möglichkeit direkt zur Bauteilerwärmung führen. Bei konventioneller Erwärmung (Leitung, Strahlung, Konvektion) erwärmt sich jedoch auch immer das umgebene System, der Industrieofen. Außerdem sind bei der energetischen Bilanzierung die Verlustwärmemengen zu berücksichtigen.
Wärmedämmstoffe haben, wie die Bezeichnung bereits ausdrückt, in Industrieöfen das Ziel, die nicht dem Bauteil zugeführte Wärme, d.h. den Wärmeverlust, zu verringern. Nach der Energiebilanz setzt sich die dem Prozeß zugeführte Gesamtwärmemenge Q_ges aus der Summe der Wärmemenge die dem Bauteil zugeführt wird Q₁, der in der Ofenwandung gespeicherten Wärmemenge Q₂ und der Durchgangswärmemenge Q₃ zusammen.
Die Speicherwärme Q₂ ergibt sich durch folgende Gleichung:

Q₂ = m · T_m · c,

mit m = Masse Isolierung, T_m = mittl. Wandtemperatur, c = spez. Wärmekapazität (c ~ 1,1 kJ/kg K)
Die mittlere Wandtemperatur kann im wesentlichen nicht beeinflußt werden. Sie ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit der Isolierung und vom Wandaufbau. Auch ist die spezifische Wärmekapazität für Wärmedämmstoffe annähernd konstant, so daß die Speicherwärme nur über die Masse, d.h. die Dichte des Materials beeinflußt und gegebenenfalls reduziert wird. Feuerleichtsteine und Fasermaterialien weisen aufgrund Ihrer Porosität Dichten auf, die zum Teil deutlich unterhalb von 1 kg/dm³ liegen (Bild 9). Schamottesteine hingegen haben aufgrund ihrer Dichte von etwa 2 kg/dm³ ein großes Wärmespeichervermögen und sind daher für den Einsatz in Industrieöfen ungeeignet. Sie dienen lediglich dem Kachelofen als Speichermedium für die Raumbeheizung!

Bild 9:  Dichte von Wärmedämmstoffen
Wärmedämmstoffe besitzen in der Regel eine Porosität von mehr als 40 %, in der Ofenbaupraxis üblicherweise 60 bis 90 % und in Ausnahmefällen bis zu 99 %. Beim Einsatz in Industrieöfen ist darauf zu achten, daß eine hohe Porosität zwar eine geringe Speicherwärme und auch eine geringe Wärmeleitfähigkeit bedeutet, aber auch eine niedrige mechanische und chemische Beständigkeit zur Folge haben kann.
Die Durchgangs- oder Verlustwärmemenge wird durch die folgende Gleichung beschrieben:

Q₃ = l · A · DT /d,

mit l = Wärmeleitfähigkeit, A = Querschnittsfläche, DT = Temperaturdifferenz Ofen innen/außen, d = Dicke Isolierung

Die Verlustwärmemenge kann durch Wahl geeigneter Wärmedämmstoffe, die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, minimiert werden. In der heutigen Praxis werden u.a. Wärmedämmstoffe mit mikroporösen Strukturen (< 0,1 µm) eingesetzt, die eine um den Faktor 10 geringere Leitfähigkeit als übrige Dämmstoffe besitzen. Diese Materialien können aufgrund ihrer bis ca. 1000°C begrenzten Anwendungstemperatur jedoch nur als Hinterisolierung eingesetzt werden.
Keramische Fasern haben im Vergleich zu Feuerleichtsteinen eine mit der Temperatur ansteigende Wärmeleitfähigkeit. Bei 1000 °C wird eine Faserauskleidung wesentlich schneller durchwärmt als ein Feuerleichtstein-Mauerwerk, was bei diskontinuierlichen Öfen dazu führen kann, daß diese energetisch günstiger sind als eine Faserisolierung. Schamottesteine finden nicht nur wegen ihrer hohen Dichte sondern auch aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit keine Verwendung im Industrieofenbau – lediglich als Schamottemörtel.

Bild 10: Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmstoffen
Die Anwendungsgrenztemperatur ist definiert als die Temperatur, bei der eine lineare Schwindung von 3 % nach 24 h Erhitzungszeit auftritt. Sie gibt die maximale Einsatztemperatur von Wärmedämmstoffen und damit auch von Industrieöfen für Normalatmosphären an. Im Hochtemperaturbereich bis 2000 °C kommen in der Regel Feuerleichtsteine oder Fasermaterialien zum Einsatz, die aus den in Bild 11 aufgeführten Materialien aufgebaut sind.
Durch Verunreinigungen in der Ofenatmosphäre können die Anwendungsgrenztemperaturen durch Bildung niedrigschmelzender Verbindungen oder Verglasung (SiO) stark herabgesetzt werden.
Auch die Temperaturwechselbeständigkeit von Wärmedämmstoffen hat einen wichtigen Einfluß auf ihre Anwendungsbereiche. Keramische Fasern halten aufgrund ihres Aufbaus und ihrer hohen Porosität auch extremen Temperaturwechselbeanspruchungen stand (Bild 12).

Bild 11: Anwendungsgrenztemperatur

Bild 12: Temperaturwechselbeständigkeit

Dem Ofenbauer obliegt in Zusammenwirken mit dem Anwender die wesentliche Aufgabe, die thermischen, mechanischen und chemischen Einflußfaktoren des thermischen Prozesses zu bewerten und eine optimale Zustellung auszuwählen. Im folgenden werden die im Ofenbau wesentlichen Wärmedämmstoffe vorgestellt und deren anwendungsgerechter Einsatz in Industrieöfen gezeigt.
Ein folgendes Beispiel zeigt, welche Auswirkungen der Isolieraufbau auf Speicher- und Verlustwärme hat: Um eine Ofenaußentemperatur von 90 °C bei einer Innentemperatur von 1400 °C zu erreichen, ist eine Isolierung durch Faserplatten von etwa 350 mm Stärke, durch Feuerleichtsteine von etwa 450 mm notwendig. Die Verlustwärme beträgt in beiden Fällen ca. 730 W/m².
Die Temperaturführung spielt bei der Wahl und energetischen Bewertung von Wärmedämmstoffen ein wichtige Rolle. Bei periodisch betriebenen Öfen ist die Wärmemenge zu berücksichtigen, die bei jedem Brand zum Aufheizen der Isolierung (Speicherwärme) notwendig ist. Materialien mit hoher Porosität führen zu einer geringen Speicherwärme und somit zu kurzen Aufheiz- und Abkühlzeiten bei gesteigertem energetischen Wirkungsgrad, da eine Isolierung aus Feuerleichtsteinen bis zu 10 mal mehr Energie in der Ausmauerung gespeichert als eine aus Faserisolierung. Bei der Auslegung kontinuierlich betriebener Öfen spielen Aufheiz- und Abkühlvorgänge keine Rolle. Wärmedämmstoffe in diesen Öfen müssen vor allem ein hervorragendes Isoliervermögen aufweisen.
Das Beispiel in Bild 13 zeigt die Notwendigkeit angepaßter Ofenauskleidungen bei unterschiedlichen Anwendungen, um einen optimalen energetischen Wirkungsgrad zu erzielen.

Bild 13: Einfluß der Ofenauskleidung auf die Wärmebilanz
Der Faserblock führt zu einer geringen Speicherwärme (Leistung) von 4180 W/m² bei einer Abwärme von 580 W/m². Eine kombinierte Feuerleichtsteinauskleidung hat den Vorteil der höheren mechanischen und chemischen Beständigkeit, der im Vergleich zur Faserblockzustellung eine um den Faktor 4 größere Speicherwärme zur Folge hat. Schwerauskleidungen führen zwar zu einer signifikanten Steigerung der Speicherwärme, reduzieren aber auch die Verlustwärme um etwa 20 %.

3          Anwendungen und Anlagenkonzepte

3.1      Prinzipieller Aufbau von Industrieöfen

Aus den vorher dargestellten Einsatzmöglichkeiten von Ofenbaumaterialien ergibt sich ein prinzipieller Ofenaufbau, wie er in Bild 14 dargestellt ist. Eine mechanisch stabile Feuerfestauskleidung zum Ofeninnenraum hin trägt die Heizelemente. Nach außen schließt sich eine Wärmedämmschicht an, die aus weniger mechanisch belastbarem Material besteht, aber über gute thermische Eigenschaften entsprechend den obigen Ausführungen verfügt. Den Abschluß zur Umgebung hin bildet ein Stahlgehäuse. In der Praxis werden oft mehrschichtige Anordnungen verwendet, die spezifische Eigenschaften verschiedener Wärmedämmstoffe, bspw. verschieden hohe Wärmeleitfähigkeiten in verschiedenen Temperaturintervallen, optimal ausnutzen.

Stahlgehäuse

Äußere und Innere Isolierung

Heizelement

Bild 14: Prinzipieller Aufbau von Industrieöfen
Wie bereits dargestellt, stehen dem Ofenbauer eine Reihe gebräuchlicher Ofenbauwerkstoffe zur Verfügung, dazu gehören Feuerleichtsteine und Formteile, Faserisolierstoffe und mikroporöse Isolierstoffe. Keramische Faserisolierstoffe weisen bei sehr geringer Dichte niedrige Wärmeleitfähigkeiten auf und erfüllen damit die oben genannten thermischen Anforderungen sehr gut. Für viele Anwendungen reicht auch ihre mechanische Stabilität aus, so daß sie die Leichtbauweise von ”schnellen”, verlustarmen Öfen ermöglichen.
Die mittelbare Widerstanderwärmung ist für nahezu alle Stoffe und Werkstückgeometrien anwendbar. Dies hat zu einer Vielzahl verschiedener Anwendungen im industriellen Bereich geführt, bei der sich eine Vielzahl verschiedener Ofentypen herausgebildet haben, die im folgenden vorgestellt werden.

3.2       Grundlegende Ofentypen

Die grundlegenden Bestandteile jeder Industrieofenanlage sind der Ofenraum mit den Heizelementen, ein Temperaturüberwachungs- und Regelgerät sowie Einrichtungen zur Energieversorgung. Hinzu kommen je nach Anwendungsfall Zusatzausrüstungen wie Schutzgasanlagen, Transportvorrichtungen etc.
Bei einem Banddurchlaufofen, wie er im Bild 15 dargestellt ist, bewegt sich ein Förderband, auf dem die Werkstücke angeordnet werden, kontinuierlich durch die Erwärmungszone. Dieser Ofen wird beispielsweise im Dauerbetrieb zum Schäumen von Aluminium eingesetzt.

Bild 15: Banddurchlaufofen (Foto)
Ein Kammerofen, gezeigt im Bild 16, kommt in zahlreichen Fällen zum Einsatz, in denen verschieden geformte Werkstücke in unregelmäßigen Abständen und u.U. auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden müssen.

Bild 16: Kammerofen (Foto)
Bei Haubenöfen bewegt sich das Ofengehäuse komplett nach oben, wenn der Ofen bestückt werden soll. Das ermöglicht eine leichte Bestückung des Ofens auch mit sehr großen und schweren Werkstücken. In Bild 17 ist ein Haubenofen dargestellt der für Temperaturen bis 2200°C ausgelegt ist.

Bild 17: Haubenofen (Foto)
Rohröfen, in horizontaler und in vertikaler Anordnung (Bild 18), kommen häufig in Laboren zum Einsatz. Auch in der Chip- und Elektronikindustrie sind Rohröfen, mit Heizzonen in denen eine äußerst gleichmäßige Temperaturverteilung gewährleistet werden muß, zu finden.

Bild 18: Rohrofen (Foto)
Ein Durchstoßofen, bei dem die Werkstücke Schritt für Schritt durch den Ofen geschoben werden ist in Bild 19 dargestellt.

Bild 19: Durchstoßofen (Foto)
Neben den dargestellten Ofentypen gibt es noch weitere, auf spezielle Verwendungszwecke hin ausgelegte Öfen. Hierzu gehören bei den Durchlauföfen vor allem Rollenherdöfen, bei denen im Ofenboden die Rollen so angeordnet sind, daß das zu erwärmende Gut leicht durch den Ofenraum geschoben werden kann. Bei Hängebahnöfen wird das Gut an einer Förderkette aufgehängt und durch den Ofenraum gezogen. In Drehherdöfen rotiert der karussellartige Ofenboden permanent  so, daß an einer Öffnung des Ofenraumes ständig Gut entnommen und nachbeschickt werden kann, während das restliche im Ofen befindliche Gut erwärmt wird. Die Erwärmungszone von Draht- oder Banddurchziehöfen ist so ausgelegt, daß ein durchhängender zu erwärmender Draht oder ein entsprechendes Band optimal erwärmt werden.

3.3       Industrielle Anwendungen und Anlagenkonzepte

3.3.1   Keramik

Im vorliegenden Beitrag ist bereits mehrfach auf die vielfältigen Anwendungen der mittelbaren Widerstandserwärmung in der Industrie hingewiesen worden. In der Keramikindustrie kommen vor allem Brennöfen für Sanitärkeramik, Geschirr, Steinzeug und Fließen zum Einsatz. Besonders die Sauberkeit der Wärmebereitstellung, die Staubfreiheit und die fehlende Beeinflussung durch Konvektion stellen hier große Vorteile der mittelbaren Widerstandserwärmung dar, die sehr zu einer ausgezeichneten Produktqualität beitragen.

Keramische Werkstoffe sind gegenüber anderen Werkstoffen wie Metalle und Kunstoffe durch eine hohe chemische Resistenz, hohe Härte und eine daraus resultierende hohe Verschleißfestigkeit gekennzeichnet. Hohe Korrosions- und Temperaturbeständigkeit, geringe Wärmeausdehnung und Dichte erlauben eine breite Anwendung keramischer Werkstoffe. Die verhältnismäßig geringen Rohstoffkosten im Vergleich zu einer Vielzahl von Metallen und die breite Verfügbarkeit sind weitere Gründe für eine verstärkte Anwendung keramischer Werkstoffe.

Die Umwandlung loser keramischer Pulver in gebrauchsfähige, feste Funktionsteile wird bekanntlicherweise durch die thermochemischen Prozesse „Enbindern“ und „Sintern“ erreicht. Diese Prozesse stellen einen entscheidenden Schritt zur Herstellung von Hochleistungskeramik dar. Definierte Atmosphären und Temperaturfelder zur Einstellung gleichmäßiger Gefüge sowie die entsprechende Anpassung der Ofenkonstruktion sind ausschlaggebend für die Produktion qualitativ hochwertiger Bauteile.
Das Austreiben der organischen Inhaltsstoffe aus dem Grünkörper sollte separat vom Sinterprozeß durchgeführt werden. Der Ofen in Bild 20, der bis zu einer Maximaltemperatur von 650°C betrieben werden kann, wird zum Entbindern von Oxidkeramiken eingesetzt. Der Ofen ist mit einem semi-gasdichten Gehäuse ausgestattet und ermöglicht somit den Betrieb unter Schutzgas.

Bild 20: Entbinderungsofen (Foto)

Zur Optimierung der Temperaturverteilung (± 3 K und besser) und der damit verbesserten Entbinderung, wird dem Ofenraum eine bis auf maximal 360°C vorgewärmte Frischluft zugeführt. Über ein Öffnungssystem kann anschließend die mit den Bindergasen behaftete Abluft einer Abgasreinigungsanlage (Nabertherm KNV 300) zugeführt werden. Hier werden die dampfförmigen Kohlenwasserstoffe umweltgerecht in unschädliches Kohlendioxid und Wasser zersetzt.

Der keramische Brand oder auch die Sinterung führen zur Keramisierung des Bauteils. Während dieser Wärmebehandlung finden im Bauteilinneren physikalisch-chemische Vorgänge statt, bei denen es sich um Sinter-, Drucksinter-, Reaktionssinter- oder Infiltrationsprozesse handelt.

Im Hochtemperatur-Kammerofen in Bild 21 werden Oxidkeramiken bei 1700 °C gesintert. Der Ofen verfügt über eine Warmluftspülung. Über einen Luftkanal im Ofenboden wird die auf 200-300 °C vorgewärmte Luft in den Ofenraum geführt. Dadurch wird nicht nur eine optimale Temperaturverteilung erreicht, sondern auch der austretende Binder aus dem Ofenraum in den nachgeschalteten Katalysator geleitet. Um die Beschickung zu erleichtern, ist der Ofen an beiden Stirnseiten mit Türen ausgestattet.

Bild 21:            Kammerofen (Foto)
Herdwagenöfen werden im Chargenbetrieb über Herdwagen beladen. In Bild 22 ist eine Fertigungsstraße von Herdwagenöfen zum Sintern keramischer Schleifscheiben bei 1340 °C dargestellt. Jeder der Öfen verfügt über eine Fünf-Zonen-Regelung und ermöglicht damit eine sehr gute Temperaturverteilung im gesamten Nutzraum von 10,8 m³. Ein programmgesteuertes Kühlgebläse sowie automatische Abluftklappen verkürzen die Abkühlphase der Öfen.

Bild 22:            Herdwagenofen (Foto)
Haubenöfen sind prädestiniert für das industrielle Sintern von Keramiken. Durch elektrohydraulische oder elektrische Antriebe, die über SPS-Anlagen gesteuert werden, kann ein erschütterungsfreies Verfahren der Haube bei diesem Ofentyp und diffizile stabelbare Aufbauten realisiert werden. Durch Anheben der Haube ist nicht nur eine schnelle Bauteilabkühlung möglich; die Beschickung des Ofens kann darüberhinaus unter ergonomischen Gesichtpunkten stattfinden.
In Bild 23 ist ein Haubenofen zum Sintern von Oxidkeramik für Temperaturen bis 1750 °C dargestellt. Eine vierseitige Ofenbeheizung gewährleistet eine optimale Temperaturverteilung. Faserisolierungen aus Aluminiumoxid sorgen für schnelles Aufheizen und Abkühlen bei geringen Wärmeverlusten. Im doppelwandigen Gehäuse ist zusätzlich eine Gebläsekühlung installiert. Programmierbare Regelanlagen arbeiten mit Thyristorstellern und ermöglichen eine Regelgenauigkeit von ± 2 K.

Bild 23:            Haubenofen (Foto)

3.3.2   Metalle

Beim Glühen, das bei 600 – 1200 °C erfolgt, neigt Stahl zum Verzundern, zunderbeständige Werkstoffe laufen an. Daher werden Glühöfen vielfach mit Schutzgasatmosphären, mit Vakuum oder mit Salzbädern betrieben. Das Löten durch mittelbare Widerstandserwärmung kommt vor allem für hochwertige Teile und Massenprodukte zum Einsatz. Aufkohlen, Nitrieren und Karbonitrieren sind Oberflächenveredlungsverfahren, bei denen Schutz-, Kohlungs- bzw. Nitriergase oder aber Salze in den Öfen zum Einsatz kommen. In der Stahlindustrie dienen mittelbar widerstandsbeheizte Öfen dem Aufwärmen und Zwischenerwärmen. Auch Glühöfen kommen hier zum Einsatz.

Geringes Bauteilgewicht bei hoher Betriebssicherheit – ist beispielsweise die vorrangige Forderung an Werkstoffe in der Luft- und Raumfahrtindustrie, die durch Aluminiumwerkstoffe in hohen Maße erfüllt wird. Der Luftfahrzeugbau und die Raumfahrt wären ohne eine gezielte Wärmebehandlung der aushärtbaren Aluminiumlegierungen nicht denkbar.

Kammeröfen mit Nutzraumvolumina von bis zu mehreren tausend Litern werden den hohen Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie gerecht. Nach DIN 65570 ist eine optimale Temperaturverteilung beim Lösungsglühen und Warmausgelagern und eine gleichmäßige Aufheizung garantiert. Eine 5-seitige Beheizung in Verbindung mit Luftumwälzventilatoren und Luftleitblechen erreicht eine Temperaturverteilung von besser ± 3°C im gesamten Nutzraum. Die SPS ermöglicht die Steuerung aller für den Ofenbetrieb notwendigen Vorrichtungen.

Bild 24: Kammerofen (Foto)
Herdwagenöfen mit Luftumwälzung für das Glühen und Auslagern von Aluminiumbauteilen können für den Automatikbetrieb konzipiert und mit stufenlos geregelten Umwälz-Ventilatoren ausgestattet werden. Automatische Klappensteuerungen regeln die Frisch- und Abluftströme. Hubtüren mit pneumatischen Anpreßvorrichtungen als auch motorisch auf Schienen bewegte Herdwagen machen diese Ofentechnologie zu fertigungsintegrierten Wärmebehandlungsanlagen.

Bild 25: Vollautomatische Wärmebehandlungsanlage (Foto)
Gemäß DIN 65570 weisen diese Öfen bis zu einer Temperatur von 300 °C eine Temperaturverteilung von ± 3°C und oberhalb 300°C ± 5°C auf. Die gesteuerte Abkühlung dieser Öfen ist mit 30°C/h garantiert. Programm Controller regeln Prozeßstufen und ermöglichen in Kombination mit der SPS eine on-line Dokumentation des Prozesses.
Salzbadtechnik arbeitet heute weitestgehend abwasserfrei und damit umweltfreundlich. Die Vorteile liegen in der gleichmäßigen und schnellen Erwärmung der Bauteile, der einfachen Temperaturregelung und dem Luftabschluß der Werkstücke. Salzbadöfen zur Wärmebehandlung von Aluminiumflugzeugteilen haben ein Nutzvolumen von mehreren m³ und weisen Temperaturgenauigkeiten von besser ± 2°C auf.

Bild 26: Salzbadofen (Foto)

3.2.3   Glas

In der Glasindustrie kommen einige vorteilhafte Eigenschaften der mittelbaren Widerstandserwärmung besonders zum Tragen. Hierzu gehört zunächst die gute Regelbarkeit, die zu gleichmäßiger Glastemperatur und – viskosität während des Produktionsprozesses führt. Weiterhin kommt es nicht zu Verunreinigungen des Glases durch Verbrennungsprodukte oder zu erhöhtem Abdampfen infolge ständigen Austausches der Ofenatmosphäre, wie das bei brennstoffbeheizten Verfahren der Fall ist. Sehr vorteilhaft ist auch der mögliche schnelle Austausch von Heizelementen bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten.

Bild 27: Quarzschmelzofen

3.2.4   Gießereitechnik

In Gießereien kommen verschiedene widerstandsbeheizte Schmelz- und Warmhalteöfen für Nichteisenmetalle zum Einsatz. Sie zeichnen sich vor allem durch gute Wirkungsgrade infolge guter thermischer Isolierbarkeit, sehr gute Temperaturregelung, lange Ofenlebensdauer und hohe Betriebssicherheit aus. Mit solchen Öfen können Schmelztemperaturen bis 1300 °C realisiert werden. Allerdings gehören die widerstandsbeheizten Schmelzöfen zu den langsamschmelzenden Aggregaten, da die Leistungsbeaufschlagung infolge der oben genannten Einschränkungen bezüglich der Heizelemente und durch den notwendigen Transport der Wärme von außen in das Schmelzgut begrenzt ist.

Bild 28: Schmelz- und Warmhalteofen (Foto)

3.2.5   Labor und Dentaltechnik

Eine Vielzahl unterschiedlicher Ofentypen werden für eine mindestens ebenso große Anzahl unterschiedlicher Anwendungen in der Labor- und Dentaltechnik eingesetzt: Angefangen bei Vorwärmöfen bis 1200°C, über Hochtemperaturöfen bis 1800°C, bis hin zu industriellen Anlagen zum Schmelzen von Dentalkeramik. Als thermische Anwendung ist vor allem das Erwärmen der Gießmuffel bis 750°C in Vorwärmöfen zu nennen, der vor dem Gießen von Zahnkronen notwendig ist. Das Einbrennen von Porzellanschichten auf Zahnkronen und –implantaten bei Temperaturen oberhalb von 1000°C wird in Öfen durchgeführt. Aluminiumoxid für Zahnprothesen wird in Hochtemperaturöfen bis 1600°C gesintert. Flourhaltige Dentalkeramiken werden in feuerbeton-ausgekleideten Öfen bis 1500°C gesintert.

Bild 29: Keramikschmelzofen (Foto)

Bild 30: Dentalofen (Foto)

3.3      Prozeßführung und Leistungsstellung

Eine für den effektiven Einsatz eines Ofens wichtige Komponente ist die Temperaturregeleinrichtung (Schalt- und Regelanlage). Diese Einrichtungen bestehen zunächst aus Temperaturfühlern, die im bzw. am Ofen angebracht werden. Die von diesen Fühlern erfaßten Werte werden sodann in den eigentlichen Regelgliedern verarbeitet. Diese bewirken über die Steuerung der dem Ofen zugeführten Leistung eine Verminderung oder Erhöhung der Ofentemperatur, je nach eingestelltem Sollwert und gemessenem Istwert.

Bild 31: Schalt- und Regelanlage eines Industrieofens (Foto)

Die Regelglieder können von einfachen Zweipunktreglern, die eine vorgegebene Ofentemperatur einhalten, über programmierbare Steuerungen mit Aufheiz-, Halte- und Abkühlintervallen bis zu vollautomatischen Prozeßsteuerungs- und Überwachungssystemen reichen, mit denen der Ofen in einen Fertigungsprozeß integriert wird. Mit den programmierbaren Steuerungen können auch Betriebsweisen wie das automatische Vorheizen vor Schichtbeginn, automatische Einhaltung von Absenktemperaturen an Wochenenden etc. realisiert werden, die letztlich zu einer besseren Auslastung des Ofens, höherer Energieeffizienz, vermindertem Personalaufwand und einer verbesserten Produktqualität führen. Die Öfen können je nach Anwendungsfall mit einem zugeschnittenen, zweckentsprechenden Regler ausgestattet werden.
Die für die Temperatursteuerung notwendige Leistungsstellung wird mit Hilfe von Stelltransformatoren, über Thyristorsteller oder andere statische Leistungssteller realisiert. Hierbei führen Innovationen im Bereich der Leistungselektronik zu kompakteren, leichteren und flexibler einsetzbaren Geräten, die zugleich sehr hohe Wirkungsgrade erreichen und eine optimale Ausnutzung der spezifischen Elementeigenschaften ermöglichen. Bei seriengefertigten, kompakten Öfen sind die Einrichtungen zur Leistungsstellung zumeist integriert, so daß diese einfach an das bestehende Energieversorgungsnetz angeschlossen werden können. Bei einigen Elementbauarten, z.B. bei den SiC-Elementen, ist bei bestimmten Verwendungsarten auch ein Direktanschluß ans Netz möglich.

Präzise Steuerungs- und Regelungssysteme des Temperaturverlaufs führen nicht nur zu einem gleichmäßigen Wärmebehandlungsergebnis, sondern schützen dabei auch die Heizelemente vor Überlastung und verlängern damit die Lebensdauer von Industrieöfen. Vor allem im Bereich der Steuerung und –Visualisierung von industriellen Wärmebehandlungprozessen hat es in den letzten Jahren wesentliche Verbesserungen gegeben.

Über einen Barcodereader oder über Tastatur können chargenspezifischen Daten für die Wärmebehandlung eingelesen bzw. eingegeben werden. Zusätzlich kann eine Datenbanksoftware mit allen erforderlichen Suchfunktionen installiert werden. PC-Panels stellen alle Meldungen auf dem Bildschirm und Drucker dar .
Im Rahmen der Qualitätssicherung und der Produkthaftung wird es in Zukunft immer wichtiger, die einzelnen Produktionsschritte und verfahren zu dokumentieren, um im Schadensfall den Nachweis führen zu können. Für industrielle Anlagenkonzepte, die aus mehreren Ofensystemen und einer kompletten Verfahreinrichtung bestehen, wird über eine geeignete Steuersoftware ein vollautomatischer Betrieb der Anlage und eine on-line Dokumentation aller Prozeßabschnitte realisiert

Bild 32: Prozeßvisualisierung

Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen zeigen, daß unter Berücksichtigung der Investitionskosten, der Instandhaltungskosten (Ersatzteile und Wartung) und der Energiekosten, sich bei Anschaffung vollautomatischer Wärmebhandlungsanlagen ein Kostenvorteil von bis zu 70 % zu erreichen ist.
Die Steuerung mehrzonig beheizter Öfen erfolgt über eine entsprechende Anzahl an Führungsreglern, die über einen Hauptregler an den gewünschten Temperaturverlauf geregelt werden. Die Software erlaubt eine auf die Anforderungen des Anwenders angepaßte Darstellung und Dokumentation aller relevanten Prozeßparameter und ermöglicht eine Dokumentation nach ISO 9000.

4.         Bewertung und Vergleich

Die mittelbare Widerstandserwärmung steht je nach Anwendungsfall mit verschiedenen anderen Erwärmungsverfahren in Konkurrenz. Daher lassen sich im Rahmen dieses Beitrages nicht alle möglichen Vergleiche zu anderen Erwärmungsverfahren mit den jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen darstellen. Statt dessen wird ein allgemeiner Überblick über Vor- und Nachteile der Widerstandserwärmung gegeben, der für alle Einsatzfälle gilt.

Zu den Vorteilen aus technischer Sicht gehört vor allem, daß die mittelbare Widerstandserwärmung für nahezu alle Werkstoffe eingesetzt werden kann, unabhängig von den Werkstoffeigenschaften. Dabei unterliegt die geometrische Gestalt der Werkstücke kaum Einschränkungen. In geschlossenen, mittelbar widerstandserwärmten Öfen lassen sich kontrollierte Prozeßatmosphären realisieren. Zuverlässige und einfache Konstruktionen gewährleisten eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit, so können Heizelemente bei entsprechender konstruktiver Auslegung auch während des laufenden Betriebes gewechselt werden. Die Bedienung gestaltet sich mittels entsprechender Bedien- und Steuereinrichtungen sehr einfach. Die Temperaturen in den Öfen sind sehr präzise regelbar, eine Automatisierung der Anlagen ist leicht möglich. Die Öfen sind je nach Ausführung flexibel einsetzbar. Bei in Leichtbauweise ausgeführten Öfen werden dabei auch noch die zwischen einzelnen Zyklen liegenden Zeiten minimiert, was zusätzliche Vorteile hinsichtlich der möglichen Auslastung des Ofens bringt. Schließlich sind die mittelbar widerstandsbeheizten Öfen einfach de- und remontierbar, alle Peripherieeinrichtungen können einfach verlegt werden. Lediglich ein Energieanschluß muß am Aufstellungsort verfügbar sein.

In wirtschaftlicher Hinsicht zeichnen sich die mittelbar widerstandsbeheizten Öfen durch geringe Investitionskosten aus, die Betriebskosten sind niedrig, der Einsatz der Öfen sehr flexibel und die Zuverlässigkeit sehr hoch. Mittelbar widerstandsbeheizte Öfen bedürfen als Elektroöfen keiner speziellen Genehmigung, wie sie für die Aufstellung brennstoffbeheizter Öfen erforderlich ist. Es sind keine besonderen Fundamentarbeiten und kein Schornsteinanschluß notwendig. Zudem zeichnen sich die Anlagen zur mittelbaren Widerstandserwärmung durch eine lange Lebensdauer aus. Im Hinblick auf den Umwelt- und Arbeitsschutz sind insbesondere die geringe Lärm- und Wärmebelastung am Anwendungsort zu nennen. Zudem treten hier keine Emissionen von Brennstoffabgasen auf.

Neben diesen Vorteilen gibt es auch einige Nachteile der mittelbaren Widerstandserwärmung, die je nach Anwendungsfall berücksichtigt werden sollten. Dazu gehört zunächst, daß die installierbare Leistung begrenzt ist. Dies wurde anhand der Ausführungen zu Element- und Wandbelastung bereits deutlich. Zudem sind die Kosten für den Endenergieträger elektrische Energie vergleichsweise höher als diejenigen von Gas oder anderen fossilen Brennstoffen. Einige Heizelementwerkstoffe sind gegenüber bestimmten Ofenatmosphären empfindlich, bei brennstoffbeheizten oder unmittelbaren Erwärmungsverfahren, bei denen keine Heizelemente in der Ofenatmosphäre angeordnet sind, besteht diese Einschränkung nicht. Wirtschaftlich nachteilig kann eine eventuell notwendige Erhöhung der Anschlußkapazität und die zusätzliche Errichtung einer Trafostation bei der Neuaufstellung einer Anlage zur mittelbaren Widerstandserwärmung sein.

5.         Zusammenfassung

Die mittelbare Widerstandserwärmung zeichnet sich dadurch aus, daß die Wärme außerhalb des zu erwärmenden Gutes in Heizelementen durch Umwandlung elektrischer Energie erzeugt wird. Diese Wärme wird dann durch Wärmeübertragung über die Oberfläche des Gutes in dieses eingebracht. Die mittelbare Widerstandserwärmung findet zumeist in Öfen statt, die in vielfältigen Bauformen auf den jeweiligen Anwendungszweck abgestimmt sind. Bei der mittelbaren Widerstandserwärmung können Temperaturen bis über 2000 °C erreicht werden.

Die Art des zu erwärmenden Werkstoffes und die Geometrie der Werkstücke unterliegen kaum Einschränkungen. Anlagen zur mittelbaren Widerstandserwärmung lassen sich gut regeln und automatisieren, sind sehr zuverlässig und betriebssicher. Die geringen Investitions- und Betriebskosten sowie die erreichbare ausgezeichnete Produktqualität stellen wichtige wirtschaftliche Vorteile beim industriellen Einsatz dar. Neben einer breiten Palette von Standardöfen sind auch individuelle Lösungen für spezielle Erwärmungsprobleme lieferbar.

Die mittelbare Widerstandserwärmung ist ein seit langem eingeführtes Verfahren. Dennoch oder gerade durch die umfangreiche Kenntnis zu seiner Technologie ermöglicht es nach wie vor innovative Anwendungen. So ist beispielsweise die Herstellung mikroelektronischer Schaltkreise ohne mittelbar widerstandserwärmte Öfen nicht denkbar. Bei den Anlagen selbst gibt es neben dem optimalen Einsatz moderner Werkstoffe vor allem durch bedienungsfreundliche Schalt- und Regelgeräte sowie durch flexible, moderne Automatisierungs- und Energieversorgungseinrichtungen permanente Verbesserungen, die zu noch besseren Produktionsergebnissen beim industriellen Einsatz der Anlagen führen.

1. 6.            Literatur

[1]        Rudolph, M. und Schaefer, H.: Elektrothermische Verfahren, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1989
[2]        Mühlbauer, A.: Industrielle Elektrowärmetechnik, Vulkan-Verlag, Essen, 1992
[3]        Brunklaus, J. H. und Sepanek, F.: Industrieöfen, Vulkan-Verlag, Essen, 6. Auflage, 1994

[4]        Kanthal Handbuch Heizleiterlegierungen für Industrieöfen, Kanthal AB, Ljungföretagen, Örebro, Schweden, 1988
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