Plasmaglühen – ein in der Drahtproduktion universell einsetzbares Glühverfahren

Die extrem rasche Energieeinbringung in das Material, dadurch sehr kurze Glühstrecken und eine äußerst homogene Mikrostruktur über den Querschnitt sind nur einige Vorteile, die das kontinuierliche Plasmaglühverfahren in der Fertigung von Drähten, Profilen, Rohren, Seilen und auch Litzen bietet. Durch die direkte Energieeinbringung in das Material ist auch eine sehr hohe Energieeffizienz gegeben, wesentlich höhere Glühgeschwindigkeiten im Vergleich zu bisherigen Glühverfahren werden möglich. Das Verfahren ist zum Glühen praktisch aller Metalle und Legierungen einsetzbar.

In einer kompakten Plasmakammer (Abb. 1), angeordnet zwischen 2 Schleusen, abgedichtet durch ein spezielles Dichtungssystem, wird bei Unterdruck das Prozessgas ionisiert, wie schematisch in Abb. 2 dargestellt. Im zwischen Plasmakammer ( + ) und zu glühendem Material ( - ) angelegten elektrischen Feld bringt das ionisierte Gas die Energie in das zu glühende Material ein und erhitzt es, während die Elektronen, die nahezu energielos sind , die Plasmakammer kaum erwärmen. Eine Energieeffizienz von 70 – 85 % der gesamten eingesetzten Energie kann somit erreicht werden. Das Prozessgas wirkt auch als Schutzgas, verwendet werden können Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder auch ein Gasgemisch, wobei über das Gas auch die Oberflächenqualität beeinflusst werden kann.

  Abb 1 : Plasmakammer Abb 2 : Schematischer Reaktionsablauf in einer Plasmakammer
Die Geschwindigkeit der Energieeinbringung ist bei diesem Verfahren sehr hoch (Phononentheorie), und so nahezu unabhängig von der thermischen Leitfähigkeit des zu glühenden Materials, sodass das Gefüge über den Querschnitt sehr homogen ausgebildet ist, kaum abhängig vom Durchmesser bzw. der Querschnittsfläche. Somit kann auch eine sehr hohe Gleichmäßigkeit der mechanischen Werte erreicht werden.

Die Materialoberfläche erfährt während des Prozesses durch das Besputtern mit Ionen einen zusätzlichen Reinigungseffekt, wobei die obersten Schichten der Materialoberfläche während des Plasmaglühprozesses abgetragen werden. Damit kommt es zu einer Oberflächenreinigung und Entfettung, vor allem von Resten von Zieh- oder Walzölen. Dies ist für Materialien, die beispielsweise im Medizinbereich oder der Schweißtechnik eingesetzt werden, sehr bedeutend. Auch für nachfolgende Beschichtungsprozesse, wie Verzinnen, Verzinken, Extrudieren, Lackieren oder Umspinnen kann dies ausgenutzt werden. Häufig können diese Prozesse ohne zusätzliche Oberflächen- aktivierungen, etwa durch Flussmittel, durchgeführt werden.

Bisher sind etwa 80 Anlagen in unterschiedlichsten Produktions-bereichen weltweit im Einsatz, beispielhaft seien einige kundenspezifisch aufgebaute Anlagen aufgeführt, wobei die Anlagen sowohl horizontal wie auch vertikal konzipiert werden können. Abb. 3 zeigt eine Anlage, die speziell für das Glühen von Dünndrähten (0,15 – 0,40 mm Durchmesser) in Linie zu einer Ziehmaschine mit Ziehgeschwindigkeiten von bis zu 25 m/s entwickelt wurde. Als Kühlsystem ist sowohl eine Gaskühlung – verwendet wird z.B. Wasserstoff, welcher dann auch als Prozessgas eingesetzt wird – wie auch ein Kühlsystem mit einer Flüssigkeit einsetzbar. Produziert werden können alle metallischen Legierungen, speziell RSH–Stähle wie auch Nickellegierungen.

Abb 3: Produktionsanlage für
plasmaglühen in Linie zur
Ziehmaschine für Dünndrähte
(0,15 – 0,40 mm Durchmesser)
z.B. auch aus Edelstahl.
Eine Horizontalanlage zum Glühen von z.B. NiCr- Stählen wie auch Nickellegierungen im Dimensionsbereich von 1,0 bis 5,0 mm Durchmesser unter Wasserstoff, sowohl als Prozessgas wie auch zur Kühlung im Umlauf ist in Abb. 4 zu sehen. Vorgeschaltet ist eine Ultraschallreinigung, um das Trockenziehmittel weitgehendst zu entfernen. Die Schichtleistung einer derartigen Produktionsanlage liegt bei mehr als 1 t RSH – Stahl.


Abb 4: Plasmaglühenanlage für Drähte (Durchmesser: 1 - 5mm) von Edelstahl und Nickellegierungen.

Zum Einbau in Linie mit einer Umspinn- oder Lackieranlage zur Isolation von Kupferleitern ist die in Abb. 5 gezeigte Anlage konzipiert. Kupferdrähte, vor allem Flachdrähte, werden überwiegend stationär in z.B. Haubenöfen geglüht. Ungleichmäßige Gefügeausbildung sowie auch Oberflächenbeschädigungen durch Verkleben sind in diesen Prozessen kaum zu vermeiden. Der Einsatz einer Plasmaglühe in Linie zu einer Umspinn- oder auch Lackieranlage bringt sowohl homogenere mechanische Werte wie auch eine durch den Glühprozess beschädigungsfreie und auch zugleich aktivierte Oberfläche, wodurch zusätzlich die Haftungseigenschaften der Isolation verbessert werden. Diese Anlage kann auch in eine Feuerverzinnungsanlage ( z.B. für die Produktion von PV – ribbon für Photovoltaikmodule ), eine Galvanisieranlage oder zum Vorwärmen in eine Extrudieranlage integriert werden. Abb 5 : Horizontale Plasmaglühanlage
zum Einbau in Linie zu einer Umspinn-,
Verzinnungs-, Extrudier-, Lackier- oder
auch Galvanikanlage.
Besonders interessant ist die Verwendung von Plasmaglühen zur Wärmebehandlung von Materialien für den Einsatz in der Medizintechnik, seien es Drähte, Röhrchen oder auch Seile. Durch das Absputtern der Oberfläche während des Glüh- oder auch Anlaßprozesses erfolgt hier eine zusätzliche Reinigung der Oberfläche. Eine Anlagenkonzeption ist in Abb. 6 dargestellt.

Abb 6 : Plasmaglühanlage für die
Wärmebehandlung, auch Anlaßglühen von
Seilen, Drähten und auch Litzen
Nicht unerwähnt sollte schlußendlich auch bleiben, dass die Anlagen innerhalb kürzester Zeit (in wenige Minuten) betriebsbereit sind und auch Produktionsumstellungen sehr rasch erfolgen können. Die Summe dieser Vorteile machen Plasmaglühen nicht nur technisch sehr interessant, vor allem auch für die Produktqualität, sondern es stellt auch eine wirtschaftlich äußerst interessante Alternative zu den bisher üblichen Glühverfahren dar.