Als Plasma wird ein elektrisch leitfähiges Gas bezeichnet. Damit ein Gas leitfähig ist, müssen freie Ladungsträger für den Stromtransport zur Verfügung stehen. Bei Drücken über 0,1 bar ist diese Bedingung erst bei Temperaturen über ca. 8000 K erfüllt. Wird der Druck auf ca. 1 mbar verringert, kann ein Plasma auch bei weitaus geringeren Temperaturen erzeugt werden.  Dieser Effekt wird bei der Plasmawärmebehandlung ausgenutzt. Das Niederdruckplasma ermöglicht eine „Hochtemperatur – Oberflächenchemie bei niedrigen Bauteiltemperaturen“ und eröffnet für viele Bereiche Verfahrenstechniken, die einzigartig sind.

Beglimmte Bauteile im Plasma

Beglimmte Bauteile im Plasma

Die Möglichkeiten mittels eines Plasmas Oberflächen zu modifizieren reichen von der Feinreinigung von verschmutzten Bauteilen über die Beschichtung bis hin zur Plasmawärmebehandlung, wie das Plasmanitrieren und Plasmanitrocarburieren.
Mit diesen beiden Wärmebehandlungsverfahren lassen sich Bauteile gegen Verschleiß, Korrosion und Materialermüdung schützen.

 

Umweltschonend – geringer Medienverbrauch

Der Gasverbrauch wird beim Plasmanitrieren in Liter pro Stunde gemessen, der von Gasnitrieranlagen demgegenüber in Kubikmeter pro Stunde. Für das Gasnitrieren wird eine Begasungsrate – Anzahl der auf das Volumen des Ofenraums bezogenen Gaswechsel pro Stunde von 2 bis 3 empfohlen.  Bei einer Anlage mit ca. 1 cbm Nutzvolumen ist somit mit einem Ammoniakverbrauch von 2 – 3 cbm/h zu rechnen. Eine gleich große Plasmanitrieranlage hat einen Gasverbrauch von 80 – 100 Liter / h

Die relativ große Gasmenge verursacht höhere Energiekosten, da es aufgeheizt werden muss. Das Abgas (Ammoniak – Wasserstoffgemisch) darf erst nach einer kostenintensiven Aufbereitung in die Atmosphäre abgegeben werden. Da beim Plasmanitrieren kein Ammoniak eingesetzt wird, entfallen wesentliche Aufwendungen für eine Gasaufbereitung.

Üblicherweise wird für das Spülen beim Gasnitrieren Stickstoff verwendet. Bei Plasmanitrierprozessen muss nicht gespült werden, wodurch
sich zusätzliche Einsparungseffekte ergeben.

Von der Kaltwand- zur Warmwandanlage

Der Stand der Technik bis Anfang der 80er Jahre des 20. Jahrhunderts waren wassergekühlte Anlagen, bei denen die Entladung durch eine Gleichspannung gespeist wurde (Kaltwandtechnik).
Entscheidende Nachteile dieser Verfahrenstechnik sind große Temperaturdifferenzen in einer Charge und folglich große Streuungen im Behandlungsergebnis sowie eine relativ geringe Chargierdichte, ein hoher Energieverbrauch und die enge Verkopplung von thermischen und chemischen Vorgängen.
Einen entscheidenden und zukunftsweisenden Fortschritt konnte die ELTRO  GmbH durch den Einsatz einer gepulsten Entladung erreichen. Das Pulsen senkt den Energieeintrag in die Anlage und damit den Energieverbrauch, die Temperaturgleichmäßigkeit in der Charge wird verbessert. Heute wird das Plasma in allen industriellen Plasmanitrieranlagen gepulst.

Gepulstes Plasma

Der minimale Energieeintrag bei der ELTRO Prozesstechnik garantiert eine optimale Temperaturverteilung in der Charge und damit enge Toleranzen im Behandlungsergebnis. Bei gleicher Temperaturdifferenz können mehr Bauteile nitriert werden, dies garantiert eine höhere Produktivität der Anlagentechnik.

 

Heißwand-Technik

Entkopplung von thermischer und chemischer Prozessführung – Grundlage für ein beanspruchungsgerechtes Nitrieren und Nitrocarburieren und flexible Lösungen.

 

Das Standarddesign – der Haubenofen

Haubenofen (Bild: ELTRO GmbH)

Haubenofen (Bild: ELTRO GmbH)

In der Plasmawärmebehandlung haben sich Haubenöfen durchgesetzt. Der Rezipient wird zum Be- und Entladen nach oben gefahren. Die Charge ist von allen Seiten frei zugänglich und die Teile können einfach von Hand oder Kran geladen werden. Der gesamte Chargenraum lässt sich sehr gut ausnutzen.

 

Schachtöfen

Lange, schlanke Teile werden aus Verzugsgründen hängend chargiert. Für derartige Teile sind Schachtöfen am besten geeignet.
Sie können aus Platzgründen auch unter die Flurebene abgesenkt werden. Ein Chargieren von Hand ist für diese Öfen sehr aufwendig. Dagegen eignen sie sich ganz besonders für einen vollautomatischen, direkt in die Fertigung integrierten Betrieb.

Schachtofenanlagen in einer Härterei

Schachtofenanlagen in einer Härterei

 

Lösungen zur weiteren Verbesserung der Wirtschaftlichkeit

Um die Chargendauer zu verkürzen, werden in Hauben- oder Schachtöfen interne Ventilatoren zum konvektiven Erwärmen oder Abkühlen in Inertgas integriert. Die geringste Abkühldauer erreicht man mit zusätzlichen Gas – Wasser-Wärmetauschern.
Mit der Schnellkühlung sind ebenfalls werkstoffkundliche Effekte verbunden. Diese verbessern das Verschleiß- und Korrosionsverhalten von Bauteilen und Werkzeugen.

ELTROPULS Plasmanitrieranlage

ELTROPULS Plasmanitrieranlage in Doppelbodenausführung

Wesentliche Kosteneinsparungen sind durch die Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit zu erzielen. Insbesondere bei einschichtigem Batchbetrieb hat sich in diesem Zusammenhang das Doppelbodenkonzept vielfach bewährt. Eine solche Anlage verfügt über zwei Böden. Auf einem Boden wird eine Charge chargiert, während auf dem anderen behandelt wird. Nach Prozessende fährt die Haube auf den bereits chargierten Boden, während die behandelten Teile zum Entladen bereit stehen. Das Be- und Entladen wird vom Behandeln entkoppelt. Praktisch läuft eine solche Anlage ständig und wird dadurch effektiv genutzt.

 

Optimale Wirtschaftlichkeit bei höchster Qualität bieten bei entsprechender Stückzahl vollautomatische in die Linie integrierte
Systeme mit automatischen Be- und Entladevorrichtungen, wodurch sich auch die Lohnkosten weiter senken lassen.
Bei diesen Systemen werden die Teile kontinuierlich über entsprechende Transporteinrichtungen der Anlage zugeführt und verlassen diese wieder kontinuierlich.

Vollautomatisches Anlagensystem für Getriebekomponenten (Bild ELTRO GmbH)

Vollautomatisches Anlagensystem für Getriebekomponenten (Bild ELTRO GmbH)

 

Kenndaten zur Charakterisierung einer Plasmaanlage

Der Vergleich von Plasmanitrieranlagen ist komplex, da er immer in Hinblick auf die zu behandelnden Teile vorgenommen werden sollte. Als objektive Qualitätskriterien können für einen Vergleich genutzt werden:

– Maße; z.B. Durchmesser und Höhe
– Retortenmaterial (max. Behandlungstemperatur)
– Leckrate der Anlage.
– Vakuumsystem (Auspumpdauer, Enddruck)
– Aufheiz- und Abkühlsystem
– Plasmastromversorgung
– Steuerung

In Abhängigkeit vom Chargiergut, dessen Oberfläche und den Behandlungsparametern (Druck, Gaszusammensetzung, Spannung) kann das Rezipientenvolumen nicht vollständig ausgenutzt werden. So ist einerseits ein Mindestabstand zwischen den Teilen selbst und andererseits zwischen Charge und Retortenwand notwendig. Bei Heißwandanlagen bestimmt das Rezipientenmaterial und dessen Dimensionierung die max. zulässige Wand- und damit Teiletemperatur.

Die Leckrate ist von wesentlicher Bedeutung für eine Plasmanitrieranlage, da z.B. im Gegensatz zu einem mit Grafitstäben beheizten Vakuumofen kein Material zum Gettern von Restgasen existiert. Das gilt insbesondere bei der Behandlung von Stählen mit hohem Chromgehalt oder Titan. Hier sollte beim Anlagenbau die gleiche Sorgfalt wie bei UHV-Anlagen angewendet werden. So müssen Spalte (virtuelle Lecks) vermieden werden und das Material darf nicht ausgasen. Leckraten unter 10–5 mbar·l/s sind im leeren, sauberen Zustand eines Ofens anzustreben. Bei den geringen Gasmengen die durch eine Plasmanitrieranlage fließen, kann eine mangelhafte Qualität des
Vakuums nicht durch erhöhte Pumpleistungen ausgeglichen werden.

Das Vakuumsystem sollte in der Lage sein, die Plasmanitrieranlage innerhalb von 10 bis 15 Minuten auf ca. 1 Pa abzupumpen.
Das Aufheiz- und Abkühlsystem wird weitgehend durch die Charge und deren Behandlung bestimmt. In modernen Anlagen ist eine Aufheizdauer von 1 bis 2 Stunden und eine Abkühldauer von 1 Stunde realisierbar.

Die in einer Plasmanitrieranlage maximal bei definierten Behandlungsparametern behandelbare Fläche ergibt sich im Grenzfall aus dem max. Pulsstrom, den die Stromversorgung liefern kann. Da die Umschaltverluste mit der Schaltfrequenz ansteigen, die relevante Lebensdauer der Ladungsträger aber im Millisekundenbereich liegt, ist eine Frequenz von 5 bis 10 kHz ausreichend.

Wesentlich ist die Abschaltdauer für die Stabilität des Plasmas. Größenordnungen von einigen Mikrosekunden sind anzustreben.

Als max. Spannungen sind 500 bis 600 V ausreichend, da typische Pulsspannungen der Entladung ca. 450 bis 500 V betragen.
Bei gleicher Leistung steht mehr Strom zur Verfügung, je niedriger die Spannung gewählt wird. Umgekehrt benötigt man hohe Spannungen zum Zünden der Entladung. Abhilfe schafft hier die Verwendung eines Zündimpulses. (Patent DP
33 22 341, US 46 45 981)

Von den einzelnen Anlagenanbietern werden bezüglich der Beschreibung der Stromversorgung unterschiedliche Angaben verwendet. Nachstehend eine Erläuterung von verwendeten Begriffen.

Plasmaspannung:

Spannung welche die Entladung kontinuierlich aufrecht erhält oder mit einem Tastverhältnis tv = ton (ton + toff) gepulst wird.

Plasmastrom:

Strom der sich aus dem Quotienten Entladungsspannung, dividiert durch den Innenwiderstand der Entladungsstrecke, ergibt.

Plasmaleistung:

Plasmaleistung = Plasmaspannung x Plasmastrom x Tastverhältnis.

Nennspannung:

Ausgangsspannung des Generators unter Nennlast.

Nennstrom:

Ausgangsstrom des Generators unter Nennlast.

Nennleistung:

Nennleistung = Nennspannung x Nennstrom

Pulsspannung:

Momentane Spannung während des Pulses

Pulsstrom:

Momentaner Strom während des Pulses

Pulsleistung:

Momentane Leistung während des Pulses

Während die Plasmaleistung im direkten Zusammenhang mit der der Anlage zugeführten Energie steht, ist die Pulsleistung ein weiteres entscheidendes Kriterium zur Anlagenauslegung.
Durch das Pulsen wird der Energieeintrag in die Anlage reduziert.
Der „reaktionsfähige“ Stickstoff wird aber ausschließlich in der Zeit ton, also nur während der Pulsdauer erzeugt. Um Überhitzung von sehr formkomplizierten Bauteilen zu vermeiden, wird das Verhältnis von Pulsdauer zu Pulspause sehr groß gewählt. (z.B. 10:1) Um solch formkomplizierte Bauteile in großen Mengen in einer Charge zu behandeln, sind der maximale Spitzenstrom und der periodische Spitzenstrom, den die Stromversorgung liefern kann, wesentlich. Hier sind Stromversorgungen in industriellen Anlagen interessant, die Spitzenströme von weit mehr als 1000 A liefern und ausreichend schnell genug „handhaben“ können.

Spitzenstrom:

Maximaler Strom, den die Stromversorgung mit einer gegen Null gehenden mittleren Leistung abgeben kann.

Periodischer Spitzenstrom:

Strom den der Generator unter definiertem Tastverhältnis kontinuierlich abgeben kann. Hierbei sollten die folgenden
Tastverhältnisse benutzt werden:

z.B.
Ipeak     DC     100 A
Ipeak    50 %     200 A
Ipeak     25 %    400 A
Ipeak      5 %     2000 A

Entsprechend ergeben sich die periodischen Pulsleistungen zu

P DC        100 KVA
P 50 %     200 KVA
P 25 %     400 KVA
P 5 %       2000 KVA

Dabei sind die Ströme und Leistungen nicht linear abhängig.
Die Schaltverluste näherungsweise proportional der Frequenz, so dass die jeweilige Pulsfrequenz zusätzlich zum Tastverhältnis anzugeben ist. Die vollständige Definition des Arbeitsbereiches einer Stromversorgung hat daher zweckmäßigerweise in einem Strom-Spannungs-Diagramm zu erfolgen. Außerdem ist die dazugehörige Abweichung von der Rechteckform der Pulse zu definieren.

 

Steuerung

Die Steuerung bestimmt weitgehend die Praktikabilität und das Leistungsvermögen einer Plasmanitrieranlage. Sie muss die vollständige Prozessdefinition ermöglichen, ohne dabei kompliziert bedienbar zu sein. Vorteilhaft ist eine einfache sequentielle Programmierung, die vergleichbar einem Spreadsheet den gewünschten Ablauf beschreibt. Wesentlich ist beim Ablauf des Programms die Rückkopplung der aktuellen physikalischen Abläufe. Eine SPS kann dies nicht leisten. Vielmehr benötigt man leistungsfähige Algorithmen, die den Prozess im
Sinne des Bedieners führen.