Heizleiterlegierung

Heizleiterlegierungen bestehen aus zwei oder mehr metallischen Komponenten, deren jede aufgrund ihres relativ hohen spezifischen elektrischen Widerstands bereits die Eigenschaft eines Heizleiters besitzt, nämlich elektrische Energie in Wärmeenergie umzuwandeln. Durch das Legieren werden positive Eigenschaften der einzelnen Heizleiter verstärkt und eine differenzierte Anpassung an den Einsatz als Heizelement ermöglicht.

Begriffsdefinition Heizleiter, Heizelement, Heizwendel

Heizleiter in Form von Heizleiterlegierungen haben nicht die Aufgabe des Wärmetransportes von einem externen Wärmeerzeuger zu einer Verbrauchsstelle. Typisch hierfür wäre ein Heizaggregat, verbunden mit einem Leitungssystem, das zu einer Verbrauchsstelle der Wärme führt.

Erst durch das Anlegen elektrischen Stroms wird aus einem Heizleiter als Folge des von ihm ausgehenden Widerstands gegen den Stromfluss ein Heizelement das Wärme erzeugt, die unmittelbar am Entstehungsort genutzt werden kann. Typisch hierfür sind Heizelemente in Gießereischmelzöfen (widerstandsbeheizte Tiegelöfen).^[1]

Heizwendel sind lediglich zu spiraligen (gewendelten) Drähten gezogene Heizleiter, die ihrerseits in verschiedensten Heizelementen eingesetzt werden können (Kochplatten, Raumheizer, Boiler). Heizleiter können auch zu Heizelementen in Platten- und Schienenform (Heizschiene) verarbeitet werden. In Schmelzöfen werden sie als Module in schützende Keramik eingebettet.

Heizleiterwerkstoffe

Anforderungen

Heizleiterwerkstoffe sind überwiegend metallischen Charakters und dann stets Legierungen. Siliziumcarbid als nichtmetallisches, elektrochemisches Erzeugnis hat sich wegen der 2000 °C und mehr erreichenden Temperaturbeständigkeit gleichrangig durchgesetzt.^[2] Molybdändisilizid, Platin, Graphit und Elektrodenkohle werden ferner in der Literatur genannt.^[3]

Der Heizleiterwerkstoff erwärmt sich zufolge seines hohen spezifischen elektrischen Widerstands, gemessen bei 20 °C in Ω · mm² / m und der ihm angebotenen Stromstärke, gemessen in Ampere. Dies stellt zwei Grundforderungen: Der Werkstoff darf bei der Erhitzung auf im Einsatz auf ihn einwirkende Prozesstemperaturen nicht schmelzen und muss auch bei oftmaligem Erwärmen und Abkühlen korrosionsfest und zunderbeständig sein.

Aus den nachstehenden Tabellen sind die Werte für den spezifischen Widerstand mit dem Formelzeichen ρ (Rho) und dem zu ihm sich reziprok verhaltenden Wert der Leitfähigkeit mit dem Formelzeichen ϰ (Kappa) (oder auch σ (Sigma)) der als Heizleiter verwendeten wichtigen Metalle, Legierungen und anderer Heizleiterwerkstoffe zu entnehmen.^[4]

Spezifischer Widerstand ρ (20 °C) in $ \mathrm {\frac {\Omega \cdot mm^{2}}{m}} $ Reinsilber 0,0164 Reinkupfer 0,0172 Leitaluminium 0,02810 Nickelin 0,4/0,33 Manganin 0,43 Konstantan 0,49 30Mn 70Cu 1,0 Chromel 1,1/0,7 Nichrome 1,1/0,9 Ferrochronin 1,1 Sic(h)romal bis 1,17 Kanthal 1,45

Elektrische Leitfähigkeit ϰ in $ \mathrm {\frac {m}{\Omega \cdot mm^{2}}} $ Kupfer 60 Aluminium 37,6 Nickel 14,6 Chrom 6,7 Nickelin 2,5/3,0 Konstantan 2,04 30Mn 70Cu 1,0 Kanthal 0,69 Mangan 0,54 Kohlenstoff 0,03

Die Auswertung der Zahlen zeigt, dass durch Zulegieren von Nickel und Zink der elektrische Widerstand gegenüber reinem Kupfer auf das 28-fache ansteigt (Nickelin). Wird der Zinkanteil durch Erhöhung des Nickels und nur 1 % Mangan ersetzt, steigt der Widerstand sogar auf das 30-fache (Konstantan).

Die Auflistung zeigt ferner, dass die Anwesenheit von Eisen, Chrom und Aluminium (siehe Kanthal ) in den Legierungen den Widerstand gegenüber solchen auf Kupfer-Nickelbasis nochmals deutlich erhöht. Nickelin mit ρ = 0,4 steht Kanthal mit einem ρ-Wert von 1,45 gegenüber. Für Heizleitermaterial ein Bestwert, allerdings in der Variante Kanthal Globar SD aus Siliziumcarbid, verglichen mit metallischen Heizleitern, mit dem Nachteil deutlich größerer Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchung.

Legierungen

Nickel-Kupferlegierungen

Die Entwicklung als Heizleiter geeigneter Legierungen geht auf den Beginn des 20. Jahrhunderts und noch weiter zurück. Nach der Erfindung der Glühbirne durch T.A. Edison wurde nach Stoffen gesucht, die beständiger als ein Kohlefaden waren und sehr hohe Erhitzung aushielten. Eine Lösung boten Legierungen aus Osmium und Iridium, später aus Osmium und Wolfram (Markenname Osram). Reichlich verfügbares Wolfram (aus Wolframit, Scheelit/Tungsten) mit seinem Schmelzpunkt F = 3380 °C ersetzte Osmium und Iridium (Markenname Tungsram).

Die Entwicklung als Heizleiter geeigneter Legierungen verläuft mehrgleisig.

Für industrietaugliche Widerstandsdrähte wird unter den ersten Legierungen „Nickelin“ genannt, ein Dreistoffsystem aus Kupfer, Nickel und Mangan mit hohem spezifischem Widerstand und einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungsbeiwert. Gattungstypisch ist hier das nach dem Marktführer benannte "Isabellin"^[5]. Dies gilt auch für Kupfer-Mangan-Legierungen mit Zusätzen nicht nur von Alumium, sondern noch weiteren Elementen, die insgesamt als Heuslersche Legierungen bezeichnet werden. Ihnen verwandt sind sehr korrosionsbeständige Legierungen mit hohem Nickelgehalt, wie das genormte „Konstantan“ mit 56 % Kupfer und 44 % Nickel, max. 1 % Mangan. Effiziente Heizleiterlegierungen sind auch Zweistoffsysteme aus Nickel und < 20 % Chrom.

Damit stehen einerseits zahlreiche Legierungen zur Verfügung, die entweder zur Kupfer-Nickel-Gruppe gehören, oder auf Nickel mit Chrom basieren.

Ein anderen Weg gehen die ferritischen Chromstähle, denen bis zu 5 % Aluminium zur Ausbildung einer korrosionshemmenden Oxidschicht zulegiert werden.

Nickel-Kupferlegierungen als Heizleiter mit guten Widerstandseigenschaften sind in DIN 17471 genormt. CuNi44 wird für Heizwiderstände in Drahtform verwendet. Als Knetmaterial sind die Legierungen unter DIN 17664 normiert. Der Einsatzbereich liegt zwischen 500 und 600 °C, sie schmelzen bei 1230–1290 °C, sind also in der Eisenmetallurgie, auch in einigen Schwermetallbereichen nicht einsetzbar.^[6]

Nickel-Chrom-Legierungen und andere

Reiner Wolframdraht findet sich in der Funktechnik und wird dort zum Erhitzen der Kathoden in Fernsehröhren verwendet.

„Chromin“ findet sich bereits 1955 in der Literatur, als nicht genormte Legierung „zur Herstellung elektrischer Heizwiderstände “. Sie enthält 83–84 % Nickel, Rest Chrom^[7] Eng verwandt sind „Chromel A“ und „Chromel B“. „Chromel C“ ist dagegen eine Dreistofflegierung mit 25 % Eisen, nur 11 % Chrom, Rest Nickel. Alle werden für Heizwiderstände eingesetzt. Chromel P weicht ab, es enthält nur 10 % Chrom, Rest Nickel und wirkt zusammen mit „Alumel“-Draht (98 % 2 % Aluminium als Thermoelementpaar für Temperaturmessung bei Schmelzen aus Aluminium- und Kupferlegierungen bis max. 1100 °C (kurzzeitig 1300 °C).

Die nach DIN 17470 genormten Heizleiterlegierungen auf Basis von Nickel und Chrom sind sowohl Zweistoff- als auch Dreistofflegierungen mit Eisen als bestimmendem Faktor. Die Norm umfasst NiCr 80 20, NiCr 60 15 mit 25 % Eisen, NiCr 30 20 mit 50 % Eisen, sowie CrNi 25 20 mit 55 % Eisen. Frei von Nickel sind die Legierungen CrAl 25 5, also 5 % und 70 % Eisen, sowie CrAl 20 5 mit 75 % Eisen.^[8] Der steigende Eisenanteil bedingt hier austenitische und ferritische Gefügezustände mit entsprechend höherer Temperaturbeständigkeit und Einsatzdauer. Bei allen aluminiumhaltigen Legierungen wird diese zudem durch eine im Einsatz gebildete bis > 2000 °C temperaturresistente Schutzschicht aus Aluminiumalphaoxid (Korund) erreicht.

Für hohe Temperaturen werden zunehmend ferritische Chromstähle als Heizleiterlegierung eingesetzt. Sie erfüllen primär die Forderung nach eigenem, hohem Schmelzpunkt und ein von 5 % auf von 2,5–3 % Aluminium reduzierter Zusatz, in seiner Wirkung unterstützt von bis zu 0,3 % Yttrium, Hafnium und Zirkon, verhilft nicht nur zur Ausbildung besonders korrosionsfester Schutzschichten auf den Heizelementen, sondern erlaubt es auch, dünnere und leichtere Drähte als bisher ohne Nachteil für die Einsatzdauer herzustellen.^[9]

Kanthal

Kanthal ist die Bezeichnung für eine Handelsmarke mit unterschiedlichen Produkten. Die verbreitete Verwendung des Begriffs rechtfertigt einen hierauf Bezug nehmenden Abschnitt.

„Kanthal“ wird häufig als eine in ihrer Zusammensetzung definierte Heizleiterlegierung verstanden, doch trifft dies nur bedingt zu. Eine Legierung aus Eisen, Chrom und Aluminium mit einer Beständigkeit bis 1400 °C^[10] wurde zwar bereits 1931 von einem skandinavischen Unternehmen entwickelt. Später wurde sie Teil eines weitgefächerten, auch auf Kupfer und Nickel basierende Heizleiterlegierungen einschließenden Kanthal-Programms für Heizleiter und Heizelemente in Formen, die nicht nur den jeweiligen Schmelz- und Gießofentypen, sondern auch anderen metallurgischen Öfen entsprachen. Besonders verbreitet sind stabförmige Heizelemente (als Silitstäbe bekannt) für metallurgische Herd- und Wannenöfen mit Deckenstrahlheizung (Wärmeabstrahlung auf die Schmelzbadoberfläche).

Wirtschaftliche Betrachtung

Heizleiterlegierungen finden sich in technischen Gerätschaften, ebenso wie in Haushalten überall dort, wo spontan, also ohne langes „Anheizen“ Wärme gebraucht wird.

In der Metallurgie reicht die Einsatzbreite vom einfachen Pyrometer mit Thermopaar, über beheizbare Kernformen (Hotbox-Verfahren zur Aushärtung kunstharzgebundener Kernsande), widerstandsbeheizte Tiegelschmelzöfen , bis zu großvolumigen Öfen zum elektrischen Schmelzen, Warmhalten von Schmelzen und dem Anlassen von Preß-und Walzbarren für die Verarbeitung zu Halbzeug.^[11]

Im Gewerbe sind Kochherde, Warmhaltegeräte, wassererwärmende Wasch- und Spülmaschinen nur einige Einsatzbeispiele.

Im Haushalt werden Heizleiter oft als Wärmequelle gar nicht erkannt, sie finden sich im Wasserkocher, im Haartrockner, im Durchlauferhitzer, im Boiler und im elektrischen Küchenherd.

Hersteller und Verarbeiter von Heizleiterlegierungen, wie Heizleiterwerkstoffen generell, finden sich in der Großindustrie^[12] ebenso wie in der Mittelständischen. Da die Herstellung in der Regel nur eine Sparte innerhalb der jeweiligen Betriebe betrifft, sind genaue Produktions- und Beschäftigtenzahlen nur selten öffentlich. Ansehens vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten sind sie in jedem Fall beträchtlich.

Fußnoten

Herangezogene Literatur

• Paul Krais: Werkstoffe. Band 2, Verlag J. Barth, Leipzig 1921, ohne ISBN.
• Giesserei Lexikon 17. Auflage, Verlag Schiele& Schön GmbH, Berlin 1997, ISBN 3-7949-0606-3.
• Lexikon der Metalltechnik, Verlag A. Hartleben, Wien, Pest, Leipzig, ohne Jahr.
• DKI Informationsdruck Nr. 014: Kupfer-Nickellegierungen, Eigenschaften, Bearbeitung, Anwendung. Herausgeber DKI, Berlin 1992.
• Der Neue Brockhaus, Verlag F.A. Brockhaus, Wiesbaden 1974, ISBN 3-7653-0025-X.
• Sandvik AB, Internetseite „materials technology“ (Seite zu Kanthal).