La camera termica è il cuore pulsante di ogni forno a vuoto. Al momento dell'acquisto di un nuovo forno, vi potreste trovare di fronte a un dubbio cruciale: è meglio una camera termica in grafite o completamente in metallo?

Questo è il primo articolo di due dove faremo luce su questo tema, in modo che possiate scegliere tra i diversi tipi di materiali isolanti esistenti, con una particolare attenzione all'efficienza energetica e alla durata nel tempo delle camere termiche. Vedremo, quindi, i punti di forza e di debolezza di entrambi i modelli, con un occhio di riguardo alle perdite di calore durante la lavorazione e la necessità di ridurre al minimo queste perdite. Ma prima di approfondire le principali differenze di isolamento termico, diamo un'occhiata agli elementi che devono essere presi in considerazione quando si sceglie la camera termica del forno a vuoto.

Camera termica: come scegliere il giusto isolamento

La camera termica è di gran lunga il componente più critico di un forno sottovuoto dal momento che costituisce il suo nucleo funzionale. La camera termica, dunque, deve essere progettata tenendo in considerazione bassa massa e calore specifico per evitare, quanto possibile, un assorbimento di energia da parte della stessa. Considerazioni da tener presente nella scelta di un particolare tipo di camera termica sono: intervallo di temperatura massima di funzionamento, tipi di cicli da eseguire, tempo di mantenimento a temperature elevate, potenza di picco e costi complessivi di potenza operativa. Tutti questi fattori devono essere tenuti in considerazione durante la costruzione della camera assieme alle relative perdite di potenza.

Le camere termiche dei forni a vuoto sono progettate per riscaldare il carico e isolare la cosiddetta "zona calda" (hot zone). Sono costituite da un "frame" che costituisce la struttura portante contenente il sistema di isolamento, la resistenza e la zona in cui il carico da trattare viene alloggiato. Ora esaminiamo nel dettaglio il sistema di isolamento, cioè le due soluzioni principali per impedire la dissipazione dell'energia trasmessa dalla resistenza in forma di radiazione sul carico. I materiali isolanti più comunemente utilizzati nel rivestimento della camera termica nei forni in vuoto sono:

• wafer di grafite o fibra di ceramica (Al e/o base di Si);
• molteplici schermi riflettenti in Molibdeno (Mo) o Tungsteno (W).

Camera termica in grafite per una lunga durata

Il wafer di grafite è un materiale eccellente che consente di lavorare a temperature elevatissime (fino a 3000°C in base al livello di vuoto), ha una bassa densità, un peso ridotto e una capacità termica modesta. Realizza all’interno della camera termica le condizioni di un corpo nero (emissività ca.1) ideali per ottenere una uniformità elevata.

Una camera termica in grafite ha il vantaggio di essere facilmente riparabile. Inoltre, con opportuni accorgimenti è possibile garantirne una lunga durata applicando uno strato sacrificabile in CFC, o con laminato di grafite, a protezione del wafer sia dagli effetti dovuti all’alta temperatura (deformazioni e dilatazioni), che dalla erosione del gas durante la fase di raffreddamento della carica. Lo spessore del wafer è in funzione della temperatura massima di esercizio.

Il forno con una camera termica in grafite è la soluzione più corretta almeno per i trattamenti sottovuoto più convenzionali.

D'altro canto, ci sono anche aspetti meno positivi per quanto riguarda la capacità della grafite di assorbire vapori. Caratteristica, questa, da tenere in considerazione quando è il momento di scegliere la tecnologia più appropriata per la progettazione della camera termica del forno. Per questo motivo, vorrei fornirvi ulteriori suggerimenti per la scelta dei pannelli isolanti più idonei in relazione al vostro processo.

Isolamento sottovuoto: gli aspetti critici della grafite

Come dicevo, esistono anche aspetti meno positivi che riguardano la capacità di tale materiale di adsorbire vapori e il rischio di rilascio di micro-particelle di grafite. Il costruttore di forni deve essere in grado di selezionare tra i fornitori di wafer quelli con prodotto idoneo. La scelta deve essere indirizzata su pannelli di wafer con basso legante (resina fenolica), possibilmente a struttura tridimensionale, scartando pannelli composti da strati incollati.

I pannelli in fibra ceramica sono usati nei casi in cui il processo impedisca la presenza di grafite. L’Allumina si comporta come materiale dielettrico almeno fino a temperature prossime a 1800°C e pertanto può rappresentare un impedimento a corti circuiti elettrici col resistore. Non ha la resistenza meccanica delle fibre di carbonio.

Una ditta in particolare, la MPG (Max Plank Inst.) ha certificato ormai da anni la compatibilità del wafer di grafite anche per impieghi aeronautici, per cui le aziende di tale settore trovano conveniente l’uso di forni con camera termica in grafite.

La proprietà della grafite di adsorbire vapori può procurare un appesantimento nei tempi di evacuazione dell’impianto al raggiungimento delle pressioni (livelli di vuoto) prescritte. Anche per tale aspetto è necessario avere tutte le prudenze sulla scelta. Non tutti i materiali in commercio sono eguali.

Nel caso in cui il vostro processo non possa assolutamente tollerare polveri incidentali o sporcizia, una camera termica rivestita in metallo è la scelta migliore per le vostre esigenze. Tra i processi sensibili ricordiamo il diffusion bonding (o saldatura per diffusione) e la brasatura dell'alluminio. Appositamente progettate per gestire materiali come le superleghe (ad esempio, di titanio, super lega a base di nichel Rene-80, Hastealloy e Tungsteno), le camere metalliche consentono la produzione di pezzi puliti e luminosi - un requisito indispensabile nel settore medico.

Per decidere, quindi, qual è l'isolamento più adatto al vostro forno dobbiamo esaminare ora le camere termiche completamente rivestite da pannelli in metallo, mettendole a confronto con le camere termiche in grafite - ed è proprio quello che faremo nella seconda parte di questo articolo, dedicato interamente alle camere termiche in metallo.

Non perdete il prossimo articolo dove analizzeremo la soluzione metallica.

Vi siete già trovati di fronte a questa difficile scelta: camera termica in grafite o in metallo? Volete condividere con noi la vostra esperienza?