Questa è la seconda parte dell'articolo dedicato alle camere termiche dei forni in vuoto. L’obiettivo è quello di fornirvi le informazioni necessarie per effettuare una scelta consapevole sul tipo di camera termica più adatta alle vostre lavorazioni sulla base di perdite e consumi energetici complessivi. Nella prima parte, abbiamo visto la camera termica in grafite analizzandone le caratteristiche e i problemi specifici. In questa seconda parte, ci occuperemo delle camere termiche metalliche, sempre tenendo d'occhio il consumo di energia.

Andiamo, dunque, a vedere insieme le peculiarità delle camere termiche rivestite in metallo, focalizzandoci sui punti di forza rispetto al rivestimento in grafite, come funzionano effettivamente gli schermi riflettenti, con particolare attenzione al rivestimento in molibdeno con i suoi pro e contro.

Camere termiche in metallo per ottimizzare i consumi

Nella camera termica in metallo, la schermatura può essere in molibdeno, tungsteno o acciaio inossidabile. Il Molibdeno è in genere utilizzato nelle camere termiche dei forni a vuoto completamente rivestite in metallo. Per semplicità posso dirvi che fino a 1600 °C si usano convenzionalmente leghe di Molibdeno (Mo) sia per il resistore che per l’isolamento; per temperature più elevate su impianti commerciali vengono usate leghe di Tungsteno (W).

Le camere termiche in metallo vengono utilizzate nelle industrie che trattano materiali sensibili, come il settore aerospaziale, elettronico e medico. Esistono, infatti, trattamenti termici che richiedono un ambiente particolarmente pulito o livelli di vuoto estremamente spinti. In alcune circostanze la grafite della camera potrebbe interferire con il processo, portando ad una indesiderata carburazione dei pezzi trattati. In altri, la carica potrebbe essere particolarmente sensibile alla presenza di residui nell’atmosfera di ossigeno o di idrogeno (che potrebbe portare ad un infragilimento dei pezzi), per cui il degasaggio del wafer di grafite durante il ciclo potrebbe essere dannoso. In questi casi, conviene orientarsi su camere termiche completamente metalliche (schermi e resistore).

Nonostante un investimento iniziale leggermente superiore, la camera termica di metallo fornisce la soluzione più vantaggiosa grazie alle seguenti proprietà:

• riscaldamento e raffreddamento rapidi;
• tempi brevi di pump-down;
• vuoto finale più elevato;
• distribuzione uniforme del calore.

Come funzionano gli schermi multipli riflettenti

In vuoto il trasferimento di calore può essere sostanzialmente ridotto da schermi multipli riflettenti.

Uno schermo è definito come una superficie opaca alla trasmissione della radiazione quando abbia una conducibilità termica elevata e una bassa emissività. La capacità di costituire una barriera per la zona calda è aumentata se la schermatura è realizzata da una serie di fogli a basso spessore di Molibdeno dove il foglio più interno alla camera, che pertanto vede la zona calda, è accoppiato ad un determinato numero di fogli analoghi paralleli e dove il foglio più esterno vede la parete fredda del vessel a tenuta di vuoto. Il basso spessore è richiesto per ridurre la massa metallica riscaldata, non variando l’effetto schermante rispetto ad un foglio di spessore maggiore.

Tanto più alta è la temperatura tanto più numerosi saranno i fogli metallici. Tanto più bassa l’emissività del materiale, tanto maggiore l’efficacia della schermatura e minore la perdita di energia. Il foglio di molibdeno, oltre alla capacità di resistere alle alte temperature possiede la condizione fortunata di avere una emissività molto bassa. Tale caratteristica induce il costruttore ad usare totalmente la schermatura in Molibdeno, anche per le superfici più esterne e meno calde. Sarà questa la schermatura a più bassa perdita di energia.

I forni metallici presentano alcune caratteristiche interessanti anche per la velocità di raffreddamento della carica. L’ultimo schermo della camera termica, quello che vede la parete raffreddata ad acqua del vessel, è a parità di temperatura della zona calda ad una temperatura più alta della equivalente superficie di una camera in grafite.

La presenza di materiale refrattario di isolamento e di una notevole massa del resistore, entrambi in grafite, rende la camera termica del forno in grafite tendenzialmente più lenta durante il raffreddamento, mentre nella camera completamente metallica per la presenza di temperature più alte degli schermi ma masse inferiori, si raggiungono velocità di raffreddamento maggiori almeno alle temperature più alte. In certe applicazioni tale prerogativa spinge il trattamentista verso un forno a camera metallica non tanto per il vuoto finale quanto per tale caratteristica di velocità.

Finora abbiamo visto solo caratteristiche positive. Ma quali sono gli aspetti negativi di un forno con camera termica in metallo? Andiamo adesso a vedere anche gli aspetti negativi di una camera termica rivestita in molibdeno.

Camere termiche metalliche: gli svantaggi del molibdeno

Il Molibdeno ha però alcune prerogative che l’utilizzatore deve tenere ben presenti. Nel raggiungimento delle temperature di esercizio il materiale fragilizza e dopo i primi riscaldi non è più smontabile. Ogni tentativo di manipolare il materiale porta inevitabilmente a rotture!

Inoltre, il Molibdeno tende a formare ossidi in presenza di Ossigeno (anche a temperature basse) e tale ossido ha un potere emissivo superiore. Una possibile perdita di vuoto crea questo effetto indesiderato. E’ necessaria una rigida procedura prima di autorizzare l’inizio del ciclo termico, che assicuri sulla assenza di perdite dell’impianto.

Un urto della carica sullo schermo può provocare danni importanti e non riparabili.

Una “colorazione” del materiale per la presenza di tracce di Ossigeno o per evaporazione di materiale dai pezzi, cambia sia le condizioni schermanti, riducendole e compromettendo inoltre la capacità di ottenere l’uniformità termica prevista dalla specifica. Vale a dire che un impianto a camera termica metallica richiede delle competenze ed attenzioni maggiori.

Problemi questi che nelle camere termiche in grafite si risolvono, per le rotture, con facili interventi di manutenzione, e per i depositi di materiale evaporato sulle superfici di wafer, con cicli di “pulizia”.