Parlando della campana, una delle principali componenti dei forni a vuoto, questi possono essere raggruppati in due tipologie di forno: forni con camera a parete calda e forni con camere a parete fredda (di gran lunga la tipologia di forno più comune). Il tema principale di questo articolo sarà proprio il forno da vuoto a parete fredda, con particolare attenzione ai forni per trattamenti termici di rinvenimento.

Iniziamo, dunque, partendo dai forni con camera a parete calda, per capire il motivo per cui i moderni forni a vuoto sono - quasi senza eccezioni - forni a parete fredda. Proseguiremo poi dando un’occhiata più da vicino al funzionamento dei forni con camera a parete fredda, considerando i vantaggi nell’utilizzare questa tipologia di forno. Infine, troverete qualche suggerimento fondamentale per aiutarvi nel funzionamento del forno a vuoto.

Forno con camera a parete calda: come funziona

Il forno a parete calda viene definito per comodità come forno a vuoto, sostanzialmente non differisce da un forno in atmosfera di un gas inerte, generalmente in azoto. Infatti la pompa da vuoto ha l’effetto di scaricare l’aria contenuta nella storta per riempirla subito dopo con gas. Nel passato, invece di utilizzare la pompa da vuoto, si faceva flussare il gas per eliminarne l’aria contenuta. Tale forno alla temperatura di processo in genere non può lavorare in vuoto, poiché la virola imploderebbe, a meno di non sovradimensionarla, cosa che di solito non risulta conveniente.

Il forno a parete calda è sostanzialmente costituito da un resistore in aria, coibentato con uno spessore notevole di refrattario ceramico, una storta in acciaio resistente al calore o nel migliore dei casi in una lega a base Ni nel caso di utilizzi a temperature maggiori (700 – 750 °C), un portello a tenuta, la cui guarnizione è raffreddata a circolazione d’acqua, una struttura di sostegno del tutto e una soffiante che circola aria esternamente alla virola per il raffreddamento del forno e della carica. Una girante interna alla virola agita il gas per convezione forzata del calore trasmesso dalla virola alla carica.

Negli impianti da vuoto più sviluppati troviamo anche un circolatore di gas esterno alla virola con uno scambiatore acqua-gas. Il gas caldo viene estratto dalla virola è reintrodotto raffreddato. Serve a raffreddare più rapidamente la carica. Anche con tale dispositivo il raffreddamento della carica è estremamente lungo.

Forno con camera a parete fredda: come funziona

I forni da rinvenimento a parete fredda sono forni a vuoto per utilizzi a bassa temperatura (Tmax 750 - 800 °C), con vessel raffreddato ad acqua, camera termica ad isolamento in wafer di grafite, girante convettiva e girante di raffreddamento carica interna alla camera da vuoto. Possono raggiungere per particolari esigenze (come quelle richieste dal settore aeronautico) livelli di vuoto estremamente spinti, in analogia ai forni a vuoto per alte/altissime temperature.

Normalmente il vuoto richiesto prevede l’impiego di una pompa primaria e di una booster. La camera termica, che ha all’interno il sistema di confinamento della zona calda, il resistore e la base di supporto della carica, è realizzata con criteri di tipo aeronautico vale a dire che sia l’isolamento che il resistore sono realizzati con massa leggera, che influisce sul calcolo termico come frazione della massa della carica. Rispetto ai forni a camera calda, il vessel contiene il sistema di raffreddamento (girante di grande portata e scambiatore). Il flussaggio del gas di raffreddamento della carica è azionato quando i portelli, uno di testa ed uno di coda, vengono aperti.

Il forno a parete fredda ha una geometria (in genere a sviluppo orizzontale) compatta. Il quadro di controllo programma le varie fasi di un ciclo o più cicli successivi, garantendo l’uniformità termica (tipicamente +/- 5°C). Un sistema di termocoppie sulla carica invia le misure di temperatura ad un registratore. Il numero delle termocoppie sulla carica può essere rilevante.

Il funzionamento prevede nella fase iniziale un periodo di vuotatura in riscaldamento fino a temperature idonee ad eliminare non solo i gas dell’aria, ma anche i vapori di acqua o di olii residui delle lavorazioni o dei lavaggi dei pezzi. Successivamente si introduce gas neutro (Ar, N2) per accelerare il processo di riscaldamento della carica. A differenza di quanto generalmente avviene per i forni a parete calda, raggiunto il valore di trattamento, il forno può venire nuovamente evacuato alla temperatura di rinvenimento, oppure proseguire in convezione.

Ultima fase, il raffreddamento della carica. Questa è una operazione velocissima. Da ultimo alla fine dei cicli termici (da 1 a 3) il forno può essere aperto per estrarre la carica. Questa operazione è consentita quando la temperatura della carica ha raggiunto la temperatura esterna. Il materiale trattato in vuoto avrà, in conseguenza al ciclo imposto, un aspetto mate (chiaro). Il materiale così trattato non presenta colorazioni per film di ossidi superficiali tipici dei materiali trattati nei forni a parete calda, così come di croste carboniose dovute agli olii, che vanno rimosse.

L’uso di forni con camera a parete fredda permette repliche identiche di cicli conformi alla normativa aeronautica AMS 2750 REV. E ed è predisposto per ottenere la certificazione NADCAP.

Dopo aver visto i vantaggi di un forno a parete fredda rispetto a un forno a parete calda, andiamo a vedere qualche importante suggerimento per gestire al meglio il funzionamento del vostro forno a vuoto.

Forni da vuoto: cosa sapere per un funzionamento adeguato

Il forno a vuoto richiede un ambiente diverso da quello che siamo abituati a vedere nei reparti di trattamento per così dire convenzionali. L’ambiente deve essere “pulito”. Gli operatori devono indossare indumenti puliti e guanti bianchi. I pezzi trattati in vuoto non vanno maneggiati senza questa protezione. Una mano senza guanto lascerebbe una impronta sui pezzi destinata a creare subito una macchia di ruggine. I pezzi devono poi essere imballati in buste di plastica e sigillate dopo riempimento con azoto.

Gli operatori sono importanti nelle fasi di carico-scarico e di avviamento del ciclo. Il ciclo non deve essere assistito. Nella fase di carico, devono inizialmente verificare che l’interno del forno non presenti rotture o depositi, introdurre la carica con la prudenza necessaria a non provocare danni, e così durante lo scarico. Nella fase di avviamento, produrre le verifiche già introdotte in automatico per la tenuta dell’impianto. In caso di allarmi essere in grado di capire se il problema consente o meno di tacitare l’allarme e, se ritenuto necessario, di fare intervenire l’assistenza. L’impianto può essere garantito per anni. Il vuoto protegge dalla usura non dalla impreparazione umana.

I processi termici in vuoto offrono una serie di vantaggi che consentono di ottenere prodotti di alta qualità. A questo proposito, quali sono le tue esperienze in merito all'utilizzo dei forni da vuoto? Se desideri, puoi condividerle con noi!