Dies ist der zweite Teil unseres Artikels zum Vakuumsintern. Im ersten Teil des Artikels haben wir die beiden Bearbeitungsschritte Entbindern und Sintern besprochen. Nun ist es an der Zeit, Armaturen, Zubehör und sonstige Materialien entsprechend Ihrem Bedarf auszuwählen. Dann werden wir den Vakuumsinterofen näher beleuchten, einschließlich der Auswahl des Glühraums (Materialien und Design), der Verteilung des Gasflusses und der Box zum Beladen und Entladen.

Die richtige Isolierung für einen Vakuumsinterofen

Es gibt unterschiedliche Arten thermischer Kammern, die in Sinteröfen verwendet werden können, wobei jede unterschiedliche Eigenschaften aufweist, sowohl bezüglich der Isolierungsart als auch bezüglicher der Gesamtgeometrie.

Sofern die Isolierung betroffen ist, sind die beiden häufigsten Arten Graphit-Wafer und reflektierende Metallabschirmungen, aus Molybdän oder Wolfram, je nach Temperatur.

Sofern die Isolierungsaspekte bezüglich der Vakuumsinteröfen betroffen sind, gibt es mindestens zwei Erwägungen zu beachten:

1. Die meisten Materialien, die üblicherweise verwendet werden, einschließlich rostfreier Stahl - AISI 304 L, AISI 316 L : rostfreier Stahl, austenitisch, mit Chrom; AISI 434 : rostfreier Stahl, ferretisch; AISI 630; rostfreier Borstahl; rostfreier Duplexstahl, Klassen 300 und 400 - können in Graphit-Glühräumen gesintert werden. Die Metallkammer ist hauptsächlich bei bestimmten biomedizinischen Anwendungen und Keramikmaterialien erforderlich.
2. Metallische Glühräume wurden ursprünglich für Vakuumbehandlungen konzipiert, während für das Sintern, wie wir bereits ausgeführt haben, teilweise nicht unerhebliche Druckwerte verwendet werden. Dies überträgt sich in eine Steigerung der dispergierten Energie, die sich je nach Gas und Druck im Vergleich zum Vakuum sogar verdoppeln kann. Diese Steigerung kann abgemildert werden, indem spezifische Lösungen für Anwendungen dieser Art angewendet werden, wie zum Beispiel das Hinzufügen einer Keramikschicht, welche die Konvektionseffekte eingrenzt.

Das Design von Glühräumen für Vakuumsinteröfen

Sofern die Geometrie der Kammer betroffen ist, gibt es aufgrund der Tatsache, dass die Teile im Allgemeinen sehr klein sind, keine Anforderung an eine spezifische Form. Daher wird im Allgemeinen ein horizontaler Glühraum mit einem quadratischen Querschnitt verwendet, weil er beim Vergleich mit dem Nutzvolumen kostengünstiger ist und sicherstellt, dass die Gleichmäßigkeit der Gasflussbedingungen, die zur Sicherstellung der Homogenität des Endprodukts erforderlich sind, leichter garantiert werden können.

Die wichtigste Ausnahme sind dabei Sinteröfen, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten (über ca. 2000°C). Da es keine Keramikmaterialien gibt, die für diese Anwendung geeignet sind, bestehen technische Schwierigkeiten beim Stützen und Isolieren des Widerstands. Zudem gibt es Einschränkungen bei den Geometrien, die verwendet werden können. In diesem Fall ist ein hängender zylinderförmiger Widerstand, der nur von Schlaufen gestützt wird, eine simple und solide Lösung.

Die Gasflussverteilung in Vakuumsinteröfen

Anders als bei den üblicheren Wärmebehandlungsöfen, bei denen die Zuführung eines Gasflusses während des Aufheizens allein dazu dient, den Grad des Vakuums zu begrenzen und daher keine besondere Verteilung benötigt, kann im Falle des Vakuumsinterns (und das gilt auch für das Entbindern), eine geeignete Verteilung dieses Flusses von entscheidender Bedeutung für die Qualität des Endprodukts sein. Das liegt daran, dass im Falle des Sinterns und Entbinderns das zugeführte Gas zwei zusätzliche Funktionen hat:

1. Ein mechanischer Transport, der dazu dient, bei Bindetemperatur Rückstände zu trennen, im Hinblick auf deren Distanzierung von der Ladung und anschließendem Transport zur Pumpeinheit und zum Kondensator.
2. Eine mögliche Reduzierung, falls das Verfahrensgas nicht allein aus den Inertgasen besteht.

Bei Durchsicht der technischen Lösungen, die typischerweise verwendet werden, finden wir drei Hauptkategorien:

1. Gasflussverteilung mit einer Box In diesem Fall wird die Ladung nicht einfach in die Thermokammer eingeführt, sondern befindet sich in einer verschlossenen Box, die sich wiederum in der Thermokammer befindet. Diese Box ist nicht vollkommen wasserdicht und ermöglicht zu einem gewissen Grad die Differenzierung zwischen der Zusammensetzung der Innenatmosphäre im Vergleich zur Außenatmosphäre. Diese Box hat ihre eigenen direkten Verbindung mit der Pumpeinheit, sie kann direkte Verbindungen mit der Verfahrensgasversorgung haben, muss aber nicht, und sie ist von entscheidender Bedeutung für die Durchführung des Entbinderns und Sinterns in demselben Ofen, da sie sicherstellt, dass die Separationsprodukte des Bindemittels direkt zum Kondensator befördert werden und dass sie sich nicht auf dem Kühler, internen Teilen des Ofens oder im Arbeitsbereich ablagern können. Falls das passieren würde, könnte ein weiterer Anstieg der Temperatur während der Phase des Sinterns eine weitere Verdampfung dieser Substanzen verursachen, was zu einer Verschmutzung der Verfahrensatmosphäre führen würde, mit negativen Auswirkungen auf das Ergebnis. Daher wird das Gas während der Phase des Entbinderns im Allgemeinen in die Vakuumkammer geleitet, außerhalb der Box, und aus dem Innern der Box gepumpt, um eine Emission des Bindemittels zu verhindern. Der Zugang zur Box kann nur durch Luftströmungen erfolgen, die man möglicherweise in den Verbindungen der Wände selbst findet, also ohne eine spezifische Richtung, oder es kann eine Lenkung erfolgen, indem eine entsprechende Öffnung in die Wand der Box gebohrt wird, gegenüber der Ansaugposition, um, aus den genannten Gründen, einen gleichmäßigen Fluss entlang aller Regalfächer zu schaffen. Genau wie bei dieser Methode der Emission könnte die Gaszuführung auch direkt in die Box erfolgen, wobei das Gas in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben, verteilt werden könnte, hauptsächlich verwendet zur eigentlichen Phase des Sinterns, konzipiert, um zu garantieren, dass das Gas, das über die gesinterten Teile fließt, so rein wie möglich ist, ohne dass das Risiko besteht, kontaminierte Substanzen entlang des Weges anzusammeln.
2. Gasflussverteilung ohne Box Falls die Phase des Sinterns in einem spezifischen Ofen durchgeführt wird, ist die Box nicht mehr erforderlich, weil das gesamte Verfahren bei optimal sauberen Bedingungen stattfinden kann. Die Verteilung des Gases dient allein der Sicherstellung gleichmäßiger, reproduzierbarer Verfahrensbedingungen für alle Teile, und kann mit einer Reihe von Verteilungspunkten erreicht werden, die in derselben Thermokammer integriert sind. Dies bietet gleich mehrere Vorteile, wie zum Beispiel die Steigerung des Nutzvolumens, bei einem Vergleich der Thermokammern, eine Steigerung der Aufheizgeschwindigkeit aufgrund der direkten Bestrahlung der Ladung durch den Widerstand und eine Steigerung der Abkühlgeschwindigkeit aufgrund der Eliminierung des Hindernisses der Gaszirkulation, die in der Box entsteht, selbst wenn diese bei Bedarf geöffnet wird. Dementsprechend ist das Design des Ofens vereinfacht und derselbe Ofen kann für andere Vakuumbehandlungen benutzt werden, wie zum Beispiel Abschrecken oder Wärmebehandlung. Dies kann insbesondere dann nützlich sein, wenn die gesinterten Werkstücke einer Wärmebehandlung unterzogen werden sollen.
3. Keine Gasflussverteilung Es gibt einige Fälle, bei denen auch ohne eine besondere Flussverteilung zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden. Falls es sich bei dem Verfahren um eines von diesen handelt und Sie bereits einen Ofen zur gemeinsamen Wärmebehandlung haben bzw. einen solchen Ofen zu einem angemessenen Preis erwerben können, können Sie mit einem einfachen Upgrade des Steuersystems die gewünschten Ergebnisse erzielen.

Bevor ich zum Schluss komme, möchte ich noch erörtern, ob es besser ist, eine fest im Ofen installierte Box zu haben, oder eine solche Box, die beim Beladen des Ofens zusammen mit der Ladung herausgenommen werden kann.

Das Beladen von Vakuumsinteröfen: fest installierte oder herausnehmbare Box

Nehmen wir an, dass Sie beim vorigen Punkt zu dem Schluss gekommen sind, dass für Ihre Anwendung die beste Lösung eine Box mit der darin eingeschlossenen Ladung ist, dann stellt sich die Frage, ob es besser ist, eine fest im Ofen installierte Box zu haben (in diesem Fall werden die einzelnen Einsätze mit den Teilen darauf beladen) oder ob die Box zusammen mit der Ladung herausnehmbar sein soll, jedes Mal wenn der Ofen beladen wird.

Auch bei dieser Frage gilt wieder, dass es keine allgemeingültige Antwort gibt, denn das hängt von mehreren Faktoren ab. In diesem Fall sind die Auswahlkriterien jedoch recht einfach.

Im Allgemeinen gilt, wenn Ihnen nur wenige Fließmodi zur Auswahl stehen (zum Beispiel nur ein Modus von außerhalb der Box von innen) und Sie ein Abkühlen mit statischem Gas beabsichtigen bzw. in jedem Fall, ohne Öffnen der Box, ist es möglich, dass die gesamte Box mit jeder Ladung unter Verwendung eines geeigneten Rollwagens herausnehmbar ist. Auf diese Weise wird das Beladen und Entladen vereinfacht und beschleunigt. In anderen Fällen würden Schnittstellenvorgänge der Box mit anderen Schnittstellen zur Gasreinigung oder zum Öffnen während der Abkühlphase das Einfügen und das Herausnehmen zu schwierig machen. In diesen Fällen ist es besser, mit einer fest installierten Box zu arbeiten und die einzelnen Regalfächer herauszunehmen.

Es besteht auch die Möglichkeit, mit einem fest installierten Gehäuse und einem internen Kopfrahmen zu arbeiten, der zusammen mit den Regalfächern herausgenommen werden kann. Auf diese Weise kann man von den Vorteilen beider Lösungen profitieren. Die Anwendung dieser Lösung ist jedoch nicht weitverbreitet, da der nicht genutzte Raum in der Thermokammer (bezogen auf den Raum, der nicht zum Laden der zu sinternden Teile benutzt wird) beträchtlich ist.

Ich hoffe, Ihnen damit einige nützliche Einblicke zum Vakuumsintern gegeben zu haben, sowohl mit dem ersten Teil des Artikels, bei dem es hauptsächlich um das Entbindern und Sintern ging, als auch mit diesem zweiten Teil. Ich möchte nochmals darauf hinweisen, dass dies der zweite Teil eines längeren Artikels zum Vakuumsintern ist. Fortsetzungen folgen.

Bei etwaigen Fragen, Kommentaren oder Bedenken im Zusammenhang mit dem Sintern in Vakuumöfen helfe ich Ihnen sehr gerne weiter.

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