In welchen Fällen und aus welchen Gründen ist es sinnvoll, sich einen Vakuumofen anzuschaffen?

Unternehmen, die in Bezug auf Investitionen und Ertragsmaximierung bestmögliche Ergebnisse erreichen möchten, sind sich bereits darüber im Klaren, dass sie dazu die Vorteile von Vakuum-Wärmebehandlungen nutzen müssen. Das gilt sowohl kurz- und mittelfristig wie auch langfristig. Denn wer sich für einen Vakuumofen entscheidet, kann sich auf eine lange, stabile Verbindung einstellen. Sehen wir uns also an, wie Sie am besten Ihren idealen Partner aussuchen, der Sie über die nächsten Jahre hinweg treu begleitet. Beginnen wir mit den Anwendungen, die mit Vakuumöfen möglich sind.

Wer braucht einen Vakuumofen?

Vakuumöfen haben ihr Hauptanwendungsfeld im Bereich der Wärmebehandlung von Stahl. Schnellarbeitsstähle, Stähle für Warm- und Kaltbearbeitungswerkzeuge, martensitische Edelstähle, ausscheidungshärtbare Stähle usw.: Seit langen wird die Wärmebehandlung im Vakuumofen als Lösung der Wahl für die optimale Bearbeitung dieser Stähle empfohlen. Es hat sich gezeigt, dass Systeme dieser Art die Qualität der Bearbeitung maximieren, weil es dabei zu weniger und geringfügigeren Verformungen kommt und dementsprechend größere wirtschaftliche Vorteile erzielt werden können.

Es gibt viele Bereiche, in denen diese Spitzentechnologie großartige Ergebnisse zeigt. Das gilt unter anderem für das Vakuumsintern von Metallpulvern oder Keramik, das Vakuumlöten von Aluminiumlegierungen und das Hochtemperaturlöten. In diesen Sektoren steht die Entscheidung zum Einsatz von Vakuumöfen im Zusammenhang mit der Möglichkeit, fortschrittliche Produktionsabläufe zu implementieren und damit ertragsstarke Fertigungsanlagen zu realisieren.
Zu weiteren typischen Anwendungen zählen der Nuklearbereich sowie die Luft- und Raumfahrt: Gerade in diesen Sektoren bestimmt sich die Auswahl der Öfen nach hochtechnischen Parametern.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass es eigentlich nicht um die Frage geht, ob man in einen Vakuumofen investieren sollte oder nicht. Vielmehr geht es darum, jene Parameter zu bestimmen, die Ihnen die Entscheidung für die für Ihre Bedürfnisse optimale Wärmebehandlungsanlage ermöglichen.

Sehen wir uns also genauer an, welche wichtigen Punkte Sie bei Ihrer Auswahl berücksichtigen sollten.

Unterhalten wir uns zunächst über Stromverbrauch und thermische Isolation (Dämmung)

Gleich zu Anfang möchte ich mit einer klaren Ansage beginnen: Der Vergleich von zwei oder mehr Systemen, um herauszufinden, welches am besten geeignet ist, ist ein stressiger und nicht besonders produktiver Vorgang. Es ist besser, diese Route zu vermeiden und stattdessen Wege zu wählen, die erfolgversprechender sind.
Bei Ihrer Einschätzung der Situation sind mehrere Kriterien zu berücksichtigen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, von Anfang an klare Vorstellungen zu haben. Denn diese Entscheidung ist kein Test. Und deshalb stehen Ihnen unsere Berater jederzeit zur Verfügung. Hiermit möchte ich auf diese wichtigen Aspekte eingehen und Ihnen zunächst einige grundlegende Dinge zu unseren Produkten erläutern.

Die Heizleistung eines Vakuumofens ist natürlich eines der Elemente, das man unbedingt berücksichtigen sollte. Es ist häufig der Fall, dass zwei Anlagen mit den selben Funktionen unterschiedliche Leistungen aufweisen. Dabei geht es nicht um den Energieverbrauch pro Zyklus, da er bei beiden Systemen nahezu identisch ist. Viel entscheidender ist die Möglichkeit, schnellere und damit kürzere Zyklen zu fahren. Daher müssen wir bei der Beratung vor allem die Effizienz und das Timing berücksichtigen, um unsere jeweiligen Prioritäten zu bestimmen.
Gleichermaßen können zwei Öfen mit der gleichen Nutzgröße und einem Glühraum, der mit Graphit-Wafer-Panels gleicher Dicke (zum Beispiel 40 mm) thermisch isoliert ist, unterschiedliche Wärmedämmverhalten mit abweichendem Energieverbrauch beim gleichen Zyklus aufweisen, oder ihre Lebensdauer kann extrem variieren. Dies liegt daran, dass das Verfahren zur Produktion der Panels im Hinblick auf ihre Isolationsfähigkeit eine entscheidende Rolle spielt. Die maximale Länge der Fasern und das Vorhandensein eines externen Schutzes, beispielsweise in Form einer Opferschicht aus flexibler Graphitfolie oder einer abriebfesten Beschichtung, sind für höhere Effizienz und längere Lebensdauer von entscheidender Bedeutung. Zu diesem Ergebnis kommt man auch beim Vorhandensein eines Löschgases mit einer sehr hohen Durchflussgeschwindigkeit.

Doch wir sprechen immer noch über die thermische Isolierung Ihres zukünftigen Ofens zur Vakuum-Wärmebehandlung. Das Befestigungssystem der Isolier-Panels ist ein weiterer heikler Aspekt, denn es muss verhindern, dass die kinetische Energie des Löschgases die Panels verbiegt. Eine unzureichende Befestigung könnte dazu führen, dass das Gas die thermische Isolierung beschädigt, indem die Außenfläche des Panels, die in Kontakt mit der Rahmenstruktur steht, infiltriert wird.

Achten Sie stets auf diesen Aspekt: Systeme zum Befestigen von Panels, bei denen CFC-Schrauben (Carbon Fiber Composite) verwendet werden, sind widerstandsfähiger als jene mit Molybdän-Schrauben. Das optimale Befestigungssystem muss selbst nach zahlreichen Zyklen perfekten Halt an der metallischen Stützstruktur des Panels gewährleisten und darf keine Entspannung aufgrund der Wärmewirkung durchlaufen.

Wärmetauscher und Behälter

Weiter geht es mit der Prüfung der Schlüsselfaktoren bei der Auswahl. Sprechen wir nun über den Wärmetauscher. Welche Faktoren wirken sich auf seine Lebensdauer und seine Leistungsfähigkeit aus?

• Die Druckverluste des durchlaufenden Gases;
• die Qualität der Schweißnähte an den Verbindungsstellen für die unterschiedlichen Materialien (WIG-Schweißen oder Füllstoff-Hartlöten);
• Korrosion an den Verbindungsstellen;
• die Vibrationen, die durch das Passieren des Gases erzeugt werden.

Sicherlich ist es ratsam, die Druckverluste des zirkulierenden Gases als eine Funktion des Pfades zu analysieren, der durch den Wärmetauscher erfolgt (Kurven entlang des Pfades oder Engstellen). Der Druck des Löschgases kann in zwei vergleichbaren Öfen beispielsweise gleich sein, doch die Geschwindigkeit ist unterschiedlich, selbst wenn der Impeller identisch ist.

Achten Sie auch auf das Vorhandensein eines Inverters. Bei gleichem Druck des Impellers sowie des Impeller-Antriebsmotor ermöglicht der Einsatz eines Inverters die Erzielung höherer Impeller-Geschwindigkeiten während der Hochtemperaturphase, wenn die Dichte des Gases geringer ist, und niedrigerer Geschwindigkeiten (entsprechend der Motorträgerplatte) bei niedrigeren Temperaturen.

Um eine höhere Abkühlrate der Ladung zu erreichen, sollte man insbesondere auf die Größe des Wärmetauschers und auf das Material achten, aus dem dieser hergestellt ist (Baustahl, Edelstahl, Kupfer).
Die maximalen Betriebs- und Temperaturdruckwerte werden oft mithilfe unterschiedlicher Codes (ASME, PED, GOST, ML usw.) angegeben. Doch selbst wenn diese grundlegenden Indikatoren gleich sind, ist die Behälterleistung ein Faktor, den man nur schwer vergleichen kann, insbesondere wenn zwei Geräte verschiedener Hersteller nur in diesem einen Punkt miteinander verglichen werden.
So kann sich beispielsweise das Zirkulieren des Kühlwassers in der Ummantelung auf alle Oberflächen des Behälters auswirken, welche der thermischen Belastung ausgesetzt sind. Falls die Verteilung nicht korrekt erfolgt, können aufgrund der Ablagerung von Salzen in Bereichen, die nicht ausreichend gekühlt werden, Behinderungen im Kreislauf auftreten.

Die Rolle der Pumpeneinheit

Auch bezüglich der Pumpeneinheit sind einige Erläuterungen zur Unterstützung bei der optimalen Auswahl nützlich. Häufig werden in den Katalogen der Hersteller einige technische Aspekte nur oberflächlich dargestellt.

Verschiedenste Arten von Pumpen können gleiche Durchflussraten erzielen. Für die Vorvakuumphase kann es sich um eine Kreiselpumpe oder um eine Drehschieberpumpe handeln, wobei beide Arten, abhängig von ihrer Kontamination durch Öl, eine unterschiedliche Lebensdauer aufweisen. Die Langlebigkeit der Pumpen wird in diesem Fall durch die Freisetzung der Belastung bei der Behandlung mit Lösemitteln oder Pulvern bestimmt. Die Zwischenpumpen vom Typ Roots (Wälzkolbenpumpe) können eine direkte Kupplung mit einer Elektromotor-Pumpenwelle haben, oder eine hydrodynamische Kupplung, oder auch eine Kupplung über das Einlassventil, um die erneute Zirkulation des unter Druck stehenden Gases zu ermöglichen. Die Entleerungszeiten variieren je nach den unterschiedlichen Ausführungen.

Zum Betrieb eines Vakuumofens sind mehrere Systemgruppen erforderlich:

• ein Regel- und Steuerpult (mit oder ohne SPS für Sicherheitsüberprüfungen, auch mit Software, die für den Kunden geeignet ist)
• ein Kühlwassersystem (konzipiert zum Kalibrieren des Verbrauchs, zur angemessenen Kühlung des Ofen sowie der Pumpen)
• ein Gasversorgungssystem (N2, Ar, H2 usw.) mit einer ausgeklügelten Drucksteuerung
• der Kondensationspunkt zum Messen der Reinheit des Gases usw.

Falls Sie weitere Informationen zu diesem Thema wünschen, lesen Sie den folgenden Artikel: Roughing pump in high-vacuum furnaces for beginners (dt. Die Vorpumpe in Hochvakuumöfen für Anfänger).

Abschließendes Fazit: Jetzt hat der Berater das Wort

In diesem Artikel habe ich die Kernpunkte aufgezeigt, nach denen sich die Auswahl eines Vakuumofens richten muss. Ich hoffe, ich konnte klar darstellen, dass die eigentliche Aufgabe darin besteht, die einzelnen Faktoren gegeneinander abzuwägen und eine abgestufte Hierarchie an Prioritäten festzulegen.

Die Zeit ist nun gekommen, um mit einem Zulieferer all diese Aspekte ausführlich zu besprechen, insbesondere jene, die als kritisch eingestuft werden, wie zum Beispiel:

• maximale Betriebstemperatur des Ofens
• Abkühlgeschwindigkeit der Ladung, unter Berücksichtigung der Größe der Werkstücke (Gewicht der Ladung in Kilogramm, Durchmesser, Höhe, Form des behandelten Materials und Stahltyp)
• Anzahl der Betriebsschichten
• Amortisierung der Investition
• Nebenkosten der Fabrik (Wasserkreislauf, nötiger Strom, Layout und Merkmale der Gastanks).

Die Auswahl eines Ofens zur Vakuum-Wärmebehandlung, der die Produktionsanforderungen des Unternehmens am besten erfüllt, ist ein interessantes und wichtiges Verfahren. Dabei ist die Auswahl des richtigen Geschäftspartners von entscheidender Bedeutung, nicht nur für die Qualität des erworbenen Produkts, sondern auch für die Qualität der Beratung vor dem Kauf und noch viele Jahre danach.

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