Prozessexzellenz und die geeignete Ausrüstung können für die Produktion in Ihrem Unternehmen von entscheidender Bedeutung sein. In den letzten Jahren hat sich die Vakuumtechnologie etabliert und dabei gezeigt, dass sinnvolle Anfangsinvestitionen schon in kurzer Zeit konkrete Ergebnisse bringen.
Im vorigen Artikel Brauche ich wirklich einen Vakuumofen? haben wir die Gründe analysiert, die ein Unternehmen dazu bewegen sollten, sich einen Vakuumofen anzuschaffen.
Jetzt, wo wir das „Warum“ geklärt haben, möchte ich in diesem und im folgenden Artikel auf das „Was“ eingehen. Wir werden herausarbeiten, was die 10 wichtigsten Elemente sind, die es im Hinblick auf die Dynamik von Öfen mit Vakuumsystem zu berücksichtigen gilt. Auf der Grundlage dieser Informationen wird Ihnen die Auswahl eines Vakuumofens zur Vakuum-Wärmebehandlung ganz bestimmt leichter fallen.

Vakuumtechnologie gewinnt bei innovativen Anwendungen in den fortschrittlichsten Forschungsgebieten zunehmend an Bedeutung. Denken Sie beispielsweise an Beschleuniger, Synchrotronstrahlung und hochdichte Plasmen. Bei industriellen Verfahren wird die Vakuumtechnologie schon seit langem eingesetzt, um die Präzision von Ergebnissen zu steigern und um Prozesse zu optimieren. Als Beispiele möchte ich hier folgende Bereiche nennen: Mikroelektronik und Optoelektronik, der Funktionsmechanismus der Supraleitfähigkeit sowie Anwendungen in der Metallurgie sowie in der Luft- und Raumfahrt. Die Vakuumtechnologie basiert auf einigen Grundkenntnissen, die unabhängig von der jeweiligen Endanwendung zur Erreichung des gewünschten optimalen Ergebnisses von entscheidender Bedeutung sind. Damit meine ich ein standardisiertes System von Komponenten, Messgrößen und praktischen Regeln, die Allgemeingültigkeit besitzen und damit für praktisch alle Anlagen gelten, so unterschiedlich sie auch sein mögen. Das Verständnis dieser grundlegenden Konzepte wird bei Ihren nächsten Schritten von großem Nutzen sein, damit Sie Ihren nächsten Ofen zur Vakuum-Wärmebehandlung auf einer soliden Informationsgrundlage auswählen können.

Am Anfang der Entwicklung von Vakuumöfen stand zunächst das Ziel, bessere Werte für den Löschdruck zu erreichen, um den Anwendungsbereich auf möglichst viele Materialien ausweiten und um die Zykluszeiten reduzieren zu können. Dieses Bestreben führte dazu, dass die Bedeutung des Konzepts der Vakuumtechnologie auf den Prüfstand gestellt wurde, und damit waren die erforderlichen Bedingungen geschaffen, um verschiedene Komponenten in diese Technologie einzugliedern. Heutzutage ist es nicht mehr besonders schwierig, die Elemente zu erkennen, die moderne Wärmebehandlungsanlagen von klassischen Vakuumsystemen unterscheiden.
Doch lassen Sie uns Schritt für Schritt vorgehen. Zunächst möchte ich auf die drei Aspekte eingehen, die nach wie vor von grundlegender Bedeutung sind und sich nicht wesentlich verändert haben. Das sind:

• Schweißen
• Pumpensysteme und Vakuum-Messsysteme
• Dichtheitsprüfungen.

Diesen ersten Teil werde ich abschließen, indem ich auf drei weitere Faktoren eingehe, die für Vakuum-Wärmebehandlungen von Bedeutung sind und die in den letzten Jahren wesentlich weiterentwickelt wurden, vor allem dank der fortschrittlichen Forschungsarbeiten im Bereich der Luft- und Raumfahrt. Diese drei Faktoren sind:

• Materialien
• Dichtelemente
• Komponenten: Flansche, Ventile, Abdichtungen usw.

Schweißen

Bei der Herstellung von Vakuumöfen ist das Schweißen die einfachste Verbindung, weil dieser Vorgang durch präzise Regeln kodifiziert ist (vgl. die Regelwerke des CERN, der ASME usw.). Diese Regelwerke sind angesichts der potenziellen Gefahren von Schweißnähten durchaus berechtigt. Deshalb ist in diesen Regelwerken unter anderem vorgeschrieben, dass die Schweißnaht einfach und auf einer Seite ausgeführt werden muss, während auf der gegenüberliegenden Seite nur ein abschnittsweises Schweißen gestattet ist. Dadurch wird die Bildung von Mikrorissen verhindert, die nur schwer erkennbar sind.

Stellen Sie sich nun folgende Frage: Was gilt es in der Konzeptionsphase eines Ofens zur Vakuum-Wärmebehandlung zu beachten?

Zunächst einmal muss sichergestellt sein, dass beim Schweißen keine Verformungen oder bedeutende Spannungen entstehen. Dies wird durch die Anlage der notwendigen Drainagen vermieden. Dann muss sichergestellt sein, dass die Schweißnähte die gleiche Größe haben. Schließlich muss überschüssiges Material verfügbar gemacht werden, um ein Zusammenschweißen ohne übermäßiges Füllmaterial zu ermöglichen, wodurch eine etwaige Überhitzung vermieden wird.

Pumpensysteme und Vakuum-Messsysteme

Vakuumöfen müssen mit einem Pumpensystem ausgestattet sein, das dem zentralen Zweck dient, im System den für die Wärmebehandlung benötigten endgültigen Unterdruck herzustellen.
Doch der Ofen zur Vakuum-Wärmebehandlung ist im allgemeinen eines sauberes System, mit gut entgasten Oberflächen, ohne wesentliche Mengen von Wasserdampf, die ausgestoßen werden müssten. Falls die zu behandelnden Teile vor ihrer Behandlung sorgfältig gereinigt werden, werden die Spuren von Kondensaten, die Rückstände oder Aufschlämmungen in den Ölen der Diffusionspumpe oder in der Kreiselpumpe erzeugen könnten, nur in minimalem Umfang vorhanden sein. In Bezug auf die Zykluszeiten (die im Vergleich zu einer Metallisierungsanlage relativ lang sind) kann dank der Anwendung dieser vorsorglichen Maßnahme eine beträchtliche Reduzierung der Größe der Pumpeneinheit erreicht werden.

Für die unterschiedlichen Vakuumstufen haben wir die folgenden Vakuum-Messeinrichtungen:

• Plattenfedermanometer mit mechanischer Anzeige
• Wärmeleitungs-Vakuummeter (Thermocross und Pirani)
• Kaltkathoden-Ionisationsvakuummeter (Penning-Vakuummeter).

Weitere Informationen zum Thema Vorpumpen finden Sie im Artikel Roughing pump in high-vacuum furnaces for beginners (dt. Die Vorpumpe in Hochvakuumöfen für Anfänger).

Undichtigkeiten

Schon immer waren Undichtigkeiten während des Betriebs der Hauptgrund für Verschlechterungen des Systems und mangelnde Produktivität bei Vakuum-Wärmebehandlungen. Die Alterung der Dichtungselastomere, entweder durch Abnutzung der dynamischen Dichtungen oder durch Überhitzung aufgrund eines reduzierten Durchflusses von Kühlwasser - führt zu Leckage. Diese wird unverzüglich von den Instrumenten gemeldet und muss von den Bedienern mit der nötigen Aufmerksamkeit interpretiert werden.
Auch wenn dieser Aspekt ein komplexes Management erfordert, können bereits im Vorfeld viele Maßnahmen ergriffen werden, um etwaige Leckage-Verluste der bestehenden Anlage zu verhindern. Solche Verluste werden üblicherweise verursacht durch:

• Mikroporosität der Bleche
• Schweißmängel (im Sicherheitsbehälter der Vakuumkammer oder im Wärmetauscher)
• Mängel bei den dielektrischen Harzen der Thermoelementdurchführungen
• Unterbrechungen in statischen Dichtungen
• fehlerhafte Montage
• nicht konformes Design.

Die Dichtheitsprüfungen müssen daher mit hochsensiblen Instrumenten an den isolierten Teilen durchgeführt werden, und zwar in allen einzelnen Phasen vor und während der Montage.

Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie im Artikel Instandhaltungsverfahren: Dichtheitsprüfung bei Vakuumöfen.

Materialien

Hier kommen wir zu einem entscheidenden Punkt. Welchen Materialien kommen für Ihr Projekt infrage? Und welche davon sind obsolet?

Die Pflicht zur Einhaltung der Standards für druckbeaufschlagte Ausrüstung, die Verwendung größerer Stärken, die Notwendigkeit von soliden Schweißnähten und die Vermeidung von Bereichen mit einer Konzentration hoher Temperaturen: Schon seit langem ist bekannt, dass leichte Legierungen und Edelstahl diese Anforderungen nicht erfüllen.

Folgen Sie mir bei diesem schnellen Überblick über die Materialien für die jeweiligen Teile.

Beim Design und bei der Dimensionierung des Behälters müssen wir sowohl den maximalen Arbeitsdruck als auch die maximale Temperatur der Gase, die während der Löschzirkulation mit der Wand in Kontakt stehen, berücksichtigen.
Bei der Ausführung der thermischen Kammer müssen mögliche Öffnungen des Isolierschirms berücksichtigt werden, durch die Strahlung entweichen kann. Vorbehaltlich seltener Fälle wird der Designer Ihnen sagen, dass die drei Stromversorgungspassagen des Widerstands mögliche Öffnungen sein können und dass nicht ausgeschlossen werden sollte, dass Unregelmäßigen beim Isolator - wegen Beschädigung oder Abnutzung - erhellend sein können.

Was ist zu tun?
Sie sollten sich für hochrefraktäre Stähle und Stähle mit hoher Wärmeleitfähigkeit entscheiden.

Der Isolierschirm muss in steifen Graphitfaser-Wafern ausgeführt sein, mit einem extrem niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten. Molybdän wird nicht mehr verwendet, weil es sich um ein fragiles Material handelt, das bei niedrigen Temperaturen eine hohe Affinität zu Sauerstoff aufweist; außerdem haben seine Oxide einen hohen Dampfdruck.
Steife Carbonfasern (Graphit ist ein allotroper Zustand davon) sind das Material, das am besten für Versteifungen und Wafer-Rahmen geeignet ist. Eine längere Testserie, die zum Ziel hatte, die Wärmebehandlung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt zu optimieren, war beim Nachweis entscheidend, dass eine chemische Verbindung zwischen Graphit und Metall ausgeschlossen ist. Daher ist die Verwendung von Graphit und die Eliminierung von Keramikfasern (stark hygroskopisch, mit einer Tendenz, chemische Verbindungen mit Wasserdämpfen einzugehen) heutzutage wegen der außergewöhnlichen Widerstandsfähigkeit dieses Materials möglich.
Graphit ist außerdem die Grundlage für die Heizelemente mit flachen und verlängerten abstrahlenden Oberflächen. Die einzige Vorsichtsmaßnahme besteht darin, einen bedeutenden Verbrauch von Graphit zu vermeiden, indem Teilgase (Hz, NH₃ usw.) mit Reduktionswirkung eliminiert werden.

Dichtelemente

Die Dichtelemente eines Ofens zur Vakuum-Wärmebehandlung müssen in der Lage sein, sowohl positivem als auch negativem Druck standzuhalten.

Mein Ratschlag?
Sorgfältige Untersuchung der O-Ring-Dichtungen. Etwaige Bewegungen der Dichtung während des Übergangs vom Vakuum zum Druck müssen vermieden werden. Und falls die Dichtfläche groß genug ist, um Belastungen anzusammeln, sollten geeignete Dichtungen (beispielsweise mit doppelter Lippe) geprüft werden, die in der Lage sind, die Anforderungen einer Vakuumdichtung an einem Abschnitt des Elements und die einer Druckdichtung am anderen Abschnitt zu erfüllen. Zudem müssen die spezifischen Belastungen, die mehrere Zehner von kg/cm² erreichen können, sorgfältig berechnet werden.

Zudem gilt in den folgenden Fällen:

• Dichtungen für rotierende Schäfte: Unter Umständen kann es erforderlich sein, den Druck des Dichtungsöls zu variieren, um die Druckverluste in der Kammer zu kompensieren.
• Im Falle von axialen Bewegungen: Es ist empfehlenswert, dass als Antriebsmedium ein neutrales Gas verwendet wird, um etwaige Blasluft während der Steuerung zu vermeiden.

Komponenten

Schließlich gibt es ein häufig unterschätztes Element: Die Komponenten. Dabei spreche ich von Ventilen, Flanschen, Klammern, Messgeräten usw. All diese Komponenten müssen so ausgelegt sein, dass sie einer Druckbelastung von außen von einer Atmosphäre widerstehen können.
Eine unvorsichtige Verwendung solcher Komponenten könnte, abgesehen von den Gefahren für das Bedienpersonal in der Nähe des Ofens, zu irreparablen Schäden bei einer hochwertigen Vakuumtechnologieanlage führen.
Stellen Sie sich folgendes Szenario vor: Das Katastrophenereignis tritt im Moment der Höchsttemperatur des Vakuumofens ein, mit offenen Schirmen und mit dem druckbeaufschlagten Gas im Innern. Diese Vorstellung sollte ausreichen, Sie dazu zu bewegen, dieses Element auf die Checkliste für Ihr Vakuumtechnologie-Projekt zu setzen.

Schlussfolgerungen

Ich hoffe, dass ich mit meinen Ausführungen diese ersten Faktoren verständlich veranschaulichen konnte. Doch die Liste endet hier noch nicht: Im zweiten Teil möchte ich auf weitere Aspekte eingehen, die bei der Inbetriebnahme von Vakuumöfen zu beachten sind.
Setzen Sie sich intensiv mit dieser Liste auseinander und werden Sie so zum idealen Ansprechpartner für den Designer!