Ist es möglich, im Hinblick auf die Anschaffung eines neuen Vakuumofens klare Vorstellungen zu haben?
Die Antwort lautet natürlich „Ja“, denn auch wenn dieses Gebiet auf den ersten Blick sehr komplex scheint, erhält man durch schrittweise Abklärung der einzelnen wichtigen Punkte den erforderlichen Durchblick.
Im vorigen Artikel haben wir bereits einige Elemente kennengelernt, die bei der Ausführung und beim perfekten Funktionieren von Vakuumöfen eine wichtige Rolle spielen. Dabei haben wir mit den drei Elementen begonnen, die sich im Lauf der Zeit kaum verändert haben. Zudem haben wir drei weitere Elemente besprochen, die in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen haben. Hier noch mal alle sechs zur Erinnerung:

• Schweißen
• Pumpensysteme und Vakuum-Messsysteme
• Dichtheitsprüfungen.
• Materialien
• Dichtelemente
• Komponenten: Flansche, Ventile, Abdichtungen usw.

Heute möchte ich diesen Überblick abschließen, indem ich weitere vier Elemente von den insgesamt 10 Elementen erörtere, die man vor dem Erwerb eines neuen Vakuumofens berücksichtigen sollte.
Diese vier weiteren Elemente sind:

• Hitzeübertragung
• Widerstand
• Abschaltung
• Automatisierung.

Hitzeübertragung

Die wichtigsten Aktivitäten eines Hochvakuumofens sind in zwei Bauteilen konzentriert: In einer wassergekühlten, doppelwandigen, dichten Vakuumkammer und in einer isolierten Heizkammer aus Materialien mit geringer Leitfähigkeit (Graphit-Wafer), in denen der Widerstand und die zu behandelnde Ladung positioniert werden.

Der Betrieb eines Ofens zur Vakuum-Wärmebehandlung bietet zwei mögliche Vakuum-Stufen:

• ohne Partialgas
• mit Partialgas.

Im ersten Fall erfolgt die Hitzeübertragung durch die Wirkung der Moleküle, die sich im Rahmen der freien molekularen Wärmeleitung vom heißen zum kalten Bereich bewegen: Bei schwierigeren Betriebsbedingungen hat die ausgetauschte Energie einen Wert von etwa 0,025 kW/m² (und kann daher wirklich vernachlässigt werden). Die im Wärmedurchgangs-System ausgetauschte Hitze kann ebenfalls vernachlässigt werden, ebenso wie die Übertragungshitze im viskosen Feld (0,08 kW/cm²). Daraus kann geschlossen werden, dass sie Energie, die durch Wärmeleitung in einem Hochvakuumofen ausgetauscht wird, trotzdem praktisch gleich Null ist, unabhängig vom Wert des Drucks (Vakuum-Stufe).

Im Falle des thermischen Austauschs durch Strahlung von Partialgas sehen die Werte jedoch ganz anders aus. Dabei berücksichtige ich hier auch die schwierigsten Betriebsbedingungen: Werte von 3÷4 kW/m² werden erreicht. Die Praxis bestätigt die wissenschaftlichen Daten und bringt einen für die thermische Gleichmäßigkeit von Systemen im Beharrungszustand wichtigen Aspekt ans Licht: Nämlich jenen der Hitzeverluste aus der Kammer.
Einige Bestandteile des Systems arbeiten gegen unseren Willen seiner perfekten Funktionsweise zuwider. Dabei möchte ich zunächst die Hitzeverluste nennen, die durch die Ladungshalterungen und/oder Strahlungsströme verursacht werden, doch vor allem jene, die durch Energiedurchführungen erzeugt werden.
Die Energiedurchführungen bestehen aus Graphit-Stangen mit einem großen Querschnitt, die mit wassergekühlten Kupferklemmen verbunden sind. Je nach Bauart gibt es davon drei oder vier Stück, und sie zählen auch zu den kältesten Bereichen in der Kammer. Auch die Auflagepunkte der Ladungshalterungen sind potenzielle Vektoren für Energieverluste. Um diese zu umgehen, werden refraktäre Materialien mit einer geringen Leitfähigkeit (Aluminiumoxid-Pads) zwischen dem Graphit-Teil und dem Stahlmantel eingesetzt. In einigen Fällen werden sie hinzugefügt, indem Hitzezonen mit einer höheren spezifischen Energie berechnet werden, in der Nähe der beladenen Basis.

Der Widerstand

Nun möchte ich mich einem weiteren Element des Ofens widmen, das auch auf der Vakuumtechnologie basiert und in den letzten Jahren umfangreichen Überarbeitungen unterzogen wurde. Ich spreche über den Widerstand und insbesondere über die Dimensionierung seiner Lieferkette (statischer Umwandler, Transformator, Stangen usw.). Dieser muss einerseits so gestaltet sein, dass die Heizelemente möglichst schnell die voreingestellte Temperatur erreichen, doch gleichzeitig muss er groß genug sein, um die Ladung in möglichst kurzer Zeit auf die voreingestellte Temperatur zu bringen und dabei kompatibel mit der Geometrie und Anordnung der Teile sein. Der aktuelle Trend geht dahin, den Widerstand mit einer Stromversorgung auszustatten, die etwa viermal so hoch ist wie die Leistung, die bei voller Leistung des System bei maximaler Temperatur (1270 °C) abgegeben wird.

Die Oberfläche des Widerstands spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle bei der Beschleunigung des Prozesses unter Bedingungen, wie sie bei Niedertemperaturbehandlungen gegeben sind (zum Beispiel im Falle der Austenitisierungstemperatur bei „nur“ 800 °C), bei denen die Energie, die durch Strahlung bereitgestellt werden kann, immer gering ist.
Die Position des Widerstands ist ebenfalls extrem wichtig: Heutzutage gilt als mit Sicherheit bewiesen, dass bei Öfen mit horizontaler Geometrie und bei Ladungen, die aus mehreren Teilen bestehen, die optimale Erhitzung durch Positionierung der Heizelementen im oberen und unteren Bereich des Ofens erreicht wird. Dies führt zu einem ähnlichen thermischen Zyklus sowohl für die Teile in der Peripherie der Ladung als auch für jene in der Mitte der Ladung.

Abschaltung

Der Gasfluss ist beim Abschalten das Vakuumofens von entscheidender Bedeutung.
Dieselbe thermische Entwicklung für alle Teile zu erreichen, ist eine der Prioritäten für den Designer von Vakuumöfen. Daher wird das Verfahren zur Einleitung der Ladungshärtung mit Gas sorgfältig studiert.

Aus welchen Schritten besteht dieses Verfahren?

Zu Beginn wird druckbeaufschlagtes Gas in den Behälter eingeleitet. Sobald der festgelegte Druck erreicht ist, wird der Widerstand spannungsfrei gemacht und das Gas wird bei niedriger Temperatur durch einen Impeller mit großer Förderhöhe rezirkuliert. Das zirkulierende Gas nimmt Hitze auf, die dann entlang des Pfades zum Wärmetauscher übertragen wird. Der Pfad des Gases ist wichtig, weil er durch die Ladung fließen muss, damit selbst die kleinsten und inneren Elemente abkühlen.
Beim Design von Systemen zur Vakuum-Wärmebehandlung müssen Geometrien vermieden werden, die es dem Gas ermöglichen, die Ladung zu umgehen oder nur die Außenflächen zu berühren. Die Fluidfäden des Gases, die die Ladung passieren, dürfen keine Geschwindigkeitskomponenten haben, die senkrecht zu den Teilen stehen.

Worauf muss geachtet werden?

Die Abmessungen des Gasdurchfluss-Querschnitts müssen jenen des Ladungskorbs entsprechen. Die beste Kanalisierung des Gases erfolgt mit Pfaden von unten nach oben, da so eine Flussverteilung erfolgt, die mit der Versetzung der Teile kongruent ist, welche sich den Gasströmen ausgehend von derselben Kontaktoberfläche darbieten. Bei einem Pfad von oben nach unten würde die Flussgleichmäßigkeit von den Teilen mit einer größeren Höhe gestört, welche für die darunter liegenden Teile einen sogenannten „Schirmeffekt“ verursachen würden.
In Öfen zur Vakuum-Wärmebehandlung müssen in jedem Fall Gaspfade mit axialen und zentralen Geometrien in der Heizkammer vermieden werden, denn die Teile würden dazu neigen, unterschiedliche Temperaturen anzunehmen, das Verfahren wäre schlecht kontrolliert und es würde das Risiko beträchtlicher Verformungen der Stücke bestehen.

Als einzige Alternative würde ich das Aufsplitten des Flusses empfehlen. Ein zeitnaher Strahl von oben und von unten löst das Problem des schnellen Härtens bei großen Teilen oder bei überlappend gestapelten Körben.

Automatisierung

Nun komme ich zum Herzstück von Behandlungen mit Vakuumtechnologie. Die Fortschrittlichkeit dieses Systems liegt vor allem in dem Umstand, dass der Zyklus vollständig automatisiert ist.
Wenn der Hochvakuumofen erst einmal geplant und montiert ist, lässt er sich wie ein Arbeitszentrum managen. Die aktive Präsenz von Bedienpersonal während des Prozesses ist weder vorgesehen noch notwendig.

Die extrem präzise und sichere Programmierung des Mikroprozessors garantiert die Wiederholbarkeit des Zyklus und den Start automatischer Sequenzprüfungen.
Diese Prozesssteuerungen diagnostizieren die unterschiedlichen Aktivitätszustände des Ofens zur Wärmebehandlung unter Vakuum. Eine Reihe von Indikatoren erkennt Situationen mit bedeutenden Fehlfunktionen oder Schäden. Das System ist in der Lage, sich selbst automatisch in einen Sicherheitsmodus zu versetzen, falls anomale Ereignisse erkannt werden, wie zum Beispiel:

• mangelnde Energie
• mangelndes Wasser
• mangelndes Vakuum
• mangelndes Gas usw.

Innerhalb kurzer Zeit hat sich der Betrieb von Vakuumöfen weiterentwickelt und benötigt heute immer weniger Überwachung und Beaufsichtigung. Dies bietet Unternehmen einen großen Vorteil, denn Systeme dieser Art können auch nachts produktiv sein und bieten daher einen maximalen wirtschaftlichen Ertrag. In den letzten Jahren gab es einen Generationssprung in der Vakuumtechnologie. Zudem ermöglicht die Druckbeaufschlagung nicht nur die Wärmebehandlung von „schwierigeren“ Materialien, sondern trägt auch zur beträchtlichen Verkürzung der Abkühlzeiten bei niedrigeren Temperaturen bei.

Schlussfolgerungen

Hiermit möchte ich die Präsentation der zentralen Elemente von Öfen zur Vakuum-Wärmebehandlung abschließen. Ich wollte Ihnen einen kleinen Überblick über ihre wichtigsten Merkmale vermitteln und auf einige Fragen eingehen, die Sie sicherlich haben. Mit diesen Informationen sind Sie nun vorbereitet, ein Beratungsgespräch mit dem Designer zu führen und ein Preisangebot einzuholen. Die besten Betriebsergebnisse werden erzielt, wenn sämtliche Aspekte in angemessener Weise berücksichtigt wurden.
Auf der Grundlage der hier dargestellten Informationen werden Sie in der Lage sein, dem beratenden Experten die entscheidenden Fragen zu stellen. Das sind die besten Ausgangsbedingungen für eine erfolgreiche Zusammenarbeit.

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