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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).
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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!
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