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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.
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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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