Vakuumöfen sind dafür ausgelegt, atmosphärische Gase zu Beginn eines Wärmebehandlungsprozesses abzupumpen, können aber auch Prozessgase einleiten, um bestimmte Unterdrücke zu erreichen.
Die Zufuhr von Inertgasen während des Abschreckprozesses ist eine weithin anerkannte Technik zur Steuerung der Abschreckgeschwindigkeit und der Ergebnisse. Darüber hinaus kann die Zugabe spezifischer Prozessgase bei ansteigenden Kammertemperaturen weitere Vorteile bieten und die Ergebnisse bei verschiedenen Wärmebehandlungsanwendungen verbessern.
Die erste Maßnahme in einem Vakuumofenprozess besteht darin, die atmosphärische Luft aus der Druckkammer zu entfernen. Das Erhitzen von Metallteilen macht sie besonders empfänglich für Reaktionen mit Elementen, die üblicherweise in atmosphärischen Gasen enthalten sind (wie Wasserdampf oder Sauerstoff), so dass das Entfernen atmosphärischer Gase unerwünschte Reaktionen erheblich einschränkt. Durch die gezielte Einleitung von Prozessgasen können jedoch Reaktionen oder Bedingungen geschaffen werden, die als Teil des Prozesses erwünscht sind.
Die Möglichkeit, während des Hochlaufens ein Prozessgas nachzufüllen, kann wichtige Vorteile bringen. In einigen Betrieben kann es sinnvoll sein, ein sehr geringes Gasvolumen (0,01 bis 10 Torr) zuzuführen, um die Entfernung von Oxiden durch die Verwendung von Wasserstoff zu unterstützen, ein Element wie Kohlenstoff zum Zwecke der Einsatzhärtung hinzuzufügen oder ein Inertgas zuzuführen, um die Chromsublimation während eines Hochtemperaturprozesses mit Stahl zu begrenzen. Bei anderen Rezepten kann es sinnvoll sein, ein Prozessgas in ausreichender Menge (1 Atm oder mehr) zuzuführen, um eine Konvektionserwärmung durch den Betrieb eines internen Gebläses zu ermöglichen und so Teile mit komplexen Geometrien oder großen Querschnitten gleichmäßig zu erwärmen.
Eine Ofenkonstruktion mit zwei Anschlüssen für Partialdruckgas, die durch Massendurchflusssensoren geregelt werden.
Hier sehen wir ein Reglermessgerät, das mit einem Massendurchflusssensor verbunden ist und durch ein Absperrventil und ein manuelles Teildruck-Drosselventil weiter reguliert wird, um die Kontrolle über das in das System strömende Gas zu maximieren.
Partialdruck: Aufrechterhaltung der Reaktionskontrolle bei Fast-Vakuum-Druck
Partialdruckverfahren sind Verfahren, bei denen nach dem Abpumpen des Ofens ein sehr geringer Prozessgasstrom in den Ofen eingeleitet wird, der bei steigenden Temperaturen Reaktionen auslösen oder steuern kann. Prozessgase können von Inertgasen wie Argon oder Stickstoff bis hin zu reaktiven Gasen wie Wasserstoff oder Acetylen reichen.
Ein Partialdruck-Wärmebehandlungsverfahren kann als Spülung verwendet werden, um sicherzustellen, dass die meisten der verbleibenden Atome und Moleküle, die in den atmosphärischen Gasen enthalten sind, durch Zugabe eines Inertgases aus dem Ofen gespült werden. Inertgase wie Argon können, wenn sie dem Behälter während des Hochfahrens zugesetzt werden, kleinere Atome oder Moleküle wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff beiseite schieben und sie zwingen, beim zweiten Evakuieren des Ofens schnell die Ausgänge zu finden.
Inertes Gas kann auch dazu beitragen, den Sublimationsprozess von Elementen wie Chrom zu verlangsamen, das dazu neigt, bei hohen Temperaturen und extrem niedrigem Druck zu verdampfen. Selbst der geringste Druck eines Inertgases kann dazu beitragen, dass Stahlerzeugnisse auf Chrombasis nicht beschädigt werden.
Einige Stähle sind besonders anfällig für Oxidation und können sogar vor der thermischen Behandlung Oxide auf ihrer Oberfläche gebildet haben. Die Einführung von Wasserstoff* in den Wärmebehandlungsprozess bei bestimmten Temperaturen kann bestimmte Metalloxide dazu anregen, mit dem Wasserstoff in der Kammer zu reagieren und so ihr Auftreten zu verringern.
Bei transformativen Verfahren, wie z. B. der AvaC-Niederdruckaufkohlung, kann die Zugabe eines Prozessgases wie Acetylen bei niedrigem Druck dazu beitragen, eine Einsatzhärtungslösung zu erzielen, die spezifische Anforderungen erfüllt. Dies kann besonders effektiv bei Teilen mit sehr komplexen Mikrogeometrien sein, z. B. bei der Herstellung von Pulvermetall.
Darüber hinaus können Partialdruckgassysteme auch eingesetzt werden, um Diffusionsverklebungen zwischen Teilen und Vorrichtungen zu verhindern und einen Zwischenkühlungsschritt zu ermöglichen, der die Vakuumkühlung effizienter macht.
*Es entspricht zwar dem gesunden Menschenverstand, bei der Einführung von Wasserstoff in ein System aus Sicherheitsgründen sehr vorsichtig zu sein, doch ist es in der Regel auch nicht ratsam, Wasserstoff in Prozessen zu verwenden, bei denen Teile verwendet werden, die Titan oder bestimmte Kupferlegierungen enthalten.
Thermische Konvektionsverarbeitung
Bei Konvektionsverfahren wird Inertgas in das abgepumpte System eingeleitet, bis der Druck im Behälter eine Atmosphäre oder mehr beträgt. Der Druck von einer Atmosphäre ist vergleichbar mit dem Luftdruck in einem Raum bei Raumtemperatur.
Es mag kontraproduktiv erscheinen, einen Ofen bis fast zum Vakuum abzupumpen, um ihn dann mit einem anderen Gas auf den gleichen Druck wie vor dem Abpumpen zu befüllen. Durch eine sorgfältige Kontrolle der im Füllgas enthaltenen Elemente können Wärmeverarbeiter jedoch sicherstellen, dass ihre Teile nicht mit unerwünschten Elementen reagieren, die möglicherweise in der Umgebungsluft vorhanden sind - wie Wasser oder Sauerstoff.
Vakuumöfen geben ihre thermische Nutzlast in erster Linie durch Strahlungswärme ab. In einem Vakuum besteht aufgrund der fehlenden Atmosphäre keine Chance, dass die Wärme durch Konvektion übertragen wird. Dies gibt dem Bediener eine erhebliche Kontrolle über die Prozesstemperaturen und die Konsistenz der Kammer während der kritischen Schritte der thermischen Umwandlung. Da Strahlungswärme jedoch Energie in einer linearen Richtung abgibt, können Kurven und Spalten die Konsistenz des Wärmebehandlungsprozesses erheblich beeinträchtigen.
Die Zugabe eines Inertgases zu einem System mit einem Druck von einer Atmosphäre oder höher kann die konvektive Wärmezufuhr unterstützen, die die thermische Konsistenz eines komplexen Teils besser steuern kann. Konvektionserwärmung ist bei niedrigeren Temperaturen viel effizienter als Strahlungserwärmung.
Die von einem internen Gebläse erzeugten Ströme sorgen dafür, dass die Wärme über die gesamte Geometrie eines anspruchsvollen Teils verteilt wird. Das sich bewegende Gas sorgt für eine gleichmäßigere Wärmezufuhr in die Hohlräume und Ecken, so dass die Teile viel schneller auf Temperatur gebracht werden, bevor sie zum endgültigen Durchwärmen abgepumpt werden. Der daraus resultierende Prozess gewährleistet gleichmäßigere Temperaturen auf allen Oberflächen vom Beginn der Rampe bis zur thermischen Spitze in viel kürzerer Zeit, was zu kürzeren Zykluszeiten für komplizierte Teile führt.
Schlussfolgerung
Während sich Betreiber von Vakuumöfen in der Regel auf die Zufuhr von Abschreckgas konzentrieren, bietet die Möglichkeit der Zufuhr eines Prozessgases während der Rampen- und Durchwärmungsschritte den Betreibern die Möglichkeit, die Funktionalität ihres Ofens zu erhöhen. Vakuumöfen sind ein ideales Werkzeug, um gleichbleibend saubere Teile mit Prozessen wie der Partialdruck- oder Konvektionswärmebehandlung zu liefern, da sie eine außergewöhnliche Kontrolle über die in der Kammer während eines thermischen Verarbeitungszyklus vorhandenen Gase bieten.
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