Progettati per espellere i gas atmosferici all'inizio di un processo di trattamento termico, ma anche per introdurre gas di processo per raggiungere specifiche pressioni sub-atmosferiche, i forni a vuoto sono eccellenti per controllare la quantità, la fonte e la qualità del gas all'interno del recipiente del forno in qualsiasi momento durante un processo.
L'introduzione di gas inerti durante il processo di tempra è una tecnica ampiamente riconosciuta per controllare la velocità e i risultati della tempra. Inoltre, l'aggiunta di gas di processo specifici al crescere della temperatura della camera può offrire ulteriori vantaggi, migliorando i risultati in varie applicazioni di trattamento termico.
La prima azione nel processo di un forno a vuoto è la rimozione dell'aria atmosferica dalla camera di pressione. Il riscaldamento delle parti metalliche le rende eccezionalmente ricettive alle reazioni con gli elementi comunemente presenti nei gas atmosferici (come il vapore acqueo o l'ossigeno), per cui la rimozione dei gas atmosferici limita notevolmente le reazioni indesiderate. Tuttavia, l'introduzione mirata di gas di processo può creare reazioni o condizioni auspicabili nell'ambito del processo.
La possibilità di effettuare il backfill con un gas di processo durante il ramp up può creare importanti vantaggi. Alcune operazioni possono voler introdurre un volume molto basso di gas (da 0,01 Torr a 10 Torr) per aiutare a rimuovere gli ossidi utilizzando l'idrogeno, per aggiungere un elemento come il carbonio ai fini della cementazione o per aggiungere un gas inerte al fine di limitare la sublimazione del cromo durante un processo ad alta temperatura che coinvolge l'acciaio. Altre ricette possono prevedere l'introduzione di una quantità di gas di processo sufficiente (1 Atm o più) per consentire il riscaldamento per convezione mediante l'azionamento di un ventilatore interno, al fine di riscaldare in modo uniforme pezzi con geometrie complesse o sezioni trasversali ampie.
Un progetto di forno che include due porte per il gas a pressione parziale, regolate da sensori di flusso di massa.
Qui vediamo un manometro di regolazione che si collega a un sensore di portata massica, ulteriormente regolato da una valvola di blocco e da una valvola a farfalla manuale a pressione parziale per massimizzare il controllo sul gas che fluisce nel sistema.
Pressione parziale: mantenere il controllo della reazione a una pressione prossima al vuoto
I processi a pressione parziale sono ricette che introducono un flusso molto basso di gas di processo nel forno dopo che questo è stato pompato verso il basso, in grado di creare o controllare le reazioni quando le temperature aumentano. I gas di processo possono variare da gas inerti come l'argon o l'azoto, a gas reattivi come l'idrogeno o l'acetilene.
Un processo di trattamento termico a pressione parziale può essere utilizzato come spurgo per garantire che la maggior parte degli atomi e delle molecole rimanenti presenti nei gas atmosferici vengano espulsi dal forno mediante l'aggiunta di un gas inerte. I gas inerti come l'argon, se aggiunti al recipiente durante l'avvio, possono allontanare gli atomi o le molecole più piccole come l'idrogeno, l'ossigeno e l'azoto, costringendoli a trovare rapidamente l'uscita quando il sistema evacua il forno una seconda volta.
Il gas inerte può anche contribuire a rallentare il processo di sublimazione di elementi come il cromo, che tende a evaporare a temperature elevate e pressioni estremamente basse. Anche la minima pressione di un gas inerte può aiutare a prevenire il deterioramento dei prodotti in acciaio a base di cromo.
Alcuni acciai sono particolarmente suscettibili all'ossidazione e possono anche aver accumulato ossidi sulla loro superficie prima del trattamento termico. L'introduzione di idrogeno* nel processo di trattamento termico a temperature specifiche può incoraggiare alcuni ossidi metallici a reagire con l'idrogeno all'interno della camera, riducendone così l'insorgenza.
Nei processi trasformativi, come ad esempio la carburazione a bassa pressione AvaC, l'aggiunta di un gas di processo come l'acetilene a bassa pressione può contribuire a fornire una soluzione di cementazione che soddisfi requisiti specifici. Ciò può essere particolarmente efficace per i pezzi che presentano microgeometrie molto complesse: ad esempio, la fabbricazione di polveri metalliche.
Oltre a questi processi, i sistemi di gas a pressione parziale possono essere utilizzati anche per prevenire l'incollaggio per diffusione tra i pezzi e i dispositivi, oltre a fornire una fase di raffreddamento intermedio che può rendere più efficiente il raffreddamento sotto vuoto.
*Se da un lato è buona norma prestare molta attenzione all'introduzione dell'idrogeno in qualsiasi sistema dal punto di vista della sicurezza, dall'altro non è consigliabile utilizzare l'idrogeno in processi che coinvolgono parti contenenti titanio o alcune leghe di rame.
Trattamento termico a convezione
I processi di convezione introducono gas inerte nel sistema di pompaggio fino a quando la pressione all'interno del serbatoio è pari o superiore a un'atmosfera. Un'atmosfera di pressione è paragonabile alla pressione dell'aria in una stanza a temperatura ambiente.
Potrebbe sembrare controproducente pompare un forno fino a raggiungere quasi il vuoto, per poi riempirlo con un altro gas alla stessa pressione che aveva prima della pompa, ma controllando attentamente gli elementi presenti nel gas di riempimento, i trasformatori termici si assicurano che i loro componenti non reagiscano con elementi indesiderati che possono essere presenti nell'aria ambiente, come acqua o ossigeno.
I forni a vuoto forniscono il loro carico termico principalmente attraverso il calore radiante. Nel vuoto, l'assenza di atmosfera elimina la possibilità che il calore venga trasferito per convezione. Ciò consente all'operatore di controllare in modo significativo le temperature di processo e la consistenza della camera durante le fasi critiche della trasformazione termica. Tuttavia, poiché il calore radiante fornisce energia in direzione lineare, le curve e i crepacci possono influire significativamente sulla coerenza del processo di trattamento termico.
L'aggiunta di un gas inerte a un sistema a un'atmosfera di pressione o superiore può favorire l'erogazione di calore convettivo che può controllare meglio la consistenza termica di un pezzo complesso. Il riscaldamento a convezione è molto più efficiente di quello radiante alle basse temperature.
Le correnti create da una ventola interna assicurano che il calore venga erogato in tutta la geometria di un pezzo sofisticato. Il gas in movimento può offrire un'erogazione termica più consistente nelle cavità e negli angoli, per garantire che i pezzi vengano portati a temperatura a una velocità molto più rapida prima di essere pompati fuori per l'immersione finale. Il processo risultante garantisce temperature più costanti su tutte le superfici, dall'inizio della rampa fino al picco termico, in tempi molto più brevi, con conseguenti tempi di ciclo più rapidi per i pezzi complicati.
Conclusione
Mentre gli operatori dei forni a vuoto tendono a concentrarsi sull'erogazione del gas di spegnimento, la possibilità di erogare un gas di processo durante le fasi di rampa e di immersione offre agli operatori l'opportunità di aumentare la funzionalità del forno. I forni sottovuoto sono uno strumento ideale per ottenere pezzi puliti e uniformi utilizzando processi come il trattamento termico a pressione parziale o a convezione, grazie al loro eccezionale controllo sui gas presenti nella camera durante un ciclo di lavorazione termica.
Per saperne di più su come utilizzare il trattamento termico a pressione parziale all'interno del vostro forno a vuoto, contattateci all'indirizzo technical@ipsenusa.com.