Einkammer-Vakuumöfen sind in drei unterschiedliche Bauformen einzuteilen. Horizontal von vorne zu beladende Vakuum-Kammerofenanlagen werden den meisten Aufgabenstellungen gerecht. Die platzsparende Ausführung stellt geringe Anforderungen in Bezug auf Hallenhöhe, Fundamente und Bekranung.
Vakuum-Hubwagenöfen (Bild 1), deren Beladung von unten erfolgt, werden häufig bei der Wärmebehandlung von größeren rotationssymmetrischen Bauteilen eingesetzt. Solche Anlagen sind unter Anderem bei der Wärmebehandlung von Triebwerkskomponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie bei der Herstellung von großen Press-Matrizen im Einsatz. Neben den höheren Investitionskosten ist hier auch eine größere Hallenhöhe notwendig.
Bild 1: Vertikaler Vakuum-Hubwagenofen, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 1: Vertikaler Vakuum-Hubwagenofen, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Vakuum-Schachtofenanlagen werden von oben beladen und sind bei der Vakuum-Wärmebehandlung eher seltener verbreitet. Sie werden unter Anderem bei der Wärmebehandlung von solchen Bauteilen eingesetzt, bei denen das Durchmesser/Länge-Verhältnis sehr groß ist, wie z. B. bei Räumnadeln und Extruder-Schnecken.
Je nach Bauform werden solche Einkammer-Vakuumöfen für maximale Chargengewichte von 50 kg bis zu 15.000 kg und mehr gebaut.
Bild 2: Molybdän-Heizkammer eines horizontalen Vakuumofens, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 2: Molybdän-Heizkammer eines horizontalen Vakuumofens, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Prinzipieller Aufbau von Vakuum-Kammeröfen
Der Vakuumofen ist elektrisch beheizt und mit doppelwandigem, wassergekühlten Ofenkessel konzipiert. Die thermische Belastung auf das metallische Ofengehäuse wird hierdurch reduziert, da nach außen nur die Leerverluste an das Kühlwasser im Doppelmantel abgegeben werden.
Im Ofengehäuse befindet sich die Heizkammer mit Isolationsauskleidung und Heizungselementen sowie die Schnellkühleinrichtung mit Wärmetauscher. Das Hochleistungs-Radialgebläse mit Elektromotor ist ebenfalls innerhalb des Rezipienten installiert.
Bild 3: Prinzip vertikale Reversion der Kühlgas-Durchströmung in einer rechteckigen Heizkammer mit System 2R (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 3: Prinzip vertikale Reversion der Kühlgas-Durchströmung in einer rechteckigen Heizkammer mit System 2R (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Vakuumsysteme
In Vakuumöfen wird üblicherweise ein Unterdruck zwischen 10-1 und 10-6 mbar erzeugt. Für das Härten von Stahl mit metallisch blankem Oberflächenergebnis ist in den häufigsten Fällen ein Vakuum im 10-2 mbar Bereich vollkommen ausreichend. Hier wird ein mechanischer Vakuumpumpenstand, bestehend aus einer Drehschieberpumpe und einer Wälzkolbenpumpe (Roots-Pumpe) eingesetzt. Um höhere Vakua zu erreichen, können mehrstufige mechanische Pumpenstände oder Hochvakuumpumpen wie Öldiffusionspumpen, Turbomolekularpumpen oder Kryo-Pumpen, eingesetzt werden. Mit diesen Pumpen ist es möglich den Rezipienten bis in den 10-6 mbar Bereich zu evakuieren.
Heizeinsätze
Die Heizkammern der meisten Vakuumöfen für die Wärmebehandlung sind mit einer Graphitisolation ausgekleidet. Die Heizkammern können rechteckig oder rund ausgeführt sein. Die Prozesstemperaturen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken liegen meist bei bis zu 1250 °C. Die Auslegung der Vakuum-Ofenanlagen liegt in der Regel auf maximale Arbeitstemperatur 1350 °C. Darüber gibt es aber auch Löt- und Sinterprozesse die Temperaturen bis etwa 1600 °C verlangen. Die Arbeitstemperatur bestimmt auch die Stärke der Heizkammer-Isolation. So kommt standardseitig eine 40 mm-Isolationen in Graphitheizeinsätzen von Vakuumöfen zum Einsatz. Im Temperaturbereich bis 1600 °C werden dann schon Isolationsstärken von 60 mm eingesetzt.
Verstärkter Isolation in modifizierter Heizkammer wird aber auch vermehrt zu Gunsten höherer Energie-Effizienz verwendet. Dies trägt zu einer Energieverbrauchsreduzierung von ca. 10 % und höher bei.
Für spezielle Applikationen oder Forderung von kohlenwasserstofffreier Atmosphäre werden ganzmetallisch isolierte Heizkammern (Bild 2) verwendet. Bei diesen Heizeinsätzen werden als Isolation mehrere, hintereinanderliegende Strahlschilde aus Molybdän und hitzebeständigen Edelstählen eingesetzt. Die Höhe der Anwendungstemperatur bestimmt die Anzahl an Strahlschilden und deren Werkstoff. Diese Heizkammern können rechteckig oder rund ausgeführt werden.
Bild 4: Prinzip Vakuumofen mit separater Abschreckzone System 2 PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 4: Prinzip Vakuumofen mit separater Abschreckzone System 2 PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Heizungssysteme und Ausführungen
Wichtig bei der Beheizung im Vakuumofen ist die homogene Erwärmung der Charge, um Verzug bereits in der ersten Phase des Wärmebehandlungsprozesses zu vermeiden. Die Heizleistung einer Vakuumofenanlage liegt je nach Nutzraumgröße im Bereich von etwa nur 50 bis über 1.000 kW.
In der Praxis hat sich für die meisten Prozesse und Anlagenausführungen ein 1-zoniger Heizungsaufbau durchgesetzt. Für Bauteile oder Chargen mit sehr unsymmetrischem Aufbau können Heizsysteme auch in mehreren separaten Zonen (z. B. Decke, Seiten, Boden) ausgeführt werden. Darüber hinaus können neben einer zusätzlichen Tür- und Rückwandheizung auch noch Mittenheizungen oder Kombinationen von separaten Heizzonen konfiguriert werden.
Während im hohen Temperaturbereich das Heizen nur unter Strahlungserwärmung – also in Vakuum-Atmosphäre – erfolgt, kann im unteren Bereich der Vorteil einer Heißgaskonvektion unterstützen.
Bild 5: Runde Heizkammer mit optimierter Düsenkühlung System RD
PLUS, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 5: Runde Heizkammer mit optimierter Düsenkühlung System RD PLUS, Beispielfoto (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Abkühlmechanismen in Einkammer-Vakuumöfen
Gemäß den Erfordernissen der Wärmebehandlungscharge und der Werkstoffe können unterschiedliche Mechanismen für die Kühlung eingesetzt werden.
Mit einem geregelten Abheizen wird die Chargentemperatur gemäß einem Gradienten langsam gesenkt.
Bei einer Vakuumkühlung erfolgt die Chargenkühlung über die Leerverluste an den wassergekühlten Ofenkessel. Die Wärmeenergie wird sehr langsam an die kalte Innenseite des wassergekühlten Ofenkessel-Doppelmantels abgegeben. Zur Beschleunigung können ggf. Heizraumklappen geöffnet werden.
Eine Gaskühlung mit stehendem Schutzgas forciert den Wärmetransfer von der Charge über das Schutzgas an den wassergekühlten Ofenkessel. Zur weiteren Forcierung können ggf. auch hier Heizraumklappen geöffnet werden.
Die Hochdruck-Gasabschreckung erzeugt höchste Chargen-Kühlgeschwindigkeiten. Sie spielt verfahrenstechnisch für Glüh- und Lötanwendungen eine eher untergeordnete Rolle, ist aber beim Härten von Stahlbauteilen zumeist eine Notwendigkeit.
Bild 6: Prinzip Vakuumofen mit runder Heizkammer und optimierter Düsenkühlung System RD PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 6: Prinzip Vakuumofen mit runder Heizkammer und optimierter Düsenkühlung System RD PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Hochdruck-Gasabschreckung
Bei der Hochdruck-Gasabschreckung wird die Ofenanlage mit Schutzgas (beim Härten von Stählen meistens Stickstoff, bei Titanlegierungen häufig Argon) auf einen vorwählbaren Druck geflutet. Ofenanlagen werden hier auf Max-Abschreckdrücke im Bereich von 1,5 bis 15 bar (abs.) ausgelegt. Die Kühlventilator-Einheit, bestehend aus Drehstrommotor und Ventilator-Rad, erzeugt einen Kühlgas-Fluss, der die komplette Charge durch geöffnete Heizraumklappen oder Düsen durchströmt. Hierbei wird die Wärmeenergie der Charge erfasst und über das Schutzgas an den Gas/Wasser-Wärmetauscher abgeführt.
Bild 7: Prinzip Aufbau Vakuumofen mit Niederdruckaufkohlen System CARB PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 7: Prinzip Aufbau Vakuumofen mit Niederdruckaufkohlen System CARB PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Das Härten von Bauteilen aus mittel- und hochlegierten Stählen stellt verschiedenste Anforderungen an die Gasabschreckung.
Stahlqualität und seine Legierungszusammensetzung, sowie auch Bauteildicke und Chargengröße bestimmen die notwendige Mindestabkühl-Geschwindigkeit, wobei diese nicht höher als metallurgisch erforderlich sein sollte. Die Geschwindigkeit der Chargenabschreckung wird anlagentechnisch neben dem Kühlgasdruck z. B. auch vom Gasvolumenstrom (Leistung des Motors und Auslegung des Ventilator-Laufrades), dem Gas/Wasser-Wärmetauscher (konstruktive Ausführung und Leistung) sowie der peripheren Kühlwasserversorgung – (Menge und Temperatur, etc.) bestimmt. Generell wird eine gleichmäßige und verzugsarme Wärmebehandlung angestrebt. Hier stellen Bauteilgeometrie und Chargenaufbau entsprechende Anforderungen. Die Homogenität der Chargenkühlung wird anlagentechnisch beeinflusst durch die Verteilung der Kühlgas-Durchströmung. Diese wird bestimmt durch Anordnung und Ausführung der Ein- und Austrittsöffnungen wie Gasverteilerplatten oder Düsen.
Bild 8: Prinzip Prozess im Vakuumofen mit integrierter Tiefkühlung System COOL PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Bild 8: Prinzip Prozess im Vakuumofen mit integrierter Tiefkühlung System COOL PLUS (Quelle: IVA Schmetz GmbH)
Einkammer-Vakuumofen mit eckiger Heizkammer und geradliniger Kühlgas-Durchströmung System 2R bzw. 2x2R
Für einen Großteil der typischen Wärmebehandlungs-Prozesse in Einkammer-Vakuumöfen hat sich das Durchström-Prinzip in einer rechteckigen Heizkammer durchgesetzt. Für eine hohe Kühlgleichmäßigkeit sind große, in ihrer Abmessung der Charge entsprechende, Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen erforderlich. Diese Gaseintritts- und Gasaustrittsöffnungen sind mit speziellen Gasverteilerelementen ausgestattet.
Die Homogenität der Gasabschreckung kann mit den Systemen 2 R (Bild 3) oder 2x2R, der programmierbaren vertikalen und/oder horizontalen Reversion der Kühlgas-Durchströmung, erhöht werden. Dabei ist das mehrfache Wechseln der Kühlrichtung von horizontale auf vertikale Durchströmung ebenso gut möglich wie selbst die Realisierung einer rotierenden Kühlung. Der Gasrichtungswechsel kann zeit- oder temperaturgesteuert, entsprechend den Anforderungen des Wärmebehandlungsgutes, durchgeführt werden. Die Abschreckung erfolgt gleichmäßiger, Härtestreuung innerhalb der Charge und Verzug am Einzel-Bauteil wird weitgehend reduziert. Darüber hinaus wird auch eine schnellere und damit ökonomischere Chargenkühlung realisiert.
Vakuumofen mit rechteckigen Heizeinsatz und separater Abschreckzone System 2 PLUS
Eine Möglichkeit zur Steigerung der Abschreckgeschwindigkeit in einem Vakuum-Kammerofen mit rechteckiger Heizkammer bietet eine separate Abschreckzone ohne vakuum- und druckdichte Trennung im gemeinsamen Ofenkessel.
Dieser Ofen-Typ mit System 2 PLUS (Bild 4) beinhaltet in Verbindung mit einer separaten, kalten Abschreckzone die wesentlichen Merkmale einer Einkammer-Ausführung. Die Charge wird in der Heizkammer auf Temperatur gebracht (wahlweise unter Konvektion oder Strahlung) und nach Erreichen der Härtetemperatur automatisch in die Abschreckzone transportiert und dort abgeschreckt. Hierzu öffnet ein Strahlungsschieber die thermische Barriere zwischen heißer und kalter Zone. Die Charge wird innerhalb weniger Sekunden in die Kühlzone gefahren. Der Verschlussschieber schottet sofort anschließend wieder die kalte gegen die heiße Kammer ab. Die Abschreckzone ist auf optimale Kühlgasströmung ausgelegt, d. h. die Kühlkammer ist an den Chargennutzraum angepasst. Der Kühlgasstrom muss dann nur die Energie der Charge und der Chargentransporteinheit aufnehmen und abführen. Hier wird nicht wie bei einem Einkammer-Ofen auch die in der Heizkammer befindliche Isolation, Heizstäbe und Gasleiteinrichtungen aktiv mit abgekühlt. Die schnelle Abschreckung der Charge erfolgt zudem nicht nur über den Kühlgas-Strom, sondern auch über die intensive Strahlung von zusätzlich angeordneten Wärmetauschern.
Im Vakuum-Kammerofen mit kalter Abschreckzone lassen sich die Kühlzeiten gegenüber einem Einkammer-Ofen bei analogem Abschreckdruck verdoppeln. Betriebskosten und Laufzeiten werden eingespart, da der Heizraum während der Betriebszeit nicht aktiv abgekühlt werden muss. Dies zahlt sich insbesondere bei Vergütungsprozessen mit mehrmaligem Anlassen aus. Erst zu Prozessende, bei Entnahme der Charge ist es erforderlich die Heizkammer mit abzukühlen. Darüber hinaus bieten diese Vakuumöfen mit separater Abschreckzone auch die Möglichkeit, Chargenthermoelemente mitzuführen und die Bauteiltemperaturen, über den kompletten Zyklus – Heiz-, Transport- und Kühlvorgang, zu messen und zu dokumentieren. Die exakte Temperaturführung realisiert auch hier ein Höchstmaß an Reproduzierbarkeit. Dieser Anlagentyp wird eingesetzt wo zu härtende Bauteile und Chargen eine geradlinige Kühlgas-Durchströmung bei tendenziell höherer Abschreckgeschwindigkeit fordern.
Einkammer-Vakuumofen mit runder Heizkammer und optimiertem Kühlgas-Einströmung System RD PLUS
Bei einigen Vakuumprozessen wie dem Härten von sehr großen und massiven Bauteilen wie z. B. Druckgussformen – und der damit erforderlichen hohen Abschreckgeschwindigkeit – kann eine runde Heizkammer mit allseitig radialer Düsenkühlung vorteilhaft sein. Der Kühlgasstrom trifft hier 360° rundum auf die Oberfläche der Charge und wird nach hinten zum Wärmetauscher abgeführt. Das optimierte Düsen-Kühlsystem RD PLUS (Bild 5) gleicht mit einer intensivierten Kühlung an der Unterseite die strömungstechnischen und thermischen Widerstände der Chargentragkonstruktion, Chargier-Grundroste, etc. aus. Eine höhere Anzahl von Kühldüsen im Bodenbereich, und damit eine maximierte Kühlgas-Anströmung von dort, realisiert hierbei den notwendigen Ausgleich. Die Kühldüsen im Bodenbereich sind so positioniert, dass die Gasströmung zwischen den Tragbänken zur Charge kanalisiert wird. Im hinteren Bereich der Heizkammer sind entsprechend dimensionierte Kühlgasaustritts-Öffnungen angeordnet. Durch diese Austritts-Öffnungen wird der Gasstrom zum integrierten Gas-Wasser-Wärmetauscher abgesaugt (Bild 6). Darüber hinaus kann der Kühlventilator auch noch eine zusätzliche Kühlgas-Durchströmung der Heizkammer von vorne nach hinten erzeugen. Hierfür sind im Heizkammer-Türbereich optional zu öffnende Kühlgaseintritts-Düsen installiert.
Vakuumöfen mit dem Düsenkühlsystem RD PLUS und deren Weiterentwicklungen sind mit Nutzraumabmessung von 900 x 1200 x 900 mm (B x L x H) und nun von bis zu nahe 2000 x 3000 x 1500 mm (B x L x H) und Nutzgewichten von 15.000 kg im internationalen Einsatz.
Niederdruckaufkohlen im Einkammer-Vakuumofen mit System CARB PLUS
Das Niederdruckaufkohlen (LPC, Low Pressure Caburizing) im Vakuumofen mit System CARB PLUS (Bild 7) erfolgt unter Einsatz von Acetylen. Dieses Einsatzhärteverfahren wird beigeringen Drücken bei Temperaturen im Bereich bis zu 1070°C durchgeführt.
Es werden gleichmäßige Aufkohlungs- und Einsatzhärtetiefe-Ergebnisse auch in dicht gepackten Chargen an allen Bauteilpositionen – auch in engsten Ausbohrungen und an komplexen Geometrien – realisiert.
Die steuerbare Überdruck-Gasabschreckung minimiert auch hier Bauteil-Verzüge. Bei diesem vollautomatischen, mannlosen Verfahren mit Aufkohlen, Abschrecken und Anlassen werden blanke Oberflächenergebnisse ohne Randoxidation reproduziert.
Tieftemperaturbehandlung im Vakuumofen mit System COOL PLUS
Das Tiefkühlen bei der Vergütung von Werkzeugen ist ein etabliertes Verfahren. Hierbei werden durch die Tieftemperaturbehandlung Werkzeugeigenschaften durch gezielte Optimierung von metallurgischen Strukturen, wie z. B. die Reduzierung von Restaustenit, signifikant verbessert.
Die Integration der Tiefkühleinrichtung in den Vakuum-Härteofen realisiert einen mannlosen, vollautomatischen Vergüte-Prozess. Da die Werkstücke zwischen dem Tiefkühlen und dem anschließenden Anlassen (Bild 8) nicht in Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre treten, kann verfahrensbedingt keine Oberflächenkorrosion auftreten. Hierdurch wird die für die Vakuum-Wärmebehandlung typische metallisch blanke Oberflächenqualität sichergestellt. Durch den auch mit Chargen-Thermoelementen gesteuerten und selektierbaren Tiefkühlgradienten wird ein sanftes, kontrolliertes Tiefkühlen ermöglicht. Folglich wird die Gefahr der Spannungsrissbildung durch schroffes Tiefkühlen, wie dies bei anderen Tieftemperaturverfahren der Fall ist, erheblich eingeschränkt.
Das Funktionsprinzip ist die Eindüsung und Vergasung von flüssigem Stickstoff durch ein Düsensystem in die graphit-isolierte Heizkammer des Vakuum-Kammerofens. Bei der Vergasung tritt eine etwa 700-fache Stickstoffvolumenvergrößerung ein. Im Chargennutzraum wird der noch tiefkalte, gasförmige Stickstoff über die Konvektions-Einrichtung gleichmäßig verteilt. Hierbei wird der Charge die Wärmeenergie entzogen und dann weiter abgeführt.
Fazit
Moderne Vakuumkammeröfen können mit Ihrer Vielzahl von möglichen Features und Charakteristika für unterschiedlichste Wärmebehandlungs-Prozesse und Chargen konzipiert werden. Kleine Anlagen mit Nutzraumabmessungen von z. B. 300 x 300 x 300 mm (B x L x H) werden neben F & E Zwecken, auch für kleinere Chargen oder Kleinst-Komponenten wie z. B. dem Härten von Chirurgie-Instrumenten flexibel eingesetzt.
In großen Einkammer-Vakuumöfen werden z. B. 4.000 kg Plattenwärmetauscher-Chargen in Großserie gelötet. In Anlagen mit Chargennutzgewichten bis zu 15.000 kg werden entsprechenden Großkomponenten mittels Hochdruckgasabschreckung gehärtet.
Autor
Björn Eric Zieger
IVA Schmetz GmbH
+49 (0) 2373 686-0
info@ivaschmetz.com
