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Vakuumtechnik

Von der vakuumtauglichen Schraube bis zur kompletten Vakuumkammer.

Vakuumtaugliche Schrauben

Bei Aufbauten in Vakuumanlagen werden vakuumtaugliche Verbindungselemente verwendet. Sie sind für eine geringe Gasabgabe optimiert und entwickelt worden. Bei Schraubenverbindungen innerhalb einer Vakuumumgebung sind die Entstehung „virtueller Lecks“ sowie der Einsatz von Schmiermitteln oder Schutzwachsen zu vermeiden. Eingesetzte Verbindungselemente in Vakuumumgebungen sollten ein hohes Maß an Sauberkeit aufweisen und durch eine Entlüftung vor Gaseinschlüssen schützen.


Schraubenvarianten

Werkstoffe
Alle bei uns erhältlichen Verbindungselemente für den Einsatz in einer Vakuumumgebung bestehen standardmäßig aus Edelstahl A2 Festigkeitsklasse 70. Sie sind ultrahochvakuumtauglich gereinigt und werden in einer Reinraumumgebung ISO 4 verpackt. Darüber hinaus ist eine reinraumtaugliche Doppelverpackung erhältlich, die Sie gern bei uns anfragen können.
Abweichende Materialien wie Edelstahl A4, Titan, Aluminium usw. können gern angefragt werden. Über die Eignung der verschiedenen Werkstoffe für Ihre Anwendung beraten wir Sie gern. Auch die Sonderfertigung spezieller Verbindungselemente mit und ohne Beschichtung können wir realisieren. Bitte sprechen Sie uns dazu an.
Der Standardwerkstoff unserer Schrauben ist Edelstahl A2, der „klassische“ Chrom-Nickel-Edelstahl 1.4301 bzw. AISI 304. In besonders korrosiven Medien oder wo eine geringere Magnetisierbarkeit benötigt wird, kann molybdänhaltiger Edelstahl A4 (1.4401 bzw. AISI 316) verwendet werden. Titan und Aluminium werden eingesetzt, wo Verbindungselemente nicht magnetisierbar sein dürfen. Dabei ist bei Aluminium die verringerte Festigkeit zu beachten.
Formen
Varianten der angebotenen vakuumgeeigneten Schrauben sind Zylinder- (ISO 4762, DIN 912) und Flachkopfschrauben (ISO 7380) mit Innensechskant, Sechskantschrauben ohne Schaft (ISO 4017, DIN 933) sowie Senkschrauben mit Innensechskant (ISO 10642, DIN 7991) oder Phillips-Kreuzschlitz (ISO 7046, DIN 965).
Die Schraubengrößen variieren vom M2 bis M12.


Vakuumtaugliche Schrauben mit geringer magnetischer Permeabilität

Diese Schrauben können in einem Magnetfeld eingesetzt werden, ohne dessen Feldlinien signifikant zu deformieren. 
Üblicherweise werden für vakuumtaugliche Schrauben die Edelstähle AISI 304 (A2) oder AISI 316 (A4) verwendet. Die Schraubengewinde werden mittels Kaltverformung erzeugt, nur so kann die benötigte Festigkeit von 700 MPa erreicht werden. Gleichzeitig steigt dadurch allerdings die Magnetisierbarkeit der Schrauben an. In vielen Vakuumanwendungen wie beispielsweise Synchrotronen, Fusionsreaktoren, bei der Elektronenstrahllithografie oder bei verschiedenen Analyseverfahren wie SEM, TEM oder FIB können magnetisierbare Komponenten störende Effekte nach sich ziehen. In solchen Fällen musste bisher auf Verbindungselemente aus Spezialwerkstoffen wie Titan zurückgegriffen werden. VACOM bietet neben vakuumtauglichen Schrauben aus Edelstahl AISI 304 und AISI 316 auch solche aus einem Edelstahl nach AISI 316L an. Die Zusammensetzung dieses speziellen Werkstoffs ist so gewählt, dass selbst eine starke Kaltverformung nur zu einer minimalen Erhöhung der magnetischen Permeabilität führt.

Vakuumtaugliche Schrauben aus Edelstahl 316L:
  • Mindestbruchgrenze 800 MPa
  • Magnetische Permeabilität µr < 1,008
  • Mit Entlüftungsbohrung
  • UHV-gerecht gereinigt und verpackt

Sauberkeitsanforderungen an vakuumtaugliche Schrauben

Sollten unerwünschte Verunreinigungen in zu hohen Konzentrationen vorhanden sein, kann es zu einem verringerten Leistungsvermögen führen. Die erforderliche Sauberkeit von Verbindungselementen wird durch eine geeignete Feinstreinigung erreicht. Im industriellen Maßstab haben sich ultraschallunterstützte Nassreinigungsprozesse mit tensidischem Reiniger und mehreren Spülstufen mit demineralisiertem Wasser etabliert. Damit werden die erforderlichen Sauberkeitsklassen prozesssicher und nachweisbar erreicht. In der Vakuumtechnik muss die oberflächenbezogene Ausgasrate der verwendeten Komponenten unterhalb 1·10-9 mbar·l·s-1·cm-2 liegen. Für UHV-Systeme sind Ausgasraten kleiner 110-12 mbar·l·s-1·cm-2 notwendig. In UCV-Anwendungen sind akkumulierte molekularen Kontaminationen mit Kohlenwasserstoffen von maximal 510-9 g/cm² erlaubt.

Unser Angebot:
  • Entlüftungsvarianten vakuumtauglicher Schrauben
  • Oberflächenbeschichtung vakuumtauglicher Schrauben
  • Schraubenvarianten
  • Vakuumtaugliche Schrauben mit geringer magnetischer Permeabilität

Oberflächenbeschichtung vakuumtauglicher Schrauben

Durch Beschichtungen werden definierte und reproduzierbare Reibungsverhältnisse in der Schraubenverbindung erreicht. Die Sauberkeitsanforderungen der Vakuumtechnik verbieten die Anwesenheit sonst üblicher Schmiermittel oder Schutzwachse an Verbindungselementen. Das führt zu völlig undefinierten Reibverhältnissen in den Schraubenverbindungen und erhöht die Gefahr einer Kaltverschweißung, des Festfressens der Gewinde, dramatisch.

Rostfreier Stahl ist der am häufigsten eingesetzte Werkstoff in der Vakuumtechnik. Er wird üblicherweise auch für vakuumtaugliche Schrauben verwendet. Alle Bestandteile der rostfreien Stähle haben einen geringen Dampfdruck. Der hohe Chromgehalt führt auf der Oberfläche zur Ausbildung einer Passivierungsschicht aus Chromoxid. Beim Herstellen der Schraubenverbindung können durch lokale, sehr hohe Flächenpressungen Risse in der Passivierungsschicht entstehen, wodurch zwischen beiden Gewinden eine atomare Bindung gebildet wird. Die Schraube ist mit dem Gegengewinde verschweißt.
    
Schraubenformen und BeschichtungenVakuumtauglichen Schrauben werden mit einer Silber- oder Goldbeschichtung versehen. Sie dienen als Sperrschicht zwischen Gewinden gleichartigen Werkstoffs und verringern die Reibung am Gewinde und unter dem Schraubenkopf. Die Gefahr einer Kaltverschweißung der Schraubenverbindung wird deutlich minimiert.

Schmierung vakuumtauglicher Schrauben
Wo Schrauben oft bewegt werden müssen, können Beschichtungen aus Molybdändisulfid MoS2 oder Wolframdisulfid WS2 eingesetzt werden. Die verschleißmindernden Festschmierstoffe sind im Maschinen- und Anlagenbau etabliert. Die Beschichtungen werden ohne die Verwendung von Pasten in Form von feinsten Partikeln auf die Oberfläche aufgebracht. Wegen der vergleichsweise schlechten Oberflächenhaftung ist die Entstehung von Partikeln bei diesen Beschichtungsvarianten besonders zu beachten.


Entlüftungsvarianten vakuumtauglicher Schrauben

Zentrische Entlüftungsbohrung
Schrauben mit zentrischen Entlüftungsbohrungen sind ein etablierter Standard zur Vermeidung von Gaseinschlüssen unterhalb der Schraube. Zur Verhinderung des Gaseinschlusses unter dem Schraubenkopf werden bei dieser Schraubenart Unterlegscheiben mit Entlüftungskerben benötigt. Durch die zentrische Bohrung kommt es zur Schwächung ihres Querschnitts, was sich insbesondere bei kleinen Schraubendurchmessern auf die mechanische Belastbarkeit auswirkt.

Verbindungselemente mit Längsschlitz
Ein seitlicher Längsschlitz an den Schrauben entlüftet die Volumina unterhalb der Schraube und des Schraubenkopfes gleichzeitig. Die Festigkeitsverringerung durch Querschnittsänderung ist wegen der Lage an der Außenseite des Bolzens vernachlässigbar. Die Überlagerung des Längsschlitzes mit den Gewindegängen führt zur Entstehung einer Vielzahl kleiner Kanten, die ein Festfressen der Schrauben begünstigen können. Der Einsatz vakuumtauglicher Schrauben mit Längsschlitz wird daher nur in einer beschichteten Variante empfohlen.

 


Vermeidung virtueller Lecks durch vakuumgerechte Gestaltung

Bei Aufbauten innerhalb einer Vakuumkammer sind Schrauben zur Herstellung wieder lösbarer Verbindungen unverzichtbar. Durch Oberflächenrauheit und Formabweichungen zwischen den Gewinden ergeben sich kleinste Spalte. Das unterhalb der Schrauben und im Schraubenkopf eingeschlossene Gas kann bei der Evakuierung nur schlecht entweichen. Solche virtuellen Lecks verlängern die Abpumpzeit der Vakuumkammer dramatisch. Wegen der geringen Größe der Spalte im Verhältnis zur Größe der Hohlräume (Verhältnis 1:1000 … 1:100000) ergibt sich ein stetiger Gasstrom aus den Hohlräumen. Dieser Gasstrom erscheint dem Vakuumtechniker wie ein echtes Porenleck. Das virtuelle Leck hat zur Folge, dass der angestrebte Arbeitsdruck erst nach sehr langer Zeit oder überhaupt nicht erreicht wird.

Virtuelle Lecks in Schraubenverbindungen werden durch Öffnungen zwischen den entstehenden Hohlräumen und der Vakuumumgebung vermieden. Vakuumtaugliche Schrauben sind zur prozesssicheren Evakuierung mit einer zentrischen Entlüftungsbohrung oder einem seitlichen Längsschlitz entlang des Gewindeschafts und unterhalb des Schraubenkopfes versehen. Die zum Einsatz kommenden vakuumtauglichen Unterlegscheiben besitzen Entlüftungskerben auf der Kreisringfläche. Die Größe dieser Entlüftungsöffnungen ist so gewählt, dass sich zwischen der Öffnung und dem Hohlraum ein Verhältnis der Größenordnung von 1:10 ergibt. Dadurch strömt das eingeschlossene Gas bereits während der Evakuierungsphase aus den Hohlräumen in die Vakuumkammer und wird mit abgepumpt. Die Performance der Vakuumanlage bleibt erhalten.


Experimentelle Untersuchungen virtueller Lecks

Beschreibung
Zur Ermittlung des Einflusses virtueller Lecks in Schraubenverbindungen auf die Vakuumperformanz einer Vakuumanlage wurden Versuche unter realistischen Bedingungen durchgeführt. Schraubenverbindungen wurden innerhalb einer Vakuumkammer untersucht. Unter sonst identischen Bedingungen wurde der Versuch einmal mit Schrauben ohne Entlüftungsöffnung und einmal mit Schrauben durchgeführt, die eine zentrische Entlüftungsbohrung mit einem Bohrungsdurchmesser von 1,8 mm besaßen.
Untersuchung
16 Schrauben M8 x 30mm wurden in je eine Sackgewindebohrung eines Testbauteils eingeschraubt. Das Testbauteil wurde in eine Vakuumkammer mit gut bekanntem Volumen und gut charakterisiertem Saugvermögen eingebracht. Die Vakuumkammer wurde evakuiert und die Abpumpkurve aufgezeichnet.
Experimentelle Erhebung
Die in einem Diagramm aufgezeichneten Abpumpkurven einer Vakuumkammer mit 16 innenliegenden Schraubenverbindungen einmal ohne Entlüftung und einmal mit zentrischen Entlüftungsbohrungen an den Schrauben, zeigten deutlich sichtbare Unterschiede im Verlauf.
Untersuchungsergebnis
Für die nicht vakuumgerechte Schraubenverbindung wurde aus der Differenz zwischen den beiden aufgezeichneten Abpumpkurven eine "virtuelle Leckrate" von rund 3E-7 mbar·l-1·s-1 ermittelt. Im Experimentellen Beispiel wird die Abpumpzeit mit einer vakuumgerechten Ausführung der Schraubenverbindungen um bis zu 60% verringert, der erreichte Basisdruck ist um 1E-7 mbar niedriger.
Zusammenfassung: Auswirkung virtueller Lecks
Nicht vakuumgerecht ausgeführte Schraubenverbindungen wirken sich dramatisch auf die Performanz von Vakuumanlagen aus. Bereits bei Anwendungen im Hochvakuum sollten Schraubenverbindungen vakuumgerecht ausgeführt werden, in der UHV-Technik ist es absolut unerlässlich. Die ermittelte „virtuelle Leckrate“ einer Schraubenverbindung ist im Vergleich zu spezifizierten Leckraten standardisierter Vakuumflanschverbindungen enorm groß. Eine nicht vakuumgerecht ausgeführte Schraubenverbindung erzeugt einen mehr als 300 Mal größeren Gasbeitrag als eine Elastomer-O-Ring-gedichtete Flanschverbindung und sogar einen mehr als 30.000 Mal größeren Gasbeitrag als eine metallisch gedichtete UHV-Flanschverbindung.


Mehrfachnutzung von vakuumtauglichen Schrauben

Wir empfehlen generell, vakuumtaugliche Verbindungselemente nach einmaligem Gebrauch zu ersetzen. Die mehrmalige Verwendung von Schrauben führt zu Verschleiß an den Gewindegängen. Dies generiert Partikel, die bei einer erneuten Verwendung Ausgangspunkt von Kaltverschweißung sein können. Silber- oder Goldbeschichtungen an Schrauben werden bei der ersten Verwendung an den stark beanspruchten Stellen abgerieben. Bei einer weiteren Verwendung ist der Schutz durch die Beschichtung nicht mehr gewährleistet. Bei der Verwendung vakuumtauglicher Schrauben mit einer Beschichtung aus MoS2 oder WS2 ist die Entstehung von Partikeln unvermeidlich.


Produktbeispiele

    Zylinderschrauben mit Innensechskant ISO4762, mit Entlüftungsbohrung, vergoldet, M6 | Order no: 358138
    Federring (mit Entlüftung), ISO7980 / DIN127B | Order no: 409781
    Sechskantmuttern ISO 4032, ohne Entlüftung | Order no: 409786
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