Unsere Prozesse

 

ALD – High-Tech Lösungen für Metalle unter Vakuum

Was haben Vakuum und Metalle gemeinsam?

Metalle können unter Vakuum mit höherer Reinheit und Qualität hergestellt werden. ALD ist einer der führenden Anbieter von Vakuumöfen und Vakuumprozessen. Wir sind in allen Bereichen der Vakuum-Metallurgie und Vakuum-Wärmebehandlung mit High-Tech-Produkten und Dienstleistungen tätig. Der Einsatz dieser Metallerzeugungsprozesse in modernen, effizient arbeitenden Produktionssystemen reduziert die Kosten erheblich. Das Recycling von Rückständen aus der Verarbeitung teurer Materialien trägt zur Wirtschaftlichkeit bei.

Primäres & Sekundäres Schmelzen

Vakuuminduktionsschmelzen

Das Vakuuminduktionsschmelzen (VIM) ist eines der am häufigsten angewendeten Verfahren in der Sekundärmetallurgie, das für die Raffinationsbehandlung im flüssigen Zustand und für die Einstellung der chemischen Zusammensetzung und der Temperatur angewendet wird.

Vakuuminduktionsschmelzen ist unverzichtbar bei der Herstellung von speziellen Legierungen, die aufgrund ihrer Reaktivität mit Luftsauerstoff unter Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre geschmolzen werden müssen.

Typische Märkte für VIM-Produkte sind die Luftfahrtindustrie, Hochtemperaturlegierungen (Superlegierungen), elektronische Anwendungen und Spezialstähle.

 

Remelting

Das Elektronenstrahlschmelzen ist von großer Bedeutung beim Schmelzen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt (Ta, Nb, Hf) und reaktiven Metallen (Ti, V, Zr). Der Schmelzprozess erfolgt unter Hochvakuum in keramischen Tiegeln mit Hochleistungs-Elektronenstrahlkanonen als flexibelste Energiequelle. Seine Raffinationsfähigkeit macht den Elektronenstrahlschmelzprozess ideal für die Herstellung von elektronischem Material höchster Reinheit wie Sputtertargets, aber auch für die Massenproduktion von Titan durch Elektronenstrahl-Kaltherstellungsverfeinerung. Dieses Verfahren ermöglicht die Wiederverwendung von Titanschrott beim Umschmelzen von Material für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ohne Kontaminationsrisiko.

Elektroschlacke-Umschmelzen (ESR) und Vakuum-Lichtbogenumschmelzen (VAR) werden weitverbreitet für eine verbesserte Verfeinerung und kontrollierte Erstarrungsstruktur von gegossenen Barren verwendet.

Die ESR-Technologie wird für die Herstellung von Ingots mit geringerem Gewicht von Werkzeugstählen und Superlegierungen, aber auch von schweren Schmiedeblöcken bis zu einem Barrengewicht von 200 Tonnen verwendet. Besonderes Merkmal des ESR-Prozesses ist die Möglichkeit Rund- oder Vierkantbarren, aber auch rechteckige Brammen herzustellen.

Im Allgemeinen bietet das ESR-Verfahren eine sehr hohe, konsistente und vorhersehbare Produktqualität. Fein kontrollierte Erstarrung verbessert die Festigkeit und strukturelle Integrität. Aus diesem Grund wird ESR als die bevorzugte Produktionsmethode für Hochleistungs-Superlegierungen angesehen, die heute in Industrien wie Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik zum Einsatz kommen. Weitere wichtige Anwendungsgebiete sind Werkzeug- und Gesenkstähle, elektronische Anwendungen, Wehr- und Ingenieurstähle.

VAR wird häufig verwendet, um die Reinheit zu verbessern und die Struktur von Standard-Luftschmelz- oder Vakuuminduktionsschmelzblöcken, die dann als verbrauchbare Elektroden bezeichnet werden, zu verfeinern. VAR-Stähle und Superlegierungen sowie Titan und Zirkonium und seine Legierungen werden in einer Vielzahl von Hochintegritätsanwendungen verwendet, bei denen Reinheit, Homogenität, verbesserte Ermüdung und Bruchzähigkeit des Endprodukts wesentlich sind. Die Luft- und Raumfahrt-, Energieerzeugungs-, Verteidigungs-, Medizin- und Nuklearindustrie verlässt sich auf die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit dieser fortschrittlichen umgeschmolzenen Materialien.

 

Vakuum Präzisionsgießen

Die Mehrzahl der Vakuum-Feingussteile wie Turbinenschaufeln für die Flugzeug- und Industriegasturbinen werden aus Ni-Basis-Superlegierungen hergestellt und in einem Vakuum-Induktionsschmelz- und Feingussofen hergestellt. In Vakuum-Feingussöfen wird vorlegiertes Material induktiv geschmolzen und dann in eine keramische Form gegossen. Die Erstarrungsstruktur des Gussteils kann ungerichtet (E) (unkontrolliert von außen nach innen) oder unter Verwendung eines zusätzlichen Formheizelements gerichtet erstarrt (DS) oder einkristallin (SC) sein.

Die DS / SC-Komponenten haben eine erhöhte Festigkeit bei hohen Temperaturen in der Nähe der Schmelztemperatur der Legierungen.

Eine Verbesserung der Erstarrungsbedingungen für große DS / SC-Komponenten wird durch den Flüssigmetallkühlprozess (Liquid Metal Cooling, LMC) erreicht. Bei dem LMC-Verfahren wird die Form zur Erstarrung der Komponenten in ein flüssiges Zinnbad eingetaucht. Die Wärmeabfuhr aus dem Bauteil basiert auf Wärmeleitung und Konvektion, was deutlich besser ist als die Strahlungswärmeabfuhr des konventionellen DS / SC-Prozesses. Größere Temperaturgradienten sind besonders wichtig für die Herstellung von großen DS / SC-Teilen, z.B. für Turbinenlaufschaufeln für stationäre Gasturbinen.

 

Schmelzen und Gießen im Kaltwandtinduktionstiegel

Wenn reaktive Materialien wie Titan, Zirkon oder intermetallische Legierungen und Hochtemperaturwerkstoffe mit strengen Anforderungen an Sauberkeit und Sicherheit geschmolzen werden sollen, wird ein wassergekühlter Kupfertiegel verwendet anstelle eines konventionellen Keramiktiegels.

  • Der Kupfertiegel vermeidet Verunreinigung der Schmelze;
  • Elektromagnetisches Rühren der Schmelze sorgt für eine hervorragende thermische und chemische Homogenität der Schmelze.

Der Kaltwandinduktionstiegel besteht aus mehreren wassergekühlten Kupfersegmenten, die es dem Induktionsfeld ermöglichen, in das Schmelzmaterial einzukoppeln und aufzuheizen. Das Induktionsfeld erzeugt während der gesamten Schmelzzeit eine starke Durchmischung der Schmelze mit ausgezeichneter chemischer und thermischer Homogenität.

 

Beschichtung thermischer Barrieren

Wärmedämmschichten (Thermal Barrier Coatings – TBC) mit Schichtdicken von bis zu 150 μm werden in allen modernen Flugzeugtriebwerken zum Schutz von Turbinenschaufeln in der heißesten Zone eines Triebwerks eingesetzt. Derzeitiger Industriestandard sind Keramikbeschichtungen mit Zirkoniumdioxid (ZrO2), partiell stabilisiert mit Yttriumoxid (z.B. 7YSZ).

Elektronenstrahl-Verdampfung (EB-PVD) ist  eine hervorragende Kombination von Technologie und Kosteneffizienz für solche Anwendungen. Eine hohe Produktivität wird durch ein großes Vorratsmagazin in der Beschichtungskammer erreicht. Dies macht Produktionszeiten von mehreren Tagen möglich, bevor das Belüften der Beschichtungskammer erforderlich ist und neues Beschichtungsmaterial in die Beschichtungsanlage eingebracht werden muss. Programmierbare Substratbewegung mit winkelabhängiger Drehzahl der Teile während der Beschichtung ermöglicht bei komplexen Bauteilgeometrien eine kontrollierbare Dickenverteilung. Die konstante Verdampfung in Bezug auf die Dicke der Beschichtung und die Substrattemperatur wird durch das Ablenkungssteuerungssystem ESCOSYS © aufrechterhalten. TBCs, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, sind durch Verwendung einer Multi-Ingot-Option möglich. Für einen maximalen Durchsatz können bis zu vier Be- und Entladestationen in der Beschichtungsanlage verwendet werden.

 

 

Inertgaszerstäubung

Das Induktionsschmelzen von metallischen Rohstoffen und Legierungen im Vakuum oder in einer kontrollierten Inertgasatmosphäre in Kombination mit einer nachfolgenden Inertgasverdüsung des geschmolzenen Metalls ist das führende Verfahren zur Herstellung großer Mengen an hochwertigen und kugelförmigen Metallpulvern. Beim Inertgasverdüsungsprozess fließt eine Metallschmelze durch ein Hochdruck-Inertgas, das den geschmolzenen Metallstrom in Tröpfchen zerstäubt, die im Flug zu kugelförmigen Pulverpartikeln erstarren. Dieses Verfahren ermöglicht die kostengünstige und zuverlässige Herstellung von Metallpulvern mit spezifischen Qualitätskriterien wie kugelförmiger Pulvermorphologie, gute Fließeigenschaften, definierter Partikelgröße, niedrigen Sauerstoff- und Stickstoffkonzentrationen und hoher Reinheit. Die hergestellten Pulver werden als Rohstoffe für 3D-Metalldruck-, AM-, MIM- und HIP-Prozesse verwendet und zu Bauteilen und Beschichtungen verarbeitet und finden ein großes Anwendungsspektrum in der Luftfahrt-, Automobil-, Medizin-, Elektronik- , Werkzeug- und Konsumgüterindustrie. ALD bietet verschiedene kombinierte Schmelz- und Verdüsungssysteme mit unterschiedlichen Schmelzkonfigurationen an, um eine Vielzahl von spezifischen Materialanforderungen zu erfüllen. Die Anlagen gestatten die Herstellung vieler verschiedener Metallpulver, wie Ni/Fe/Co/Cr-Legierungspulver, Edelmetall-Legierungspulver sowie hochschmelzend und reaktive Metallpulver.

Siliziumschmelzen & Kristallisation (SCU)

Die Herstellung von multi- und monokristallinen Siliziumingots durch Schmelzen von reinem Silizium und nachfolgend gerichteter Erstarrung (Directional Silicon Solidification – DSS) der Siliziumschmelze ist ein Schlüsselelement in der Produktionskette von Solarzellen und -modulen. Der DSS-Prozess wirkt sich direkt auf die erzielbaren Zell- und Modulwirkungsgrade aus und bestimmt damit bis zu einem gewissen Grad die Kostenstruktur bei der Herstellung von Solarzellen und -modulen.

Bei diesem Verfahren wird das Siliziumeinsatzmaterial bei Temperaturen bis zu 1500 ° C in einem SiN-beschichteten Quarz-Tiegel geschmolzen, der von einer wärmeisolierten Heizzone aus Graphitfilz umgeben ist. Anschließend wird im gleichen Tiegel eine kontrollierte Siliziumkristallisation eingeleitet, indem die Wärmedämmung am Heizzonenboden geöffnet und gleichzeitig der Tiegelboden durch eine unterhalb der Heizzone angeordnete Kühlvorrichtung gekühlt wird. Der Siliziumingot wird mittels eines gleichmäßig gerichteten Erstarrungsprozesses hergestellt. An die Kristallisation schließt sich ein Glüh- und Abkühlprozess unter inerten Bedingungen an.

SCU-Systeme (Silicon Crystallization Unit) der ALD gehören zu den renomiertesten DSS-Ofentypen und werden weltweit für die Herstellung von Siliziumblöcken der Generationen 5 bis 8 eingesetzt. Das SCU-Ofendesign erfüllt vollständig die Anforderungen für eine kosteneffiziente Herstellung von Silizium-Ingots und ist anderen Anlagen hinsichtlich der resultierenden Ingotqualität, Produktivität und Betriebskosten überlegen.

 

Sonderanlagen

Induktionsbeheizte Quarzrohr-Anlage (IWQ)

IWQ-Öfen werden zum Erhitzen und Behandeln einer Vielzahl verschiedener Materialien, wie Metalle, Metalllegierungen und Gläser, bei hohen Temperaturen im Vakuum oder in kontrollierter inerter oder reaktiver Atmosphäre eingesetzt. Im IWQ-Prozess wird Energie entweder über einen Suszeptor oder direkt über den Ladungsträger induktiv in das Einsatzmaterial eingekoppelt. Die Rohstoffe werden von den Heizelementen isoliert und in reinen Atmosphären verarbeitet. Daher haben die in einem IWQ-Ofen hergestellten Materialien einen hohen Reinheitsgrad, da keine chemische Wechselwirkung zwischen der Induktionsheizquelle und dem zu verarbeitenden Material besteht. IWQ-Öfen sind modular aufgebaut und können für viele spezielle Anwendungen wie Wärmebehandlung, Sintern, Metalldestillation und dem Metallrecycling sowie Verglasungsprozessen eingesetzt werden.

Hochtemperatur widerstandsbeheizte Vakuumanlage (WI)

WI-Öfen werden für spezielle Hochtemperaturprozesse in der Industrie und Forschung, wie zum Beispiel Vakuumglühen, Entgasen und Raffinieren, Metall- und Keramiksintern, Vakuum- und Aktivmetallhartlöten und Vakuummaterialprüfung, mit außergewöhnlichen Anforderungen an das Vakuumniveau eingesetzt. Der WI-Prozess verwendet Widerstandsheizelemente, die die Wärme gleichmäßig in die zu verarbeitenden Materialien übertragen und eine gleichmäßige Wärme- und Temperaturverteilung in der Behandlungskammer ermöglichen. WI-Öfen sind mit Diffusionspumpen oder Turbomolekularpumpen ausgestattet, um ein Vakuum von weniger als 1 x 10-7 mbar zu erreichen. Je nach Anwendung und Materialanforderungen können sowohl Vakuum als auch inerte, oxidierende oder reduzierende Prozessatmospähren zum Einsatz kommen.

Vakuum Glas Umforgungsanlagen (TMS)

TMS-Öfen werden für die thermische Bearbeitung und Formgebung von Gläsern und Glasplatten eingesetzt. Im TMS-Verfahren werden zunächst die als Rohstoff eingesetzten Gläser mittels einer Widerstandsheizung über die Glastemperatur erhitzt. Dann wird der weiche und zähflüssige Glaskörper durch einen Vakuum-Tiefziehprozess unter Verwendung spezieller Formen geformt. Individuell gestaltete Glasprodukte, Oberflächen und Gehäuse, die mit TMS-Öfen hergestellt werden, können in Verbraucherartikeln wie Smartphones oder Tablet-, PC- und TV-Monitoren und vielen weiteren Anwendungen eingesetzt werden.

Heißisothermische Schmiedeanlagen (HIF)

Rotationssymetrische Turbinenteile aus Superlegierungen und Titanlegierungen, die bei hohen Temperaturen eine hohe Festigkeit beibehalten müssen, werden üblicherweise durch Hot Isothermal Forging (HIF) hergestellt. Hot Isothermal Forging hat sich in den letzten Jahren zu einem wichtigen – und für viele Anwendungen unverzichtbaren – Verfahren zur Herstellung hochwertiger „near net shape“ – Teile entwickelt.

HIF Systeme von ALD

  • Multizonen-Werkstückheizung
  • Multizonen Gesenkheizung
  • Mikroprozessor-Temperaturregelung
  • Manipulator-Vakuumtunnel
  • Mehrachsiger Teilemanipulator
  • Prozessdokumentation

Near Net Shape Schmieden unter Vakuum

Voraussetzung für eine solche metallurgische Materialkonsistenz ist die superplastische Verformung, die durch extrem niedrige Verformungsraten in einem engen Temperaturband erreicht werden kann. Erfolgt das Schmieden unter superplastischen Bedingungen unter Einhaltung bestimmter Parameter, treten nur geringe Spannungen im Werkstück auf und die Korngröße bleibt nahezu unverändert. Ein weiterer Vorteil dieses Verformungsverfahrens ist das „Near-Net-Shape“ -Potential und die damit verbundenen Materialeinsparungen sowie ein stark reduzierter Nachbearbeitungsbedarf.

 

Vakuum-Wärmbehandlung

 Allgemeines

Durch Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen unter Vakuumatmosphäre lassen sich Oberflächenreaktionen, z.B. Oxidation bzw. Entkohlung der Bauteile vermeiden. Es erweist sich, dass bereits bei einem Vakuum im Bereich 10-2 – 10-3 mbar eine Atmosphärenqualität vorliegt, die mit der industrieller Schutzgasen vergleichbar ist. Vakuum ist daher zunächst einmal die Möglichkeit, auf einfache und wirtschaftliche Art und Weise eine Schutzgasatmosphäre herzustellen.

Glühen

Das Vakuumglühen wird eingesetzt, um gezielt Materialeigenschaften bei metallischen Werkstoffen einzustellen, ohne dass es dabei zu unerwünschten Reaktionen mit der Bauteiloberfläche kommt. Die Bauteile werden dabei in der Regel langsam auf Glühtemperatur erwärmt und dort über einen gewissen Zeitraum, abhängig vom Werkstoff und der Geometrie, gehalten. Danach werden die Bauteile auf Raumtemperatur abgekühlt. Beispiele für Glühbehandlungen im Vakuum sind:

  • Wasserstoff-Entgasungsglühen
  • Normalglühen
  • Weichglühen
  • Spannungsarmglühen
  • Entmagnetisierungsglühen
  • Blank-/Lösungsglühen

Vergüten

Beim Vergüten im Vakuum werden die Werkstücke verschiedensten Temperatur/Zeitfolgen unterworfen mit dem Ziel, Gefügeänderungen zu bewirken, die zu verbesserten Eigenschaften der Werkstücke führen, im Allgemeinen zu einer Härtesteigerung. Dazu werden die Bauteile in einer oder in mehreren Stufen auf Austenitisierungstemperatur erwärmt und dann mit hoher Geschwindigkeit abgeschreckt, um durch die Umwandlung von Austenit in Martensit die gewünschte Härtesteigerung zu erzielen. Die Abschreckung erfolgt in der Regel mit Gasen wie Stickstoff, Argon bzw. Helium und einem Druck bis zu 20 bar. Nach dem Härten werden die Bauteile in Vakuum- oder Schutzgasanlagen ein- oder mehrfach angelassen um das gewünschte Festigkeits/Zähigkeitsverhalten einzustellen.

Einsatzhärten im Vakuum

Ziel des Einsatzhärtens im Vakuum ist es ein Bauteil mit festem, zähen Kern und harter verschleißfester Oberfläche zu erzeugen. Es wird angewendet um die Dauerfestigkeit von dynamisch belasteten Bauteilen zu erhöhen.

Niederdruckaufkohlung

Das Einsatzhärten durch Niederdruckaufkohlung mit anschließender Hochdruck-Gasabschreckung stellt eine innovative Wärmebehandlungstechnologie zur Randschichthärtung metallischer Bauteile dar und findet im gesamten Bereich des Maschinenbaus, insbesondere in der Automobiltechnik ein breites Anwendungsfeld. Dieses Einsatzhärtungsverfahren wird unter Ausschluss von Sauerstoff bei Drücken zwischen 5mbar und 15mbar sowie Temperaturen zwischen 870°C und 1050°C durchgeführt. Als Kohlenstoffspender werden sauerstofffreie Kohlenwasserstoffe wie Azetylen C2H2 und vereinzelt auch Propan C3H8 verwendet.

Die Niederdruckaufkohlung weist folgende Vorteile auf:

  • hoher Kohlenstoffmassenstrom, d.h. kurze Aufkohlungsdauer
  • randoxidationsfreie Bauteiloberfläche, d.h. höhere Bauteilqualität
  • hohe Aufkohlungsgleichmäßigkeit
  • hohe Aufkohlungstemperaturen möglich
  • niedr. Energieverbrauch, da keine Konditionierung erforderlich
  • geringe thermische und gasförmige Emissionen
  • einfache Prozesssteuerung
  • niedriger Gasverbrauch
  • fertigungsintegrierbar

Kohlenstoffübergang und –diffusion bei der Niederdruckaufkohlung lassen sich mit Hilfe einer kommerziell verfügbaren Software simulieren.

Hochdruck-Gasabschreckung

Bei der Hochdruck-Gasabschreckung werden die zuvor austenitisierten bzw. thermochemisch behandelten Bauteile mit Hilfe eines inerten Gasstroms im Druckbereich zwischen 2bar und 20bar abgeschreckt.  Die Hochdruck-Gasabschreckung gilt als umweltfreundliches und verzugsarmes Abschreckverfahren im Vergleich zur Flüssigabschreckung wie Öl-, Polymer- oder Wasserabschreckung.

Durch die Steigerung des Gasdruckes und der Gasgeschwindigkeit sowie durch Entwicklung separater Abschreckkammern, sogenannter „kalter Kammern“, konnte sich die Hochdruck-Gasabschreckung inzwischen auch etablieren zur Härtung von niedriglegierten Einsatzstählen und Vergütungsstählen.

Die „trockene“ Gasabschreckung weist im Vergleich zur Flüssigabschreckung folgende Vorteile auf:

    • Abschreckintensität über Gasdruck und Gasgeschwindigkeit steuerbar
    • saubere Bauteiloberflächen nach der Wärmebehandlung, somit ist das Waschen der Bauteile nicht erforderlich
    • Umweltfreundlichkeit (keine Entsorgung von Öl- / Salzbad- / Waschmittelrückständen),
    • Potential zur Reduzierung der während der Wärmebehandlung induzierten Maß- und Formänderungen („Verzüge“)
    • Integrierbarkeit in die Fertigungslinie

Vakuumlöten

Das Hochtemperaturlöten ist eine Fügetechnik, die es ermöglicht, bei einer lötgerechten Werkstoffauswahl und Konstruktion Verbindungen zu schaffen, die mechanisch und chemisch grundwerkstoffähnliche Eigenschaften aufweisen. Sie findet insbesondere in der Kälte- und Klimatechnik sowie in vielen Bereichen der Verkehrs-, Energie- und Verfahrenstechnik Anwendung.

Beim Hochtemperaturlöten wird bei einer Temperatur von mehr als 900°C flussmittelfrei das Lot aufgeschmolzen wobei der Grundwerkstoff fest bleibt. Es entsteht eine feste metallische Verbindung, deren Eigenschaften durch den Prozess

beeinflusst werden können. Große und formkomplizierte Bauteile und kleinere Stückzahlen werden in Vakuumeinkammeranlagen hochtemperaturgelötet.

Das Löten im Vakuum (10-1-10-6 mbar) bietet eine Reihe von Vorteilen:

  • kein Wiederoxidieren der beim Erwärmen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen Oxid und Metall aufgerissenen Oxidschichten
  • gute Benetzung durch Reduktion von Metalloxiden bei hohen Temperaturen im Vakuum
  • Vermeidung von Gaseinschlüssen im Lötspalt
  • spaltfreie, hochfeste Verbindungen

Vakuumsintern unter Druck

In der Pulvermetallurgie werden in einem mehrstufigen Verfahren feste, feinkörnige Halbzeug- oder Fertigteile hergestellt. Metallpulver wird in Formwerkzeugen oder Pressen mechanisch zu sogenannten „Grünlingen“ verdichtet. Beim nachfolgenden Überdrucksintern wird im ersten Prozessschritt, dem sogenannten Entwachsen, das Presshilfsmittel im Unterdruck oder unter strömenden Wasserstoff aus den Grünlingen entfernt. Danach schließt sich der Vakuumsinterprozess im Temperaturbereich zwischen 1400° und 1500°C an. Nach dem Vakuumsintern erfolgt auf gleichem Temperaturniveau der eigentliche Überdrucksintervorgang mit einem Prozessdruck von z.B. 60 bzw. 100 bar unter Argon. Abschließend wird die Hartmetallcharge unter umgewälztem Argon auf Entnahmetemperatur abgekühlt.

Moderne Überdruck-Sinteranlagen mit integriertem Entwachsungssystem und Gasschnellkühlsystem sind so gestaltet, dass sämtliche Prozessschritte in einer Kammer durchgeführt werden. Dies führt zu einer außerordentlich hohen Wirtschaftlichkeit verbunden mit optimalen Hartmetalleigenschaften bezüglich Homogenität, Zähigkeit, Härte, Porosität und magnetischer Sättigung.