Bevezetés Módosított atmoszféra laboratóriumi és ipari kemencékben
Módosított atmoszféra létrehozása laboratóriumi vagy ipari kemencében/melegítőszekrényben tömített kamrában lévő atmoszféra megváltoztatását jelenti egy adott eljáráshoz ideális körülmények elérése érdekében.
A módosított atmoszférának több különböző típusa van, ezek tulajdonságai határozzák meg adott alkalmazásban történő felhasználhatóságukat. A módosított atmoszférák többsége a három inert, reaktív vagy vákuum csoport egyikébe sorolható.
Az alábbiak bemutatják a módosított atmoszférák különböző típusait, létrehozásuk módját, a Carbolite Gero cég termékeit ill. tipikus alkalmazásait és a gyakran feltett vonatkozó kérdéseket.
A Carbolite Gero termékeket általában levegő alatt használják, ám némelyikük néhány kiegészítő berendezéssel módosított atmoszférájúvá alakítható. A levegő oxigéntartalma miatt ugyanis a minta oxidálódhat, ami néhány alkalmazásban nem mindig kívánatos.
| N2 | nitrogén | 78.08% |
| O2 | oxigén | 20.95% |
| Ar | argon | 0.93% |
| CO2 | széndioxid | 0.038% |
| egyéb gázok | 0.002% |
Az anyagok módosított atmoszférában történő hőkezelése ellenőrzött megmunkálási körülményt, jobb ismételhetőséget és egyértelműbb eredményeket biztosít.
A kezelendő anyag és a kívánt környezet típusától függően az alkalmazott módosított atmoszféra a hőkezelés során megvédheti a mintát az oxidálódástól vagy aktívan segíthet reakciókat. Inert gázok, pl. argon (Ar) vagy nitrogén (N2), és redukáló gázok, pl. hidrogén (H2) használhatók oxidáció megakadályozására, míg oxidáló gázok, pl. oxigén (O2) vagy dinitrogén-oxid (N2O) annak elősegítésére.
Az atmoszféra megválasztása teljesen a hőkezelési eljárás követelményeitől függ.
A Carbolite Gero cég általában nitrogént vagy argont használ inert atmoszféra létrehozásához a készülékekben.
A nitrogén tipikusan inert gáznak tekinthető 1800°C alatti hőmérsékletű alkalmazásokhoz. Kiszorítja az oxigént, ezért használata ideális olyan alkalmazásokban, ahol az oxidáció nemkívánatos.
A nitrogén azonban nem "nemes" gáz, bizonyos körülmények között képes oxigénnel reagálni és ekkor nitrogén-monoxid (NO) és nitrogén-dioxid (NO2) képződhet. Ezeket összesítve NOx gázoknak is nevezik ("x" jelöli a molekulában lévő oxigénatomok számát).
Inert atmoszféra követelménye esetén a nitrogén a gazdaságos választás az argonnal szemben, feltéve, hogy a hőkezelendő anyag (vagy bármely más további mellékterméke) nem reagál vele.
Az argon tökéletesen inert “nemes” gáz, nem reagál a vele érintkező egyik anyaggal sem. Kiszorítja az oxigént, ezért használata ideális olyan alkalmazásokban, ahol az oxidáció nemkívánatos.
Az argon ugyan jóval drágább a nitrogénnél, de megvan az az előnye, hogy reakció veszélye nélkül alkalmazható 1800°C fölötti hőmérsékleteken.
A Carbolite Gero kemencék kialakíthatók különböző reaktív gázok, pl. hidrogén (H2), szénmonoxid (CO), ammónia (NH3), metán (CH4), stb. használatához. Ezek közül a leggyakrabban használt a hidrogén.
A hidrogénnek csak egyetlen elektronja van, ami rendkívül reaktívvá teszi. Felhasználható más anyagokkal reagáló és lebontó redukáló gázként, pl. fémek oxidjaival reagáló és azokat eltávolító anyagként.
Öngyulladási hőmérséklete 500°C (932°F) körül van, ezért használatakor fontos a megfelelő biztonsági előírások betartása. A hidrogénnek a kemence tartályába történő bevezetése előtt a levegőt előbb el kell távolítani onnan; ezt rendszerint inert gázzal történő átöblítéssel érik el. Ezután a tartályt az öngyulladási hőmérséklet fölé kell melegíteni, ami biztosítja, hogy a hidrogén kontrollált módon égjen el.
A hidrogén tulajdonságait igénylő alacsonyabb hőmérsékletű eljárásokhoz használható a kevésbé reaktív formálógáz. Az egyik tipikus formálógáz a hidrogént legfeljebb 5%-ban tartalmazó nitrogén/hidrogén gázkeverék. Ilyen alacsony koncentrációkban a hidrogén jellemzően nem robbanásveszélyes.
Több, mint 5% hidrogént tartalmazó gázokkal való munka során biztonsági gázrendszer szükséges a robbanás elleni védelemhez.
Reaktív gázok használatakor fontos ismerni az adott gáz alsó (LEL: lower explosion limit) és felső (UEL: upper explosion limit) robbanási határértékét. A LEL érték a gáz vagy gőz azon minimális koncentrációja, melynél már képes belobbanni vagy meggyulladni, ha tűzforrással érintkezik, az UEL érték viszont az a maximális koncentráció, melynél még képes meggyulladni a gáz. A felső robbanási határtértéknél nagyobb koncentrációk már túl nagyok, a gáz már nem képes égni.
Hidrogén robbanási tartománya
Két fő módszer létezik a laboratóriumi és ipari kemencék/melegítőszekrények tömített kamrája módosított atmoszférája létrehozására: az “átöblítés” vagy a “leszívás és visszatöltés”. Mindkét módszer nagyon alacsony oxigénszintet eredményez, bár a “leszívás és visszatöltés” általában sokkal tisztább atmoszférát. A módosított atmoszféra létrehozása eljárását “atmoszféracsere” névvel is illetik.
Az átöblítés módszer inert gáz gáztömített tartályba történő áramoltatását jelenti, hogy az kiszorítsa és eltávolítsa az oxigént onnan. A tartály felületén lévő (adszorbeált) vizet viszont nem távolítja el az átöblítés. A módszer olyan módosított atmoszférát eredményez, amely sok alkalmazásban elfogadható. Két különböző gázáramlási sebességre is lehet szükség; nagy áramlási sebesség az átöblítés kezdetén a lehető legalacsonyabb oxigénszint eléréséhez, majd kisebb a kívánt gázkoncentráció fenntartásához a tartályban. A Carbolite Gero HTMA melegítőszekrények ezen elv alapján működnek.
Kattintson ide a videó letöltéséhez!
A “leszívás és visszatöltés” eljárás két lépésből áll. Az első lépésben van szükség vákuumszivattyúra a tartály leszívásához és a lehető legtöbb levegő és abszorbeált víz eltávolításához. Ezt követi azután a “visszatöltés” művelete, mely során inert gázt vezetnek be, hogy az minden maradék elemet vagy vegyületet kiszorítson onnan. Ezt az eljárást addig ismétlik, míg a tartályban el nem érik a kívánt atmoszférát. Ha gáztömített a tartály, akkor ezzel a módszerrel gyorsan tisztább módosított atmoszférát lehet létrehozni. A leszívás és visszatöltés módszer ideális, ha a hőkezelendő minták pórusos szerkezetűek, mivel a vákuumszivattyú képes eltávolítani a levegőt olyan helyekről is, melyekbe csapdázódva az megmaradna, ha csak átöblítést alkalmaznának.
Leszívás és visszatöltés csak szobahőmérsékletű tartályban végezhető. Magasabb hőmérsékleten végzett ilyen művelet esetleg károsítaná a vákuumszivattyút.
Kattintson ide a videó letöltéséhez!
A – Tartály átöblítése N2 gázzal 40 l/h (óránként 10x kemencetérfogat) áramlási sebességgel
B – Tartály átöblítése N2 gázzal 400 l/h (óránként 100x kemencetérfogat) áramlási sebességgel
C – Tartály leszívása és visszatöltése N2 gázzal
Inert és reaktív módosított atmoszférán túl a kemencében/hőszekrényben létrehozott vákuumban is végezhető a minták hőkezelése - anélkül tehát, hogy bármiféle gázt vezetnénk a tömített tartályba. Vákuumszivattyú használata még azzal a további előnyével is jár, hogy eltávolítható a nemkívánatos levegő és egyéb molekula a pórusos anyagokból.
Fontos megjegyezni, hogy - hacsak nem kifejezetten erre a célra alakították ki őket - a még forró állapotú tömített tartályokat nem szabad leszívni vákuumszivattyúval. Az atmoszférikus nyomás változása és a hőmérsékletemelkedés miatti anyagszilárdság csökkenése együtt összeroppanthatja a tartályokat - különösen a szögletes kialakításúakat.
A használt vákuumszivattyú típusától függően különböző vákuumszintek érhetők el:
Nyomás (mbar) | Típus | |
| Durva vákuum | 1000 - 1 | Forgó csúszólapátos vákuumszivattyú |
| Finom vákuum | 1 - 10-3 | Forgódugattyús (roots) vákuumszivattyú |
| Nagy vákuum | 10-3 - 10-7 | Turbomolekuláris vákuumszivattyú |
| Ultra-nagy vákuum | < 10-7 | Turbomolekuláris vákuumszivattyú |
Egyéb más (olajdiffúziós, krio-, ion getter, stb.) vákuumszivattyúk kérésre beszerezhetők.
Megjegyzés: Durva és finom vákuum tartományban szívásssebességgel nem rendelkező (pl. turbomolekuláris és olajdiffúziós) vákuumszivattyúkat elővákuum (pl. forgó csúszólapátos) szivattyúval kombinálva kell használni.
Forgó csúszólapátos vákuumszivattyú
Forgódugattyús (roots) vákuumszivattyú
Turbomolekuláris vákuumszivattyú
A speciális kialakítású, hengeres retorta magasabb hőmérsékleteken is megengedi vákuum alkalmazását, ám a megnövekedett feszültség miatt minél nagyobb a retorta, annál alacsonyabb a maximális működési hőmérséklet.
A beszerezhető vákuumkemencés megoldásokról további információk találhatók a Carbolite Gero cég GPCMA és GLO kemencéi termékismertetőiben.
Vákuumos Carbolite Gero retorta
Jóllehet a módosított atmoszféra alatt működő tartályok többsége a kemencekamrába van elhelyezve, a fűtőelemek és a szigetelés azonban a retortán kívül van, a "hideg falú" (“cold wall”) vákuum kemencék azonban a tartályon belül tartalmazzák magukat a fűtőelemeket és a szigetelést is. A szigetelés behelyezése biztosítja, hogy a tartály külső fala hideg marad, segítve így a tartály szerkezeti stabilitását és lehetővé téve a vákuum alatti működést magasabb hőmérsékleteken is. Ezek a speciális kialakítású kemencék beszerezhetők vízhűtéssel is, ami tovább biztosítja a hideg külső felület fenntartását.
A tartály leszívása csökkenti a benne lévő atomok és molekulák számát. Tökéletes vákuum nem érhető el, a részecsék száma soha nem lesz nulla. <10-7 mbar vákuumszinten még <109 darab részecske van egy cm3-ben.
Az alábbi táblázat mutatja a részecskék számát 1cm3 -ben. Az átlagos szabad úthossz (λ) a részecske által a többi részecskével való ütközések között megtett átlagos távolság. Minél nagyobb ez a távolság, annál kevesebb részecske van jelen valószínűleg. A λ értéke függ a vákuum (nyomás) szintjétől.
| Durva vákuum | Finom vákuum | Nagy vákuum | Ultra-nagy vákuum | |
| Nyomás (mbar) | 1000-1 | 1 – 10-3 | 10-3 – 10-7 | < 10-7 |
| Részecskeszám / cm3 | 1019 – 1016 | 1016 – 1013 | 1013 – 109 | <109 |
| Átlagos szabad úthossz (λ) | < 100 µm | 100 µm – 100 mm | 100 mm – 1 km | > 1 km |
Az alábbi táblázat mutatja a nyomás különböző mértékegységeit. Az SI rendszerben pascal (Pa) a mértékegység.
| Pa | bar | mbar | Torr (mm Hg) | atm | at | |
| 1 Pa | 1 | 10-5 | 10-2 | 7.5 x 10-3 | 9.87 x 10-6 | 1.02 x 10-5 |
| 1 bar | 105 | 1 | 10-3 | 750 | 0.987 | 1.02 |
| 1 mbar | 102 | 10-3 | 1 | 0.75 | 0.987 x 10-3 | 1.02 x 10-3 |
| 1 Torr | 133 | 1.33 x 10-3 | 1.33 | 1 | 1.32 x 10-3 | 1.36 x 10-3 |
| 1 atm (phys) | 101330 | 1.0133 | 1013.3 | 760 | 1 | 1.033 |
| 1 at (techn) | 98100 | 0.981 | 981 | 736 | 0.986 | 1 |
Módosított atmoszféra fenntartásához gáztömített tartályra van szükség. Ez lehet csőkemence speciális tömítéssel ellátott izzítócsöve vagy kamrás kemence retortája.
A Carbolite Gero cég megfelelő kiegészítőkkel is felszerelt gázcsomagokat kínál különböző standard termékeiben történő módosított atmoszféra létrehozásához és fenntartásához ill. kínál kifejezetten módosított atmoszférájú alkalmazásokhoz kialakított speciális termékeket is.
A készülék opcionális módosított atmoszférájú kiegészítése sokoldalúbb felhasználást tesz lehetővé, hiszen a készülék használható többféle gázzal, vákuummal vagy akár módosított atmoszféra nélkül is.
A Carbolite Gero cég többféle lehetőséget is kínál a standard csőkemencék módosított atmoszférájú kialakításához. Ide tartoznak a speciális izzítócsőcsomagok, az inertgáz csomagok, a vákuumszivattyú csomagok ill. a hidrogén biztonsági gázrendszer.
Kamrás kemencékben jellemzően retortát használnak a módosított atmoszféra fenntartására. A készülék opcionális módosított atmoszférájú kiegészítése sokoldalúbb felhasználást tesz lehetővé, hiszen a készülék használható többféle gázzal, vákuummal vagy akár módosított atmoszféra nélkül is.
Beszerezhetők kamrás kemencék és melegítőszekrények, melyek már alapkiépítésben tartalmazzák az atmoszféra szabályozása lehetőségét.
A vákuumkemencék széles választékába tartoznak a kamrás, kupolás, alultöltős, laboratóriumi és csőkemencék. Mindegyik típus működtethető inert vagy reaktív gázos atmoszférával. A vákuumkemencék szigetelése lehet fém, grafit vagy kerámia. Kérésre a grafit kiépítés max. 3000°C-on történő biztonságos működtetése is megvalósítható.
Már rendeléskor megadandó a (programozható) hőmérsékletszabályozó, adatrögzítő típusa. Ezek a kiegészítők a vákuumkemence magasabb szintű vezérlését és teljeskörű adatrögzítését teszik lehetővé. Egyéni kérésre különböző vákuumszivattyúk, vákuum- és hűtőrendszerek is beszerezhetők. További információkért kattintsanak a vákuumkemencék alábbi csoportjaira.
Néhány alkalmazás a sok közül, melyek módosított atmoszférájú laboratóriumi vagy ipari kemencét/melegítőszekrényt igényelnek.
Pirolízisnek nevezzük az anyagok magas hőmérsékleteken, inert atmoszférában történő lebontását. Inert atmoszféra azért szükséges, mert az anyagok valószínűleg meggyulladnának oxigén jelenlétében történő hevítésükkor.
Pirolízist gyakran használják szerves anyagok karbonizálására, azaz szénné ill. szénben gazdagabb állapotúvá alakításukra. A karbonizált anyagok nagyon eltérő tulajdonságúak lehetnek, sok kutatási terület foglalkozik a karbonizált anyagok előnyös tulajdonságai hasznosítási lehetőségeivel.
A York-i Egyetem és a Bio-megújíthatósági Kutatási Központ pirolízist alkalmaz regenerált keményítő akkumulátorgyártásban használt anyagokká való alakításában.
A 3D nyomtatás az additív gyártási eljárások egyike, melyet hagyományos módszerekkel nem létrehozható, bonyolult fémszerkezetek gyártására használnak.
A fém nyersanyag jellemzően por alakban áll rendelkezésre, melyet még kötőanyaggal (binder) is összekeverhetnek, hogy az segítse összetartani a leendő szerkezetet. Ezt a kötőanyagot kémiai vagy hőkezelési eljárással később eltávolítják.
A hőkezelést módosított, oxigénmentes atmoszférában kell végezni, mivel levegővel való érintkezés oxidálná a fémet, és így károsítaná a viszonylag drága eljárással készült terméket.
Inert vagy redukáló atmoszféra használható a fémrészek oxidációja megakadályozására.
3D nyomtatott fémalkatrész inert atmoszférájú Carbolite Gero kemencében végzett hőkezelés előtt és után.
Az elektromos meghajtású járművek kereskedelmi megjelenésével megnőtt az akkumulátorgyártás iránti igény, ami viszont további nyomás alá helyezte a véges beszerzési forrásokat, ti. az olyan értékes fémekét, mint a lítium, kobalt, nikkel és réz. Az igény kielégítése érdekében szükséges a már létező, de használt akkumulátorok ezen fémei újrafelhasználása.
Egy ilyen regenerálási módszer szerint a régi akkumulátorokat feldarabolják, forgó csőkemencében inert atmoszférában felhevítve elpárologtatják és eltávolítják belőlük a műanyag részeket. Inert atmoszféra szükséges, hogy megakadályozza a műanyag égését, mivel ez esetleg mérgező füstöt okozhatna és szénnel szennyezhetné el a fémet. A műanyag elpárologtatásával a fém könnyen és tisztán kinyerhető.
Különböző anyagok vákuumtömített összeillesztése leghatékonyabb módja nagy vákuum környezetben végzett forrasztásuk (soldering) vagy keményforrasztásuk (brazing). Két különböző anyagot fémes anyag, ún. forraszanyag felhasználásával kötnek össze. A teljes eljárás nagy- vagy ultra-nagy vákuum környezetet és 1100°C max. hőmérsékletet igényel. A vákuum megakadályozza az oxidációt és lehetővé teszi folyatószermentes forraszanyag használatát.
Elektronikus alkatrészek forrasztása normál (balra) és nagyvákuum körülmények (jobbra) között. Buborékok fedezhetők fel a forrasztási csatlakozásban a bal oldali képen.
Kemény fémeket famegmunkáló szerszámok, forgó alkatrészek, ablak- vagy üvegvágók készítésére használnak. A kis vágóélek anyaga többnyire wolfram-karbid (WC), de kis mennyiségben tartalmazhatnak kobaltot (Co) és titánt (Ti) is.
A fém port polimer (paraffin) kötőanyaggal (binder) keverik össze és formába préselik. A préselt formákat azután debinding és szinterelő eljárásnak vetik alá grafit kemence vákuum környezetében.
A debinding eljárás során a kemence védelme érdekében fontos a szabályozott gázáram fenntartása.
A szinterelés nagyon pontos hőmérsékletszabályozást igényel, hogy megmaradjon a karbidok kis szemcsemérete. Emiatt a hőmérséklet nem haladhatja meg a 1450°C értéket.
A szinterelés alatt adott parciális nyomású atmoszférát alkalmazva elérhető, hogy a kobalt a vágóél felülete felé diffundálódjék. Ez a diffúzió szükségtelenné teszi a későbbi porlasztási műveletet, de megköveteli az atmoszféra pontos szabályozását a kemencében. Milliónyi wolfram-karbid szerszám vágóélét gyártják naponta világszerte.
Módosított atmoszféra létrehozása az atmoszféra összetétele megváltoztatását jelenti egy tömített tartályban, hogy az ideális legyen egy adott művelet számára. Több különböző típusú módosított atmoszféra létezik, tulajdonságaik határozzák meg használhatóságukat egy adott alkalmazásban. A módosított atmoszférák többsége az inert, reaktív vagy vákuum besorolás egyikébe tartozik.
Inert atmoszférák olyan mintákkal végzett műveletekhez ideálisak, melyeket oxigén jelenléte károsítana. Ekkor általában argon (Ar) vagy 1800°C alatt inertnek tekintett nitrogén (N2) használatára van szükség, . Ezek a gázok kiszorítják az oxigént és a minta anyagaival sem reagálnak, így védő atmoszférát biztosítanak a hőkezelés alatt.
“Reaktív” jelzővel illetik azokat az atmoszférákat, melyek a hőkezelés alatt kémiai reakciókat katalizálnak vagy segítenek elő a mintában. A reaktív atmoszférák általában vagy oxidok (vasoxid, széndioxid) keletkezését eredményező oxidációs reakciókat támogatnak vagy a mintából éppen az oxidokat eltávolító redukciós reakciókat. Reaktív atmoszférák példái az oxidáló gáz (O2 / N2O) és a redukáló gáz (H2) használata.
Vákuumra akkor van szükség, ha teljesen el kell távolítani az oxigént vagy bármi más elemet és vegyületet a környezetből. Különböző szintű vákuum (maradék nyomás) érhető el a különböző vákuumszivattyúkkal; a vákuumszintek: durva, finom, nagy és ultra-nagy. A vákuum szükséges szintje mindig az alkalmazástól függ.
Két fő módszer létezik módosított atmoszféra tömített tartályban történő létrehozásához: “átöblítés” vagy “leszívás és visszatöltés”. Mindkét módszer nagyon alacsony oxigénszintet eredményez, bár a “leszívás és visszatöltés” módszerrel általában sokkal tisztább atmoszféra érhető el. Módosított atmoszféra létrehozását szolgáló eljárás neve “atmoszféra csere”.
Az átöblítés módszer inert gáz gáztömített tartályba történő áramoltatását jelenti, hogy az kiszorítsa és eltávolítsa az oxigént onnan. Két különböző gázáramlási sebességre is lehet szükség; nagy áramlási sebesség az átöblítés kezdetén a lehető legalacsonyabb oxigénszint eléréséhez, majd kisebb a kívánt gázkoncentráció fenntartásához a tartályban. Az átöblítés módszer a kezdeti nagy áramlási sebesség miatt rövidebb idő alatt eredményez használható atmoszférát.
A “leszívás és visszatöltés” eljárás két lépésből áll. Az első lépésben van szükség vákuumszivattyúra a tartály leszívásához és a lehető legtöbb oxigén és egyéb nemkívánt részecske eltávolításához a tartályból és a pórusos minta belsejéből. Ezt követi azután a “visszatöltés” művelete, mely során inert gázt vezetnek be, hogy az minden maradék részecskét kiszorítson onnan. Ezt az eljárást addig ismétlik, míg az szükséges.
Négyféle típusú vákuumszivattyút használnak általában, ezek a forgó csúszólapátos, a forgó dugattyús, az olajdiffúziós és a turbomolekuláris vákuumszivattyú. Mindegyik vákuumszivattyú csak bizonyos vákuumszintet képes elérni, ezért a szivattyú megválasztása mindig az alkalmazás követelményeitől függ. A Carbolite Gero cég alapkiépítésben forgó csúszólapátos és turbomolekuláris vákuumszivattyú-csomagokat kínál, ezek 5x10-2 mbar és 1x10-5 mbar vákuumszintet képesek biztosítani.
A vákuum elfogadott definíciója szerint egy tömített tartályban a normál körülményekhez képest lecsökkentett számú molekulát (gáz) vagy atomot jelent adott állandó hőmérsékleten. Vákuum alkalmazásakor csökken ugyan a tömített tartályban lévő részecskék száma, de tökéletes vákuum soha nem érhető el, mivel még ultra-nagy vákuum esetén is több milliárd részecske van egy cm3 térfogatban.
A nyomás értéke (P) definíció szerint a felület (A) és a felületre merőlegesen ható erő (F) hányadosa, tehát "P=F/A". A nyomás mértékegysége az SI rendszerben “pascal”, s ennek jele Pa, a nyomás azonban más mértékegységben is, pl. bar, mbar, stb. megadható.
Lehetett az módosított atmoszféra képességgel bővített standard készülék vagy teljesen egyedi kialakítású berendezés a Carbolite Gero cég már kemencék ezreit készítette el az évek alatt világszerte.
Forduljon hozzánk, hogy közösen megtaláljuk a legjobb megoldást alkalmazása igényeihez!
