UHV beginnt mit dem Materialzeugnis
Ich habe mehr UHV-Flansche wegen Materialproblemen verworfen als wegen fehlerhafter Bearbeitung. Eine Dichtheitsprüfung mit Helium-Leckdetektor bei 1e-9 atm-cc/s fiel grenzwertig aus – nicht wegen der Drehqualität, sondern weil der 316L-Stab einen erhöhten Schwefelanteil hatte. Er ließ sich hervorragend zerspanen, aber die schwefelreichen Einschlüsse erzeugten Mikroporosität in der Wärmeeinflusszone von Schweißnähten und eine ungleichmäßige Oberfläche nach dem Elektropolieren. Für UHV unter 1e-10 mbar sollte 316L VAR (vakuumlichtbogenumgeschmolzen) oder ESR mit Schwefel unter 0,005% spezifiziert werden.
Aluminium 6061-T6 funktioniert für Grobvakuum und einige Hochvakuumkammern über 1e-7 mbar, gast aber stärker aus und verträgt keine Ausheiztemperaturen über 120 C ohne spezielle Behandlung. 304L ist eine Option für größere HV-Kammern bei begrenztem Budget. 316L ist der Standard für alle Vakuumkomponente, die CF-Schneidkanten (ConFlat) oder wiederholte Ausheizzyklen über 150 C sehen. Sauerstofffreies Kupfer (OFHC) wird für Dichtungen und spezielle Wärmesenken-Komponenten verwendet, muss aber weichgeglüht und kratzfrei gehalten werden.
- 316L VAR/ESR: Standard für UHV unter 1e-9 mbar, niedriger Schwefel für gleichmäßiges Elektropolieren
- 304L: akzeptabel für HV-Kammern über 1e-7 mbar, Kohlenstoffgehalt bei Schweißungen beachten
- 6061-T6 Aluminium: nur Grob-/Hochvakuum, begrenzte Ausheiztemperatur
- OFHC-Kupfer: Dichtungsmaterial und Spezialkomponenten, weichgeglüht und kratzfrei halten
Oberflächengüte ist keine Kosmetik, sondern eine Vakuumanforderung
Die Rauheit einer Dichtfläche bestimmt direkt, ob eine Verbindung vakuumdicht ist. Bei einer CF-Schneidkante verformt sich die Kupferdichtung plastisch in die Schneide. Ein einzelner umlaufender Drehriefen von 0,02 mm Tiefe über die Schneidkante erzeugt einen Leckkanal, der auf dem Helium-Leckdetektor sichtbar wird – ich habe das bei einer Charge von 24 Flanschen erlebt, bei der eine Wendeschneidplatte einen leichten Verschleißspiegel hatte und Mikroriefen erzeugte, die unter 10-facher Vergrößerung kaum sichtbar waren. Die Schneidkantenoberfläche muss Ra 0,8 oder besser sein, ohne umlaufende Bearbeitungsspuren.
Bei innen liegenden Kammeroberflächen reduziert eine mechanische Politur auf Ra 0,4 mit nachfolgendem Elektropolieren die echte Oberfläche um den Faktor zwei bis drei, weil die beim Drehen entstandene rissige Beilby-Schicht entfernt wird. Das bedeutet schnelleres Pumpen, niedrigerer Enddruck und weniger virtuelle Lecks durch eingeschlossene Verunreinigungen.
Elektropolieren und die Sauberkeitskette
Elektropolieren ist keine Glanzpolitur. Der Prozess trägt elektrochemisch 20-50 Mikrometer Oberflächenmaterial ab und entfernt dabei eingebettete Eisenpartikel, Werkzeugstahlabrieb und Schleifrückstände. Eine mechanisch polierte Oberfläche kann glänzend aussehen, aber noch überwalzte Metalllappen aufweisen, die Verunreinigungen einschließen. Nach dem Elektropolieren liegt eine gleichmäßige chromoxidreiche Passivschicht frei.
Was viele Werkstätten unterschätzen: die Handhabung nach dem Elektropolieren. Nach dem EP-Bad durchläuft die Vakuumkomponente mehrere Spülgänge mit DI-Wasser (Widerstand über 15 Megaohm-cm), eine Stickstoff-Trocknung und die Doppelverpackung in reinem Polyethylen. Ein einziger Fingerabdruck auf einer Dichtfläche hinterlässt genug Hautfett, um ein virtuelles Leck zu erzeugen, das Stunden Ausheizzeit erfordert. Fettfreiheit ist keine Option, sondern Pflicht. Die Endmontage sollte in einem Reinraumbereich mit Nitrilhandschuhen erfolgen.
- Ziel-Ra-Wert: 0,2-0,4 auf elektropolierten Innenflächen, Ra 0,8 Minimum an CF-Schneidkanten
- DI-Spülung >15 Megaohm-cm, Stickstofftrocknung, sofortige Doppelverpackung
- Keine silikonhaltigen Schmierstoffe im gesamten Prozess – Silikon gast wochenlang aus
- Jede Verpackung mit Teilenummer, Charge, Datum und Reinigungsstatus kennzeichnen
CF-Schneidkanten: Geometrie ohne Nachsicht
ConFlat-Schneidkanten haben einen eingeschlossenen Winkel von 20 Grad (70 Grad zur Horizontalen pro Seite) mit einer Planspitze von etwa 0,1-0,2 mm. Die Schneide muss zum Lochkreis innerhalb von 0,05 mm konzentrisch sein. Eine Kerbe oder ein Schlag von 0,05 mm auf der Schneidkante verhindert das vollständige Anlegen der Kupferdichtung und erzeugt eine intermittierende, temperaturabhängige Leckage. Ich fertige Schneidkanten mit einem auf den genauen Winkel geschliffenen Formwerkzeug im Schlichtschnitt bei 0,05 mm Schnitttiefe und langsamem Vorschub.
Virtuelle Lecks: der verborgene Feind
Ein virtuelles Leck ist ein eingeschlossenes Gasvolumen, das über einen kleinen Diffusionspfad mit dem Vakuum verbunden ist. Es verhält sich wie ein echtes Leck, lässt sich aber nicht durch Anziehen von Schrauben beheben. Grundgewindebohrungen sind die häufigste Ursache. Wenn Sie ein Gewinde bis zum Grund schneiden, bleibt hinter dem letzten vollen Gewindegang ein Hohlraum, aus dem Gas langsam herausdiffundiert. Die Lösung: bei jedem Grundloch eine Entlüftungsbohrung zum Gewindegrund quer bohren oder Durchgangsgewinde verwenden.
| Merkmal | UHV-Lösung | Begründung |
|---|---|---|
| Grundgewindebohrungen | Querentlüftung zum Gewindegrund | Beseitigt eingeschlossenes Gasvolumen |
| Schweißnähte | Voll durchgeschweißt, innen planschliffen, EP | Keine Spalte als Gasspeicher |
| Doppel-O-Ring-Nuten | Entlüftungsbohrung zwischen den Nuten | Pumpen des Zwischenvolumens |
| Verschraubungen | Durchgangsschrauben statt Grundlöchern | Kein Gewindevolumen zum Vakuum hin |
| Gussteile | Vermeiden; gewalztes Material oder Schmiede | Gussteile haben Innenporosität |
Toleranzen und Prüfung in der Praxis
UHV-Komponenten sind keine exotischen Toleranzteile. CF-Schneidkanten-Ebenheit muss innerhalb von 0,02 mm über der Dichtung liegen, Bohrungen bei +/-0,1 mm wahre Position, Bohrung-zu-Schneidkante-Konzentrizität bei 0,05 mm. Wir halten +/-0,005 mm auf kritischen Maßen mit Zeiss-KMG-Messung, bieten kostenlose FAI-Berichte für neue Teile und Cpk-Auswertungen für Serienläufe. Was kompetente UHV-Werkstätten unterscheidet, ist Prozessdisziplin: Materialprüfung, saubere Handhabung, Elektropolitur-Qualitätskontrolle und Entlüftungsbohrungen, die von Anfang an konstruiert werden.
Frequently Asked Questions
Welche Oberflächengüte brauchen CF-Schneidkanten?
Ra 0,8 um oder besser ohne umlaufende Drehriefen. Axiale Spuren (entlang des Lochkreises) sind weniger kritisch, da sie den Dichtring nicht queren. Umlaufende Riefen erzeugen kontinuierliche Leckkanäle über der Kupferdichtung.
Kann 304 Edelstahl für UHV statt 316L verwendet werden?
304L funktioniert für HV über 1e-7 mbar und für Bauteile ohne aggressive Ausheizung. Für UHV unter 1e-9 mbar ist 316L (vorzugsweise VAR/ESR mit niedrigem Schwefel) Standard wegen besserer Korrosionsbeständigkeit, niedrigerer magnetischer Permeabilität nach dem Schweißen und gleichmäßigeren Elektropolierergebnissen.
Warum verursachen Grundgewindebohrungen virtuelle Lecks?
Der Hohlraum am Grund eines Gewindes schließt Gas ein, das langsam durch Gewindespalte herausdiffundiert und ein echtes Leck vortäuscht. Querbohrungen zum Gewindegrund oder Durchgangsgewinde lösen das Problem.
Ist Elektropolieren für UHV zwingend erforderlich?
Für HV über 1e-7 mbar kann eine gute mechanische Politur auf Ra 0,8 ausreichen. Für UHV unter 1e-9 mbar ist Elektropolieren Standard, weil es die bearbeitungsgeschädigte Randschicht entfernt, die reale Oberfläche reduziert und eine gleichmäßige Passivschicht erzeugt.
Welche Toleranz haben CF-Flanschbohrungen?
+/-0,1 mm wahre Position relativ zur Bohrung und Schneidkante nach ISO 3669 / ConFlat. Bohrungen außerhalb der Toleranz erschweren die Montage und führen zu ungleichmäßiger Dichtpressung.