Vakuumschrauben

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 Vakuumschrauben 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.

Diese Schrauben können in einem Magnetfeld eingesetzt werden, ohne dessen Feldlinien signifikant zu deformieren. 
Üblicherweise werden für Vakuumschrauben 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 Vakuumschrauben 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.

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 1⋅10^-12 mbar·l·s^-1·cm^-2 notwendig. In UCV-Anwendungen sind akkumulierte molekularen Kontaminationen mit Kohlenwasserstoffen von maximal 5⋅10^-9 g/cm² erlaubt.

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 Vakuumschrauben 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 Beschichtungen
Vakuumschrauben 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.

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 von Vakuumschrauben mit Längsschlitz wird daher nur in einer beschichteten Variante empfohlen.

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.

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 von Vakuumschrauben mit einer Beschichtung aus MoS₂ oder WS₂ ist die Entstehung von Partikeln unvermeidlich.