Zerspanungsteile für Vakuum- und Kryoanlagen bestehen aus Metallen, die wenig Gas abgeben, werden von allen Bearbeitungsrückständen befreit und auf die Temperatur bemessen, bei der sie laufen. Im Ultrahochvakuum von 10⁻⁹ Pa bis unter 10⁻⁶ Pa nach ISO 3529-1:2019 begrenzt das von Oberflächen freigesetzte Gas den Druck; zwischen 293 K und 4 K zieht sich Edelstahl 304 um 0,300 % und Aluminium 6061-T6 um 0,415 % zusammen.
Welche Druckbereiche unterscheidet die Vakuumtechnik?
ISO 3529-1:2019 legt die Bereiche in der Tabelle unten fest. Gegenüber der Ausgabe von 1981 senkte die Norm die Grenze des Hochvakuums um den Faktor 10 auf 10⁻⁶ Pa und definierte erstmals das extreme Hochvakuum. Der Bereich entscheidet, wie stark Werkstoff, Dichtung und Oberflächenvorbereitung zählen: Im Grobvakuum spielen sie kaum eine Rolle, im UHV entscheiden sie fast alles. Typische Anwender sind Hersteller von Vakuum- und Halbleiteranlagen und Forschergruppen mit Kryostaten und Strahlführungen.
Tabelle 1. Druckbereiche nach ISO 3529-1:2019 und was jeder benötigt
| Druck | Bereich | Hardware und Vorbereitung |
|---|---|---|
| 100 Pa bis Atmosphärendruck | Grobvakuum | Einfache Werkstoffe, Verdrängerpumpen |
| 0,1 Pa bis unter 100 Pa | Feinvakuum | Einfache Werkstoffe, Verdrängerpumpen |
| 10⁻⁶ Pa bis unter 0,1 Pa | Hochvakuum | Edelstahl, Elastomerdichtungen zulässig, kein oder nur kurzes, mildes Ausheizen |
| 10⁻⁹ Pa bis unter 10⁻⁶ Pa | Ultrahochvakuum (UHV) | Metalldichtungen, Ausheizen bei 150 °C oder mehr, kohlenstoffarmer Edelstahl, besondere Oberflächenvorbereitung und Reinigung |
| unter 10⁻⁹ Pa | Extremes Hochvakuum | im Vakuum erschmolzener kohlenstoffarmer Stahl, aufwendige Oberflächenvorbereitung und Reinigung, Getterpumpen |
Quelle: ISO 3529-1:2019, tabelliert und beschrieben bei Jousten, IMEKO TC-16, 2023, Tabelle 2 und Abschnitt II.
Warum entscheidet die Ausgasung über Werkstoff und Verfahren?
In einem dichten System stellt sich der Druck aus dem Gas ein, das die Wände abgeben, geteilt durch das effektive Saugvermögen. Eine zerspante Metalloberfläche trägt eine äußere Schicht aus Öl, Fett und Schmutz von Bearbeitung und Handhabung, eine adsorbierte Schicht aus Wasserdampf und Kohlenwasserstoffen, eine Oxidschicht von 1 bis 10 nm und darunter eine geschädigte Randzone von 10 bis 100 µm, in der Gas eingeschlossen ist (Chiggiato, Abb. 1). Nach dem Reinigen dominiert Wasserdampf. Bei unausgeheiztem Edelstahl, Kupfer, Aluminium und Titan folgt die Wasserausgasrate etwa 3×10⁻⁹ / t mbar·l/(s·cm²), mit t in Stunden. Ist das Wasser verdampft, übernimmt der Wasserstoff aus dem Werkstoffvolumen.
Tabelle 2. Gemessene spezifische Ausgasraten bei Raumtemperatur, mbar·l/(s·cm²)
| Fall | Gas | Pumpzeit | Rate |
|---|---|---|---|
| Neopren | H₂O | 10 h | ≈10⁻⁵ |
| Austenitischer Edelstahl, unausgeheizt | H₂O | 10 h | 3×10⁻¹⁰ |
| Austenitischer Edelstahl, unausgeheizt | H₂O | 100 h | 3×10⁻¹¹ |
| Austenitischer Edelstahl, ausgeheizt 150 °C, 24 h | H₂ | entfällt | 3×10⁻¹² |
| Aluminiumlegierungen, ausgeheizt 100 bis 200 °C, etwa 20 h | H₂ | entfällt | ≈10⁻¹³ |
| OFS-Kupfer, ausgeheizt 200 °C, 24 h | H₂ | entfällt | 3×10⁻¹⁴ |
Quelle: Chiggiato, CERN Accelerator School 2017, Tabelle 3.
Chiggiato rechnet ein Beispiel: Ein 1 cm² großes Stück Neopren in einem Edelstahlbehälter von 1 m², also 0,01 % der Fläche, hebt den Druck nach 10 h um eine Größenordnung. Ausheizen wirkt bei Metallen, wenn es mindestens 12 h über 120 °C dauert. Standard-Elektropolieren verändert die Wasserausgasung nicht wesentlich; gezielte Elektropolierverfahren senken sie um mindestens den Faktor 10.
Daraus folgt die Werkstoffwahl. Cd, Zn, Mg, Li, Ba, Pb und Ca haben Dampfdrücke, die mit Hochvakuum unverträglich sind; Legierungen mit diesen Elementen, etwa zinkhaltiges Messing und bleihaltige Sorten, kommen nur nach eingehender Prüfung infrage. Taborelli nennt Edelstahl, OFE-Kupfer (UNS C10100), OFS-Kupfer (C10700) und Aluminium der 6000er- und 5000er-Reihe als übliche Substrate für Vakuumkammern; Jousten nennt kohlenstoffarmen Edelstahl für das UHV. Werkstoffdaten zu den Stählen stehen unter Edelstahl für Zerspanungsteile.
Wie sauber muss ein Zerspanungsteil für das Vakuum sein?
Taborelli nennt die Rückstände, die die Zerspanung hinterlässt: Schmierstoffe, Fingerabdrücke, Markerspuren und Späne. Sie verursachen eine starke Kohlenwasserstoffausgasung, deshalb geht jedes Teil für das UHV (typisch unter 10⁻⁵ Pa) durch eine Präzisionsreinigung, in den meisten Fällen ein wässriges Reinigungsbad oder ein organisches Lösungsmittel, und wird danach mit Sorgfalt gehandhabt, verpackt und gelagert. Eine Beschichtung ist der letzte Schritt der Kette; danach folgt keine Handhabung mehr.
Der Zerspanungsprozess muss diese Reinigung möglich machen. Überschüssiger Kühlschmierstoff wird früh entfernt, vor der Präzisionsreinigung, und Festschmierstoffe wie Graphit, MoS₂ oder BN werden vermieden, weil ihr Staub das Reinigungsbad verunreinigt. Schleifen, Bürsten und Strahlen werden eingeschränkt; wo sie unvermeidlich sind, darf sich das Schleifmittel nicht in die Oberfläche einbetten.
Für organische Werkstoffe wie Elastomere, Klebstoffe und Schmierstoffe ist ASTM E595 die Auswahlprüfung. Die NASA-Datenbank verwendet Grenzwerte von 1,0 % Gesamtmassverlust (TML) und 0,10 % flüchtiger kondensierbarer Masse (CVCM) nach 24 h bei 125 °C, mit der Sammelplatte bei 25 °C. CERN nutzt die Prüfung nur, um Werkstoffe auszuschließen, nie, um sie freizugeben: Ein CVCM von null belegt nicht, dass kondensierbare Verunreinigung im UHV vernachlässigbar ist.
Kryobehälter für Sauerstoff oder andere oxidierende Medien ziehen zusätzlich ISO 23208:2017 heran (EN ISO 23208:2019, 2020 geändert). Die Norm setzt Mindestwerte für Oberflächen- und Partikelsauberkeit an Flächen, die mit dem kryogenen Fluid in Berührung kommen, um Fehlfunktion und Zündgefahr zu senken.
Was ändert sich bei kryogenen Temperaturen?
Zwei Dinge: Das Metall muss zäh bleiben, und seine Maße ändern sich. Kubisch flächenzentrierte Metalle, darunter Aluminiumlegierungen und austenitischer Edelstahl, bleiben bei tiefen Temperaturen duktil. Kubisch raumzentrierte ferritische und Kohlenstoffstähle zeigen einen Übergang von duktil zu spröde (Duthil). Die Bruchzähigkeit bleibt bei den Edelstählen 316 und 310 hoch und fällt bei Nickelstählen und Ti-6Al-4V ab (Duthil, Abb. 18).
Die Maßänderung ist groß im Verhältnis zu Zeichnungstoleranzen. Die Fit-Gleichungen von NIST geben die Kontraktion relativ zur Länge bei 293 K an. Unterhalb von 23 K bei 304 und 18 K bei 6061-T6 sind die Fits konstant, die Werte bei 4 K liegen daher bei 0,300 % für Edelstahl 304 und 0,415 % für Aluminium 6061-T6. NIST gibt an, dass der Fit für 304 um 5 % von seinen Daten abweicht. In Duthils Diagramm ist der größte Teil der Kontraktion bis 50 bis 77 K erfolgt, und OFHC-Kupfer liegt nahe an Edelstahl.
Ein Rechenbeispiel: ein Aluminiumgehäuse mit einem Einsatz aus Edelstahl, 200 mm Nennmaß. Bei 4 K schrumpft die Aluminiumbohrung um etwa 0,83 mm, der Einsatz um etwa 0,60 mm; die Bohrung schließt sich damit um etwa 0,23 mm auf den Einsatz. Eine Allgemeintoleranz nach ISO 2768-m erlaubt in diesem Größenbereich ±0,5 mm (ISO-2768-Tabellen). Eine Passung, die kalt funktionieren muss, braucht deshalb eine eigene, aus der Kontraktion berechnete Toleranz statt einer allgemeinen. Kälte hilft auch dem Vakuum: Bei 125 K liegt der Sättigungsdampfdruck von Wasser bei 10⁻¹¹ mbar, kalte Flächen halten Wasser also fest; Belüften mit Luft macht diesen Vorteil zunichte.
Was ändern Vakuum- und Kryoanforderungen an der Zerspanung?
Tabelle 3. Anforderung, Grund und Wirkung auf das Zerspanungsverfahren
| Anforderung | Grund | Wirkung auf das Verfahren |
|---|---|---|
| Gasarmer Werkstoff | Cd, Zn, Mg, Li, Ba, Pb und Ca haben Dampfdrücke, die mit Hochvakuum unverträglich sind | Halbzeug begrenzt auf kohlenstoffarmen Edelstahl, OFE-Kupfer, Aluminium der 5000er und 6000er Reihe |
| Rückstandsfreie Bearbeitung | Öl, Fett und Schmutz aus der Bearbeitung bilden die äußere Verunreinigungsschicht | Wenig Kühlschmierstoff, früh entfernt; kein Graphit, MoS₂ oder BN; keine Aufkleber oder Marker an Funktionsflächen |
| Reinigungsfähige Geometrie | Taschen und Sacklöcher lassen sich nicht spülen | Wenige kleine Sacklochgewinde; keine nicht durchgeschweißten Nähte oder Hohlräume |
| Kein eingebettetes Schleifmittel | Einschlüsse und Porosität halten Verunreinigungen | Schleifen, Bürsten und Strahlen eingeschränkt |
| Gratfreie Kanten | Überstehende Grate an gedrehten Edelstahlflanschen gelten als Verdacht auf schlechte Haftung der Beschichtung | Entgraten entlang der Werkzeugbahn |
| Maße bei Betriebstemperatur | 0,300 % (304) und 0,415 % (6061-T6) Kontraktion von 293 K auf 4 K | Eigene Toleranzen an kältekritischen Maßen |
| Genormte Flanschflächen | Teile verschiedener Lieferanten müssen zusammenpassen | ISO 1609:2020, ISO 2861:2020 für Schellenkupplungen, ISO 3669:2026 für Messerkantenflansche |
| Dichte Verbindungen | Ein Leckpfad muss vor der Montage gefunden werden | Tracergasprüfung nach ISO 20485:2017 mit der Abnahmerate auf der Zeichnung |
Quelle: Chiggiato 2017; Taborelli 2024; Duthil; NIST; ISO 1609, 2861, 3669, 20485.
Ein Sacklochgewinde schließt außerdem Gas ein, das langsam entweicht und ein Leck vortäuscht. Lässt es sich nicht vermeiden, vereinbaren Sie mit dem Konstrukteur einen Entlüftungsweg.
Was gehört auf die Zeichnung und in die Anfrage?
Ein Lieferant kann nur erfüllen, was auf der Zeichnung steht. Tragen Sie ein:
- Vakuumbereich, Ausheiztemperatur und -dauer sowie die tiefste Betriebstemperatur.
- Werkstoffbezeichnung, Produktform und Wärmebehandlung.
- Reinigungsverfahren, Reinheitsanforderung und deren Nachweis, dazu Verpackung und Lagerung.
- Die Maße, die bei Betriebstemperatur halten müssen, mit dieser Temperatur.
- Die Flanschnorm mit ihrer Ausgabe.
- Prüfverfahren der Dichtheitsprüfung, Tracergas und Abnahmerate.
Die Zeichnungs-Checkliste deckt die übrigen Angaben im Schriftfeld ab. Unser Netzwerk fertigt durch Fräsen und Drehen, arbeitet standardmäßig nach ISO 2768-m und enger, wo die Zeichnung es vorgibt. Anforderungen an Reinigung, Verpackung und Dichtheitsprüfung stimmen wir vor dem Angebot je Zeichnung ab.
Häufige Fragen
- Was ist Ultrahochvakuum?
- ISO 3529-1:2019 definiert Ultrahochvakuum als den Bereich von 10⁻⁹ Pa bis unter 10⁻⁶ Pa. Unterhalb von 10⁻⁹ Pa spricht die Norm vom extremen Hochvakuum, einem Bereich, den ISO 2019 erstmals festgelegt hat.
- Welche Metalle eignen sich für UHV-Teile?
- Kohlenstoffarmer Edelstahl, sauerstofffreies Kupfer (UNS C10100 und C10700 in der Beschleunigerpraxis) und Aluminiumlegierungen der 5000er- und 6000er-Reihe. Legierungen mit flüchtigen Elementen wie Zink, Cadmium oder Blei kommen nur nach eingehender Prüfung infrage.
- Wie stark schrumpft ein Teil bei Abkühlung auf 4 K?
- Gemessen an der Länge bei 293 K zieht sich Edelstahl 304 um 0,300 % und Aluminium 6061-T6 um 0,415 % bei 4 K zusammen (Fit-Gleichungen von NIST). Ein 200-mm-Maß schrumpft bei Edelstahl um 0,60 mm und bei Aluminium um 0,83 mm.
- Was bedeuten die TML- und CVCM-Grenzwerte von 1,0 % und 0,10 %?
- Es sind die Grenzwerte der NASA für Gesamtmassverlust und flüchtige kondensierbare Masse in ASTM E595, gemessen nach 24 Stunden bei 125 °C im Vakuum. CERN nutzt die Prüfung nur, um organische Werkstoffe auszuschließen, nie, um sie für das UHV freizugeben.
- Gilt ISO 3669 noch in der Ausgabe von 2020?
- Nein. ISO 3669:2020 wurde am 24. Juni 2026 zurückgezogen und durch ISO 3669:2026 ersetzt, Maße von Messerkantenflanschen. Zeichnungen sollten die Ausgabe nennen, nach der sie erstellt wurden.
Quellen
- Jousten, ISO Standards für die Vakuummesstechnik, IMEKO-TC-16-Konferenz 2023 (Bereiche der ISO 3529-1:2019, Tabelle 2)
- BS ISO 3529-1:2019, Vakuumtechnik, Vokabular, Teil 1 (BSI, Status current, ersetzt ISO 3529-1:1981)
- Chiggiato, Ausgasungseigenschaften von Vakuumwerkstoffen für Teilchenbeschleuniger, CERN Accelerator School 2017
- Taborelli, Oberflächenfinish und Beschichtungen für Vakuumanwendungen in Beschleunigern, CERN Accelerator School 2024
- Duthil, Werkstoffeigenschaften bei tiefen Temperaturen, CERN Accelerator School
- NIST Cryogenic Materials Data: Edelstahl 304, Fit der Längenausdehnung
- NIST Cryogenic Materials Data: Aluminium 6061-T6, Fit der Längenausdehnung
- NASA Goddard, Outgassing Database, Benutzerhandbuch (Grenzwerte nach ASTM E595)
- EVS-EN ISO 23208:2019, Kryobehälter, Sauberkeit für kryogenen Betrieb (ISO 23208:2017)
- ISO 1609:2020, Maße von Flanschen ohne Messerkante (EVS)
- ISO 3669:2026, Maße von Messerkantenflanschen, gültig ab 24.06.2026 (EVS)
- ISO 2861:2020, Maße von Schellenkupplungen mit Schnellverschluss (EVS)
- EVS-EN ISO 20485:2018, Dichtheitsprüfung, Tracergasverfahren (ISO 20485:2017)
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