3.3.2.4 CF-Flansche
CF-Flansche werden in der ISO 3669 in den Nennweiten DN 16 bis DN 250 und detaillierter in der ISO/TS 3669-2 in den Nennweiten DN 10 bis DN 400 beschrieben. Neben diesen Standards sind weitere Varianten von Herstellern oder Anwendern im Vakuummarkt vertreten. Für Nennweiten bis DN 250 sind sie häufig miteinander kombinierbar. Die größeren Nennweiten sind weniger gebräuchlich und weichen zum Teil erheblich voneinander ab. Bei Zweifeln an der Kompatibilität sollten die Abmessungen untereinander verglichen werden.
CF-Flansche wurden für UHV-Anwendungen entwickelt, sind ausheizbar bis 450 °C und für Drücke kleiner 1 · 10-12 hPa geeignet. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an die Werkstoffe. CF-Flansche werden fast ausschließlich aus Edelstahl gefertigt, üblicherweise aus solchen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt. Für viele Anwendungen ist der Werkstoff 1.4307 ausreichend. Bei höheren Anforderungen, z. B. an die Festigkeit oder eine möglichst geringe Magnetisierbarkeit, empfiehlt sich der Premiumedelstahl 1.4429 ESU. Für den Einsatz an Aluminiumkammern wurden spezielle Bimetallflansche entwickelt, bestehend aus einer Aluminiumunterlage und einer Edelstahlauflage oder Aluminiumflansche werden mit randgehärteten Dichtbereichen ausgestattet. In der Praxis scheitert ihr Einsatz jedoch häufig am relativ hohen Preis, der kritischen Verarbeitbarkeit oder der begrenzten Ausheizbarkeit.
Eine CF-Verbindung besteht aus zwei symmetrischen Flanschen mit Schneidkanten, einer metallischen Flachdichtung, die in einem flachen Einstich zentriert wird, und einer ausreichenden Anzahl von Schrauben, die für den notwendigen hohen Anpressdruck sorgen (Abbildung 3.15). Eine radiale Aussparung am Flansch dient einerseits zum Lösen der Flanschverbindung, andererseits ist sie bei der Lecksuche hilfreich, da das Helium direkt an die Dichtfläche gesprüht werden kann. Neben Festflanschen, die jeweils um eine Lochstellung auszurichten sind, gibt es die Ausführung mit drehbarem Überwurfflansch, sodass die Flansche um ihre Hauptachse beliebig ausgerichtet werden können.
Abbildung 3.15: CF-Verbindung mit Kupferflachdichtung und Schrauben
Als Dichtungswerkstoff wird normalerweise sauerstofffreies OFHC-(Oxygen Free High Conductivity-)Kupfer verwendet, für Temperaturen oberhalb 200 °C in einer versilberten Ausführung. Bei der Montage werden die Schneidkanten der Flansche in die eingeschlossene Dichtscheibe gedrückt. An den äußeren Schneidflanken findet ein Fließpressen statt, an den inneren gleichzeitig ein Schneidvorgang. Das Kaltfließen wird durch die äußeren vertikalen Flanschwände begrenzt, sodass sehr hohe Drücke in der Grenzschicht entstehen. Unter dem hohen Druck passt sich das Kupfer der Mikrostruktur der Schneidflanken an und füllt kleinere Oberflächendefekte aus, wodurch eine metallische, ultrahochvakuumdichte Verbindung hergestellt wird. Einmal benutzte Kupfer-dichtungen können nicht wiederverwendet werden. Für Drücke bis etwa 1 · 10-8 hPa können auch mehrfach verwendbare Dichtungen aus FKM eingesetzt werden.
Bei der Montage werden die Schrauben zunächst gleichmäßig diametral angezogen, um jegliche Verspannungen zu vermeiden. Anschließend sollten die Schrauben der Reihe nach in mehreren Durchgängen schrittweise angezogen werden, bis das Kupfer ultrahochvakuumdicht mit den Dichtflächen verbunden ist. Beim Ausheizen sollte das Aufheizen und Abkühlen gleichmäßig und nicht zu schnell erfolgen. Temperaturunterschiede an der Flanschverbindung führen zu Spannungen, die Bauteile wie z. B. Glaselemente beschädigen oder Leckagen erzeugen können.
