Вакуумная термообработка металлоизделий стала крайне необходимой технологией во многих отраслях промышленности. На сегодняшний день она является практичной, универсальной и в некоторых случаях безальтернативной технологией, что доказывают примеры ее использования в высокотемпературной вакуумной пайке, объемной дегазации материалов, спекании металлических и керамических порошков.
В.М. Шулаев, к.ф.-м.н., с.н.с., зам. генерального директора, ННЦ «ХФТИ», г. Харьков
М.В. Литвиненко, бакалавр, маркетолог, ХНУ им. В.Н. Каразина, г. Харьков
|
Application of vacuum furnaces |
 |
Термообработка металлоизделий в вакуумных электропечах обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционной. При термообработке в соляных ваннах и печах с окислительной или защитной атмосферой у обрабатываемых деталей на поверхности образуется либо пленка оксидов, либо окалина. В общепромышленных электропечах достаточно тяжело контролировать деформацию и коробление деталей по целому ряду причин: тепловой удар из-за погружения деталей в расплав солей, пластическая деформация при переносе металлоизделий в закалочный бак, коробление, возникающее при закалке в электропечах с защитной или окислительной атмосферой.
Решением данных проблем является применение вакуумных электропечей сопротивления для термической обработки металлоизделий. Данное направление является самым быстроразвивающимся среди технологий машиностроения. Это обусловлено тем, что термическая обработка в вакууме имеет ряд основных преимуществ:
Дополнительные преимущества применения вакуумных электропечей состоят в следующем.
Оптимизируется химический состав поверхности, и, как следствие, улучшаются механические свойства изделий, становится возможным применение эффективной технологии вакуумного обезжиривания (удаления индустриальных масел) деталей, прошедших механическую обработку.
Улучшаются условия труда за счет полного исключения теплового загрязнения окружающей среды.
Существенно уменьшается расход энергии, не требуются капитальные вложения на охрану окружающей среды (вакуумная термообработка является энергосберегающей технологией).
В каждом конкретном варианте применения вакуумных электропечей сопротивления обнаруживаются и другие преимущества. Поэтому относительно дорогое оборудование для этой технологии достаточно быстро окупается в процессе эксплуатации — за срок от одного года до трех лет.
Таким образом, вакуумная термическая обработка металлоизделий стала крайне необходимой технологией во многих отраслях промышленности как наиболее практичная и универсальная, а в ряде случаев безальтернативная технология.
Общая характеристика вакуумных электропечей
Вакуумные электропечи сопротивления последнего поколения представляют собой достаточно сложные и дорогостоящие конструкции. Они весьма разнообразны по режиму работы, конструктивному исполнению и техническим характеристикам. Однако, не смотря на эти различия, все они имеют общие конструктивные признаки по совокупности используемых основных элементов: рабочая вакуумная камера, автоматизированная система управления нагревом и механизмами печи, система ускоренного охлаждения садки (инертный газ или масло), система вакуумная, система водоохлаждения, система механизированной загрузки, выгрузки и транспортирования садки.
Существуют различные признаки классификации вакуумных электропечей. Печи могут различаться по температурному режиму (низко-, средне- и высокотемпературные) и способу нагрева (косвенный или контактный). Они могут классифицироваться по давлению остаточных газов (низко-, средне-, высоко- и сверхвысоковакуумные) и по типу действия (периодического, полунепрерывного, непрерывного). Кроме того, по конструктивному исполнению (камерные, элеваторные, шахтные, колпаковые, муфельные) и др. Эти и другие классификационные признаки в максимальной степени до последнего времени учитывала система обозначений электротермического оборудования, разработанная в свое время во ВНИИЭТО.
Особенности конструкции
Разработчики и производители электропечей предпочитают производить классификацию вакуумных электропечей по конструктивному исполнению. Наибольшее распространение получили три типа вакуумных электропечей периодического действия: с горизонтальной загрузкой садки — камерные, и вертикальной загрузкой садки — элеваторные (загрузка снизу) и шахтные (загрузка сверху). Ниже в качестве примера приведено описание и технические характеристики элеваторной вакуумной печи СЭВГ-5.5/12 торговой марки «ОТТОМ» (рис. 1).
Вакуумная элеваторная электропечь сопротивления типа СЭВГ-5.5/12 предназначена для термической обработки прецизионных сплавов марок 79НМ, 80НХС, 80НМ, 45Н, 50Н, 50Н-ВИ, 50НП, 48КНФ, 49К2ФА, 92К и др. и деталей из сталей 20Х13, 30Х13, 40Х13, 10Х14АГ15, 12Х17, 95Х18, 15Х28, 25Х13Н2, 14Х17Н2, 20Х23Н13, 12Х18Н9Т, а также из электротехнических сталей в магнитном поле. Печь может быть использована и для других операций термической обработки, спекания и пайки в соответствии с техническими параметрами электропечи.
Установка состоит из следующих основных узлов, систем и механизмов:
Кожух печи с двух сторон закрыт эллиптическими крышками.
Внутри кожуха на специальных кронштейнах установлен нагревательный модуль. Огнеупорный слой и теплоизоляция нагревательного модуля выполнены с использованием углеродных материалов. Нагреватели — углекомпозитные.
Ниже нагревательного модуля располагается камера охлаждения, оборудованная теплообменниками для охлаждения инертного газа и центробежным вентилятором для его перемешивания.
Перемещение садки из камеры охлаждения в нагревательный модуль и обратно осуществляется с помощью элеваторного механизма с электроприводом.
Электротехнические стали в горячем состоянии могут обрабатываться в магнитном поле.
Нижняя часть камеры при необходимости может быть заполнена вакуумным маслом для осуществления закалки экономнолегированных сталей.
Система управления электропечи работает в ручном и автоматическом режиме и обеспечивает откачку, программируемый нагрев, выдержку и охлаждение садки.
Печь оборудована необходимыми блокировками, исключающими повреждение механизмов печи в случае неправильных действий оператора.
Технические характеристики
Структура условного обозначения печи:
С — нагрев сопротивлением;
Э — элеваторная;
В — среда в рабочем пространстве — вакуум;
Г — нагревательный модуль — из углеродных материалов;
5 — диаметр рабочего пространства, дм;
5 — высота рабочего пространства, дм;
12 — номинальная температура, сотни °C.
Специальным конструкторским бюро Национального научного центра «Харьковский физико-технический институт» разрабатываются и другие конструктивные исполнения вакуумных электропечей сопротивления нового поколения, которые изготавливаются его опытным производством и реализуются под торговой маркой «ОТТОМ». Это — единственный на сегодняшний день производитель вакуумных электропечей сопротивления в Украине.
Отметим кратко некоторые вакуумные технологии, реализуемые в электропечах сопротивления.
Объемная дегазация материалов
В первую очередь дегазация в вакууме используется для борьбы с водородной хрупкостью титановых полуфабрикатов и готовых элементов конструкций самолетов. Наводораживание титана и его сплавов происходит на различных этапах производственного цикла.
Рабочее пространство вакуумных печей для дегазации титановых конструкций имеет достаточно большие размеры (до 4500 мм в диаметре и 12000 мм в длину, а массу садки — до 8,5 тонн).
В этих печах имеет место огромное газовыделение. Для откачки газов в таких установках в Национальном научном центре «Харьковский физико-технический институт» разработаны и успешно применены агрегаты вакуумные электродуговые серии АВЭД со скоростями откачки до 80 000 л/с.
Пайка в вакууме
Вакуумная пайка применяется в машиностроении для обработки ответственных изделий из жаропрочных и жаростойких материалов, эксплуатируемых при высоких температурах. Преимущества процесса пайки в вакууме:
Эти достоинства обеспечивают высокотемпературной вакуумной пайке все большую популярность. В мировой практике это один из перспективнейших технологических процессов. Иллюстрацией могут служить следующие примеры применения вакуумной пайки: ТВЭЛы ядерных энергетических установок, рабочие лопатки и диски турбин высокого и низкого давления, сопловые аппараты, металлокерамические и сотовые уплотнения, теплообменники, трубопроводы, камеры сгорания, топливные коллекторы, вентиляторные лопатки, рабочие колеса компрессоров, массовые производства металлических бытовых термосов и т. д. Опыт длительного применения вакуумной пайки в авиации и ракетно-космической технике показал, что работоспособность и надежность паяных в вакууме неразъемных соединений значительно выше, чем сварных.
Спекание металлических и керамических порошков
Вакуумные электропечи широко используются как для спекания металлических порошков, так и последующей термической и химико-термической обработки спеченных изделий. Спекание изделий на основе нелегированных железных порошков производится в вакуумных печах с рабочей температурой до 1150 °C. Изделия из легированных железных порошков, особенно из быстрорежущих марок сталей, спекают в вакуумных печах с рабочей температурой до 1600 °C. В них осуществляется испекание изделий из магнитных сплавов (до 1300 °C), а также деталей из твердых сплавов, особенно из вольфрамовых (до 1600 °С).
Вакуумное спекание применяется также для обработки тонкой керамики, обладающей высокой теплостойкостью и изоляционной способностью. Технология спекания в вакууме может совмещаться с горячим прессованием. Спекание керамики реализуется при температурах от 1000 до 2300 °C в зависимости от назначения.
Таким образом, следует отметить, что имеет место устойчивая тенденция к интенсивному использованию вакуумных технологий и оборудования в машиностроении. В первую очередь это относится к крупносерийному и массовому производству, где использование вакуумных технологий позволяет значительно повысить уровень физико-механических характеристик изделий.
