Вакуумная термообработка – основа перспективных промышленных технологий

Загрузить статью в формате PDF => Вакуумная термообработка — основа перспективных промышленных технологий

Введение. В работе [1] было отмечено, что имеет место устойчивая тенденция к широкому использованию вакуумной термообработки в различных отраслях промышленности. Прошедшие двадцать лет ознаменовались многократным приростом использования вакуумной термообработки. Если по состоянию на 1991 год парк вакуумных электропечей составлял десятые доли процента от общего парка электропечей, то в настоящее время в развитых странах мира (США, Китай, Европа и др.) из каждых произведенных пяти электропечей – одна вакуумная. Рыночный сегмент оборудования для термической обработки в вакууме развивается интенсивнее других технологий термической обработки. Это обусловлено тем, что значительно возросли требования к качеству, точности и воспроизводимости характеристик деталей для все более ужесточающихся и усложняющихся условий эксплуатации. По данным маркетинговой службы ООО «ТД «ОТТОМ» можно отметить развитие следующих технологических тенденций по вакуумной термообработке.

Долевое распределение вакуумной термообработки по отраслям промышленности выглядит следующим образом. Наиболее широко она используется в аэрокосмической отрасли. В ней сосредоточено более 55 % вакуумных электропечей. За ней следует автомобильная промышленность – более 17 %. Более 16 % – задействовано в машиностроении. Порядка 15 % вакуумных электропечей эксплуатируется в остальных отраслях промышленности, включая атомную.

По технологическим процессам вакуумной термообработки ситуация следующая. Наибольший объем работ в мире приходится на вакуумную пайку. Она недосягаемо превосходит любые другие процессы вакуумной термообработки. Около 60 % вакуумных электропечей в мире используется для реализации этого процесса. На втором месте идет упрочняющая вакуумная термообработка. Для ее проведения задействовано порядка 25 %. Спекание деталей из порошковых материалов – около 4 %. Оставшийся рыночный сегмент занимают прочие процессы вакуумной термообработки – типа вакуумной химико-термической обработки (цементация, азотирование), специальные и особые способы термообработки.

Поэтому в данной работе остановимся на двух основных направлениях развития вакуумной термообработки – пайки и упрочнения.

Вакуумная пайка. Пайка в вакуумных электропечах наиболее рационально раскрывает все технологические преимущества, обеспечивает стабильность качества соединений, позволяет максимально механизировать и автоматизировать процессы выполнения пайки. Процесс пайки в вакуумных электропечах проводится в условиях безокислительного нагрева узлов сложной конфигурации и с объемным расположением паяных швов. Вакуумная пайка  может быть штучной – для крупно- и среднегабаритных узлов (сотовых уплотнений, направляющих аппаратов компрессора, топливных коллекторов) и групповой – для мелких и среднегабаритных узлов (трубопроводов, лопаток, форсунок, крыльчаток, теплообменников).

При пайке в вакууме должен быть обеспечен постоянный контроль следующих параметров процесса:

– давление остаточных газов в течение термического цикла;

– скорость нагрева;

– температура пайки (при установленных температурных перепадах на нагреваемом узле);

– длительность и температура промежуточных изотермических выдержек (при необходимости их применения), длительностью выдержки при температуре пайки;

– скорость охлаждения;

– температура выгрузки паяного узла.

Контроль температуры нагрева под пайку следует осуществлять горячими спаями термопар, которые надежно контактируют с металлом паяемого узла. Если основной металл после пайки должен быть термообработан, то при общем нагреве узла необходимо применять припой с температурой пайки выше температуры термообработки или совмещать операции пайки и термообработки. Нагрев легированных сталей от температур выше 1100 ºС до температуры пайки рекомендуется осуществлять с возможно более высокими скоростями и малыми выдержками при температуре пайки, во избежание образования крупнозернистой структуры и ухудшения свойств основного металла (жаропрочности, сопротивления усталости, ударной вязкости).

Электропечи для пайки по способу загрузки могут быть: элеваторного типа (загрузка снизу с перемещением каретки с садкой внутри камеры в зону нагрева); камерного типа (с горизонтально расположенной рабочей камерой) малого или большого объема; колпакового типа  (с перемещением камеры нагрева вверх и загрузкой узлов на садочный столик); шахтного типа (с загрузкой изделий в рабочую камеру сверху).

Отсутствие внутри рабочего пространства электропечей огнеупорных и теплоизоляционных материалов позволяет быстро достигать (не более 45 мин) и стабильно поддерживать высокий вакуум, а также обеспечивать минимальное газовыделение из элементов нагревательного модуля, что позволяет получать стабильно высокое качество паяемых изделий. Благодаря относительно малой массе нагревательный модуль характеризуется низкой тепловой инерционностью. Это позволяет обеспечить его ускоренное охлаждение с помощью нейтрального газа или ускоренный нагрев. С другой стороны быстрый нагрев чреват геометрическими искажениями и температурными неоднородностями по всей садке. Чрезмерно быстрое охлаждение садки также может привести к искажениям и закалочному растрескиванию паяного шва. Все эти проблемы решены в вакуумных электропечах отечественного производства торговой марки «ОТТОМ», которые представлены в Таблице. На рис. 1 в качестве примера приведен общий вид камерной вакуумной электропечи сопротивления модели СНВЭ-2.4.2/13-ИП-ОТТОМ.

Таблица. Технические характеристики вакуумных электропечей для пайки.

*Остаточное давление в рабочем пространстве электропечи в холодном состоянии после обезгаживания печи путём нагрева до номинальной температуры

Рис. 1 – Вакуумная камерная электропечь модели СНВЭ-2.4.2/13-ИП-ОТТОМ

Буквенно-цифровое обозначение

С – вид нагрева – сопротивлением;

Н – основной конструкционный признак электропечи – камерная;

В – характер среды в рабочем пространстве – вакуум;

Э – тип теплоизоляции – экранная;

2 – ширина рабочего пространства, дм;

4 – длина рабочего пространства, дм;

2 – высота рабочего пространства, дм;

13 – номинальная температура, сотни °C;

ОТТОМ – торговая марка производителя электропечей.

Упрочняющая термообработка. Она может проводиться путем нагрева стальных деталей в вакууме с последующей закалкой в масле или в инертном газе.

На промышленных предприятиях бывшего СССР широкое распространение получили вакуумные элеваторные электропечи с масляной закалкой. Конструкция закалочного бака в таких электропечах является полным аналогом атмосферных закалочных масляных баков. Закалочное масло в таких баках может как подогреваться так и охлаждаться. Особенностью закалки в вакуумных электропечах является предельно низкое давление остаточных газов над поверхностью масла, что обеспечивает эффективную дегазацию стандартных закалочных масел. Закалка в таком масле при низком давлении остаточных газов обеспечивает высокую твердость и минимальные искажения деталей из легированных сталей. Для закалки деталей из нелегированных или низколегированных сталей и достижения оптимальной твердости над поверхностью масла могут подавать азот до определенных парциальных давлений (ниже атмосферного).

Инновационным достижением отечественного вакуумного электропечестроения стала разработка и запуск серийного производства вакуумных элеваторных электропечей моделей СЭВФ-3.3/11,5-ИЗМ-ОТТОМ и СЭВФ-5.5/11,5-ИЗМ-ОТТОМ, в которых осуществляется полный замкнутый цикл упрочняющей термической обработки. Внешний вид вакуумной элеваторной электропечи модели СЭВФ-3.3/11,5-ИЗМ-ОТТОМ представлен на рис. 2.

Рис. 2. – Вакуумная элеваторная электропечь модели  СЭВФ-3.3/11,5-ИЗМ-ОТТОМ.

Буквенно-цифровое обозначение

С – нагрев сопротивлением;

Э – конструктивный признак – элеваторная;

В – среда в рабочем пространстве (вакуум);

Ф – тип теплоизоляции – корундовая футеровка;

3 – диаметр рабочего пространства, дм;

3 – высота рабочего пространства, дм;

11,5 – номинальная температура, сотни ˚С;

ИЗМ – исполнение – закалка в масле;

ОТТОМ – торговая марка производителя.

Основное назначение вышеуказанных электропечей – нагрев стальных деталей в вакууме, их закалка в  масле, вакуумное обезжиривание, отпуск с последующим охлаждением в вакууме. По этой причине термическая обработка стальных деталей в этих электропечах является финишной операцией. Поступающие, после обработки металлов резанием на станках-автоматах, детали не имеют припусков. Термообработке могут подвергаться детали сложной формы, изготовленные из различных марок конструкционных, инструментальных и специальных сталей.

Весь процесс термообработки осуществляется в одном цикле. Первая стадия цикла – нагрев в вакууме до температуры закалки. Вторая – изотермическая выдержка с последующей закалкой в масле. При достижении температуры в нагревательном модуле, соответствующей температуре отпуска, садка вновь размещается в него для проведения операций вакуумного обезжиривания и отпуска. В процессе отпуска остатки масла полностью испаряются с поверхности деталей. После термообработки детали имеют чистую и светлую поверхность. Отсутствует окисление и обезуглероживание поверхности деталей. Особенно это важно для деталей имеющих мелкие резьбы. В этом состоит основное отличие данных электропечей от существующих аналогов, например СЭВ-3.3/11,5-ФМ2 и СЭВ-5.5/11,5, в которых осуществляется только одна операция – закалка в масло.

Новые электропечи выпускается полностью автоматизированными по управлению нагревом, откачной вакуумной системой и механизмами. Электропечи устанавливаются непосредственно на пол термического цеха без применения фундамента. Конструкция удовлетворяет требованиям, предъявляемым эргономикой.

Для закалки в инертном газе используется широкая гамма вакуумных электропечей с вертикальной или горизонтальной загрузкой. Закалка инертными газами производится в широком диапазоне давлений. В процессе газовой закалки изменения геометрических размеров деталей, хотя имеют место, но они менее существенны, чем при закалке в масле. Все это предопределило высокую конкурентноспособность вакуумных электропечей с газовой закалкой. Охлаждение в аргоне обеспечивает наименьшую теплопередачу, далее следует азот, гелий, и, наконец, водород. Все эти газы снискали популярность. Однако наиболее привлекателен азот, из чисто стоимостных соображений. Теоретического предела повышения скорости охлаждения за счет давления и скорости перемещения газа не существует. Лимитирующей стадией является теплопроводность материала садки. Поэтому актуальной проблемой упрочняющей обработки в инертных газах является оптимальный подбор закалочного давления и скорости циркуляции газового потока, для обеспечения требуемых скоростей охлаждения.

Отметим, что газовое охлаждение обладает другими преимуществами перед охлаждением в жидких охлаждающих средах. Скорость охлаждения легко регулируется изменением скорости циркуляции и давления охлаждающего газа, что обеспечивает не только термообработку обширного перечня материалов, но и детали сложной формы, а также большого или переменного поперечного сечения. Недостатком можно считать влияние массы садки на результирующую скорость охлаждения в ходе газовой закалки. Она более ярко выражена, чем для закалки в жидких охлаждающих средах.

Отечественной промышленностью освоены элеваторные вакуумные электропечи моделей СЭВЭ-3.3/13-ИЗГ-ОТТОМ и СЭВЭ-5.5/13-ИЗГ-ОТТОМ, которая представлена на рис. 3.

Рис. 3. – Вакуумная элеваторная электропечь модели СЭВЭ-5.5/13-ИЗГ-ОТТОМ.

Буквенно-цифровое обозначение

С – нагрев сопротивлением;

Э – конструктивный признак – элеваторная;

В – среда в рабочем пространстве (вакуум);

Э – тип теплоизоляции – экранно-вакуумная;

5 – диаметр рабочего пространства, дм;

5 – высота рабочего пространства, дм;

13 – номинальная температура, сотни ˚С;

ИЗГ – исполнение – охлаждение садки в газе;

ОТТОМ – торговая марка.

Перспективы вакуумной термообработки. Они блестящие. Со всех точек зрения вакуумная термообработка близка к идеальным технологическим процессам. Это относится к повышению качества материалов и созданию новых промышленных технологий,  энергосбережению, повышению экологической и пожарной безопасности, улучшению санитарно-гигиенических условий работы персонала, а также к достижению других преимуществ. Возможности вакуумной термообработки простираются от работы с пригоршнями малогабаритных деталей (типа специальных метизов), до массивных деталей (гомогенизация крупных титановых заготовок), включая все промежуточные размеры. Ожидается продолжение интенсивного использования вакуумной термообработки как в аэрокосмической и автомобильной  промышленности, так и в других отраслях машиностроения.

1. Мармер Э.Н., Мурованная С.Г., Васильев Ю.Э. Электропечи для термовакуумных процессов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 232 с.: ил. – ISBN 5-283-00597-6.