Завантажити статтю в форматі PDF => Вакуумна термообробка – основа перспективних промислових технологій
Вступ. В роботі [1] було відзначено, що має місце стійка тенденція до широкого використання вакуумної термообробки в різних галузях промисловості. Минулі двадцять років ознаменувалися багаторазовим приростом використання вакуумної термообробки. Якщо станом на 1991 рік парк вакуумних електропечей становив десяті частки відсотка від загального парку електропечей, то в даний час в розвинених країнах світу (США, Китай, Європа і ін.) З кожних вироблених п’яти електропечей – одна вакуумна. Ринковий сегмент обладнання для термічної обробки у вакуумі розвивається інтенсивніше інших технологій термічної обробки. Це обумовлено тим, що значно зросли вимоги до якості, точності і відтворюваності характеристик деталей для все більш посилюються і ускладнюються умов експлуатації. За даними маркетингової служби ТОВ «ТД« ОТТОМ »можна відзначити розвиток наступних технологічних тенденцій по вакуумній термообробці.
Пайова розподіл вакуумної термообробки по галузям промисловості виглядає наступним чином. Найбільш широко вона використовується в аерокосмічній галузі. У ній зосереджено понад 55% вакуумних електропечей. За нею йде автомобільна промисловість – понад 17%. Понад 16% – задіяно в машинобудуванні. Близько 15% вакуумних електропечей експлуатується в інших галузях промисловості, включаючи атомну.
За технологічними процесами вакуумної термообробки ситуація наступна. Найбільший обсяг робіт в світі припадає на вакуумну пайку. Вона недосяжно перевершує будь-які інші процеси вакуумної термообробки. Близько 60% вакуумних електропечей в світі використовується для реалізації цього процесу. На другому місці йде упрочняющая вакуумна термообробка. Для її проведення задіяно близько 25%. Спікання деталей з порошкових матеріалів – близько 4%. Що залишився ринковий сегмент займають інші процеси вакуумної термообробки – типу вакуумної хіміко-термічної обробки (цементація, азотування), спеціальні і особливі способи термообробки.
Тому в даній роботі зупинимося на двох основних напрямках розвитку вакуумної термообробки – пайки і зміцнення.
Вакуумна пайка. Пайка в вакуумних електропечах найбільш раціонально розкриває всі технологічні переваги, забезпечує стабільність якості з’єднань, дозволяє максимально механізувати і автоматизувати процеси виконання пайки. Процес пайки в вакуумних електропечах проводиться в умовах безокисного нагрівання вузлів складної конфігурації і з об’ємним розташуванням паяних швів. Вакуумна пайка може бути штучної – для крупно-і середньогабаритних вузлів (стільникових ущільнень, напрямних апаратів компресора, паливних колекторів) і груповий – для дрібних і середньогабаритних вузлів (трубопроводів, лопаток, форсунок, крильчаток, теплообмінників).
При пайку у вакуумі повинен бути забезпечений постійний контроль наступних параметрів процесу:
– тиск залишкових газів протягом термічного циклу;
– швидкість нагрівання;
– температура пайки (при встановлених температурних перепадах на нагреваемом вузлі);
– тривалість і температура проміжних ізотермічних витримок (при необхідності їх застосування), тривалістю витримки при температурі пайки;
– швидкість охолодження;
– температура вивантаження паяного вузла.
Контроль температури нагрівання під пайку слід здійснювати гарячими спаями термопар, які надійно контактують з металом паяемого вузла. Якщо основний метал після пайки повинен бути термооброблені, то при загальному нагріванні вузла необхідно застосовувати припій з температурою пайки вище температури термообробки або поєднувати операції пайки і термообробки. Нагрівання легованих сталей від температур вище 1100 ° С до температури пайки рекомендується здійснювати з максимально високими швидкостями і малими витримками при температурі пайки, щоб уникнути утворення грубозернистої структури і погіршення властивостей основного металу (жароміцності, опору втоми, ударної в’язкості).
Електропечі для пайки за способом завантаження можуть бути: елеваторного типу (завантаження знизу з переміщенням каретки з садком всередині камери в зону нагріву); камерного типу (з горизонтально розташованої робочою камерою) малого або великого обсягу; Колпакова типу (з переміщенням камери нагріву вгору і завантаженням вузлів на садочної столик); шахтного типу (з завантаженням виробів у робочу камеру зверху).
Відсутність всередині робочого простору електропечей вогнетривких і теплоізоляційних матеріалів дозволяє швидко досягати (не більше 45 хв) і стабільно підтримувати високий вакуум, а також забезпечувати мінімальне газовиділення з елементів нагрівального модуля, що дозволяє отримувати стабільно високу якість паяються виробів. Завдяки відносно малій масі нагрівальний модуль характеризується низькою теплової інерційністю. Це дозволяє забезпечити його прискорене охолодження за допомогою нейтрального газу або прискорений нагрів. З іншого боку швидке нагрівання може призвести до геометричними спотвореннями і температурними неоднорідностями по всій коші. Надмірно швидке охолодження садки також може призвести до спотворень і гартівних розтріскування паяного шва. Всі ці проблеми вирішені в вакуумних електропечах вітчизняного виробництва торгової марки «ОТТОМ», які представлені в Таблиці. На рис. 1 як приклад наведено загальний вигляд камерної вакуумної електропечі опору моделі СНВЕ-2.4.2/13-ІП-ОТТОМ.
Таблиця. Технічні характеристики вакуумних електропечей для пайки.
| Наименование параметра | Норма параметра | ||||
| СЭВЭ-3.3/13-ИП-ОТТОМ | СНВЭ-2.4.2/13-ИП-ОТТОМ
(рис. 1) |
СНВЭ-6.6.4/13-ИП-ОТТОМ | СГВ- 2.4-2/15-ИП-ОТТОМ |
СШВЭ-8.12/13-ИП-ОТТОМ | |
| Максимальная температура, 0С | 1300 | 1300 | 1300 | 1300 | 1300 |
| Установленная мощность, кВт | 35 | 35 | 75 | 30 | 200 |
| Масса садки, кг | 50 | 30 | 200 | 25 | 500 |
| Вакуум*, Па
(мм. рт. ст.) |
1,33·10-3 (1·10-5) | 1,33·10-3
(1·10-5) |
1,33·10-2
(1·10-4) |
6,65·10-3 (5·10-5) | 1×10-3 (1,33×10-1) |
| Размеры рабочего пространства, мм | Ø300×H300 | 200×400×200
(Ш×Д×В) |
600×600×400
(Ш×Д×В) |
Ø200×H400 | Ø800×H1200 |
| Габариты Электропечи (Ш*Д*В) , мм | 3350×2875 ×2960 |
2910×875
×1800 |
5450×5995
×3200 |
1800×2100
×2500 |
5000×3800
×4000 |
| Масса Печи, кг | 4300 | 1500 | 5800 | 2000 | 10 000 |
| Расход охлаждающей воды, м3/ч | 2,5 | 1,5 | 3,5 | 2,5 | 25 |
* Залишковий тиск в робочому просторі електропечі в холодному стані після знегажування печі шляхом нагрівання до номінальної температури
Рис. 1 – Вакуумна камерна електропіч моделі СНВЕ-2.4.2/13-ІП-ОТТОМ
Буквено-цифрове позначення
С – вид нагріву – опором;
Н – основна конструкційна ознака електропечі – камерна;
В – характер середовища в робочому просторі – вакуум;
Е – тип теплоізоляції – екранна;
2 – ширина робочого простору, дм;
4 – довжина робочого простору, дм;
2 – висота робочого простору, дм;
13 – номінальна температура, сотні ° C;
ОТТОМ – торгова марка виробника електропечей.
Упрочняющая термообробка. Вона може проводитися шляхом нагрівання сталевих деталей у вакуумі з наступним загартуванням в маслі або в інертному газі.
На промислових підприємствах колишнього СРСР широкого поширення набули вакуумні елеваторні електропечі з масляною загартуванням. Конструкція гартувального бака в таких електропечах є повним аналогом атмосферних гартівних масляних баків. Гартівне масло в таких баках може як підігріватися так і охолоджуватися. Особливістю гарту в вакуумних електропечах є гранично низький тиск залишкових газів над поверхнею масла, що забезпечує ефективну дегазацію стандартних гартівних масел. Загартування в такому маслі при низькому тиску залишкових газів забезпечує високу твердість і мінімальні спотворення деталей з легованих сталей. Для гарту деталей з нелегованих або низьколегованих сталей і досягнення оптимальної твердості над поверхнею масла можуть подавати азот до певних парціальних тисків (нижче атмосферного).
Інноваційним досягненням вітчизняного вакуумного електропечестроенія стала розробка і запуск серійного виробництва вакуумних елеваторних електропечей моделей СЕВФ-3.3/11.5-ИЗМ-ОТТОМ і СЕВФ-5.5/11.5-ИЗМ-ОТТОМ, в яких здійснюється повний замкнутий цикл зміцнюючої термічної обробки. Зовнішній вигляд вакуумної елеваторної електропечі моделі СЕВФ-3.3/11.5-ИЗМ-ОТТОМ представлений на рис. 2.
Рис. 2. – Вакуумна елеваторна електропіч моделі СЕВФ-3.3 / 11.5 ИЗМ-ОТТОМ.
Буквено-цифрове позначення
С – нагрівання опором;
Е – конструктивна ознака – елеваторна;
В – середовище в робочому просторі (вакуум);
Ф – тип теплоізоляції – корундова футерування;
3 – діаметр робочого простору, дм;
3 – висота робочого простору, дм;
11,5 – номінальна температура, сотні ˚С;
ИЗМ – виконання – гарт в маслі;
ОТТОМ – торгова марка виробника.
Основне призначення вищевказаних електропечей – нагрівання сталевих деталей у вакуумі, їх загартування в маслі, вакуумне знежирення, відпустку з подальшим охолодженням у вакуумі. З цієї причини термічна обробка сталевих деталей в цих електропечах є фінішної операцією. Вступники, після обробки металів різанням на верстатах-автоматах, деталі не мають припусків. Термообробці можуть піддаватися деталі складної форми, виготовлені з різних марок конструкційних, інструментальних та спеціальних сталей.
Весь процес термообробки здійснюється в одному циклі. Перша стадія циклу – нагрівання у вакуумі до температури гарту. Друга – ізотермічна витримка з подальшим гартом в олії. При досягненні температури в нагрівальному модулі, що відповідає температурі відпустки, садка знову розміщується в нього для проведення операцій вакуумного знежирення і відпустки. В процесі відпустки залишки масла повністю випаровуються з поверхні деталей. Після термообробки деталі мають чисту і світлу поверхню. Відсутня окислення і зневуглецювання поверхні деталей. Особливо це важливо для деталей мають дрібні різьблення. У цьому полягає основна відмінність даних електропечей від існуючих аналогів, наприклад СЕВ-3.3/11.5-ФМ2 і СЕВ-5.5/11,5, в яких здійснюється тільки одна операція – гарт в масло.
Нові електропечі випускається повністю автоматизованими з управління нагрівом, откачной вакуумною системою і механізмами. Електропечі встановлюються безпосередньо на підлогу термічного цеху без застосування фундаменту. Конструкція задовольняє вимогам, що пред’являються ергономікою.
Для гарту в інертному газі використовується широка гама вакуумних електропечей з вертикальною або горизонтальною завантаженням. Загартування інертними газами проводиться в широкому діапазоні тисків. В процесі газової гарту зміни геометричних розмірів деталей, хоча мають місце, але вони менш істотні, ніж при загартуванню в маслі. Все це зумовило високу конкурентноздатність вакуумних електропечей з газової загартуванням. Охолодження в аргоні забезпечує найменшу теплопередачу, далі йде азот, гелій, і, нарешті, водень. Всі ці гази здобули популярність. Однак найбільш привабливий азот, з чисто вартісних міркувань. Теоретичної межі підвищення швидкості охолодження за рахунок тиску і швидкості переміщення газу не існує. Лимитирующей стадією є теплопровідність матеріалу садки. Тому актуальною проблемою зміцнюючої обробки в інертних газах є оптимальний підбір гартувального тиску і швидкості циркуляції газового потоку, для забезпечення необхідних швидкостей охолодження.
Відзначимо, що газове охолодження володіє іншими перевагами перед охолодженням в рідких охолоджуючих середовищах. Швидкість охолодження легко регулюється зміною швидкості циркуляції і тиску охолоджуючого газу, що забезпечує не тільки термообробку великого переліку матеріалів, а й деталі складної форми, а також великого або змінного поперечного перерізу. Недоліком можна вважати вплив маси садки на результуючу швидкість охолодження в ході газової гарту. Вона більш яскраво виражена, ніж для загартування в рідких охолоджуючих середовищах.
Вітчизняною промисловістю освоєно елеваторні вакуумні електропечі моделей СЕВЕ-3.3/13-ІЗГ-ОТТОМ і СЕВЕ-5.5/13-ІЗГ-ОТТОМ, яка представлена на рис. 3.
Рис. 3. – Вакуумна елеваторна електропіч моделі СЕВЕ-5.5/13-ІЗГ-ОТТОМ.
Буквено-цифрове позначення
С – нагрівання опором;
Е – конструктивний ознака – елеваторна;
В – середовище в робочому просторі (вакуум);
Е – тип теплоізоляції – екранно-вакуумна;
5 – діаметр робочого простору, дм;
5 – висота робочого простору, дм;
13 – номінальна температура, сотні ˚С;
ІЗГ – виконання – охолодження садки в газі;
ОТТОМ – торгова марка.
Перспективи вакуумної термообробки. Вони блискучі. З усіх точок зору вакуумна термообробка близька до ідеальних технологічних процесів. Це відноситься до підвищення якості матеріалів і створення нових промислових технологій, енергозбереження, підвищення екологічної і пожежної безпеки, поліпшення санітарно-гігієнічних умов роботи персоналу, а також до досягнення інших переваг. Можливості вакуумної термообробки простягаються від роботи з пригорщами малогабаритних деталей (типу спеціальних металевих виробів), до масивних деталей (гомогенізація великих титанових заготовок), включаючи всі проміжні розміри. Очікується продовження інтенсивного використання вакуумної термообробки як в аерокосмічній і автомобільній промисловості, так і в інших галузях машинобудування.
- 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.