Вакуумные печи применяются для термообработки сплавов и металлов в условиях вакуума. После термической обработки повышается прочность материала, меняются его физические и химические свойства.
Содержание:
- Промышленные вакуумные печи
- Вакуумные печи - принцип работы
- Вакуумные печи для отжига
- Вакуумные печи для цементации
- Вакуумные печи для закалки
- Применение вакуумных печей
Термообработка в вакуумных печах имеет преимущества по сравнению с обычными печами. Так, исключается коробление и деформирование заготовок.
Промышленные вакуумные печи
Промышленные вакуумные печи имеют сходную конструкцию, основной конструктивный элемент – камера нагрева. Это герметичный сосуд, к которому подсоединяются вакуумные насосы, поддерживающие внутри камеры вакуум.
Промышленные вакуумные печи
Но выделяют несколько разновидностей печей – дуговые, индукционные, печи сопротивления, а также электроннолучевые. Первые два вида печей применяются в основном для плавки и разливки материалов. Электроннолучевые используются для получения металлов высокой чистоты. Наиболее универсальными считаются печи сопротивления. Внутри них происходят процессы термической обработки – отжиг, закалка, нитроцементация, вакуумная пайка и другие.
Вакуумные печи обладают рядом преимуществ:
- процессы окисления внутри рабочей камеры отсутствуют, поэтому снижается вероятность обугливания;
- после обработки размеры материала остаются неизменными, но меняются его свойства и структура;
- подходят для обработки как сплавов, так и чистых металлов;
- термическая и термохимическая обработка выполняется в более сжатые сроки по сравнению с применением других печей.
Также оборудование характеризуется высокой стабильностью, поэтому проведение одних и тех же операций оканчивается одинаковыми результатами.
Вакуумные печи - принцип работы
Вакуумные печи - принцип работы
Принцип работы вакуумной печи можно описать так:
- материал загружается в погрузочный поддон и вставляется в рабочую камеру для дальнейшей обработки;
- из рабочей камеры откачивается воздух специальным насосом;
- при достижении подходящего давления включается печь и запускается процесс нагрева;
- материал нагревается до нужно температуры, после чего печь отодвигается в сторону, и достигнутая температура начинает постепенно снижаться – идет процесс охлаждения;
- в камеру впускается газ или воздух (в зависимости от того, какого результата нужно достичь);
- по окончании отжига, закалки, цементирования или другого процесса, материал вынимается из рабочей камеры.
Стандартная комплектация вакуумных печей включает: вакуумная печь (может иметь прямоугольную или круглую зону нагрева), система вакуума, система поддержания заданных значений температуры, источник непрерывного питания, бак-ресивер для газа, погрузочные поддоны, система охлаждения.
Вакуумные печи для отжига
Отжиг является первым этапом термической обработки сплава. Материал нагревается до высоких температур, после чего постепенно остужается. За счет этого меняется структура сплава и его свойства – материал становится более мягким и пластичным. Поэтому отжиг считается подготовительным этапом, а после него может проводиться дополнительная обработка сплава.
Вакуумные печи для отжига
В вакуумных печах для отжига процесс может выполняться разными способами:
- неполный отжиг, когда температура внутри камеры соответствует критической для отжигаемого материала;
- полный – температура в рабочей камере выше критической на 20-40 градусов;
- изотермический – температура выше критической более чем на 50 градусов;
- временный – выдержка материала в камере при сверхвысоких температурах;
- рекристализационный – отжиг при температуре до 680 градусов Цельсия.
Вакуумная печь для отжига подходит для электротехнической и нержавеющей стали, тугоплавких и легкоплавких материалов, нержавеющей стали и прочих.
Например, обжиг тантала и ниобия в вакуумной печи нужно выполнять на протяжении часа при температуре 1300-1400 градусов Цельсия при давлении до 10 -3.
Вакуумные печи для цементации
При цементации поверхностный слой материала насыщается углеродом с целью повышения твердости и износоустойчивости. Предполагает собой процесс нагрева в газовой среде, содержащей атомы углерода.
Вакуумные печи для цементации
Вакуумные печи для цементации имеют ряд преимуществ:
- Длительность процесса цементации сокращается. Это особенно важно при значительной глубине цементированного слоя. Насыщение углеродом на глубину до 4,5 мм выполняется примерно за 30 часов. Это достигается за счет применения высоких температур (до 1100 градусов Цельсия) в процессе цементации.
- Глубину слоя цементации можно контролировать.
- Цементированный слой получается однородным и равномерным. Даже детали со сложной геометрией содержат высокую концентрацию углеродных частиц.
В процессе обработки используются метан, ацетилен или пропан. Для цементации метаном требуется дополнительное воздействие плазмы. Такой метод эффективен при частичной цементации.
Чаще для цементации в вакуумных печах используют пропан или ацетилен. Камера печи нагревается до необходимой температуры (1050-1150 градусов Цельсия). После в рабочую камеру подается газ, который затем отсасывается специальными насосами. Последний этап цементации – выдержка материала внутри печи для направленной диффузии атомов углерода в обрабатываемый материал.
Далее выполняется ускоренное охлаждение деталей. За счет этого аустенит превращается в мартенсит, повышая прочность материала. При этом сердцевина остается мягкой и вязкой.
Для повышения чистоты термообработки можно проводить предварительный отжиг, посредством которого удаляются частицы влаги. Детали выдерживают в печах предварительного окисления при температурах примерно 600 градусов Цельсия. Происходит обезуглероживание поверхности, благодаря чему процесс дальнейшей цементации может быть увеличен в несколько раз.
Вакуумные печи для закалки
Закалка предполагает значительный нагрев сплава и затем его резкое охлаждение. После этого происходит изменение свойств материала. Например, у стали повышается прочность, упругость, твердость.
Вакуумные печи для закалки
Закалка в вакуумных печах имеет преимущества по сравнению с классической соляной – после процедуры не нужно очищать поверхность от остатков соли и проводить подготовку для последующего распределения упрочняющего материала. Также в вакуумных печах для закалки исключается потеря легирующих элементов и атомов углерода в поверхностном слое.
В вакуумных печах процесс закалки полностью контролируется, поддерживаются установленные режимы термообработки. Выполняется плавное прогревание деталей, в процессе работы применяются мягкие охладители (газы) для последующей закалки.
Давление в камере снижается до ≤ 5 x 10−5 атмосфер. В результате количество кислорода в нагревательной камере уменьшается, поэтому при нагреве материала на его поверхности не образуются окислы.
В вакууме теплообмен происходит за счет излучения, которое особенно заметно при температурах более 600 градусов Цельсия. Чтобы он стал возможен температурах ниже, рабочее пространство печи заполняют газом (например, азотом). В таком случае скорость нагрева увеличивается в несколько раз.
Азот является оптимальным вариантом для закалки деталей в вакуумных печах. Важно использовать очищенный азот высокого качества, чтобы результаты обработки были высокими. Охлаждающая способность газа увеличивается при повышении давления. На изделие направляется поток газа со скоростью 60-80 м/с, материал охлаждается, коэффициент теплоотдачи азота составляет 350-450 Вт/м2К. У гелия коэффициент теплоотдачи выше, но он стоит дороже, поэтому его применение нерентабельно.
Применение вакуумных печей
Применение вакуумных печей
Вакуумные печи могут использоваться в частном или промышленном производстве. Их применение получило распространение в атомной, электронной, авиационной, металлургической промышленностях, машиностроении и прочих отраслях.
