Читать статью в формате PDF=> Новая вакуумная электропечь модели СНВГ-2.4.2_13-ИС-НИТТИН стеарат цинка спекание порошков
Традиционная технология спекания железо- и железографитовых втулок основана на спекании железографитовых смесей содержащих стеарат цинка в среде водорода. Защитная среда водорода была необходима для предотвращения образования оксидных пленок на поверхности спекаемых порошинок, а также как среда для удаления продуктов разложения стеарата цинка. Использование водорода в промышленных установках связано с его высокой пожаро- и взрывоопасностью. С ужесточением требований по охране труда и технике безопасности предложено использовать вакуумные электропечи для проведения таких процессов спекания. Новая вакуумная электропечь модели СНВГ-2.4.2/13 торговой марки «НИТТИН» предназначена для решения этих задач (отгонки пластификатора и спекания в одном технологическом цикле).
Порошковая металлургия является одним из основных направлений развития современного, высокоэффективного (ресурсо- и энергосберегающего) производства во всех технологически развитых странах мира. Методы порошковой металлургии позволяют в максимальной степени экономить трудовые и материальные ресурсы. Так по сравнению с литьем, порошковая металлургия позволяет использовать 100 % исходного материала. Порошковые материалы по своим уникальным свойствам не имеют аналогов и позволяют обеспечить выпуск качественно новой конкурентно способной продукции.
Например, изготовление шестерен методами литья с последующей токарной обработкой связано с потерями в стружку до 60 % материала. Методы порошковой металлургии позволяют практически полностью устранить недостатки технологии обработки металлов резанием и при этом обеспечить самосмазываемость шестерен за счет заполнения маслом (пропитки) имеющихся в них пор. Добавка к железным порошкам меди и графита улучшает характеристики спеченного материала.
При заполнении маслом основной металл защищается от коррозии, имеет постоянный малый коэффициент трения, а подшипники обладают свойством самосмазывания – в процессе эксплуатации масло выделяется из пор на трущуюся поверхность, что исключает необходимость подвода смазки извне. Изначально пористые подшипники имели состав бронз, а затем в них начали вводить графит, который при смешивании с маслом из пор образует высококачественный маслографитовый смазочный материал. Для экономии меди применяют пористое железо или железографитовый материал с добавкой меди.
Подшипники из материалов на основе железа наиболее распространены, их производят из железа (марки Ж), железографита (марок ЖГр1, ЖГр2, ЖГр3 и др.), железографита с медью (марок ЖГр1Д0,5, ЖГр1,5Д2,5 и др.) и с другими антифрикционными компонентами.
Технология изготовления заключается в смешивании порошковой композиции состоящей из железа, графита карандашного или графитового концентрата. Качество перемешивания улучшается при добавлении к смеси масла, бензина или глицерина. Однако при этом уменьшается текучесть смеси порошков, что недопустимо при прессовании на прессах-автоматах с объемной дозировкой. Поэтому вместо масла в шихту добавляют 0,5…1 % стеарата цинка (C17H35COO)2Zn). Его предварительно смешивают с некоторым количеством порошка железа (такая лигатура тяжелее стеарата цинка, что благоприятствует равномерности его распределения в объеме смеси). После чего заготовки формируют прессованием. Пористость прессовок задается в соответствии с требованиями и составляет 25…30 %.
Спекание пористых втулок проводится в защитной атмосфере с минимальным содержанием окислителей (О2, Н2О, СО2) так как втулки могут окисляться при нагреве не только с поверхности, но и в объеме. Чаще применяют печи непрерывного действия – конвейерные и толкательные с защитной атмосферой. Она состоит из водорода, диссоциированного аммиака, либо конвертированного (эндотермического) газа. Рабочая температура спекания в таких печах достигает 1200 оС. Прессовки укладываются на поддоны из жаропрочного материала, которые продвигаются вдоль печи навстречу защитному газу.
Применяются также камерные и шахтные печи – заготовки укладываются в контейнер или специальный бак, изготовленные из жаропрочной стали. Сверху емкость закрывают плотно подогнанной крышкой, а внутрь ее вставляют газоподводящую и отводящую трубки.
Однако эксплуатация всех этих печей вызывает ряд проблем:
— продукты разложения стеарата цинка конденсируют в выхлопных патрубках (свечах);
— рабочее пространство печи зарастает твердыми отложениями вплоть до невозможности проталкивания лодочек с деталями;
— продукты разложения на свечах не полностью сгорают.
Все это вызывает необходимость периодически очищать печь от отложений. Продукты неполного сгорания стеарата цинка {(C17H35COO)2Zn} на свечах загрязняют цеховую атмосферу. К тому же сама печь загрязняется в самых неожиданных местах, даже в холодильниках, которые находятся весьма далеко от камеры предварительного нагрева, где пластификатор удаляется из «сырых» деталей (рис. 1).
Рис. 1. Схема газопотоков продуктов разложения стеарата цинка в закрытой толкательной печи спекания в атмосфере водорода: 1 – камера загрузки; 2 – камера предварительного нагрева; 3 – камера высокотемпературного нагрева — спекания; 4 – камера выгрузки; 5 – холодильник; 6 – сталактит из ZnO; 7 – науглераживание и перегрев кладки; 8 – осадки ZnO уменьшают сечение канала.
Отложения в печи делятся на три типа:
— черно-зеленый налет, который обычно обнаруживаются в камере предварительного нагрева;
— серебристый осадок плотный осадок в виде «сталактита», характерный для участка стыка камер предварительного нагрева и спекания;
— серебристый осадок в виде пористой спеченной «губки», который осаждается в холодильнике печи. Осадок типа «губка» образуется на охлаждаемых местах (смотровые окна, места уплотнения термопар) и по составу соответствуют чистому оксиду цинка.
Механизм разложения стерата цинка. В начале термодеструкции при 250 oC стеарат цинка разлагается на кетон R–CO–R (где R – алкильный радикал C17H35) и ZnCO3. Затем начинается термодеструкция кетона: она начинается с алкильного радикала R и сопровождается образованием алканов и алкенов. Разрыв углеводородной цепи происходит случайным образом – примерно на 1/3 всей цепи C17H35. Таким образом, в парообразных продуктах разложения преобладают алканы и алкены типа С5Нn…С6Нn. Выше 400 оС вплоть до 500 оС в продуктах разложения обнаруживается широкий спектр кетонов и кетенов в продуктах деструкции составляет 80…90 %, остальное – алканы. Выше 500 оС карбонат цинка начинает разлагаться на оксид цинка и диоксид углерода. Термодеструкция стеарата цинка заканчивается при 550 оС. При повышении температуры оксид цинка может быть восстановлен водородом до цинка. Углеводороды (кетоны, кетены, алканы и алкены) имеют широкий диапазон температур конденсации — от комнатной до 300 оС. При контакте с холодными поверхностями они конденсируются, загрязняя их. После испарения продукты разложения почти мгновенно растекаются по камере вследствие свободной конвекции паров в поле силы тяжести. Углеводороды, испаряющиеся из порошковых деталей в камере предварительного нагрева, направляются к зоне загрузки, где частично конденсируются на стенках, а движущиеся в высокотемпературную камеру спекания разлагаются там на сажу и водород. На входе в высокотемпературную камеру спекания оксид цинка восстанавливается до жидкого цинка, а затем испаряется.
Науглероживание теплоизоляционной и огнеупорной футеровки печи сажей, а также конденсация паров цинка иногда вызывают ее разрушение. Конденсат и пылевая фракция оксида цинка нарушают нормальную работу шлюзовых устройств, механических затворов, запорной арматуры. Конденсация паров цинка в холодильнике влечет за собой уменьшение проходного сечения печи вплоть до заклинивания поезда поддонов. Далее, попадая на диффузионный факел свечи, органические продукты разложения не полностью сгорают и выбрасываются в цеховую атмосферу, загрязняя ее.
Исследования в области использования стеарата цинка в качестве пластификатора при спекании порошковых изделий ведутся и поныне.
Таким образом, при использовании стеарата цинка продукты его разложения должны быть удалены из порошковых деталей и из камеры печи.
С ужесточением требований по охране труда и технике безопасности предложено использовать специализированные вакуумные электропечи для проведения таких процессов спекания. Новая вакуумная электропечь модели СНВГ-2.4.2/13-ИС торговой марки «НИТТИН» предназначена для решения этих задач (отгонки пластификатора и спекания в одном технологическом цикле).
Буквенно-цифровое обозначение электропечи модели СНВГ-2.4.2/13-ИС-НИТТИН (рис. 2):
С – вид нагрева – сопротивлением;
Н – основной конструктивный признак – камерная;
В – характер среды в рабочем пространстве – вакуум;
Г – материал нагревателя –углерод-углеродный композит;
2 – ширина рабочего пространства, дм;
4 – длина рабочего пространства, дм;
2 – высота рабочего пространства, дм;
13 – номинальная температура, 0С, условно уменьшенная в 100 раз;
И – исполнение;
С – спекание в вакууме металлокерамических изделий;
НИТТИН – торговая марка отечественного производителя вакуумных электропечей.
Рис. 2. Общий вид вакуумной электропечи модели СНВГ-2.4.2/13-ИС-НИТТИН
Печь серийного производства. Печь предназначена для спекания в вакууме порошковых бронзо- и железогрфитовых втулок.
Печь СНВГ-2.4.2/13-ИС-НИТТИН (далее Печь) состоит из следующих основных узлов, систем и механизмов: вакуумной камеры; нагревательного модуля; вакуумной системы; система улавливания удаляемого пластификатора, системы водяного охлаждения; печного трансформатора и системы электропитания; шкафа управления; системы контроля температуры. Все элементы Печи, смонтированы на общей раме в виде единого монтажно-транспортного блока.
Вакуумная камера представляет собой цилиндрический горизонтально расположенный корпус, закрытый с обеих сторон крышками, которые закреплены на корпусе. Крышки и корпус снабжены рубашками водяного охлаждения.
Вакуумная система состоит из бустерного паромасляного насоса, двух механических форвакуумных насосов, вакуумных затворов и необходимого количества клапанов, вентилей.
Система улавливания удаляемого стеарата цинка предотвращает его попадание в вакуумную систему.
Питание нагревателя осуществляется от печного трансформатора, установленного на раме печи. На кабеле, соединяющем обмотки низкого напряжения трансформатора с регулирующим устройством, установлен шинный трансформатор тока, входящий в систему контроля тока нагревателя.
Регулирование теплового режима осуществляется путем изменения подводимой к нагревателю мощности с помощью тиристорного регулятора напряжения, включенного в первичную обмотку печного трансформатора. Сигнал управления тиристорного регулятора напряжения формируется и подается от регулирующего микропроцессорного прибора.
Управление элементами вакуумной системы осуществляется с помощью программируемого контроллера. Контрольно-измерительные приборы и аппаратура размещены в шкафу управления.
Спекание порошковых изделий из титана и его сплавов может производится с использованием стеарата цинка. Данное типоисполнение печи полностью подходит для проведения таких процессов спекания.
При производстве бронзографитовых втулок стеарат цинка не используется. Но данное типоисполнение печи пригодно для спекания также и бронзографитовых втулок.
Основные параметры и размеры вакуумной электропечи модели СНВГ-2.4.2/13-ИС-НИТТИН приведены в Таблице.
Таблица. Основные параметры и размеры вакуумной электропечи модели СНВГ-2.4.2/13-ИС-НИТТИН
Наименование параметра |
Норма параметра |
|
номинальная |
допустимая |
|
1. Установленная мощность, кВт, в т.ч.: |
35 |
38 |
– нагревателей; |
30 |
33 |
– оборудования вакуумной системы (вакуумных насосов, затворов, клапанов) |
4,45 |
–– |
2. Номинальная температура, оС |
1300 |
1300 |
3. Точность поддержания температуры в рабочем пространстве, оС |
–– |
10 |
4. Неравномерность температуры в рабочем пространстве камеры нагрева в установившемся тепловом режиме, оС |
–– |
20 |
5. Программирование и контроль режимов термообработки. |
Обеспечивается системой автоматического регулирования. |
|
6. Масса садки, кг, не более |
–– |
15 |
7. Рабочее напряжение, В, не более |
65 |
65 |
8. Мощность холостого хода, кВт, не более |
22 |
25 |
9. Размеры рабочего пространства, мм: | ||
– ширина; |
200 |
–– |
– длина; |
400 |
–– |
– высота |
200 |
–– |
10. Масса электропечи, кг, не более |
–– |
2000 |
11. Среда в рабочем пространстве: | ||
– при нагреве и выдержке садки |
вакуум |
|
– при охлаждении |
вакуум |
|
12. Остаточное давление в рабочем пространстве электропечи в холодном состоянии после обезгаживания печи путём нагрева до номинальной температуры, не хуже, Па (Торр) |
–– |
6,65 (5·10-2) |
13 Время вакуумирования, мин., не более |
–– |
45 |
14. Параметры воды для охлаждения: | ||
– избыточное давление в питающей магистрали, кПа; |
300 |
400 |
– температура на входе, оС; |
20 |
25 |
– расход охлаждающей воды (при температуреохлаждающей воды 20 оС), м3/ч * |
0,8 |