Скачать статью в формате PDF ->Elektropech_vacuumnaya_-_zakalka_gazovaya-min
Растущий интерес к газовой закалке объясняется эксплуатационными и экологическими преимуществами этой технологии, по сравнению с традиционной масляной закалкой. Детали, прошедшие газовую закалку, чисты и не требуют последующих доводочных операций. Кроме того, использование азота, аргона или гелия в качестве закалочной среды избавляет от необходимости в системах противопожарной безопасности.
С точки зрения технических характеристик, скорость охлаждения в ходе масляной закалки меняется на несколько порядков величины в зависимости от температуры за счет одновременного теплоотвода по следующим механизмам: парообразование, кипение и конвекция. Все это приводит к возникновению значительных термоградиентов в закаливаемых деталях. В случае газовой закалки имеет место лишь конвекционный теплоотвод во всем диапазоне температур, поэтому скорость охлаждения в значительно меньшей степени зависит от температуры. Пониженные термоградиенты, а, следовательно, более однородная скорость охлаждения приводит к снижению уровня искажений в закаливаемых деталях. Это преимущество, особенно, важно в массовом производстве, например, в автомобильной промышленности, поскольку расходы на окончательную доводку и отделку можно либо существенно сократить, либо, вообще, избежать их. Другое преимущество газовой закалки – возможность в широких пределах варьировать скорость охлаждения, за счет регулировки давления и скорости газа. Все это обеспечило триумф газовой закалки в практике вакуумной термической обработки.
Преимущества
Газовая закалка в вакуумных электропечах обладает рядом преимуществ, по сравнению с общепринятыми системами закалки в жидких охлаждающих средах:
• Гибкое изменение скоростей охлаждения, даже в пределах одного цикла. Газовая закалка обеспечивает полное упрочнение многих сталей, которые ранее калились в масле. В случае закалки в жидкостях, когда скорость охлаждения фиксирована, требуются системы из нескольких ванн.
• Можно осуществлять микропроцессорный контроль и создавать направленный газовый поток для обеспечения однородности охлаждения.
• Возможность более тщательного контроля скоростей разогрева и закалки, что обеспечивает повышение производительности и сведение к минимуму деформаций деталей.
• Детали, прошедшие газовую закалку имеют не окисленную, светлую поверхность.
• Вакуумные электропечи не имеют выхлопов, содержащих токсичные или воспламеняющиеся газы, что обеспечивает их повышенную пожарную и экологическую безопасность, в сравнении с закалкой в жидкости. в обычной атмосферной электропечи.
Упрочнение газовой закалкой
Закалка инертными газами при давлении 2-20 бар – наиболее популярная разновидность закалки в вакуумных печах. В процессе газовой закалки, размерные изменения серийных деталей все же не такие как в процессах масляной закалки. Актуальная проблема газовой закалки — подбор закалочного давления. Т.е., использование только оптимального по величине давления обеспечивает требуемую закалку деталей. Недавние достижения материаловедения и конструкции закалочного оборудования (переменные потоки газа, лопатки переменного направления, приводы с переменными скоростями) обеспечивают такую возможность. Поэтому газовая закалка, в настоящее время, используется для достижения предельной твердости практических всех марок сталей, традиционно закаливаемых в масле.
Критический интервал превращений для большинства сталей заключен в пределах 500-800оС. Время, необходимое для прохождения этого температурного интервала в настоящее время достижимо для многих марок сталей. Охлаждение в аргоне обеспечивает наименьшую теплопередачу от деталей садки газу, далее следует азот, затем гелий и, наконец, водород. Все эти инертные газы снискали популярность при газовой закалке, но наиболее привлекательным является азот, только из экономических соображений. Пределу повышения скорости охлаждения, за счет давления и скорости газа, теоретически не существует. Однако на практике, системы с чрезвычайно высокими давлениями и скоростями газа является сложными и дорогостоящими.
Скорость охлаждения легко регулируется изменением скорости газового потока и давления, что обеспечивает термообработку не только обширного спектра марок сталей, но и деталей сложной формы, а также большого или переменного поперечного сечения. Влияние веса садки на результирующую скорость охлаждения более ярко выражено в ходе газовой закалки, чем при закалке в жидкости. Максимальное поперечное сечение закаливаемых деталей также является предметом особого рассмотрения.
Инструментальные стали
Для большинства инструментальных сталей требуемые характеристики конечных продуктов, такие как твердость поверхности, механические и микроструктурные свойства (размеры карбидов и их распределение) вполне можно получить газовой закалкой в вакуумной электропечи, что не удавалось добиваться другими видами термообработки, например, в соляных ваннах или в ходе закалки в печах с атмосферной средой. Главное преимущество вакуумных электропечей заключается в отсутствии науглераживания / обезуглераживания деталей в ходе термообработки, при этом достигаются требуемые характеристики деталей.
В целом газовая закалка деталей из инструментальных сталей в вакуумных электропечах во многом аналогична закалке в воздушной атмосфере. Детали сначала подвергают предварительному разогреву, затем разогреву до температуры аустенизации и охлаждению с умеренной скоростью. Среднелегированные стали упрочняемые на воздухе, а также высокоуглеродистые и высокохромистые стали упрочняются в вакуумных электропечах с газовой закалки при давлении азота, до 6 бар (атм).
Для термообработки инструментальных сталей используется низкий вакуум, 1х10-1 – 1 торр. Такой вакуум требуется, главным образом, по причине относительно высоких давлений паров хрома, магния и других легко испаряемых элементов.
В настоящее время на предприятиях использующих современные методы термообработки многие марки обрабатываемых быстрорежующих сталей калятся в газообразном азоте при давлении 10 бар.
Во многих случаях, для минимизации искажений и деформаций, вводится дополнительная стадия – изотермическая выдержка. Сообщалось, что методами газовой закалки достигаются скорости закалки 40-70оС/мин, что вполне подходит для широкого спектра сталей различного применения. Более высокие скорости охлаждения повышают долговечность деталей и улучшают характеристики закаливаемых сталей. В то же время масляная закалка позволяет достигать скоростей охлаждения, порядка 150оС в минуту.
Мартенситные нержавеющие стали
Все марки мартенситных нержавеющих сталей обрабатывают в вакуумных печах при одинаковых температурах аустенизации исходя из тех же соображениях, что и в печах с атмосферной средой. Поскольку температуры аустенизации таких сталей, как правило, не превышают 1100оС, зачастую используется средний вакуум порядка 10-3торр, что обеспечивает получение чистых и светлых поверхностей деталей. Во избежание испарения ряда легирующих элементов, процессы термообработки допустимо также проводить и в вакууме 10-1-10-3торр но с некоторым ущербом для качества поверхности. Из-за различий в упрочняемости разницы мартенситных нержавеющих сталей, имеются определенные ограничения по размерам поперечных сечений, которые можно полностью упрочнить закалкой в циркулирующем газообразном азоте. Можно использовать и другие типы закалочных газов, но при этом необходимо тщательно учитывать экономические аспекты. Предельные размеры поперечных сечений деталей подвергающихся закалке определяются типом охлаждающих систем и специфическими особенностями используемых вакуумных электропечей.
Вакуумные электропечи
Для закалки в инертном газе используется широкая гамма вакуумных электропечей с вертикальной или горизонтальной загрузкой зарубежного производства. Параметры охлаждения в таких электропечах зависят от целого ряда факторов. Например, типа закалочного газа. Гелий при сопоставимых параметрах охлаждает в два раза быстрее, чем аргон.
Необходимо отметить, что переход от одного охлаждающего газа к другому требует замены вентилятора газодувки внутри вакуумной печи для поддержания постоянной мощности охлаждения / теплоотвода.
Характеристики системы охлаждения также непосредственно определяются особенностями конструкции печи. Здесь есть ряд направлений усовершенствования: беспрепятственность потока газа через печь и садку, эффективность водоохлаждаемого теплообменника, размеры печи. При неизменности прочих факторов относительная эффективность охлаждения возрастает с уменьшением размеров рабочего пространства вакуумной электропечи.
Отечественной промышленностью освоены элеваторные вакуумные электропечи моделей СЭВЭ-3.3/13-ИЗГ-НИТТИН и СЭВЭ-5.5/13-ИЗГ-НИТТИН (Рис. 1), а также СЭВГ-3.3/13-ИЗГ-НИТТИН и СЭВГ-5.5/13-ИЗГ-НИТТИН.
Рис.1. Вакуумная элеваторная электропечь модели СЭВЭ-5.5/13-ИЗГ-НИТТИН.
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;
И – исполнение;
ЗГ – охлаждение садки в потоке инертного газа;
НИТТИН – торговая марка российского производителя электропечей.
Вакуумная элеваторная электропечь сопротивления модели СЭВГ-3.3/13-ИЗГ-НИТТИН (Рис. 2) предназначена для закалки мелкого инструмента (с максимальным диаметром или толщиной менее 100 мм) из различных марок быстрорежущих (Р18, Р9, Р6М5, Р6М5Ф3, Р5М5К5 и др.) и высоколегированных сталей в потоке охлаждающего газа (азот или аргон) при давлениях меньше 0,17 МПа.
Рис. 2. Вакуумная элеваторная электропечь сопротивления модели СЭВГ-3.3/13-ИЗГ-НИТТИН.
В зоне ускоренного охлаждения располагается газовый спрейер. К зоне ускоренного охлаждения пристыковывается наружная система циркуляции газа (показана на рис. 2), которая оборудована мощной газодувкой и теплообменниками для охлаждения охлаждающего газа.