В процессе обработки металла существенную долю занимается термическая часть. Именно благодаря цементации, азотированию, закалке и прочим процессам готовое изделие получается прочным и долговечным. Сохраняет свои физические свойства в различных условиях эксплуатации. Выполнить подобную обработку можно в традиционных атмосферных печах, но вместе с упрочнением вы получите также многочисленные дефекты из-за кислорода, который выступает эффективным окислителем. Поэтому была придумана вакуумная печь, позволяющая полностью исключить фактор воздействия кислорода на металл.
Содержание:
- Устройство вакуумной печи
- Вакуумные печи - принцип работы
- Муфельная вакуумная печь
- Вакуумная печь высокотемпературная
- Вакуумные компрессионные печи
- Вакуумная дуговая печь
- Индукционные вакуумные печи
- Водородные печи
- Вакуумные печи промышленные
Устройство вакуумной печи
Вакуумная печь представляет собой комплекс различных компонентов, в числе которых имеется рабочая камера. Это изолированный бокс, внутри которого происходит процесс нагрева металла или непосредственное производство изделий из порошковых сплавов.
Конструкция достаточно проста, но содержит в себе дорогостоящее оборудование:
- Рабочая камера, в которой осуществляется термообработка;
- Нагревательные элементы, в качестве которого может выступать индуктор, также им может быть газовая горелка, а камера тогда является ретортой;
- Вакуумный насос или воздуходувка, которая выкачивает из камеры воздух, на ней в дополнительном канале устанавливается клапан на случай возникновения избыточного давления;
- Компрессоры – они необходимы для организации циркуляции газа, например, при выполнении азотирования;
- Блок управления, обычно он расположен на шкафу, также производятся выносного типа.
Устройство вакуумной печи
Вакуумные печи - принцип работы
По принципу действия все вакуумные печи закалки, отпуска, цементации или иного типа работают по схожему принципу действия. Он заключается в погружении заготовки в рабочую камеру, из которой откачивается воздух до нужного значения. При некоторых видах обработки остается небольшое избыточное давление, как правило, не более 0,02 бар.
Сразу после откачки воздуха или во время деталь нагревается любым способом. Если требуется выполнить отливку в форму в водяной рубашке, то применяются дуговые печи, а в качестве расходного материала используется сам электрод.
Если выполняется азотирование, то в камеру под высоким давлением подается поток азота. После обработки детали доля ее быстрого охлаждения нагнетается инертный газ. Если в печи выполняется закалка металла, то она имеет дополнительную камеру с маслом, куда деталь отправляется автоматически при помощи специального захватного механизма.
Вакуумные печи - принцип работы
Муфельная вакуумная печь
Закалку или отжиг изделий из металла можно выполнять в муфельных вакуумных печах. Они представляют собой часть установки с рабочей камерой, изолированной огнеупорным кирпичом или иным материалом от нагревательного элемента. Также он используется в качестве эффективного теплоизолятора и накопителя тепла, обеспечивая экономию электрической энергии на нагреве. Муфель является несъемным и находится в рабочей камере, выступая в роле дополнительной оболочки. Внутрь него загружается металл в тигле или на специальной подставке, если выполняется закалка, отжиг.
Именно в наличии огнеупорной оболочки и состоит отличие муфельной печи от простой вакуумной. В остальном она идентична, но несколько отличается по энергозатратам на поддержание заданной температуры за счет теплоемкости рубашки. В таких печах достижение заданных температурных показателей происходит быстрее, и предназначены они для работы с более высокими значениями.
Муфельная вакуумная печь
Вакуумная печь высокотемпературная
Высокотемпературной вакуумная печь называется практически всех разновидностей, потому что они все могут создавать температуры в диапазоне от 1000 до 2000 градусов. Более того, высокотемпературным также называется оборудование от производителя АКТАН вакуум, которое способно поднимать ее до 1650 градусов по Цельсию. Например, установка серии 16.5 VF160. Она представляет собой изделие повышенной надежности, оснащенное индукционными или инфракрасными нагревательными элементами. В таких печах можно осуществлять, как правило, все виды термической обработки металла:
- Отпуск;
- Закалку;
- Обжиг;
- Пайку.
Вакуумная печь высокотемпературная
Также производители выпускают модели установок, которые оснащены системами для подачи и циркуляции азота с целью выполнения азотирования и закалки в газовой среде. Так как в рабочей камере будут создаваться высокие температуры, она качественно изолируется со всех сторон несколькими слоями негорючего материала. Многие промышленные модели оснащены системой автоматизации, позволяющей ускорить процесс и улучшить качество обработки деталей, потому как они могут комбинироваться и требуют четкого соблюдения температур, интервалов выдержки и давления потока газа.
Вакуумные компрессионные печи
При изготовлении металлических изделий из порошковых сплавов применяются вакуумные компрессионные печи. Они представляют собой ту же рабочую камеру, внутри которой происходит разогрев до высоких температур. Для процесса спекания, как правило, достаточно 1000 градусов, но это зависит от свойств используемых металлов. Учитывая, что интенсивность кристаллизации структуры изделия небольшая, то на весь процесс может потребоваться до 30 часов выдержки при постоянно высокой температуре.
Спекание происходит в среде глубокого вакуума, поэтому по всей структуре изделия будет наблюдаться равномерность и полное отсутствие дефектов в виде газовых карманов или коррозии.
Вакуумные компрессионные печи
Компрессионные печи обладают рядом особенностей:
- Несколько иная конструкция, которая имеет достаточное количество пространства для размещения прессформы с заготовкой;
- В некоторых моделях применяется муфель обеззараживания с повышенной герметичностью, что позволяет увеличить эффективность процесса термической обработки и сократить растраты на энергии;
- Подобные печи оснащаются системами постепенного вакуумирования, что бывает весьма необходимо при производстве определенных изделий;
- Для надежности процесса термообработки установки оснащаются контроллерами управления и системами автоматизации с возможностью заложения программы.
Примером современной высокоэффективной вакуумной компрессионной печи является серия VCS от CESTERM.
Вакуумная дуговая печь
Нередко для моментального разогрева и последующей отливки изделий из металла применяются вакуумные дуговые печи. Они предназначены исключительно для плавки разных видов сталей при помощи мощного дугового разряда, как это происходит во время луговой сварки. В качестве расходного материала или сырья используется электрод, на него подается высокое напряжение до 35 кВ с большим током, в результате чего между медной подложкой в водяной рубашке возникает дуговой разряд. Он продолжается на протяжении всего цикла, пока не расходуется весь электрод.
Процесс плавки осуществляется в вакуумной бескислородной среде, что особенно важно, потому как именно этот газ является причиной возникновения на поверхности и в структуре металла многочисленных дефектов. Преимущество использования такого метода заключается в том, что только так можно получить отливку повышенной степени чистоты от всевозможных примесей. Для увеличения качества готового изделия в камеру нагнетается инертный газ.
Вакуумная дуговая печь
Примером вакуумной дуговой печи является установка ДСП отечественного производства. Она может быть любых размеров, тем самым покрывая нужды предприятия в полном объеме. Чаще всего собирается на месте, где должна будет использоваться.
Индукционные вакуумные печи
Самыми эффективными и одновременно многофункциональными являются индукционные вакуумные печи. Они имеют ту же рабочую камеру, но только в качестве нагревательного элемента применяется мощный контур из медной трубы, опоясывающий пространство, куда будет помещаться заготовка или тигель с металлом. Это чисто электрическая установка для плавки, отпуска и прочих процессов, применяемых в термообработке.
Нагрев металла внутри камеры происходит за счет протекающего тока в индукторе, имеющего импульсный характер с определенной частотой. Путем ее изменения можно выполнять плавку разных по типу и свойствам металлов. Для работы индуктора требуется много энергии, поэтому их рекомендуется подключать от отдельной подстанции.
Индукционные вакуумные печи
Установки с индукционными нагревателями также могут комплектоваться системами рециркуляции газов для выполнения других процессов. В частности, для азотирования поверхности металлического изделия.
Водородные печи
Нередко для нужд предприятия требуется непрерывный процесс закалки и отжига изделий, тогда лучше использовать водородные печи. Они представляют собой установки проходного типа, в которые, в качестве инертного газа, подается водород. В такой среде происходит более качественная термообработка, но оборудование несколько усложняется, так как необходим отдельный блок для хранения водорода, который является очень опасным горючим газом, лучше всех взаимодействующим с кислородом. Именно поэтому вместо него иногда применяют диссоциированный аммиак.
Подобные установки можно использовать не только для закалки, но и для более длительных процессов, где требуется поддерживать высокую температуру. Чаще всего их применяют именно для спекания порошковых сплавов, также они хорошо себя зарекомендовали при обжиге керамики. Примером подобного оборудования является печь ПТВ 6 с толкательным механизмом.
Водородные печи
В процессе термической обработки и при использовании водорода происходит его частичное сгорание в камере, поэтому также имеется система дожига газа, что исключает различного рода непредвиденные ситуации. Кроме этого, они оснащаются противовзрывными системами и принудительным водяным охлаждением. Обязательно процессом управляет электроника в обвязке с многочисленными датчиками температуры, давления. Оператор должен контролировать процесс и выполнять загрузку/выгрузку камеры.
Вакуумные печи промышленные
Все вакуумные печи закалочные или для иного вида термообработки металла можно разделить на промышленные и лабораторные, потому как в бытовых целях их применение опасно и нецелесообразно. Минимальное энергопотребление такой установки составляет 18 кВт, именно поэтому их следует применять только в масштабах какого-либо предприятия. Что касается практической ценности, то они не только нашли себе место во многих технологических процессах, но и вовсе заменили другие. Например, обычная атмосферная плавка с открытым тиглем не применима для изготовления особо чистых отливок из титана и подобных ему металлов. Дело в том, что в окружающем воздухе содержится много кислорода, который является отличным катализатором всех окислительных процессов. И в обычных условиях на заготовках появляются разные нежелательные дефекты. Именно поэтому многие предприятия все чаще переходят именно на печи вакуумные плавильные.
В свою очередь, в зависимости от вида термической обработки, типа обрабатываемого материала установки производятся разного типа, отличающиеся по различным признакам:
Вакуумные печи промышленные
- По способу нагрева: индукционные, газовые (источник находится вне рабочей камеры), водородные (обрабатываемая деталь герметично изолирована от источника огня), с нагревателями проволочного или инфракрасного типа, не требующие кислорода;
- По способу изоляции камеры: с муфельной оболочкой и изолированными стенками;
- По виду выполняемой термообработки: плавильные, закалочные, для пайки, отпуска, азотирования, цементирования, отжига и прочих видов;
- По вместимости, размерам, мощности и прочим критериям, определяемым производственными нуждами.
Нередко вакуумные печи заказываются под конкретные цели. В РФ и странах Европы есть компании, которые могут их произвести под любые требования.