Самостоятельный выбор термического оборудования или проект «под ключ»?

Описание

Как, учитывая особенности термообработки в условиях вакуума, сделать правильный выбор оборудования?

Особенности термообработки в условиях вакуума для различных групп сплавов имеют определенные преимущества этого вида термообработки с целью повышения качества изделий и снижения общей трудоемкости их изготовления.

Использование современных вакуумных печей позволяет осуществлять полный цикл обработки, обеспечивая контроль всех технологических параметров в автоматическом режиме.

Вакуумные печи по сравнению с другими печами более безопасны и удобны в эксплуатации, давайте рассмотрим основные особенности вакуумной термообработки.

Применение вакуума при термообработке сталей позволяет получать светлую (неокисленную или малоокисленную) поверхность, удалять за счет испарения и диссоциации в вакууме примеси и неметаллические включения, а также растворенные в металле газы.

Улучшение свойств обрабатываемых изделий, уменьшение трудоемкости процесса вследствие ликвидации некоторых операций, таких как: травления, очистки, промывки, сушки, правки и особенно дополнительной механической обработки, привели к довольно широкому внедрению вакуумной технологии при обработке стали: аустенизация с последующей закалкой в различных средах, отжиг различного назначения (гомогенизирующий, рекристаллизационный, для снятия напряжений, дегазационный), отпуск, пайка, спекание.

Вакуум как среда термообработки обладает весьма низким парциальным давлением газов-окислителей, в 10—20 раз ниже, чем нейтральные газы (азот и аргон) высокой очистки. При высоком вакууме содержание остаточного кислорода составляет 0,1–1% из-за натекания и десорбции с поверхностей. Низкое содержание кислорода в остаточных газах будет обусловливать кинетику окисления, при нагреве в вакууме можно получать практически светлую поверхность.

Содержание такого окислителя, как водяной пар в остаточных газах, зависит от многих причин (материала садки, герметичности печи, материала изоляции и нагревательных элементов ) и изменяется в широких пределах (25—75%)- При 100%-ном содержании водяных паров в остаточных газах точка росы при вакууме 10^-3 мм рт. ст. составляет -74°С. При такой точке росы не окисляются никель, вольфрам, олово и железо, а молибден, цинк, хром и марганец окисляются лишь при низких температурах.

Ниже рассмотрены факторы, влияющие на состав остаточной среды вакуумной установки:

• степень герметичности печи: чем она выше, тем меньше окислительная способность остаточной среды;
• способ откачки, тип откачного устройства (наличие или отсутствие в вакуумной системе масляных насосов), тип масляного насоса, марка используемого масла (степень миграции его в объем нагревательной камеры различна); указанное определяет количество углеводородов, крекинг которых может привести к увеличению парциального давления газов-восстановителей;
• режим термообработки (заданная технологическая скорость нагрева определяет прогрев печных конструкций и их газоотделение); состав газов в печах во время нагрева и выдержки различен, при этом дополнительным фактором, определяющим нестабильность состава остаточной среды, является избирательная откачка отдельных газов;
• тип и режим работы вакуумной лечи; при этом контакт нагревательной камеры с воздухом, его продолжительность, температуру поверхности необходимо учитывать при использовании материалов с высокой адсорбционной способностью;
• газосодержащие и скорость дегазации печных материалов и материалов садки.

Таким образом, состав остаточной среды в вакуумной печи при -определенном давлении определяется не однозначно. Характер взаимодействия остаточной среды с обрабатываемыми сплавами или группами сплавов в большинстве случаев выявляется экспериментально.

Процесс испарения металлов и их окислов, нитридов и карбидов, протекающий в вакууме, также значительно влияет на конечный результат термообработки.

Требования к безокислительному нагреву отличаются для разных сталей, зависят от назначения изделий, места данного процесса в общем технологическом цикле. В одних случаях отсутствует отслаивающаяся окалина, в других — видимые окисные пленки. Когда допустимы тонкие видимые окисные пленки, важна, например, их равномерность, влияющая на коррозионные свойства и т. д. Поэтому при внедрении в промышленность термообработки в вакууме или в защитных средах необходима объективная оценка степени окисления (потемнение или осветление) поверхности.

Изменение химического состава поверхности. На поверхности изделий из сплавов и сталей возможно образование измененного (дефектного) слоя вследствие испарения легирующих элементов, в первую очередь избирательного испарения элементов с высокой упругостью пара (Cr, Mn), а также за счет восстановления окислов углеродом стали, что ведет к обезуглероживанию поверхности.

Обезуглероживание поверхности в результате восстановления окислов углеродом усиливается при повышении температуры и снижении давления. Это явление более заметно для сплавов с низким содержанием углерода (до 0.25%). Для высокоуглеродистых сталей обезуглероживание менее выражено.

Для уменьшения «возгонки», избирательного испарения легирующих элементов, целесообразно применять нагрев при парциальном давлении, повышая давление в рабочей камере до 10^-1–1 мм рт. ст. за счет подачи нейтральных (инертных) газов. При этом уменьшаются напряжения в поверхностном слое, что позволяет повысить точность обработки.

Преимуществом термообработки стали в вакууме является протекающая при нагреве и выдержке дегазация сплава. Дегазация стали повышает ее пластичность.

Дегазация и отсутствие обезуглероживания увеличивают прочность инструментальных сталей по сравнению с термообработкой в защитных средах. Однако влияние дегазации следует также учитывать при корректировке режимов термообработки, поскольку отсутствие или уменьшение концентрации примесей внедрения может способствовать росту зерна, более интенсивному протеканию фазовых превращений и т. п.

На сегодняшний день на рынке представлено большое количество производителей вакуумного оборудования и практически у каждого есть направление оборудования, ориентированного на закалку деталей.

В качестве охлаждающих сред при закалке в вакууме используют жидкости и нейтральные газы, причем закалка в газе легче осуществима.

Преимущества закалки в газе после нагрева в вакууме:

• Уменьшение деформации (коробления), обусловленное отсутствием перемещения нагретых деталей при подаче газа непосредственно в камеру нагрева, использованием направленного градиента температуры за счет определенного направления охлаждающего газового потока, возможностью применения в вакууме в качестве материала технологической оснастки (зажимы, подставки), графита, нагревающегося медленнее, чем изделие, недеформирующегося и сохраняющего большую прочность при нагреве и охлаждении.
• Возможность получения чистой, светлой неокисленной.
• Снижение припуска на механическую обработку, позволяющее ликвидировать или значительно сократить финишные операции.

Отсутствие последующей механической обработки особенно важно для изделий с высокой прочностью и твердостью (инструмент), для которых эта обработка весьма трудоемка, а также для массивных деталей сложной конфигурации (например, некоторые авиационные детали и сложные профилированные штампы), где вследствие разновременности протекания мартенситных превращений, сопровождающихся изменением размеров, возникают дополнительные деформации, приводящие к трещинам при повторной механической обработке. Уменьшение объема механической обработки значительно снижает стоимость обработки поверхности.

• Повышение качества изделий.

Отмечается увеличение срока службы штампов для горячей штамповки на 75—450% по сравнению с закалкой в защитном газе. Срок службы изделий увеличивается и после отпуска в вакууме в основном из-за дегазации (особенно удаления водорода).

• Отсутствие взрывоопасности, содержания токсичных веществ в атмосфере производственного помещения.
• Возможность полной автоматизации процесса при составлении программы в соответствии с диаграммой превращения для обрабатываемой стали.

Для закалки в вакууме главное — выбор охлаждающей среды в соответствии с маркой стали и назначением изделий.

Технологической предпосылкой для осуществления закалки в нейтральном газе после нагрева в вакууме является соответствие продолжительности фазового превращения, определяемой для каждой стали по диаграмме мартенситного превращения, продолжительности охлаждения, реально получаемой в вакуумных печах при подаче газа.

Продолжительность охлаждения при подаче газа в вакуумную печь практически составляет несколько минут.

Так, для некоторых сложнолегированных быстрорежущих и коррозионностойких сталей, содержащих хром, молибден, вольфрам, ванадий, продолжительность охлаждения от температуры закалки 1050—1250°С до 600—750°С, обеспечивающая получение перлитной структуры, составляет 10—30 минут Для получения бейнита охлаждение от температуры закалки до 250— 300°С должно происходить за 15—20 минут.

В качестве охлаждающих газов используют аргон, гелий, азот водород, а также смеси газов, например, смесь аргон—гелий (50/50) или азот—водород (97,5/2,5).

Наиболее предпочтительно использование азота, так как водород взрывоопасен и вызывает обезуглероживание обрабатываемых сплавов, гелий экономически невыгоден, а аргон обладает наименьшей охлаждающей способностью. На скорость охлаждения влияют тип газа, давление и скорость циркуляции газа. Для практического применения рекомендованы давления 7–8 бар. При постоянной скорости циркуляции газа, определяемой для данной установки его расходом 400 м³/мин,. увеличение давления свыше 10 бар, существенно не влияет на скорость охлаждения. Увеличение расхода циркулирующего газа при постоянном давлении эффективно лишь до определенной величины (228–257 м³/мин). Использование смеси аргон-гелий (50/50) вместо чистого аргона позволяет сократит время охлаждения деталей в 2 раза. Но для каждого конкретного случая необходимо учитывать все факторы, влияющие на конечный результат.

При необходимости проведения закалки в масле печи соединяются с закалочными баками. Существуют универсальные вакуумные печи, в которых можно одновременно проводить закалку в газе и масле. Безусловно, имея возможность обработки широкого спектра материалов, такое оборудование расширяет возможности оперативного производственного маневрирования практически любого производства. Однако технически вакуумная закалка в жидкости (чаще в масле) сложнее закалки в газе, поскольку требует использования быстродействующих технологических затворов для устранения влияния паров жидкости на элементы нагревательной камеры и механизмов перемещения садки. Элементы уплотнений требуют больше внимания контроля. Техническое обслуживание такого оборудования безусловно сложнее и как правило дольше и дороже, но, когда процесс обусловлен технологической неизбежностью с этим приходится мириться.

Принимая во внимание все технические и технологические нюансы термической обработки в общем и вакуумной термообработки, в частности, чтобы не допустить ошибку перед внедрением вакуумной термообработки в конкретный технологический процесс мы рекомендуем провести предварительный технико-экономический анализ, позволяющий определить целесообразность ее применения.

Многие компании, рассматривающие возможность применения вакуумной термообработки на своем производстве, как правило игнорируют это, ориентируясь на свой опыт или опыт конкурентов или партнеров, мало или вообще не обращая внимание на особенности и нюансы собственного производства.

На сегодняшний день вакуумная термообработка находит широкое применение практически во всех отраслях промышленности и действительно существует много типовых решений , однако для правильного выбора и внедрения в эксплуатацию вакуумного оборудования желательно произвести технологический анализ ваших обрабатываемых деталей оценить их конфигурацию, тип материала, требования предъявляемые к деталям после обработки, проанализировать существующую и перспективную программу для загрузки оборудования, оценить производственные мощности и условия эксплуатации, наличие квалификации и опыта персонала. Все это оказывает несомненное влияние на результат.

Для нашей компании очень важно, чтобы клиент остался доволен и работой с нами и поставленным нами оборудованием. Нам важно, чтобы оборудование правильно эксплуатировалось, и заказчик понимал свою ответственность. Поэтому, как правило, проекты, связанные с термообработкой, мы стараемся реализовывать «под ключ». Перед каждым проектом наши специалисты проводят технологический аудит и анализ исходных данных для более глубокого понимания поставленной задачи, поиском узких мест в каждом проекте и вариантов решений. Мы предоставим различные варианты реализации, поставленной задачи с обоснованием каждого из них.

Правильная постановка задачи и условий ее реализации – гарантия получения ожидаемого результата!