Вакуумные печи для закалки металла – виды, сферы применения и обзор моделей
Вакуумная закалка – это один из видов термической обработки металла. Процесс несложный: садку нагревают до высокой температуры, затем быстро охлаждают в вакуумной среде. Это позволяет увеличить твёрдость и прочность металла, а также улучшить его свойства. Технология относительно новая, конца 1950-х гг, но сегодня широко доступна крупным и малым обрабатывающим предприятиям. В основном метод применяется для закаливания металлических инструментов, деталей двигателей, компонентов авиакосмической техники, медицинских имплантатов и т.д. Выполнить качественное упрочнение садок помогают вакуумные печи для закалки. Это современные автоматические аппараты с пневматическим или газовым охлаждением. Далее расскажем о технологии и сделаем небольшой обзор оборудования.
Для чего применяется вакуумная закалка?
Правильный подход к обработке высокопрочных металлов, таких как быстрорежущая сталь, играет важную роль в достижении хороших результатов. Вакуумная закалка – универсальное решение, которое применяется при обработке углеродистых и легированных сталей с целью повышения их твёрдости и улучшения прочностных характеристик. В отличие от традиционного способа закалки, вакуумный метод позволяет значительно уменьшить изменения геометрических размеров поверхностей, благодаря плавному нагреву заготовок и применению закалочных сред с более мягкими охладителями. Наилучший результат достигается при вакуумном нагреве с охлаждением в потоке инертного газа.
Кроме стали, технология закалки нередко используется в работе с такими металлами, как:
- медь;
- латунь;
- бронза;
- сплавы алюминия и титана.
Метод вакуумного закаливания относится к практике повторного нагрева и охлаждения. В основном он применяется, если требуется обеспечить идеальную чистовую отделку садки и её соответствие требованиям прочности. Именно в этом случае наилучшим вариантом считается использование специализированной вакуумной темперирующей печи. Она надёжно и деликатно выполняет возложенные функции, обеспечивая гибкость нескольких процессов, включая отжиг и старение. Вдобавок вакуумная печь закаливания может применяться для:
- пайки;
- спекания;
- цементации;
- азотирования;
- обезжиривания;
- намагничивания;
- науглероживания;
- диффузионной сварки и других операций.
Учитывая многообразие выполняемых операций, вакуумную печь можно назвать универсальным оборудованием. При этом она представляет собой стационарное автоматическое однокамерное или двухкамерное оборудование цикличного действия, довольно компактного размера.
Виды печей для закалки
Муфельные печи часто используются для вакуумной закалки металлических изделий и нагрева керамики. Они имеют муфельную камеру, в которой находится сменяемый решётчатый противень. На нём размещаются обрабатываемые садки. Муфельные печи обеспечивают равномерный нагрев и хорошую изоляцию от окружающей среды.
Тигельные печи для вакуумной закалки особенно подходят для обработки высокопрочных материалов, таких как легированные стали, титан и никель. Они рафинируют обрабатываемый металл от водорода и азота, подвергая садку интенсивному термическому воздействию, что повышает характеристики прочности.
Трубчатые печи для вакуумной закалки используются для обработки высокотемпературных материалов, таких как керамика, металлические сплавы, кремний и жаропрочный алюминий. Трубчатые печи отличаются быстрым нагревом, хорошей степенью изоляции и качественной закалкой перечисленных материалов в различных средах (воздух, воздушная смесь, инертные газы).
Принцип работы печей
Нагрев садки с помощью тигельных, трубчатых и муфельных печей происходит благодаря эффекту дугового заряда, который возникает при взаимодействии газовых смесей с электротоком. Вакуумная концентрация дуги, сформированная в результате этого симбиоза, обеспечивает высокую температуру. Данный принцип работы возможен даже на оборудовании небольшой мощности, что позволяет эффективно нагревать и расплавлять сталь. Нагрев деталей диаметром 20 мм до температуры 850°С происходит за 30 мин после достижения требуемого вакуума.
Индустриальная вакуумная печь.
Технология
Перед процессом вакуумной закалки важно, чтобы металл был очищен от любых остатков грязи, масла или коррозии. Для достижения этого можно использовать механическую, химическую или лазерную обработку поверхности. Садку помещают в камеру. Затем откачиваются вакуум (10-1 мбар), чтобы создать разреженную среду. Она способствует распаду окислов, нитридов железа, кобальта, никеля, хрома при относительно низкой температуре.
Следующим шагом является нагрев садки до 300 C°, чтобы максимально удалить влагу с поверхности, если такая имеется. Далее температура повышается ступенями до 400-600-850 C°, в зависимости от химического состава металла и желаемых свойств после процесса закалки. Её можно установить путём использования терморегулятора печи.
Раскалённую садку выдерживают. Затем выключают нагрев. Напускают турбиной в камеру воздух (или инертный газ) для быстрого охлаждения. Газовая закалочная среда не даёт поверхности окисляться и взаимодействовать с другими атмосферными газами. Это позволяет металлу сохранить лучшие качества после закалки.
Далее в камере сбрасывается избыточное давление, пока оно не выровняется с атмосферным. Как только садка остывает до 100°C её вынимают. В конце термообработки, чтобы убедиться в том, что закалка была успешной и металл имеет требуемые свойства, могут проводиться специальные тесты, например, испытание твёрдости или износостойкости.
Для ускорения нагрева менее прочных материалов при более низких температурах, используют специальный газ-заполнитель, например, азот. При его участии время нагрева сокращается на треть. В целом газ-заполнитель может использоваться в качестве закалочной среды и среды для отпуска.
Преимущества и недостатки вакуумной закалки
Вакуумная закалка сталей – один из самых применяемых методов термообработки в инструментальной промышленности. Но, как и у любой современной технологии, у неё есть свои плюсы и минусы.
Преимущества:
- Экологически чистый процесс. Вакуумная термическая обработка считается экологически чистой и энергосберегающей технологией. Данный метод позволяет повторно разогреть материал, не затрачивая большое количество энергии, что значительно ускоряет процесс и обеспечивает контроль над состоянием и формой стали.
- Экономит время. Вакуумная термическая обработка – признанный процесс среди профессионалов, позволяющий сосредоточиться на других задачах за счёт сокращения времени процесса и отсутствия необходимости доработки или переделки.
- Защищает от коррозии и обесцвечивания. Вакуумная закалка снижает риски возможного обесцвечивания поверхностей и предотвращает коррозию, обеспечивая материалу долговечность и сохранение его первоначального вида.
- Улучшает механические свойства материала. Вакуумная закалка увеличивает твёрдость, усталостную прочность и другие свойства материала.
- Повышает качество износостойкости. Вакуумная закалка позволяет значительно увеличить срок службы изделий за счёт повышения их износостойкости.
- Исключает риски дисторсий. Вакуумная закалка не создаёт внутренних напряжений в материале, что предотвращает возможное искривление или деформацию деталей.
Недостатки:
- Высокая стоимость. Вакуумная обработка является достаточно дорогостоящей технологией из-за необходимости использования специализированного оборудования и квалифицированного персонала.
- Риск изменения химических свойств металла. Вакуумная обработка может изменить химический состав материала, что нередко приводит к его ускоренной коррозии или иным проблемам.
- Ограничения размеров и форм заготовок. Вакуумная закалка ограничена по размеру и форме деталей.
В целом положительных характеристик больше, именно поэтому вакуумная закалка в печах пользуется высокой популярностью у металлургической промышленности.
Обзор оборудования
Предлагаем небольшой обзор вакуумных печей для закалки, с кратким описанием и основными характеристиками.
Вакуумная печь KJ-V1700
Вакуумная печь закалки. Применяется для нагрева и очистки садок от газовых и окисных включений с целью обезуглеродить металл и очистить его от вредных примесей, для высококачественного азотирования и цементации. Отвечает требованиям герметичности, взрывобезопасности, прочности изоляции, а также вакуумной гигиены.
Модель скомпонована на металлической опорной раме закрытого типа, внутри которой частично содержится электромеханическая зона и контрольно-измерительная аппаратура. Доступ в камеру осуществляется через боковую дверь, прочное запирание которой производится с помощью четырёх винтовых замков на маховиках. Есть циркуляционный вентилятор. Через дополнительные трубопроводы с камерой соединены турбины быстрого и непрямого охлаждения.
Вакуумная печь оснащается встроенной системой автоматического управления на основе микропроцессора. Пульт для команд и контроля параметров установлен на передней панели изделия.
| Модель | Размеры рабочей камеры печи (мм) | Максимальная температура печи (°C) | Рабочая температура печи (°C) |
| KJ-V1700-1L | 100 x 100 x 100 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-1.9L | 120 x 120 x 130 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-3.4L | 150 x 150 x 150 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-4.5L | 150 x 150 x 200 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-8L | 200 x 200 x 200 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-12L | 200 x 200 x 300 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-19L | 250 x 250 x 300 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-27L | 300 x 300 x 300 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-36L | 300 x 300 x 400 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-61L | 350 x 350 x 500 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-64L | 400 x 400 x 400 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-125L | 500 x 500 x 500 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-216L | 600 x 600 x 600 | 1650 | 1600 |
| KJ-V1700-512L | 800 x 800 x 800 | 1650 | 1600 |
Вакуумная печь HB Y
Вакуумная печь горизонтального типа с рабочей камерой круглого сечения. Предназначена для термической обработки металлов высокими температурами, а также для пайки, отжига, закалки и отпуска, спекания. Оснащена форсунками подачи охлаждающего газа, с рабочим давлением 0,9–13 бар и более, для эффективного закаливания садок. Система конвекционного нагрева регулирует продолжительность рабочего цикла, улучшая при этом равномерность распределения температуры внутри камеры. Управление осуществляется ПЛК с русифицированным программным обеспечением. Есть функция удалённого доступа. В памяти можно сохранять до 1000 технологических процессов.
| Мощность (кВт) | Максимальная температура (°C) | Точность t (°C) | Предельный вакуум (Па) | Габаритные размеры (мм) | Вес (кг) |
| 40 | 1300 / 1500 | ± 5 | 6,7 x 10-3 / 4 x 10-1 | 450 x 300 x 300 | 60 |
| 68 | 1300 / 1500 | ± 5 | 6,7 x 10-3 / 4 x 10-1 | 600 x 400 x 400 | 150 |
| 85 | 1300 / 1500 | ± 5 | 6,7 x 10-3 / 4 x 10-1 | 800 x 500 x 500 | 300 |
| 120 | 1300 / 1500 | ± 5 | 6,7 x 10-3 / 4 x 10-1 | 900 x 600 x 600 | 500 |
| 220 | 1300 / 1500 | ± 5 | 6,7 x 10-3 / 4 x 10-1 | 1200 x 800 x 800 | 1000 |
Вакуумная печь НDZ
Горизонтальная высокотемпературная вакуумная печь с камерой круглого сечения фронтальной загрузки. Разработана для выполнения термической обработки при высоких температурах, а также для особой высокотемпературной пайки, отжига и спекания. Предназначена для эксплуатации на инструментальных заводах.
Оснащена системой охлаждения с разным давлением газа (0,9–13 бар) для обеспечения высокой скорости охлаждения в соответствии с индивидуальными техническими требованиями заказчиков. Есть система конвекционного нагрева, которая позволяет сокращать продолжительность рабочего цикла, улучшает равномерность распределения температуры внутри камеры. В свою очередь система многостороннего охлаждения обеспечивает смену направления охлаждающего потока, что уменьшает коробление садки. Управляется модель промышленным логическим контроллером.
| Мощность, кВт | Максимальная t (°C) | Точность t (°C) | Вакуум (Па) | Габаритные размеры (мм) | Вес (кг) |
| 40 | 1300 | ± 5 | 4,0 х 10﹣¹Pa; 6,7 х 10﹣³Pa | 500 х 300 х 300 | 60 |
| 65 | 1300 | ± 5 | 4,0 х 10﹣¹Pa; 6,7 х 10﹣³Pa | 600 х 450 х 400 | 150 |
| 90 | 1300 | ± 5 | 4,0 х 10﹣¹Pa; 6,7 х 10﹣³Pa | 750 х 500 х 500 | 250 |
| 120 | 1300 | ± 5 | 4,0 х 10﹣¹Pa; 6,7 х 10﹣³Pa | 900 х 600 х 450 | 400 |
| 150 | 1300 | ± 5 | 4,0 х 10﹣¹Pa; 6,7 х 10﹣³Pa | 900 х 650 х 600 | 500 |
Представленные в обзоре печи изготавливаются в Китае. Все модели сертифицированы, поэтому свободно поступают в РФ для продажи и эксплуатации. По качеству они не уступают аналогам из США, ЕС, Южной Кореи и Японии. При этом стоимость китайских печей существенно ниже, чем у «конкурентов» из развитых стран.
Заключение
Вакуумная закалка доступна, как крупным металлургическим комбинатам, так и небольшим компаниям. Технология снискала широкую популярность в производстве высокопрочного инструмента, износостойких деталей и имплантатов. Как видно из обзора, оборудование достаточно компактное и легко разместится на небольшой площади.
