Вакуумная термообработка - области применения, как правильно подобрать вакуумную систему

Вакуумные печи доступны в различных видах и размерах и поставляются как в стандартных, так и в нестандартных комплектациях. Они предназначены для обработки  как полуфабрикатов, так и сырья с использованием разнообразных температурных процессов на оборудовании, доступном у самых разных производителей, расположенных по всему миру. 

Цель данной статьи состоит в том, чтобы дать краткий обзор некоторых наиболее распространенных конструкций и применений, встречающихся в промышленности термической обработки. 

Почему вакуум?

Вакуумная термообработка классифицируется по одной из четырех областей:

• без использования какой-либо другой технологии, кроме вакуумной;
• в вакууме с металлургической точки зрения;
• в вакууме с экономической точки зрения;
• в вакууме с точки зрения улучшения качества. 

Учитывая требования к производительности и гибкости, вакуумная термообработка является предпочтительным выбором в индустрии термообработки. Это связано с рядом причин, технология и конечный результат процесса термообработки зависит от машины, а не от человека, управляющего ею. Постоянным совершенствованием вакуумной технологии являются:

• контроль технологического процесса;
• воспроизводимость процесса;
• безаварийная работа;
• способность адаптироваться к новым материалам, новым процессам и новым рецептурам;
• интеграция с производством;
• снижение воздействия на окружающую среду.

Все эти факторы привели к значительному экономическому преимуществу вакуумной обработки, обусловленному более высокой производительностью и сокращением времени цикла.

Конструкция вакуумной печи

Основные компоненты вакуумной печи включают, помимо прочего, следующие подсистемы:

• вакуумная камера;
• горячая зона;
• вакуумная система;
• система охлаждения;
• система управления (температура и вакуум);
• система управления.

Вакуумные печи, доступные у большинства производителей, имеют либо горизонтальное, либо вертикальное положение. В то время как вакуумные камеры могут быть и не цилиндрической формы. Большинство из вакуумных камер круглые, так как прочность конструкции увеличивается и кольцевое расстояние между внутренней и внешней оболочками обеспечивает путь для потока охлаждающей воды. Некоторые сосуды квадратные, но в данное время их редко выпускают. Существуют вакуумные камеры с цилиндрическим внутренним сосудом в квадратном внешнем сосуде, в котором находится охлаждающая вода.

Вакуумные печи бывают периодического действия или непрерывного. Последние могут быть двухкамерными или многокамерными конструкциями. В вакуумных печах периодического действия рабочая нагрузка остается постоянной на протяжении всего цикла. В вакуумных печах непрерывного действия рабочая нагрузка перемещается с позиции на позицию.

Вакуумные печи могут быть с горячими стенками , которые обычно считаются менее дорогостоящими в производстве. Вакуумные печи с горячими стенками, оснащенные нагревательными элементами, расположенными за пределами вакуумного ресивера. Это обеспечивает более высокую скорость откачки и, как правило, небольшую утечку.

Наиболее распространенными являются конструкции с холодными стенками, которые имеют более высокие рабочие температуры (1315 °C  или выше). Эти печи обладают высокой производительностью нагрева и охлаждения, превосходной однородностью температуры, меньшими тепловыми потерями и меньшей тепловой нагрузкой, выделяемой в окружающую среду.

Существует множество вариантов для устройства горячей зоны, но наиболее популярными вариантами являются:

• Все металлические элементы и радиационные экраны, включая:

• Нержавеющая сталь или на основе никеля с максимальной рабочей температурой 1150°C
• Молибден с максимальной рабочей температурой 1700°C 
• Вольфрам или тантал с максимальной рабочей температурой 2400°C
• Все графитовые горячие зоны с графитовой доской, графитовым войлоком, графитом ® , углеродно-углеродным композитным материалом
• Все горячие зоны из керамического волокна для конструкций с горячими стенками
• Комбинированные горячие зоны из металла, графита и/или керамического волокна с различными материалами нагревательных элементов

Как правильно подобрать вакуумную систему для вакуумной термообработки

Выбор насосной системы часто зависит от области применения, и существует множество различных производителей вакуумных насосов. Если определенные функции необходимы или важны (например, скорость откачки во влажных условиях), пользователь должен сообщить об этих требованиях производителю. Некоторые из факторов, которые следует учитывать, включают:

• Объем и площадь поверхности сосуда
• Время, необходимое для откачки до конечного давления
• Тип внутренних устройств горячей зоны печи
• Ожидаемое сокращение рабочей нагрузки и связанная с этим установка

В некоторых случаях печи после вакуумирования заполняются, например, аргоном, гелием, водородом, азотом, в котором выполняется процесс. Закалка нержавеющей стали, где заполнение одним газом  используется для минимизации испарения хрома с поверхности детали. Другие области применения, такие как литье металла под давлением, выполняются с заполнением водорода.

Объем рабочей нагрузки часто определяет тип и, в некоторой степени, характеристики, требуемые для вакуумной печи, такие как температура обработки или закалки и давление, необходимое для охлаждения рабочей нагрузки.

Области применения вакуумной термообработки

Вакуумные печи выполняют ряд металлургических процессов, включая:

• Отжиг (медные радиаторы, корпуса форсажных камер из жаропрочных сплавов на основе никеля для реактивных истребителей)
• Пайка ( сотовая пайка реактивных двигателей с камерой сгорания)
• Упрочнение корпуса
• Карбонитрирование (штамповка кромок пуансонов)
• Науглероживание (аэрокосмические и силовые агрегаты)
• Азотирование – газовое, плазменное (топливные системы)
• Нитроуглероживание (стальные регулирующие клапаны, седла и штоки)
• Дегазация (титановых бревен)
• Гомогенизация (титановых слитков)
• Литье металла под давлением (огнестрельное оружие)
• Азотирование (седел клапанов)
• Азотирование раствором (подшипники из нержавеющей стали)
• Упрочнение (шасси самолета)
• Нормализация (заготовки автомобильных передач)
• Спекание (крепления автомобильных зеркал, антиблокировочные тормозные системы)
• Специальные процессы (гидрирование и дегидрирование при производстве порошка титана и тантала)
• Снятие напряжения (рабочие колеса из алюминиевой бронзы)

Вакуумные печи предназначены для закалки грузов в различных типах охлаждающей среды.Закалка масла остается популярной с использованием масел, рассчитанных на температуру от температуры окружающей среды до предварительного нагрева масла до 50–80 °C и в горячее масло до 135–170 °C.  Закалка газа в условиях ниже атмосферного давления до положительных давлений от 2 до 25 бар является еще более распространенным явлением. Существует также некоторый спрос на устройства, имеющие комбинацию закалки маслом и газом или возможность закалки под давлением 2–5 бар на поверхности масла.

Гораздо больше можно и, возможно, следует сказать о различных типах вакуумных печей, доступных на рынке. Ключевым моментом здесь является предоставление понимания того, что разнообразные требования мирового производства успешно удовлетворяются за счет использования стандартных и нестандартных конструкций вакуумных печей, аналогичных или идентичных тем, которые показаны здесь. Большую роль в которых отводится вакуумной системе.