Вакуумные печи: устройство, принцип действия, классификация, применение

Вакуумная печь — устройство для термической и химико-термической обработки металлов, сплавов или керамики с целью улучшения физико-механических свойств. Металлографический анализ показывает: при контролируемом нагреве образуется однородная структура, поверхность соответствует высоким стандартам качества.

Высокотемпературный нагрев материалов в вакуумной среде хорошо изучен. Металловеды знают, какие процессы происходят при термообработке, как управлять настройками, чтобы получить прогнозируемый результат. Для большинства материалов подходит режим Т = 1600 ⁰C и средняя скорость выдержки. Контролируемый нагрев позволяет избежать коробления деталей, добиться оптимальных значений параметров (прочности, твердости, плотности, вязкости), уменьшить внутренние напряжения перед механообработкой (резкой, шлифовкой) или формообразующей (глубокой вытяжкой) операцией.

Преимущество высокотемпературного нагрева изделий в водородной среде — универсальность. Примеры операций, которые выполняют в печах: пайка, дегазация, спекание, нитроцементация. Агрегаты применяют при термообработке тугоплавких материалов, магнитных сплавов, керамических изделий, композитов (цементированных карбидов).

Примеры использования оборудования: высокотемпературный нагрев стеклянных предметов и полупроводниковых материалов, отжиг и пайка стальных деталей, спекание заготовок из керамики или металлических порошков (с целью получить прочное изделие).

Конструкция и принцип действия вакуумной печи

Внешняя часть корпуса обшита листовой сталью. При большом перепаде давлений снаружи и внутри кожух не пропускает воздух и другие газы. Оболочка прочная и не поддерживает горение. Специализированные компании предлагают купить водородные печи во взрывоопасном исполнении.

В небольших вакуумных агрегатах используют ручной метод размещения изделий на подставке или передвижном подиуме. В современных моделях предусмотрены устройства механизации: транспортерные ленты, нижние отсеки для загрузки.

Термообработку керамики, металлов и сплавов выполняют в камере — конструкции цилиндрической или прямоугольной формы. После загрузки деталей емкость герметично закрывают. Внутри камеры находится высокочастотный индуктор, который создает электромагнитное поле. По завершению термообработки в камеру нагнетают воздух и вынимают изделия.

Качество деталей зависит от работы всех компонентов вакуумной системы: насосов, измерительных приборов, трубопроводов, уплотнителей, клапанов. Термовакуумные установки комплектуют системой охлаждения, свечой дожига газа (на выходе), устройством увлажнения.

При монтаже крупного оборудование пост управления располагают на расстоянии от станины. В небольших агрегатах кнопки, рычаги и средства отображения информации находятся на корпусе.

Типы вакуум-водородных муфельных печей

Конструктивные особенности нагревательного оборудования определяются назначением, производительностью, материалом и размерами изделий. Агрегаты отличаются исполнением, способом загрузки (вертикально, горизонтально, только снизу), количеством камер, характером воздействия на заготовку, температурным режимом, уровнем автоматизации и механизации.

Наибольшей популярностью пользуются муфельные вакуум–водородные печи. Менее востребованы колпаковые, шахтные, элеваторные, трубчатые, ретортные, проходные и тоннельные конструкции.

Муфельные агрегаты работают по принципу непрямого нагрева. Заготовки укладывают на низ огнеупорной камеры и закрывают. Муфель служит преградой между обрабатываемым материалом и рабочими частями оборудования (нагревателем, топливом).

В установках прямого нагрева иногда происходит частичная разгерметизация камеры, внутрь попадает воздух, на поверхность детали остаются продукты сгорания. В муфельной печи негативные факторы не влияют на качество заготовки.

Цементацию производят в восстановительной атмосфере. Обработанные в печи детали имеют высокоуглеродистую структуру и качественную поверхность. Внешний слой материала твердеет, а кристаллическая решетка сердцевины не изменяется. После цементации повышается предел выносливости и стойкость к износу.

Аналогичное действие происходит при азотировании. Активный элемент — азот, который в условиях вакуума и высоких температур внедряется на поверхность материала. После химико-термической обработки деталь не требует закалки. Преимущество азотирования: повышение прочности и устойчивости к коррозии. По сравнению с цементацией, нагрев происходит при более низких температурах.

В водородных муфельных печах плавят драгоценные металлы, обжигают керамические изделия, сушат печатные платы, стерилизуют медицинский инструмент, исследуют лабораторные пробы. Недостаток агрегатов — повышенные энергозатраты.

Другие типы вакуум-водородных печей

В колпаковых агрегатах нагревают цветные и черные металлы. После термообработки получают изделия с чистой поверхностью без оксидов. Оборудования используют для операций: отжига, дегазации, спекания высоколегированных сплавов, редкоземельных и редких металлов, керамики. Колпаковые печи применяют в лабораториях и мелкосерийном производстве. В камерах выполняют пайку материалов твердыми припоями, термическую обработку деталей в среде увлажненного кислорода или инертного газа (аргона, азота).

Особенность работы шахтного оборудования — загрузка заготовок сверху, нагрев и медленное охлаждение в рабочей камере. В печь загружают крупные заготовки, которые не помещаются в другое оборудование. Основная часть продукции — длинные и тонкие конструкции: валы, трубы, стержни.

Шахтное оборудование с муфелем ценят за качественный результат. На поверхности обработанной заготовки нет окислов и окалины (в отличие от нагревательного оборудования без огнеупорной оболочки). Плюс конструкций без муфеля — экономичность.

Специализированные компании предлагают купить установки универсального и специального назначения. Конструкция агрегатов второй группы учитывает технологические особенности конкретного процесса.

Вакуумные водородные печи для отжига

Оборудование обеспечивает высокую температуру в рабочей камере и медленное охлаждение заготовок после термического воздействия. Обрабатывают материал при полном и неполном режиме отжига. Первая ступень в обоих вариантах — нагрев до высокой температуры.

Отличие заключается во времени выдержки и глубине воздействия. При полном отжиге устанавливают время, достаточное для снятия внутренних напряжений и выравнивания структуры материала.

Неполный режим устраняет только поверхностные дефекты. В этом случае термообработка не затрагивает глубинные процессы. При неполном нагреве структура почти не изменяется.

Особенность печей для отжига:

• высокие температуры в рабочей зоне;
• непрерывность процесса;
• ограничение по габаритам деталей.

Рабочий цикл начинают с расстановки заготовок на конвейерной ленте. Расстояние между изделиями примерно одинаковое, чтобы материал нагревался со всех сторон. На транспортерной ленте металл въезжает в камеру, где подвергается термическому воздействию. По истечению времени изделия поступают в зону охлаждения.

Вакуумная печь не подходит для отжига крупных полуфабрикатов: листового и фасонного проката. Камеры нагрева и выдержки ограничены по площади. Термическое воздействие на большие заготовки сложно контролировать, особенно структурные изменения. Когда подходит время выгружать толстостенную заготовку, процесс восстановления металла после высокотемпературного отжига не закончен.

Водородная печь для спекания

Спекание — термохимический процесс, когда размещенный в вакуумной камере металл нагревают до температуры ниже плавления. Численное значение параметра зависит от состава и свойств материала.

Технологию применяют для изделий со слабыми структурными связями. Кроме керамики, в водородной печи спекают порошковые изделия из металлов, стеклянной крошки, композитных составов.

При нагревании изменяется структурно-фазовое состояние материала: возрастает кинетическая энергия атомов, нарушаются связи. Элементарные частицы газа (водорода) и материала заготовки взаимодействуют друг с другом.

В нагретой вакуумной среде происходят (одновременно или по-одному) процессы: химическая реакция, деформация и диффузия. В результате взаимодействия водорода и материала образуются прочные межатомные и межмолекулярные связи. После нагрева изделие охлаждают со средней скоростью. С конвейера снимают деталь с твердой, плотной и однородной структурой.

Промышленность производит разные модели индукционного оборудования для спекания. Если компания планирует изготавливать изделия из порошковых составов, есть возможность купить печь с гидравлическим прессом.

Стоимость и ресурс износа агрегата зависит от режима работы. Основные компоненты камер с температурным режимом 1000-1200 ⁰C изготавливают из хромовых и никелевых сплавов. При производстве нагревательных элементов для высокотемпературных устройств (до 2000 ⁰C) используют вольфрамовые, танталовые и молибденовые составы.

Соблюдение уровня вакуума

Идеальный вакуум — абсолютно пустое пространство: без элементарных частиц. В реальной обстановке, количество присутствующих в безвоздушном пространстве атомов и молекул ничтожно мало (в разы меньше атмосферного значения).

Различают высокий, средний и низкий уровень вакуума. Текущее значение разрежения безвоздушной среды определяют счетчики, которые фиксируют свободный пробег элементарных частиц в закрытом резервуаре: электровакуумном приборе, между стенками рабочей камеры или трубопровода.

От уровня вакуума зависит протекание фазовых и структурных процессов в материале, то есть, качество отожженной детали. Степень разреженности среды определяется особенностями трех составляющих: оборудования (агрегата, нагревателя, насосной станции), процесса (отжига, спекания, обезуглероживания) и материала: состава и физико-механических свойств. Механические насосы обеспечивают низкий и средний вакуум: 100 кПа–100 Па. Диффузионные установки создают разреженность на уровне: 100 кПа–0,1 Па.

Состав газа

После откачивания воздуха из камеры внутрь нагнетают газ, состав зависит от цели термообработки. Для создания нейтральной атмосферы подают формир-газ, аргон, молекулярный азот или гелий. Перечисленные вещества не вступают в реакцию с материалом. Газы используют, когда нет необходимости улучшать качество поверхности.

Второй вариант — создание в камере восстановительной среды (из водорода, аммиака) с целью очистить верхний слой стали от инородных включений и окислов. При нагреве происходит термохимическая реакция замещения. Освободившиеся места элементарных частиц окислов занимают атомы водорода. После восстановления поверхность сплава, например, ковара (29НК), становится чистой и более твердой.

Для обезуглероживания используют азот и водород. В камере, нагретой до высокой температуры, атмосферный газ соединяется с углеродом материала. Образуется новое соединение, которое выводится за пределы детали. Цель обезуглероживания — контроль химического состава и управление свойствами материала.

Качество деталей

Уровень вакуума важный для всех типов термообработки, особенно при выполнении спекания, пайки и отжига. Если разреженность среды в камере не соответствует требованиям, металл окисляется. Для справки, массовая доля кислорода в воздухе — 21-23,5%.

В результате химической реакции изменяются свойства обрабатываемого материала. Металл отдает свои электроны окислителю, внутри кристаллической решетки образуются новые соединения. При окислении качество изделий после нагрева не соответствует отраслевым и государственным стандартам.

Существует прямая зависимость между составом материала, температурой и уровнем вакуума в камере. Для твердых структур — металлов, керамики, — устанавливают большую температуру и степень разреженности среды в рабочей камере.

На производительность вакуумной печи влияет длительность рабочего цикла. Значительная часть времени уходит на откачку воздуха из камеры и охлаждение. Чем больше объем рабочего пространства, тем медленнее процесс. Когда выставляют настройки, указывают максимально возможную скорость откачки, среднее значение составляет 100 Па/мин.

Для некоторых материалов используют высокотемпературный нагрев в среде инертного газа. Процесс состоит из двух этапов: после откачки рабочее пространство заполняют аргоном или водородом. Присутствие частиц инертного газа помогает поддерживать уровень вакуума и предотвращает загрязнение материала в процессе нагрева.

Крупнейший российский производитель НПО “ГКМП” принимает заказы на разработку и единичное производство промышленных вакуумных печей любого назначения. Компания гарантирует оптимальное соотношение функциональности и стоимости агрегата.