Что представляет собой вакуумная печь?

Преимущество вакуумных печей

Вакуумные печи используются во многих сферах и отраслях промышленности. Благодаря технологии вакуумной термообработки можно улучшить характеристики материалов, увеличить срок их службы и повысить безопасность.

Вакуумные печи обладают такими преимуществами, как высокая температура, низкое давление и равномерный нагрев.

Материалы в вакуумной печи не подвержены влиянию окисления, гидрирования, нитрирования и других факторов, поэтому качество материалов после термообработки более стабильно и чисто.

Кроме того, вакуумная печь может управлять потоком газа во время нагрева для очистки и модификации поверхности материала (например, азотирование, цементация под низким давлением и т.д.).

Наконец, благодаря внедрению технологии закалки газом высокого давления, вакуумные печи становятся предпочтительным выбором для отрасли термообработки, так как практически любой результат термообработки может быть достигнут с помощью вакуумной печи более экологичным способом, чем предыдущие методы, такие как термообработка в атмосферных печах.

Функции вакуумной печи

Основная функция вакуумной печи — термическая обработка материалов, включая отжиг, старение, закалку, отжиг на твердый раствор и другие методы обработки. Кроме того, вакуумные печи могут использоваться для высокотемпературного спекания, высокотемпературного испарения, высокотемпературного плавления, высокотемпературной карбонизации и других процессов.

В общем случае профиль вакуумной термообработки состоит из следующих этапов:

• Загрузка заготовок (изделий) в вакуумную печь.
• Откачка до создания необходимой степени вакуума.
• Включение системы нагрева при достижении необходимого уровня вакуума для защиты нагретых стальных или металлических деталей от негативного воздействия воздушной атмосферы.
• Нагрев до нужной температуры и последующая выдержка в течение определенного времени для обеспечения равномерности температуры внутри заготовки.
• Наконец, заготовки охлаждаются, причем в зависимости от требований к скорости охлаждения это может происходить медленно или очень быстро. Закалка может производиться в однокамерной вакуумной печи или в многокамерной вакуумной печи, где нагрев и закалка производятся в отдельной камере для достижения более эффективной закалки. Важно держать заготовку под вакуумом до тех пор, пока она не будет достаточно охлаждена, чтобы у горячей заготовки не было возможности вступить в реакцию с воздухом, водяным паром и т. д. …
• Выгрузка заготовок из печи

По усмотрению, во время цикла термообработки в вакуумную среду могут быть введены специальные газы, например, инертные (азот, аргон, гелий) или реактивные (водород, кислород). Введение этих газов может дополнительно регулировать процесс термообработки для достижения определенных модификаций или реакций материала.

Вакуумная печь — основные элементы

Вакуумные печи состоят из корпуса печи, вакуумной системы, нагревательных элементов, системы контроля температуры, панелей смешивания технологических газов, тепловых приборов и компонентов охлаждения.

• Корпус печи обычно изготавливается из нержавеющей стали или других легированных материалов, обладающих высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Как правило, печь имеет двойную обшивку и водоохлаждаемую камеру под давлением, в которой может находиться только горячая зона или дополнительные компоненты, такие как теплообменник и циркуляционные двигатели с вентилятором, в случае, если газовая закалка проводится в той же камере, где и процесс термообработки. Альтернативой этой печи является вакуумная ретортная печь, которая обычно работает при более низкой температуре и имеет теплообменник и циркуляционный двигатель, расположенные снаружи корпуса печи.
• Вакуум в печи поддерживается вакуумными насосами. В зависимости от условий эксплуатации используется один или комбинация механических бустеров, диффузионных и турбо-молекулярных. Если используются многокамерные печи, то в каждой камере будет своя группа вакуумных насосов.
• В высокотемпературных вакуумных печах система нагрева осуществляется с помощью элементов электрического резистивного сопротивления, изготовленных из графита или металла и размещенных внутри горячей зоны как можно ближе к загрузке. Вариацией на эту тему может быть ретортная вакуумная печь, где электрические резистивные нагреватели размещаются снаружи реторты, а загрузка помещается внутрь реторты и находится под вакуумом. В данном случае речь идет о косвенном нагреве. Реторта нагревается электрическими нагревателями, а затем излучает тепло в сторону загрузки. Ограничением здесь является то, что температура термообработки обычно не превышает 850 °C, но вакуумная печь с ретортой будет намного дешевле, чем печь с горячей зоной для высокотемпературного применения.
• Система контроля температуры в основном состоит из температурных приборов, контроллеров, источников питания и т. д., с помощью которых можно добиться точного контроля процесса нагрева.
• Для достижения различных эффектов термохимической обработки заготовок различные технологические газы смешиваются/создаются снаружи печи и контролируемым образом запускаются в горячую зону для достижения различных термохимических эффектов, таких как закалка поверхности заготовок для придания им большей износостойкости и т.д. …
• Охлаждение/закалка загрузки может осуществляться различными способами, либо путем «вакуумного» охлаждения, что означает оставить печь медленно охлаждаться, либо подвергнуть загрузку газу, маслу или соли в качестве закалочной среды, чтобы значительно сократить время закалки, контролировать деформацию и достичь требуемых характеристик для материала. Охлаждение может быть простым: обдув горячей реторты окружающим воздухом снаружи, заполнение горячей зоны инертным газом (например, азотом или аргоном) и циркуляция этого газа через теплообменник и горячую зону. Для усиления эффекта закалки газ может циркулировать с большей скоростью и под большим давлением в одной вакуумной камере печи, а если требуется более агрессивная закалка, то необходимо закаливать груз под еще более высоким давлением газа или масла… но для этого потребуется перемещение в отдельную закалочную камеру.

Вакуумные печи — классификация

Для целей термообработки вакуумные печи можно классифицировать по различным характеристикам:

• Диапазон температур и равномерность. Вакуумная печь может нагреваться до 3000 °C при использовании определенных материалов и процессов, хотя типичный процесс вакуумной термообработки требует температуры до 1400 °C. Лучшая горячая зона обеспечивает равномерность температуры +/- 3 °C.
• Диапазон давления и уровень вакуума. В зависимости от общей конструкции печи, производства и выбора ключевых компонентов, таких как уплотнения, клапаны, резьбовые соединения, паяные швы и, конечно, выбора вакуумного насоса, печь может быть классифицирована как низковакуумная или высоковакуумная (для достижения которой требуется диффузионный насос). Диапазон давления на положительной шкале зависит от максимального желаемого давления закалки. В однокамерной вакуумной печи оно может составлять от 1,5 Бар до 20 Бар. При использовании отдельной закалочной камеры можно достичь гораздо более высоких давлений.
• Однокамерные или многокамерные. Вакуумная печь называется однокамерной, когда нагрев и охлаждение осуществляются в одной камере. Однако, когда требуется более высокая скорость охлаждения, используются многокамерные печи, в которых камеры нагрева и закалки разделены. Кроме того, если требуется более высокая производительность оборудования для термообработки, то лучше всего распределить термообработку и закалку по разным модульным камерам, а еще лучше создать автоматизированную производственную линию, где различные нагревательные камеры могут быть соединены с камерами газовой, масляной и солевой закалки и другим вспомогательным оборудованием, таким как моечные машины и закалочные печи, с помощью автоматической передаточной тележки/камеры с вакуумным нагревом. Это обеспечивает максимальную гибкость и позволяет легко наращивать и сокращать производство при меняющихся требованиях, поскольку используются только те модули, которые необходимы.
• Горизонтальная или вертикальная ориентация камеры. В зависимости от геометрии заготовки вертикальная ориентация камеры необходима для загрузки печи сверху или снизу. Горизонтальная ориентация гораздо более популярна из-за удобства загрузки и более доступной цены. Но в случае массивных деталей, таких как шасси самолетов, для предотвращения деформации при закалке лучше использовать вертикальную ориентацию.
• Круглая или квадратная горячая зона. В зависимости от количества и геометрии заготовок в загрузке квадратная или круглая форма горячей зоны может быть более благоприятной для достижения равномерной термообработки и последующей закалки без деформаций. Хотя круглая горячая зона, безусловно, является более гибким вариантом, поскольку расположение нагревателей и газовых закалочных сопел находится на одинаковом расстоянии от центра горячей зоны. Такое расположение обеспечивает наилучшие шансы для равномерного распределения температуры и эффективной закалки. Но, опять же, все зависит от того, какие именно заготовки подвергаются термообработке и как они расположены внутри загрузки / на приспособлении для термообработки, поэтому, возможно, квадратная горячая зона будет более подходящей в конкретном случае.
• Графитовая или металлическая горячая зона. Выбор материала значительно влияет на стоимость приобретения и эксплуатации вакуумной печи. Графитовая горячая зона в настоящее время является наиболее популярным выбором, но в зависимости от процесса термообработки и материала обрабатываемых деталей наиболее подходящей может быть металлическая горячая зона.