Закалка металла в газовых печах

Термообработка металлов газом в печах с защитной атмосферой

В металлургии для термической обработки используются самые разнообразные процессы: отжиг, спекание, нитроцементация и многое другое. В производстве многих изделий практически незаменимой является термообработка металлов газом, она подразумевает создание контролируемой атмосферы в печи, благодаря чему удается добиться требуемых характеристик деталей, что крайне важно для аэрокосмической, автомобильной, нефтеперерабатывающей других сфер деятельности. Создают такую атмосферу с помощью водорода или инертных газов — азота, гелия или аргона.

Зачем нужна контролируемая атмосфера в печи

В ходе термообработки деталей в печах защитная газовая атмосфера играет одну из ключевых ролей.

1. Во-первых, она выступает в качестве носителя для ключевых химических элементов в ходе процесса — она химически взаимодействует с металлом, придавая ему необходимые характеристики в ходе термообработки. К примеру, так можно улучшить пластичность металла, повысить его стойкость к коррозии, улучшить поверхностные характеристики (что очень важно для закалки).
2. Во-вторых, атмосфера защищает обрабатываемые детали от неблагоприятного воздействия химических элементов, содержащихся в воздухе, в частности предотвращая окисление.

Важность термообработки металлов газом не только в достижении заданных параметров, без контролируемой атмосферы во многих деталях существенно повысится процент брака, отследить который получится далеко не всегда. Это грозит не только финансовыми потерями для предприятия – бракованные изделия могут стать причиной поломки, которая в худшем случае станет причиной смертельных исходов.

В ходе термообработки в рабочей камере печи обычно находится воздух, кислород в его составе считается наиболее реактивным газом, который активно взаимодействует с металлами и приводит к их окислению. Поэтому чтобы предотвратить эту неблагоприятную химическую реакцию, в печах применяют различные газы и их смеси — водород, азот, гелий, аргон, монооксиды или диоксиды углерода, аммиак, пропан, метан и бутан.

Аргон активно применяется и при продувке расплавленного металла, о чем мы рассказывали ранее.

Где применяется термообработка металлов газом

• Отжиг – позволяет смягчить металл или преобразовать его структуру для улучшения характеристик.
• Светлый отжиг – минимизирует окисление, осуществляется в атмосфере таких газов, как азот, аргон или водород, причем последний является наиболее предпочтительным.
• Пайка — при работе с медью и серебром в атмосфере чистого водорода или, в некоторых случаях, диссоциированного аммиака.
• Науглероживание – процесс повышает прокаливаемость металла путем добавления углерода на поверхность деталей. Как правило, для этого используется эндотермическая атмосфера.
• Нитроцементация – повышение твердости металла путем диффузии атомов углерода и азота на поверхность обрабатываемых деталей.
• Азотирование — повышение коррозионной устойчивости и прочностных характеристик металла путем нагрева изделий в среде азота.
• Нейтральное упрочнение – предотвращает окисление и обезуглероживание инструментальной стали, при этом применяется защитная атмосфера из азота или аргона.
• Закалка — используется для увеличения размерности зерен, улучшения пластичности и вязкости предварительно термообработанного металла.
• Спекание – в зависимости от типа обрабатываемого металла и детали, применяется как инертная атмосфера, так и чистый водород.
• Горячее изостатическое прессование – процесс практически идентичен предыдущему, но происходит при гораздо более высоком давлении.

Особую важность термообработка металлов с использованием защитной инертной атмосферы получила в отраслях, где важно максимально точно соблюдать технологический процесс и получить чистые детали, не подвергнутые нежелательным химическим реакциям, таким как окисление и обезуглероживание. Например, это крайне важно при изготовлении инструментов, деталей для авиационной промышленности и энергетики, в области электроники и полупроводников.

Если говорить о вакуумных процессах обработки металла, то здесь нагрев выполняется при давлении ниже атмосферного. Используются эти процессы для нескольких задач – удаления различного рода загрязнений (смазочных составов или оксидных пленок), защиты от нежелательных реакций (окисления, обезуглероживания и т.д.), а также для соединения и дегазации металлов.

Сварка титана и его сплавов не обходится без инертных газов, в частности, аргона — читайте нашу статью по ссылке.

Роль различных газов в контролируемой атмосфере

Термообработка металлов газом выполняется с применением аргона, гелия и азота. При этом обычно используются их комбинации, например:

• аргон и гелий;
• аргон, гелий и азот;
• азот и гелий.

Эти смеси применяются в обработке цветных металлов таких как алюминий, медь и латунь. Инертность атмосферы зависит от нескольких факторов, в числе которых вид используемых газов, уровень их чистоты, а также рабочие температуры в ходе термообработки. Например, азот не вступает в реакцию с большинством видов стали до определенных температур, но при достижении этих температур его инертность исчезает. Аргон и гелий, в свою очередь, считаются более инертными в сравнении с водородом.

Азотная атмосфера применяется в нескольких задачах: для защитного покрытия обрабатываемых деталей, при продувке уже существующей атмосферы и в виде газа-носителя в углеродосодержащей среде. При этом азот не является инертным газом, поэтому используют его при температурах от -55,4 °C до 43,3 °C., также допускается смешивание азота с водородом в концентрации 9/1.

Азотосодержащая атмосфера применяется для следующих операций:

• отжиг (цветные металлы, легированная сталь и обезуглероживание);
• нейтральное отверждение;
• азотирование (легированные, нержавеющие и азотированные стали);
• спекание;
• пайка (азот применяется в качестве газа-носителя);
• вакуумные процессы.

Аргоносодержащая атмосфера применяется в отжиге (цветные металлы, нержавеющая и легированная сталь), пайке, спекании, вакуумной термической обработке, поскольку аргон является инертным газом. Его используют при температуре ниже -55,4 °C, с содержанием кислорода менее 20 ppm.

Водородосодержащая атмосфера используется в процессах восстановления оксида железа (до чистого железа) и обезуглероживания стали. Водород также способен вступать в реакцию с кислородом, тем самым не давая последнему проводить окисление металла. Сфера применения защитной водородной атмосферы включает отжиг (полированные/цветные металлы, нержавеющая, электротехническая и низкоуглеродистая сталь), нейтральное отверждение, пайка, спекание и вакуумная обработка.

Допускается использование среды водорода с азотом или аргоном. Например, пара водород + азот активно используется в ходе светлого отжига, отверждения, спекания, а также в термообработке различных типов стали. Применение пары водород + аргон актуально для тех же процессов, за исключением нейтрального отверждения. При термообработке металлов в печах обычно используется водород с показателем чистоты в 98-99,9%.

При работе с любыми типами газов появится вопрос выбора между криоцилиндрами и газовыми моноблоками. Что из этого лучше и для каких задач — читайте в нашей статье.

Как создают атмосферу в печи

В ходе термообработки металлов газом одной из самых сложных задач является поддержание защитной атмосферы, поэтому необходимо использовать специальные печи с контролем внутренней атмосферы. В таких печах рабочая камера может очищаться от содержащихся газов — они вытесняются целевым газом, на основе которого будет создаваться защитная среда. Существует два типа печей, которые позволяют поддерживать ранее установленную атмосферу – одни обеспечивают полную герметизацию, а в других используется реторта.

Герметичные печи

В первом типе печей процесс герметизации возможен благодаря уплотнению двери и использованию сварных швов корпуса, при этом дверное уплотнение обычно имеет прокладку из керамического волокна. В электрических печах в качестве уплотнительного и герметизирующего материала применяется силиконовая резина – она эластичная и достаточно прочная. В печах с газовым обогревом для поддержания защитной среды и отвода продуктов сгорания обычно применяются специальные выводные трубки.

Использование герметичной печи считается одним из самых экономичных способов, поскольку в сравнении с ретортной печью снижаются затраты на обслуживание. Также, в таких печах нагревательные элементы могут быть распределены более равномерно. Однако этот метод имеет ограничения при температуре в -6,67 °C (точки росы). Еще один минус – потенциальное загрязнение защитной атмосферы, поскольку воздух и влага могут попасть в изолированную зону, что неблагоприятно скажется на итоговом качестве изделия.

Ретортные печи

Второй тип печей имеет реторту из специального сплава на основе никеля, которая нагревается газом или электроэнергией вне печи. Реторту герметизируют с применением силиконового уплотнительного кольца и зажимов, которые находятся вне рабочей камеры и дополнительно укрепляются болтами. Также, герметизация реторты может выполняться с помощью песчаного уплотнения внутри желоба, расположенного по периметру печи, что позволяет легко удерживать реторту внутри рабочей камеры. Если сравнивать обе методики герметизации реторты, то наилучший уровень чистоты защитной атмосферы обеспечивает первый метод – с использованием силиконового уплотнителя.

В сравнении с герметичными печами, печи с ретортой обеспечивают максимально чистую атмосферу, однако они более затратны и сложнее в обслуживании.

Контроль среды отбором проб

Для поддержания и контроля защитной среды в конструкции печей могут устанавливать специальные порты для периодического отбора проб внутренней атмосферы, что позволяет:

• контролировать качество термообработки;
• проверять внутреннюю среду;
• отследить, когда нужно вводить газы при изменении их концентрации во внутренней среде;
• удостовериться, что печь безопасно открывать.

Использование пламенной завесы

Отдельные печи оборудуются завесой пламени на двери: когда дверца открыта, срабатывает специальная горелка, закрывая открытый проем пламенной завесой. Сделано это для трех целей – поддержания рабочей температуры, уменьшения поступающего воздуха в рабочую зону и для сжигания выходящих газов. В зависимости от используемой атмосферы и типа термической обработки, пламенная завеса часто оказывается разумным выбором.

Заключение

Создание и поддержание защитной газовой среды для термообработки — важная составляющая технологии получения деталей с требуемыми физическими характеристиками и чистотой. Защитная атмосфера незаменима во всех процессах термообработки (нитроцементация, закалка, спекание и т.п.) деталей и инструментов для электроники, автомобильной промышленности и аэрокосмической отрасли.

Обеспечение такой среды обработки невозможно без применения качественных и чистых инертных газов, а использование некачественных компонентов приводит к браку, убыткам и претензиям со стороны клиентов.

Источник