ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРЕПЕЖА, МЕТИЗОВ И ДЕТАЛЕЙ

вернуться на главную страницу оборудования для термической обработки металлов

 

ВАКУУМНЫЕ ПЕЧИ
ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

 

 

 

Термическая обработка в вакууме и методы вакуумной плавки сегодня широко используются для создания широкого спектра материалов, получение которых невозможно никаким другим способом. Самые совершенные металлургические процессы в вакууме, такие как дегазация стали, внепечная обработка, вакуумная переплавка, точное литьё по выплавляемым моделям сегодня позволяют получать высококачественные отливки, как по составу материала, так и по качеству самого литья. Однако всё возрастающий технологический уровень современного машиностроения выдвигает новые требования к вакуумному технологическому оборудованию. Сегодня вакуумная металлургия переходит на принципиально новый уровень создания технологических процессов, представляющих собой непрерывную цепочку процессов в среде вакуума, позволяющих, с одной стороны получить принципиально новые изделия, с другой стороны, значительно снизить издержки производства.

Особенно высока эффективность подобных технологий при переработке ломов драгоценных металлов, когда стоимость обрабатываемых материалов соизмерима со стоимостью оборудования. Примерами возможного применения вакуумных технологий могут быть также технологии получения высоколегированных и жаропрочных сталей, прецизионных сплавов, редкоземельных и драгоценных  металлов, когда необходимо получить материал с высокой степенью чистоты при минимальном угаре. Используя вакуумные технологии можно получать материалы с мелкозернистой структурой, направленной и монокристаллической структурой, заранее определяя свойства получаемых материалов. Всё вышеизложенное чрезвычайно актуально в плане применения новых материалов  в высокотехнологичных областях науки и техники, например: в аэрокосмической, авиационной и автомобильной промышленности. Повышенная прочность и надежность материалов используемых в этих отраслях промышленности зачастую определяет принципиально новые возможности  разрабатываемой техники.

Процессы вакуумного переплава, особенно часть, используется в металлургии вторичного передела для рафинирования металлов или получения особого химического состава, в жидком состоянии при заданных температурах. Существует великое множество различных применений  вакуумной техники для получения самых разнообразных материалов. Вакуумные технологии незаменимы для производства специальных сплавов, которые не могут быть получены вне вакуума или инертной атмосферы вследствие их высокой окисляемости. Контролируемая атмосфера ограничивает формирование окисных неметаллических включений  в расплаве.

Вакуумные печи обеспечивают эффективную дегазацию расплава и очень точный состав получаемых сплавов, поскольку температура расплава, давление внутри вакуумной камеры, перемешивание  расплава и введение дополнительных легирующих элементов могут быть выполнены независимо. Комбинация всех вышеперечисленных способов воздействия на расплав создает уникальный инструмент для литейщика-исследователя. Обычно для проведения прецизионных процессов вакуумной плавки используют печь с индукционным нагревом. Преимущества вакуумной плавки с индукционным нагревом заключаются в следующем:

  • Возможность длительной выдержки жидкого металла в глубоком вакууме.
  • Высокая степень дегазации (дегазации металлов).
  • Возможность производить дозагрузку печи в процессе плавки, активного воздействия на интенсификацию процессов раскисления и рафинирования в любой момент плавки.
  • Возможность эффективного контроля и регулирования состояния расплава по его температуре и химическому составу в течение всего процесса.
  • Особая чистота получаемых отливок за счет отсутствия любых неметаллических включений.
  • Возможность производить быстрый нагрев (прямой нагрев за счет тепла выделяемого в расплаве), а следовательно высокая скорость плавок и высокая производительность.
  • Высокая гомогенность расплава за счет активного перемешивания металла.
  • Произвольная форма сырья (кусковые материалы, брикеты, порошок и т.д.)
  • Высокая экономичность и экологическая  чистота.

По сравнению с электрическими дуговыми печами существует множество различных факторов, которые возникают с применением индукционной плавки и существенно влияют на металлургические процессы. В вакуумной индукционной печи (ВИП) любой шлак перемешивается постоянно контактируя с поверхностью тигля за счет характерного для индукционной плавки движения металла. Поэтому, некоторые металлургические процессы также как дефосфорация и десульфация ограничены. Технологии вакуумного переплава в основном нацелены на процессы, ход которых в большой степени обусловлен пониженным давлением окружающей среды, такие как металлургические реакции, связанные с углеродом, кислородом, азотом и водородом. А возможность удаления таких нежелательных летучих сопутствующих элементов как ртуть, теллур, селен и висмут в ВИП имеет особо важное практическое значение. Точный мониторинг зависимый от давления реакции связи излишнего углерода для обеспечения раскисления, один из примеров применения разнообразных способов при использовании вакуумных печей для получения спецсплавов.

Но и помимо спецсплавов многие материалы в индукционной плавильной печи могут быть подвержены обработке с целью устранения нежелательных примесей для обеспечения необходимых и гарантированных свойств. Вследствие высокой степени возгоняемости концентрация многих нежелательных сопутствующих элементов может быть понижена до очень низкого уровня в ходе процесса возгонки индукционной вакуумной переплавкой. Практически для всех высокопрочных и прецизионных сплавов небольшой перегрев расплава; в сочетании с вакуумным отсасыванием позволяет устранить указанные элементы и обеспечить высокие характеристики обрабатываемого материала. Поэтому метод индукционной плавки считается наиболее подходящим; методом получения сверхчистых сплавов.

В зависимости от типа металла и металлургического процесса, глубина вакуума для процесса рафинирования возгонкой может находится в диапазоне 10-1÷10-3 мбар.

С целью получения чистых плавок, различные методы обработки могут быть легко совмещены с процессом вакуумной индукционной плавки; управление атмосферы с низким уровнем утечки и десорбции, отбор наиболее стабильных футеровочных материалов для футеровки тигля, перемешивание и гомогенизация за счет электромагнитного перемешивания, продувка инертным газом, точный температурный контроль для минимизации  реакции тигля с расплавом металла, возможность удаления шлака и фильтрования расплава во время разливки, обеспечение  возможности разливки по желобу или через промежуточный ковш для предотвращения окисления.

Для частных применений, таких как, например, производство лопаток турбин, качество производимого материала во время индукционного вакуумного переплава это начальный этап, но для того, чтобы обеспечить высочайшие требования по чистоте материала и его структуре требуется последующая обработка.

Материалы выплавленные в вакуумной индукционной печи должны пройти дополнительный переплав и (или) процесс направленной кристаллизации. Для этого ВИП снабжают дополнительными разливочными камерами. Для обеспечения еще более жестких требований, материалы должны пройти несколько этапов рафинирования как, например, в триплексном процессе переплава, состоящего из последовательных индукционно-вакуумного переплава, электрошлакового переплава и дугового или лучевого вакуумного переплава.

Вакуумные индукционные печи нового поколения  принципиально отличаются от существующих своей компактностью, меньшим объемом плавильной камеры, возможность стыковки с разнообразными камерами – загрузки, разливки и съема готовых изделий, широкими функциональными возможностями и экономической эффективностью. Современные ВИП построены на модульном принципе и могут быть использованы как для плавки, так и разливки металлов в вакууме и среде защитного газа. Зачастую производители печей предлагают стандартные модули, комбинация которых позволяет быстро перенастроить технологический процесс. Процесс разливки обычно производится с использованием керамического желоба, по которому жидкий металл транспортируется в разливочную камеру с одновременным удалением неметаллических включений.

Вакуумная камера сокращена до минимума и как результат; достигается снижение времени откачки или снижение мощности установленного вакумного оборудования, улучшается контроль атмосферы в ходе процесса, более быстрая замена различных элементов печи, с минимальны временем остановки для замены тигля, высокая гибкость в выборе способов разливки с минимизацией риска загрязнения. Концепция ВИП нового поколения открывает возможности экономически целесообразного производства всех известных металлов, и прецизионных сплавов в управляемой газовой атмосфере, обычно переплавляемых в вакуумных печах. Дальнейшее развитие вакуумных технологий в машиностроении – совмещение процессов расплава, литья и штамповки, вследствие чего нет необходимости в применении дополнительного нагрева и излишних переходов(некий аналог непрерывного литья заготовок с одновременной прокаткой).

Суть метода заключается в том, что металл плавится в вакуумной камере плавления, непосредственно над штампом – изложницей до момента проплавления переплавляемой заготовки. Данный момент фиксируется световыми датчиками, после чего на расплав воздействуют газовым давлением и ультразвуковыми колебаниями. Далее, расплав поступает в штамп-изложницу, которая движется ему навстречу. При этом кристаллизация происходит  быстро, а под воздействием ультразвуковых колебаний обеспечивается мелкозернистая, плотная структура изделия.

Данная технология позволяет получать изделия сложной формы прямо из расплава (например, лопатки турбин, фасонные изделия типа сопел, автомобильные клапана, сложные штампы и др.) как из обычных так и труднодеформируемых сплавов, без излишней механической обработки. При этом структура металла соответствует качественной структуре, получаемой при обработке металлов давлением, то есть мелкозернистая и без пор. Это позволяет не только существенно экономить металл, но и резко снизить затраты на механическую обработку, при этом точность изготовления изделия близка к точности получаемой при механической обработке. Учитывая, что при изготовлении сложных фасонных изделий в стружку уходит значительная часть дорогостоящего материала (иногда 70-90%), применение подобных технологий – это качественный прорыв в области производства высококачественных отливок.

 

Последовательность расплавления металла в вакуумых печах

Расплавление металла в вакуумной печи производится в холодном водоохлаждаемом тигле с помощью индуктора. Первоначально металл удерживается гарнисажем. Из верхней камеры откачивается воздух и подается через патрубок аргон. По достижению температуры расплава срабатывает, оснащенный световым датчиком, клапан и металл через керамический канал попадает в форму. Одновременно форма поднимается к каналу, включается вакуумный насос, создающий разряжение в нижней камере через патрубок. Расплавленный металл под воздействием силы тяжести и разряжения создаваемого в нижней камере начинает быстро заполнять форму. В момент присоединения формы к каналу, включается ультразвуковой излучатель. Мощное ультразвуковое воздействие обеспечивает легкое заполнение формы, за счет улучшения смачиваемости поверхности формы, обеспечивает непрерывную дегазацию расплава и за счет резкого увеличения центров кристаллизации создает мелкозернистую структуру отливки. Данный метод отливки получил в литературе название объемно-импульсная штамповка.

Равномерная и высококачественная заливка металла, высокие механические свойства получаемых изделий, экологическая чистота процесса, экономичность и компактность установки позволяют широко использовать предложенный процесс в изготовлении фасонных деталей сложной формы из труднодеформируемых и труднообрабатываемых химически активных металлов и сплавов, а также композиционых материалов. В частности, с помощью этой технологии могут быть получены изделия из композиционных материалов с армированием углеродами, вольфрамовыми или борными волокнами. Возможные сферы применения подобных технологий трудно переоценить – это авиастроение и судостроение, автомобильная промышленность и атомная энергетика, медицина и специальная техника.