Вакуумные печи для спекания: назначение, устройство, принцип работы
Процесс спекания является термообработкой изделий из прессованных порошков или материалов, полученных другим способом. Термическая обработка осуществляется в условиях ниже температуры плавления рабочего вещества. Спекание выполняется для улучшения качественных характеристик. При необходимости возможна последующая обработка материала.
Содержание:
- Классификация вакуумных печей для спекания
- Устройство вакуумной печи
- Проходные печи для вакуумного спекания
- Защитная среда печи для спекания
- Спекание изделий в вакуумной печи
- Реализация вакуумных печей для спекания
Классификация вакуумных печей для спекания
Процесс производится в вакуумных печах для спекания, которые различаются конструктивно и возможностью создания необходимых условий. Печи имеют различные режимы спекания и охлаждения, зависящие от температуры, выдержки, защитных свойств. Они предназначаются для разного числа деталей, с различным составом, размером и конфигурацией. Оптимальный режим обработки определяется типом используемого агрегата. Печи могут нагреваться до определенной температуры, в зависимости от их вида:
- Оснащенные нихромом или фехралем - до 1100 градусов;
- Газовые и нефтяные - до 1200;
- С силитовым напряжением - до 1350;
- Из молибдена - до 1400;
- При нагревании током, подаваемым через угольный трубопровод - до 2500;
- С высокой частотой - до 3200.
Классификация вакуумных печей для спекания
Последние применяются для спекания твердосплавных материалов и являются по сути сварочными колпаками. Они взаимодействуют током на изделие, пропуская его через внутренний объем материала.
Устройство вакуумной печи
Детали, подвергаемые спеканию, характеризуются высокой пористостью и подверженностью к окислению. Чтобы этого не допустить, защитная среда должна обеспечивать их последующее охлаждение. Производители изготавливают агрегаты таким образом, чтобы тепловые потери были минимальны, а защитный газ расходовался экономично при охлаждении. Это выражается в исполнении колпакового типа печей с камерами и проходных агрегатах с холодильником. Колпаковые установки имеют:
- Внутренний колпак. Он представляет собой герметичное изделие и служит для прикрытия обрабатываемых материалов. Для циркуляции защитной среды применяется подводка;
- Внешний колпак. Он нагревается и оснащается обмоткой.
Устройство вакуумной печи
Внешний колпак используется при проведении спекания, а затем он снимается и надевается на внутренний, уже готовый к работе. Это способствует экономии энергии, расходуемой на предварительное нагревание внешнего колпака, ускоряет процесс охлаждения и минимизирует расход защитной среды.
Проходные печи для вакуумного спекания
Проходные агрегаты включают в конструкцию холодильник. Он является полостью со стенками из двух слоев, между которыми находится водная среда. С помощью холодильника детали охлаждаются в течение получаса, достигая комнатных условий в защитной среде. Среда циркулирует на основе противотока - от холодильника к полости загрузки. Принцип работы обеспечивает минимальные теплопотери и расход защитной среды на охлаждение.
Проходные печи для вакуумного спекания
Проходные агрегаты являются автоматизированными устройствами, обеспечивающими перемещение спекаемых элементов посредством толкателя гидравлического или механического типа. В некоторых печах может применяться конвейер или шагающий под. Толкатель механического типа обеспечивает передачу крутящего момента от электродвигателя к шестерне, оснащённой зубьями. Зубья при вращении касаются винта и двигают штангу. Штанга перемещает емкость с изделием. Движение ёмкости стимулирует перемещение следующей емкости и дальнейший ход процесса. Начальная ёмкость размещается в условиях более низких температур, поэтому толкатели можно устанавливать на печи с максимальным нагревом.
Агрегатам, использующим конвейер, допустимо нагревание до 1200 градусов, поскольку в них важно учитывать устойчивость к нагреву материала изготовления конвейера. Оснащение агрегатов шагающим подом может быть в вертикальном или горизонтальном исполнении. Вертикальное передвижение изделий используется уже более 10 лет и было разработано Киффером и Краллем. В таких печах загрузка происходит в верхней полости агрегата, а выход - в нижней.
Защитная среда печи для спекания
Требования к защитной атмосфере:
- Способствовать восстановлению окислов;
- Не допускать выгорания некоторых веществ при спекании, к примеру, углерода в тугоплавких составах;
- Предотвращать попадание загрязнений и посторонних компонентов в рабочее пространство;
- Обеспечить условия для безопасности процесса.
Защитной атмосферой могут служить разнообразные засыпки: из графита, угля, металла; защитные и восстановительные газообразные вещества: генераторные, водородные, диссоциированные аммиачные, остаточные компоненты сгорания светильного или естественного газа; соединения газов и засыпки или вакуум.
Спекание изделий в вакуумной печи
Металлы, используемые для изготовления порошковых деталей, спекаются при эффективной температуре. К ним относятся: железо, кобальт, молибден, медь, никель, вольфрам и некоторые другие. Для них увеличение компонентов чистых порошковых составов происходит при температуре около ¾ абсолютного показателя плавления. Это значение обычно равно температуре начала результативного спекания. При увеличении температуры материалы начинают спекаться быстрее. Это выражается примерно в следующем порядке: для железа и меди, например, повышение температуры на каждые 100 градусов ускоряет спекание в 9-10 раз. При этом нужно учитывать, что некоторые материалы имеют конкретную оптимальную температуру. Если ее превысить, понизится прочность и плотность обработанных деталей, а также увеличится зернистость.
Снижение пористости выражается в прямо пропорциональной зависимости начальной пористости. Процесс спекания выравнивает различия структуры материалов. Эффективная температура спекания также уменьшается пропорционально размеру исходного вещества. Но такие порошки плохо обрабатываются и образуют трещины, что связано с высоким содержанием окислов, низкой способности к прессуемости и подверженности короблению.
Реализация вакуумных печей для спекания
В печах для спекания может производиться несколько видов обработки: изостатическое прессование, депарафинизация, вакуумное спекание. Они действуют комплексно в защитной атмосфере, способствуя равномерному нагреванию пространства в условиях вакуума и давления. Установление одинаковой температуры происходит за счёт:
- Разделения объема на секции, прогревающиеся отдельными установками;
- Прогреванием потока до начала процесса;
- Эффективной изоляцией из плотных материалов с узлом контроля высокой точности.
В качестве изолирующего материала обычно используется войлок, хорошо сохраняющий тепло. Это позволяет увеличить срок эксплуатации печи и сэкономить расход воды на охлаждение. Кроме того, требуется меньше энергии, а скорость нагревания при этом не изменяется.
Агрегаты изготавливаются с возможностью создания определенных условий для обработки того или иного типа изделия. Депарафинизация может производиться разными системами, которые можно объединить в общую конструкцию. Различают следующие виды депарафинизации, выполняющейся:
- Посредством перепада давления;
- Использованием определенных веществ для создания среды.
Управление процессом осуществляется с помощью специальных приборов с микропроцессорами, создающими полностью автоматизированное действие печи. Также возможна повторная обработка, чтобы повысить качество материала.
Наиболее эффективны устройства, сочетающие режим спекания, депарафинизации и изостатическое уплотнение с помощью газов с частицами металлов или керамики. Они объединяются в общую структуру посредством результативного конструирования.
Преимущества использования вакуумной печи для спекания материалов:
- Высокое качество полученных изделий за счёт равномерного распределения потоков в рабочем объеме;
- Низкая стоимость ресурсов на эксплуатацию, поскольку требуется меньше энергии и воды;
- Оптимальная конструкция печи позволяет обслуживать ее быстро и просто;
- Надёжность оборудования, быстрое установление нужных условий;
- Длительность работы, малая вероятность поломок.