Вакуумное печное оборудование

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Кафедра материаловедения и технологии материалов

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Оборудование и технические средства для создания износостойких поверхностей»

Вакуумное печное оборудование

Руководитель работы

Исполнитель

Студент

Оренбург 2010

Аннотация

Курсовой проект содержит 40 страниц, в том числе 15 рисунков, 9 источников.

В данном курсовом проекте рассмотрено вакуумное печное оборудование и метод ионно-плазменного напыления и конденсации с ионной бомбардировкой. Описаны конструкции и принципы работы различных вакуумных печей. Приведены примеры вакуумного печного оборудования для восстановления деталей напылением.

Содержание

Введение

1. Общие сведения

1.1 Конструкции вакуумных печей и их характеристики

1.1.1 Дуговая вакуумная печь

1.2 Вакуумные электропечи

1.2.1 Общая характеристика вакуумных электропечей

1.2.2 Особенности конструкции

Введение

В настоящее, время создан ряд вакуумных термических печей различного исполнения и назначения. Вакуумный метод нагрева применяют взамен нагрева в защитных газовых атмосферах и нагрева в расплавах солей. Широко ведутся работы по использованию вакуумных печей для химико-термической обработки (цементации, азотирования).

Применение нагрева в вакууме по сравнению с нагревом в печах с защитной атмосферой уменьшает затраты, связанные с приготовлением защитных атмосфер, сокращением производственных площадей (до 50%) и количества обслуживающего персонала.

Вакуумные печи работают в автоматическом режиме с регистрирующими приборами управления.

Одна из сложнейших проблем термической обработки в вакуумных печах -- охлаждение -- решена благодаря разработке печей с принудительным газовым или масляным охлаждением. Такие печи оснащены двумя приводами. Один привод перемещает загрузочный стол в камере нагрева, второй перемещает стол закалочной ванны. Наличие отдельных приводов (загрузчиков) обеспечивает то, что загрузочный стол не погружается в масляную ванну. Это препятствует короблению закалочного стола, а также загрязнению внутренней полости печи па-рамп масла. Для охлаждения и сокращения содержания масляных паров как в масляной ванне, так и в газовой среде в камере монтируются вентиляторы, обеспечивающие направленный поток.

Ввиду того, что закалочное масло находится под влиянием пониженного давления, применяют лишь стойкие против испарения сорта масла.

Массовое и крупносерийное производства в машиностроении способствовали развитию вакуумных печей непрерывного действия. Эти печи имеют высокую производительность при значительно меньшем удельном расходе электроэнергии.

Загрузка и выгрузка деталей осуществляются через шлюзовые камеры, что обеспечивает постоянный вакуум и температуру в рабочем объеме печи. Однако следует учитывать, что в момент загрузки садки (поддона) и газовыделения в начале нагрева происходит некоторое снижение вакуума.

Учитывая, что в вакууме при рабочих температурах резко повышается коэффициент трения из-за диффузионного сваривания металла, механизмы выносят из рабочей камеры, а поддоны и направляющие рельсы изготовляют из гргфнта. Для термического упрочнения применяют вакуумные печи двух принципиально различных типов: с наружным обогревом камеры нагрева и с нагревателем в рабочей камере.

1. Общие сведения

Вакуумная печь - герметизированный агрегат, в котором проводится электротермический процесс при давлении газа в рабочем пространстве, поддерживаемом на уровнях от 10 мм.рт.ст до 10-6 мм.рт.ст. Преимуществами проведения процесса в среде газа с низким остаточным давлением являются:

возможность безокислительного нагрева металлов;

во многих случаях применение низкого давления печной среды вместо защитных и инертных газов экономически выгоднее;

плавка металлов в вакууме обеспечивает высокую степень очистки;

увеличение рабочей температуры в печи за счет защиты нагревателей от окисления.

Данные преимущества определяют круг задач, решаемых в вакуумных печах:

плавка, рафинирование, разливка в формы высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких и цветных металлов;

спекание изделий из тугоплавких и легко окисляющихся металлов;

обезгаживание и сушка материалов;

различные виды термической обработки, включая отжиг, закалку и др.

Вакуумные печи могут применяться в авиационной, атомной, электронной и других отраслях промышленности.

Разнообразные виды термической обработки доступны этим печам благодаря вакууму: термообработка, сушка, спекание, плавка и многое другое. Повышенная степень очистки в процессе плавки при использовании вакуумных печей из тугоплавких металлов. Практически все вакуумные печи рассчитаны на проведение технологических процессов при самых высоких температурах (до 2000°С) и при давлении до 10-3 Па.

Материалы, используемые в «горячей» зоне, - молибден и вольфрам.

Вакуумные электропечи имеют водоохлаждаемый корпус, выполненный из нержавеющей стали.

Управление температурным режимом может осуществляться в ручном режиме или с помощью микропроцессорного регулятора температуры.

Вакуумные электропечи имеют водоохлаждаемый корпус, выполненный из нержавеющей стали. В качестве материалов, используемых в «горячей» зоне, применены молибден и вольфрам.

Элементы вакуумных электропечей обеспечивают низкий уровень газоотделения, малую тепловую инерцию. Управление температурным режимом может осуществляться как с помощью микропроцессорного регулятора температуры, так и в ручном режиме.

В электропечах с нагревательными блоками из тугоплавких металлов не рекомендуется:

Проводить технологические процессы в углеродсодержащих и окислительных атмосферах.

Нагревать углеграфитовые изделия и другие материалы, активно взаимодействующие с материалами конструкции нагревательной камеры.

Вакуумная печь - герметизированный агрегат, в котором проводится электротермический процесс при давлении газа в рабочем пространстве, поддерживаемом на уровнях от 10 мм.рт.ст до 10-6 мм.рт.ст.

Преимуществами проведения процесса в среде газа с низким остаточным давлением являются:

возможность безокислительного нагрева металлов;

экономически выгодно применение низкого давления печной среды вместо защитных и инертных газов;

плавка металлов в вакууме обеспечивает высокую степень очистки;

увеличение рабочей температуры в печи за счет защиты нагревателей от окисления.

Из преимуществ вакуумных печей вытекают возможности их применения: - рафинирование, плавка, разливка в формы высоколегированных сталей, жаропрочных сплавов, редких и цветных металлов;

- спекание изделий из тугоплавких и легко окисляющихся металлов;

- сушка и обезгаживание материалов;

- различные виды термической обработки, включая отжиг, закалку и др.

Вакуумные печи предназначены для индивидуального и серийного производства.

Наиболее распространенные вакуумные электропечи, это камерные вакуумные печи и шахтные вакуумные печи. Также возможно изготовление вакуумных печей с выдвижным подом.

Камерные вакуумные электропечи (с загрузкой сбоку) в свою очередь делятся на муфельные и безмуфельные печи. Безмуфельными вакуумными печами называются вакуумные печи, в которых садка помещается непосредственно в рабочую камеру электропечи, а сама печь помещается в кожух, в котором создается вакуум. Муфельными вакуумными печами называются обычные электропечи, в которых садка помещается в металлический муфель, из которого откачивается воздух, а сам муфель непосредственно загружается в печь.

В шахтные вакуумные печи загрузка садки производится сверху в вертикальную шахту. В шахтных вакуумных печах садка может находиться в подвешенном состоянии, что позволяет избежать деформации нагреваемых изделий и контакта их с материалом пода электропечи. Шахтные вакуумные печи выполняются муфельными и безмуфельными.

1.1 Конструкции вакуумных печей и их характеристики

1.1.1 Дуговая вакуумная печь

Дуговая вакуумная печь - электрическая печь для плавки металлов в вакууме энергией электрической дуги. Дуговая вакуумная печь -- газоразрядная система, где дуга существует на парах переплавляемого металла. Различают дуговую вакуумную печь для выплавки слитков (главным образом из титана и стали) в медных водоохлаждаемых кристаллизаторах на рисунке 1 и для получения фасонного литья из высокореакционных и тугоплавких металлов (главным образом титана и ниобия) путём так называемой плавки в Гарнисаже на рисунке 2. Название «гарниссаж» относится к твердому слою металла, который соприкасается с охлаждаемым водой тиглем и содержит жидкий металл.

Дуговые вакуумные печи бывают с расходуемым (наиболее распространены в промышленности) и нерасходуемым электродами. Расходуемый металлический электрод состоит из материала, подлежащего переплаву, его химический состав в основном соответствует составу получаемого сплава. Между электродом и затравкой при подаче постоянного тока возникает электрическая дуга. Выделяющееся тепло расплавляет электрод; образующийся жидкий металл стекает либо в кристаллизатор, либо в тигель при плавке в гарнисаже. В дуговой вакуумной печи с нерасходуемым электродом, который изготовляют из вольфрама или графита, в зону плавки подают твёрдую шихту. Мощность электрической дуги выбирают с таким расчётом, чтобы обеспечить получение плотной бездефектной макроструктуры слитка. Давление в дуговом промежутке при плавке определяется упругостью паров металла над расплавом и составляет для стали 0,1--1 н/м2, для титана 1--10 н/м2 и для молибдена 0,01--0,1 н/м2. Заданное давление поддерживают вакуумными насосами.

Металл, полученный в дуговой вакуумной печи с охлаждаемым кристаллизатором, характеризуется высокими механическими свойствами, а также низким содержанием газовых примесей и неметаллических включений. Так, при переплаве стали в дуговой вакуумной печи количество неметаллических включений в металле в результате переплава снижается в 2--3 раза, крупные включения (свыше 15--20 мкм) удаляются полностью. Концентрация азота понижается на 30--35%, кислорода в 2--3 раза, содержание серы уменьшается на 20%. Переплавленный металл характеризуется высокой вязкостью и пластичностью в широком интервале температур, повышенной усталостной прочностью, высокой изотропностью механических свойств.

Рисунок 1. Схема дуговой вакуумной электропечи с кристаллизатором: 1 -- расходуемый электрод; 2 -- затравка; 3 -- поддон; 4 -- охлаждаемый кристаллизатор; 5 -- слиток; 6 -- механизм перемещения электродов.

В дуговой вакуумной печи для плавки в гарнисаже применяют графитовые и металлические охлаждаемые тигли. Толщину гарнисажа в течение плавки поддерживают постоянной путём регулирования мощности электрической дуги. При плавке в гарниссаже в тигле наплавляют необходимую массу жидкого металла, которую затем сливают в форму. Для фасонного литья из титана используют кокили, а также формы, изготовленные из графита или магнезита, которые для улучшения заполнения устанавливают на столе центробежной литейной машины, являющейся частью печи. Отливки из титановых сплавов, полученные в дуговой вакуумной печи путём плавки в гарниссаже, обладают высокими механическими свойствами. Ведутся работы по созданию дуговых вакуумных печей на переменном токе с использованием легко ионизируемых добавок, вводимых в электроды.

Рисунок 2. Схема дуговой вакуумной электропечи для плавки в гарнисаже: 1 -- механизм перемещения электрода; 2 -- электрод; 3 -- горнисаж; 4 -- графитовый тигель; 5 -- охлаждаемая обойма; 6 -- смотровое окно; 7 -- форма; 8 -- центробежная машина.

1.2 Вакуумные электропечи

Термообработка металлоизделий в вакуумных электропечах обладает целым рядом преимуществ по сравнению с традиционной. При термообработке в соляных ваннах и печах с окислительной или защитной атмосферой у обрабатываемых деталей на поверхности образуется либо пленка оксидов, либо окалина. В общепромышленных электропечах достаточно тяжело контролировать деформацию и коробление деталей по целому ряду причин: тепловой удар из-за погружения деталей в расплав солей, пластическая деформация при переносе металлоизделий в закалочный бак, коробление, возникающее при закалке в электропечах с защитной или окислительной атмосферой.

Решением данных проблем является применение вакуумных электропечей сопротивления для термической обработки металлоизделий. Данное направление является самым быстроразвивающимся среди технологий машиностроения. Это обусловлено тем, что термическая обработка в вакууме имеет ряд основных преимуществ:

исключено окисление поверхности и образование цветов побежалости, следовательно, уменьшаются припуски на металлообработку;

получается светлая поверхность при термообработке легкоокисляемых металлов и сплавов из-за того, что разрушается исходная оксидная пленка и не образуется новая;

отсутствует обезуглероживание в поверхностном слое в условиях безокислительного нагрева;

исключается водородное охрупчивание поверхности стали;

происходит дегазация из поверхностного слоя изделия как сопутствующий процесс при нагреве;

деформация и коробление деталей минимальны;

возможна комбинированная термообработка в вакууме и защитной атмосфере;

в результате обеспечивается чрезвычайно высокое качество термообработки;

полная экологическая безопасность технологии термической обработки.

Дополнительные преимущества применения вакуумных электропечей состоят в следующем.

Оптимизируется химический состав поверхности, и, как следствие, улучшаются механические свойства изделий, становится возможным применение эффективной технологии вакуумного обезжиривания (удаления индустриальных масел) деталей, прошедших механическую обработку.

Улучшаются условия труда за счет полного исключения теплового загрязнения окружающей среды.

Существенно уменьшается расход энергии, не требуются капитальные вложения на охрану окружающей среды (вакуумная термообработка является энергосберегающей технологией).

В каждом конкретном варианте применения вакуумных электропечей сопротивления обнаруживаются и другие преимущества. Поэтому относительно дорогое оборудование для этой технологии достаточно быстро окупается в процессе эксплуатации -- за срок от одного года до трех лет.

Таким образом, вакуумная термическая обработка металлоизделий стала крайне необходимой технологией во многих отраслях промышленности как наиболее практичная и универсальная, а в ряде случаев безальтернативная технология.

1.2.1 Общая характеристика вакуумных электропечей

Вакуумные электропечи сопротивления последнего поколения представляют собой достаточно сложные и дорогостоящие конструкции. Они весьма разнообразны по режиму работы, конструктивному исполнению и техническим характеристикам. Однако, не смотря на эти различия, все они имеют общие конструктивные признаки по совокупности используемых основных элементов: рабочая вакуумная камера, автоматизированная система управления нагревом и механизмами печи, система ускоренного охлаждения садки (инертный газ или масло), система вакуумная, система водоохлаждения, система механизированной загрузки, выгрузки и транспортирования садки.

Существуют различные признаки классификации вакуумных электропечей. Печи могут различаться по температурному режиму (низко-, средне- и высокотемпературные) и способу нагрева (косвенный или контактный). Они могут классифицироваться по давлению остаточных газов (низко-, средне-, высоко- и сверхвысоковакуумные) и по типу действия (периодического, полунепрерывного, непрерывного). Кроме того, по конструктивному исполнению (камерные, элеваторные, шахтные, колпаковые, муфельные) и др. Эти и другие классификационные признаки в максимальной степени до последнего времени учитывала система обозначений электротермического оборудования, разработанная в свое время во ВНИИЭТО.

1.2.2 Особенности конструкции

Разработчики и производители электропечей предпочитают производить классификацию вакуумных электропечей по конструктивному исполнению. Наибольшее распространение получили три типа вакуумных электропечей периодического действия: с горизонтальной загрузкой садки -- камерные, и вертикальной загрузкой садки -- элеваторные (загрузка снизу) и шахтные (загрузка сверху).

Рисунок 3. Вакуумная элеваторная электропечь СЭВГ-5.5/12

Ниже в качестве примера приведено описание и технические характеристики элеваторной вакуумной печи СЭВГ-5.5/12 (рисунок 3).

Вакуумная элеваторная электропечь сопротивления типа СЭВГ-5.5/12 предназначена для термической обработки прецизионных сплавов марок 79НМ, 80НХС, 80НМ, 45Н, 50Н, 50Н-ВИ, 50НП, 48КНФ, 49К2ФА, 92К и др. и деталей из сталей 20Х13, 30Х13, 40Х13, 10Х14АГ15, 12Х17, 95Х18, 15Х28, 25Х13Н2, 14Х17Н2, 20Х23Н13, 12Х18Н9Т, а также из электротехнических сталей в магнитном поле. Печь может быть использована и для других операций термической обработки, спекания и пайки в соответствии с техническими параметрами электропечи.

Установка состоит из следующих основных узлов, систем и механизмов:

цилиндрический двустенный водоохлаждаемый кожух;

нагревательный модуль из углерод-углеродного композиционного материала;

система обработки садки в магнитном поле;

система газового охлаждения садки;

система водоохлаждения;

система вакуумная;

эстакада;

система управления нагревом и механизмами печи.

Кожух печи с двух сторон закрыт эллиптическими крышками.

Внутри кожуха на специальных кронштейнах установлен нагревательный модуль. Огнеупорный слой и теплоизоляция нагревательного модуля выполнены с использованием углеродных материалов. Нагреватели -- углекомпозитные.

Ниже нагревательного модуля располагается камера охлаждения, оборудованная теплообменниками для охлаждения инертного газа и центробежным вентилятором для его перемешивания.

Перемещение садки из камеры охлаждения в нагревательный модуль и обратно осуществляется с помощью элеваторного механизма с электроприводом.

Электротехнические стали в горячем состоянии могут обрабатываться в магнитном поле.

Нижняя часть камеры при необходимости может быть заполнена вакуумным маслом для осуществления закалки экономнолегированных сталей.

Система управления электропечи работает в ручном и автоматическом режиме и обеспечивает откачку, программируемый нагрев, выдержку и охлаждение садки.

Печь оборудована необходимыми блокировками, исключающими повреждение механизмов печи в случае неправильных действий оператора.

Технические характеристики

Структура условного обозначения печи:

С -- нагрев сопротивлением;

Э -- элеваторная;

В -- среда в рабочем пространстве -- вакуум;

Г -- нагревательный модуль -- из углеродных материалов;

5 -- диаметр рабочего пространства, дм;

5 -- высота рабочего пространства, дм;

12 -- номинальная температура, сотни °C.