До сих пор, на многих машиностроительных предприятиях, применяется классическая технология улучшения стальных изделий. Она представляет собой нагрев под закалку в окислительной или защитной атмосфере, охлаждение деталей в воде, масле или полимере и последующий отпуск в печах с окислительной атмосферой. На выходе получаются изделия с короблением поверхности до 0,2 мм. и чёрной пленкой, которая является результатом образования оксидов на металле. У таких деталей одна дорога - в цех механической доводки геометрии поверхностей. Избежать образования окислов на поверхности можно, используя защитные атмосферы эндо- и экзогаза, азота и др. Но коробление всегда будет являться обязательным атрибутом нагрева и закалки сталей.
Современные технологии позволяют значительно уменьшить изменения геометрических размеров поверхностей, используя более плавный нагрев деталей и используя в качестве закалочных сред более мягкие охладители. Это достигается при вакуумном нагреве с охлаждением в потоке газа.
Снижение давления до уровня ≤ 5 x 10−5 атм., приводит к тому, что количество оставшегося кислорода в рабочем пространстве печи снижается и нагрев в такой атмосфере происходит без образования окислов на поверхности деталей. Более высокой чистоты термообработки можно достичь при подготовке поверхности деталей - предварительном обжиге, для максимального удаления влаги с поверхности, если такая имеется. Для этого детали пропускают через печь предварительного окисления с температурой около 600 оС, когда еще обезуглероживание не начинается. Как правило, такая печь предусмотрена в линии вакуумной термообработки. Она имеет еще одно назначение - обезуглероживание поверхности перед цементацией. По утверждению зарубежных коллег, предварительное обезуглероживание поверхности стали увеличивает скорость цементации на несколько десятков процентов.
В вакууме теплообмен осуществляется за счет излучения, так называемый радиационный нагрев. Но он происходит эффективно лишь тогда, когда излучение становится видимым, т.е. при температурах, превышающих 600 оС. При более низких температурах для ускорения нагрева используют специальный газ-заполнитель рабочего пространства печи, например азот. При использовании такого газа, время нагрева сокращается на треть.
Использование газовой атмосферы в низкотемпературном интервале нагрева (конвективный нагрев) повышает однородность прогрева изделий, соответственно позволяет снизить уровень термических напряжений, вызывающих коробление. Кроме сокращения времени нагрева и снижения коробления, преимуществом использования конвективного нагрева является возможность применение более плотной загрузки, т.е. повышение производительности.
Также газ-заполнитель может использоваться в качестве закалочной среды и среды для отпуска, т.е. все операции закалки (нагрев под закалку и закалка) могут производиться на одном и том же технологическом оборудовании - вакуумной печи.
Закалочные среды, используемые при вакуумной термообработке
В случае закалки, интенсивность охлаждения должна обеспечить требуемый уровень упрочнения с учётом легирования стали, размеров обрабатываемых изделий и их массой в загрузке. При этом коробления изделий должны быть минимальны.
Интенсивность охлаждения принято оценивать коэффициентом теплоотдачи α, имеющим размерность Вт/м2К (количество тепла, теряемых единицей площади поверхности, при снижении её температуры на один оК).
Коэффициенты теплоотдачи для разных закаливающих сред:
- Циркулирующий газ - 100-150 Вт/м2К
- Сжатый газ - до 1000 Вт/м2К
- Спокойное масло (80оС) - 1000-1500 Вт/м2К
- Циркулирующее масло (80оС) - 1800-2200 Вт/м2К
Возрастание коэффициента теплоотдачи, при использовании газа, может быть достигнуто за счёт увеличения давления охлаждающей среды. Конечно нужно понимать, что не все стали можно закалить газом. Вакуумное оборудование позволяет производить закалку как в потоке газа, так и в масле. При выборе охлаждающей среды следует учитывать взаимное расположение с-кривой стали и скорости охлаждения среды. Из-за того, что производители вакуумного термического оборудования не работают с водяными закалочными баками, все низкоуглеродистые стали, к сожалению, остаются "за бортом" высоких технологий вакуумной закалки. Конечно их можно упрочнить частичной закалкой в масле, но присутствие перлитных составляющих в структуре мартенсита не вызывает доверия к долговечной работе этих деталей.
Наиболее дешевой охлаждающей средой для вакуумной закалки является азот. Для проведения качественных процессов нагрева и закалки необходимо использовать азот повышенной чистоты. При циркуляции в рабочем пространстве со скоростью 60-80 м/с коэффициент теплоотдачи будет составлять примерно 350-450 Вт/м2K. Более высокий коэффициент теплоотдачи имеет гелий, но он имеет более высокую стоимость. Все применяемые при вакуумной закалке среды, можно расположить по мере возрастания охлаждающей способности следующим образом:
азот (1 атм) - азот (10 атм) - гелий (10 атм) - гелий (20 атм) - масло
Охлаждающая способность сжатых гелия и азота приближается к охлаждающей способности масла. Недостатком гелия является его высокая стоимость. Данная проблема решается использованием рациональных схем введения гелия в печь, в том числе предусматривающих многократное использование одних и тех же порций газа.
Подведем итог. Преимущества вакуумной термообработки на лицо: отсутствие окисления и обезуглероживания, снижение степени коробления деталей (даже при закалке в масле), высокая гибкость оборудования, увеличение производительности процесса, высокая экологичность и безопасность процессов, повышение культуры термических производств.
