До сих пір, на багатьох машинобудівних підприємствах, застосовується класична технологія поліпшення сталевих виробів. Вона являє собою нагрів під загартування в окислювальному або захисній атмосфері, охолодження деталей у воді, маслі або полімері і наступний відпустку в печах з окислювальним атмосферою. На виході виходять вироби з викривленням поверхні до 0,2 мм. і чорної плівкою, яка є результатом утворення оксидів на металі. У таких деталей одна дорога - в цех механічного доведення геометрії поверхонь. Уникнути утворення окислів на поверхні можна, використовуючи захисні атмосфери ендо- та екзогаза, азоту та ін. Але викривлення завжди буде обов'язковим атрибутом нагріву і гарту сталей.
Сучасні технології дозволяють значно зменшити зміни геометричних розмірів поверхонь, використовуючи більш плавний нагрів деталей і використовуючи в якості гартівних середовищ м'якші охолоджувачі. Це досягається при вакуумному нагріванні з охолодженням в потоці газу.
Зниження тиску до рівня ≤ 5 x 10 -5 атм. призводить до того, що кількість залишився кисню в робочому просторі печі знижується і нагрів в такій атмосфері відбувається без утворення окислів на поверхні деталей. Більш високої чистоти термообробки можна досягти при підготовці поверхні деталей - попередньому випалюванні, для максимального видалення вологи з поверхні, якщо така є. Для цього деталі пропускають через піч попереднього окислення з температурою близько 600 ° С, коли ще обезуглероживание не розпочинається. Як правило, така піч передбачена в лінії вакуумної термообробки. Вона має ще одне призначення - обезуглероживание поверхні перед цементацією. За твердженням зарубіжних колег, попереднє обезуглероживание поверхні стали збільшує швидкість цементації на кілька десятків відсотків.
У вакуумі теплообмін здійснюється за рахунок випромінювання, так званий радіаційний нагрів. Але він відбувається ефективно лише тоді, коли випромінювання стає видимим, тобто при температурах, що перевищують 600 про С. При більш низьких температурах для прискорення нагрівання використовують спеціальний газ-заповнювач робочого простору печі, наприклад азот. При використанні такого газу, час нагрівання скорочується на третину.
Використання газової атмосфери в низькотемпературному інтервалі нагріву (конвективний нагрів) підвищує однорідність прогріву виробів, відповідно дозволяє знизити рівень термічних напружень. викликають жолоблення. Крім скорочення часу нагріву і зниження викривлення, перевагою використання конвективного нагріву є можливість застосування більш щільною завантаження, тобто підвищення продуктивності.
Також газ-заповнювач може використовуватися в якості закалочной середовища і середовища для відпустки, тобто всі операції гарту (нагрів під загартування і гарт) можуть проводитися на одному і тому ж технологічному обладнанні - вакуумної печі.
Гартівні середовища, використовувані при вакуумній термообробці
У разі гарту, інтенсивність охолодження повинна забезпечити необхідний рівень зміцнення з урахуванням легування стали, розмірів оброблюваних виробів і їх масою в завантаженні. При цьому викривлення виробів повинні бути мінімальні.
Інтенсивність охолодження прийнято оцінювати коефіцієнтом тепловіддачі α, що має розмірність Вт / м 2 К (кількість тепла, втрачаються одиницею площі поверхні, при зниженні її температури на один про К).
Коефіцієнти тепловіддачі для різних гартують середовищ:
- Циркулює газ - 100-150 Вт / м 2 К
- Стиснутий газ - до 1000 Вт / м 2 К
- Спокійне масло (80 о С) - 1000-1500 Вт / м 2 К
- Циркулирующее масло (80 о С) - 1800-2200 Вт / м 2 К
Найбільш дешевою охолоджуючої середовищем для вакуумної гарту є азот. Для проведення якісних процесів нагріву і гарту необхідно використовувати азот підвищеної чистоти. При циркуляції в робочому просторі зі швидкістю 60-80 м / с коефіцієнт тепловіддачі становитиме приблизно 350-450 Вт / м 2 K. Більш високий коефіцієнт тепловіддачі має гелій, але він має більш високу вартість. Всі вживані при вакуумній загартуванню середовища, можна розташувати в міру зростання охолоджуючої здатності наступним чином:
азот (1 атм) - азот (10 атм) - гелій (10 атм) - гелій (20 атм) - масло
Охолоджуюча здатність стиснутих гелію і азоту наближається до охолоджуючої здатності масла. Недоліком гелію є його висока вартість. Дана проблема вирішується використанням раціональних схем введення гелію в піч, в тому числі передбачають багаторазове використання одних і тих же порцій газу.
Підведемо підсумок. Переваги вакуумної термообробки на обличчя: відсутність окислення і зневуглецювання, зниження ступеня викривлення деталей (навіть при загартуванню в маслі), висока гнучкість обладнання, збільшення продуктивності процесу, висока екологічність і безпеку процесів, підвищення культури термічних виробництв.