Оборудование термических цехов. Технологические среды для нагрева и охлаждения заготовок

Состояние поверхности металла при нагреве зависит от нагревательных сред, которые подразделяются на обычные, защитные и активные. Активные среды применяют при выполнении химико-термической обработки, они были рассмотрены выше (см. 5.6.1).

К обычным средам относится воздух – это атмосфера электропечей; продукты сгорания газов – атмосфера газовых печей. При нагреве в таких средах происходят реакции металла с печными атмосферами. Окисление стали начинается при 200 °С (при этом появляются цвета побежалости). Повышение температуры усиливает окисление и вызывает появление окалины – на стальных заготовках образуются рыхлые, слабо связанные с основным металлом оксиды железа. При температуре свыше 700 °С начинается обезуглероживание поверхности стальных заготовок. Эти процессы развиваются тем интенсивнее, чем выше температура и больше продолжительность выдержки. Поэтому при нагреве в печах с обычной атмосферой целесообразно уменьшать время нахождения металла при высоких температурах.

Защитные среды предохраняют нагреваемые материалы от окисления, образования окалины, обезуглероживания и т.п. Их применение особенно актуально при термической обработке химически активных металлов и сплавов (например, титана, а также при изготовлении деталей прецизионной техники). В промышленности используют защитные газовые, вакуумные и жидкие среды.

Газовые эндотермические (реакция идет с поглощением тепла) и экзотермические (реакция идет с выделением тепла) атмосферы получают сжиганием природного газа при определенном его соотношении с воздухом. Эти атмосферы позволяют выполнять нагрев, сохраняющий светлую поверхность заготовок. Температуры применения атмосфер определяются температурой горения газов – 650...1100 °С. Однако эти защитные атмосферы не являются универсальными, так как некоторые операции термической обработки выполняются при более низких температурах (например, отпуск сталей), а некоторые, напротив, при более высоких (закалка быстрорежущих сталей). Эндотермические атмосферы применяют для нагрева стальных и чугунных заготовок при закалке, нормализации; экзотермические – для обработки цветных металлов.

В качестве защитных используют азотные атмосферы (например, N2 – 99,9%, 09 – 0,1%). Их применяют при термической обработке медных сплавов и низкоуглеродистых сталей, при пайке латуни и меди.

Идеальная защитная среда – инертные газы (аргон, гелий). Высокая стоимость обусловливает их ограниченное использование: в случае неэффективности прочих газовых атмосфер. Основная область применения – прецизионное машиностроение, приборостроение.

В промышленности достаточно широко используют нагрев в вакууме, что обеспечивает надежную защиту от окисления и обезуглероживания.

Нагрев в газовых средах (в том числе и в вакууме) может быть использован для выполнения практически всех видов термической обработки – отжига и нормализации, закалки и отпуска.

Поскольку использование защитных атмосфер позволяет получать после термической обработки детали со светлой поверхностью (светлая закалка), исключаются операции очистки (абразивная, химическая, т.е. относящиеся к вредным производствам).

Жидкие среды используют в качестве и нагревательных, и охлаждающих: как для нагрева под закалку, так и для охлаждения при закалке (например, при проведении изотермической закалки, см. рис. 5.23). Приведем некоторые составы – смеси солей с различными интервалами рабочих температур (нижняя граница лимитирована температурой плавления, верхняя – температурой кипения расплава), применяемых для операций термической обработки (табл. 15.1).

Таблица 15.1

Состав и рабочие температуры закалочных смесей

Состав смеси, % масс.	Температуры применения, °С
ВаС12(65%) + КС1 (30%) + NaCI (5%)	750...850
ВаС12 (83%) + BaF2(17%)	900...1100
BaCl2 (95%) + MgF2 (5%)	950... 1350
ВаС12 (100%)	1020...1320

Так, например, селитра (NaNO3 – Ί5% и KNO3 – 55%) может применяться в интервале температур 160...650 °С, т.е. для всех видов отпуска (низкого, среднего и высокого).

Использование различных сред (расплавы смесей солей) позволяет выполнять закалку практически любой стали (так, например, от 750...850 °С выполняется закалка углеродистых сталей; от температуры свыше 1200 °С – закалка быстрорежущих сталей, см. табл. 15.1). Нагрев в жидких средах обеспечивает бо́льшую скорость нагрева, а также бо́льшую равномерность температуры по объему заготовки по сравнению с нагревом в печах с газовой атмосферой.