Уважаемые читатели!
В этом номере мы начинаем публиковать научный обзор нашего постоянного корреспондента кандидата технических наук Эдуарда Никитовича Мармера, который является одним из наиболее квалифицированных специалистов в области высокотемпературных материалов, эксплуатирующихся при нагреве в вакууме или в аргоне.
Более чем полувековой опыт работы с такими материалами для различных вакуумных технологических процессов позволил ему обобщить материалы по их свойствам применительно к технологиям и печам для термической обработки и спекания практически всех высокотемпературных металлов и углерода, карбидов, оксидов, нитридов, боридов, а также их сочетаний между собой и остаточной средой - вакуумом.
В первой части обзора рассматривается влияние вакуума на основные элементы печей. Вторая часть будет посвящена технологическим процессам в вакууме, а третья часть даст представление о конструкциях вакуумных высокотемпературных печей для термообработки и спекания.
Рассматриваемые процессы охватывают температурный интервал от 700 до 2800° С при разрежении от атмосферного давления инертных газов до 10-7 Па.
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ВАКУУМНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРОПЕЧИ ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ И СПЕКАНИЯ
Э.Н. Мармер
ООО «Группа Компаний ВНИИЭТО» (ВНИИ Электротермического оборудования) 109055, Москва, ул. Нижегородская, 29 Тел. (495) 250-82-52, e-mail: mayovec@yandex.ru
HIGH TEMPERATURE VACUUM TECHNOLOGIES AND ELECTRIC FURNACES FOR THERMAL TREATMENT AND FRITTING
E.N. Marmer
All-Russian Scientific Research Institute of Electrothermical Equipment Group of companies Ltd. 29, Nizhegorodskaya str., Moscow, 109055 Phone (495) 250-82-52, e-mail: mayovec@yandex.ru
СОДЕРЖАНИЕ
Введение......................................................................................................................15
I часть. Влияние вакуума на основные элементы электропечей сопротивления..............................16
§ 1. Понятие о вакууме в природе и технике......................................................................16
§ 2. Влияние вакуума на термические, электротехнические, экономические
и экологические параметры электропечей..........................................................................19
§ 3. Взаимодействие разреженных газов с основными металлами и углеродом...........................23
3.1. Теоретические предпосылки................................................................................23
3.2. Особенности испарения материалов.......................................................................27
3.3. Методика расчета срока службы нагревателей..........................................................28
§ 4. Экспериментальное определение массоуноса в вакууме
для нагревательных блоков из различных материалов.........................................................29
4.1. Сплавы сопротивления для печей с температурой до 115° С.........................................29
4.2. Тугоплавкие металлы для печей с температурой до 2000° С:
вольфрам, молибден, тантал, ниобий...........................................................................33
4.3. Углеродные материалы для печей с температурой до 2200° С:
графит, углеродные композиты..................................................................................41
Введение
Современное развитие науки и техники в основополагающих отраслях промышленности, таких как атомная, авиация, космонавтика, судостроение, оборонная, машиностроение, а также исследования в этих областях требуют создания материалов и печей, способных работать в вакууме и в нейтральных газах при температуре до 2500° С и в разреженной среде до 10-7 Па.
До перестройки развитие вакуумных электропечей сопротивления в мировой практике происходило в семь раз быстрее, чем других печей вместе взятых. Следует отметить, что в 70-80-е годы прошлого века в СССР было изготовлено более девяти тысяч вакуумных печей сопротивления. Все они были использованы в разных отраслях промышленности и в научных разработках.
Вакуумные печи обладают существенными преимуществами [1, 2]. В них обеспечиваются:
- сохранение исходной поверхности изделий;
- снижение тепловых потерь в 2-2,5 раза по сравнению с нагревом в эндогазе и в 3-3,5 раза - в водороде;
- повышение пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов;
- природоохранные требования;
- во многих случаях повышение качества изделий;
- повышение уровня комфортности для обслуживающего персонала.
Поэтому к 1999-2000 гг. вакуумная термообработка в мировой практике составляла 20-25% общего объема деталей, обрабатываемых в защитных газах, соляных ваннах и др. видах сред. Особенно значительный эффект был получен при термообработке изделий из быстрорежущих сталей (Р18, Р6М5 и др.), где на 80-85% использовался вакуум [3].
Такие технологические процессы, как дегазация (обезгаживание), рафинирование (удаление летучих примесей) и некоторые другие, не могут быть осуществлены без вакуума.
Основной задачей книги являются рекомендации по повышению уровня вакуумных печей сопротивления и, соответственно, термовакуумных технологических процессов.
Для этого необходимо грамотное использование последовательности создания электропечей вообще и вакуумных печей сопротивления в частности. Такая последовательность была разработана в 50-60 гг. ХХ века Андреем Павловичем Альтгаузеном - организатором и первым директором Всесоюзного научно-исследовательского института электротермического оборудования (ВНИИЭТО).
Эта последовательность состоит из трех стадий (триада Альтгаузена).
Первая стадия - обобщение технологических процессов и классификация их по температуре и среде, в которой осуществляется технология.
Вторая стадия - выбор материалов, надежно работающих при требуемой температуре в условиях выбранной среды.
Третья стадия - разработка конструкций печей (как для конкретных заказчиков, так и для серийного производства), обеспечивающих высокий уровень надежности и экономичности.
Еще в 1972 г. А.П. Альтгаузен прогнозировал развитие вакуумных электропечей сопротивления для различных технологических процессов в машиностроении, авиации, приборостроении [4].
Обобщение вакуумных технологических процессов проведено на основе полувекового опыта автора и включает опубликованные данные многих авторов. Классификация по температуре, рассмотренная в работе [5], дает основание выделить следующие интервалы:
- низкотемпературные печи - до 1150° С;
- среднетемпературные печи - 1200-1600° С;
- высокотемпературные печи - 1700-2200° С;
- особо высокотемпературные печи - до 2500° С.
Технологические процессы, осуществляемые при
температурах до 1150° С. Подавляющее большинство этих процессов относится к нагреву сталей, легированных различными элементами, например, хромом, никелем, кремнием, титаном. Изделия из этих сталей подвергают нагреву с целью отпуска, отжига, гомогенизации, закалки.
Закалка производится после нагрева в вакууме с охлаждением в различных средах: в вакууме, в нейтральных газах, в масле и в воде [1, 2, 6, 7].
Спекание в вакууме применяется для изделий из порошков, в том числе наноразмерных, из меди, серебра, никеля, кобальта, малолегированных сталей.
Из порошков обычно прессуются изделия с использованием пластификаторов, удаление которых производится или в специальных низкотемпературных печах (двухстадийный метод), или же при непосредственном спекании (одностадийный процесс).
Преимущество спекания в вакууме проявляется в дегазации порошков и заготовок изделий, а также в увеличении плотности [2, 3, 203].
В некоторых технологиях вакуум используется для проведения химико-металлургических реакций, например, для удаления углерода за счет оксидов из электротехнических сталей. Использование предварительной вакуумной обработки позволяет ускорить последующие процессы насыщения изделий углеродом, бором и другими элементами [1, 9, 10, 11].
Технологические процессы, осуществляемые при температурах от 1200° С до 2000° С в печах с нагревательными блоками из тугоплавких металлов. Печи с нагревательными блоками из тугоплавких металлов имеют преимущественно малоинерционную экранную теплоизоляцию, позволяющую реализовать высокие скорости нагрева и особенно охлаждения. К числу основных технологических процессов следует отнести дегазацию изделий из титана, циркония, ниобия, тантала, молибдена, вольфрама и сплавов на их основе [1, 12, 13].
3
Ж
•и: -
15
Эти блоки необходимы для создания сверхвысо-ковакуумных печей при остаточном давлении 10-610-7 Па (с безмасляной системой откачки) для отжига специальных изделий [1, 2, 12, 14].
Высокая скорость нагрева и охлаждения используется в технологии пайки, особенно высокотемпературными припоями.
В указанных печах может производиться спекание и термообработка (отжиги различного назначения) изделий из титана, циркония, ниобия, тантала и сплавов на их основе. В печах с нагревательными блоками из тугоплавких металлов также спекают изделия из оксидов алюминия, циркония, иттрия, бериллия [1, 2].
Технологические процессы, осуществляемые при температурах от 1200° С до 2200° С в печах с нагревательными блоками из графита и углерод-углеродных композиционных материалов. Основными технологиями, где используются графитовые блоки, являются процессы спекания изделий:
- при температурах до 1300° С - высоколегиро-ваные марки сталей;
- при температурах до 1500° С - твердые сплавы;
- при температурах до 2000° С - молибден, бори-ды титана и циркония, оксиды алюминия, циркония, иттрия, бериллия, магния, нитриды алюминия, кремния, бора, карбонитрид бора (в азотной атмосфере).
Спекание изделий из карбидов ниобия, циркония, титана, урана, плутония производится при температурах до 2200° С [15, 16, 17, 18, 19, 20].
При температурах 1700-2000° С производится термообработка изделий из фианитов и лейкосапфи-
ра [21].
Плавка оксида алюминия и выращивание кристаллов из него производится при температурах 2100-2200° С [21, 22].
Технологические процессы, осуществляемые при температурах до 2500° С в печах с нагревательными блоками из карбида ниоби
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.