Вакуумные электрические печи
Лейканд М.С.
Машиностроение, 1977 г.
Вакуумные электропечи начали изготовляться и получили распространение только в последние 20—30 лет в связи с возникновением таких новых отраслей промышленности как атомная, ракетная, электронная, а так же в связи со значительным качественным развитием черной и цветной металлургии, машиностроения, авиастроения и т. д.
Одним из важных преимуществ электронагрев а в вакууме является возможность безокислительного нагрева металлов.
По сравнению с безокислительным нагревом в защитных средах нагрев при низком давлении печной среды исключает возможность взаимодействия нагреваемого металла с защитным газом (науглероживание, азотирование, насыщение газами и т. п.).
Во многих случаях применение низкого давления печной среды взамен защитных и особенно инертных (аргон, гелий) атмосфер экономически выгоднее. Увеличение первоначальных затрат на изготовление и установку вакуумных электропечей с избытком компенсируется снижением эксплуатационных расходов, связанных с приготовлением и очисткой защитного газа.
Плавка металлов в вакууме обеспечивает высокую степень очистки их от газов и окисных включений, исключает газовую пористость, позволяет обезуглеродить .металл и очистить его от вредных примесей.
Применяемые при плавке низкие давления обеспечивают возможность создания электропечей с весьма высокой рабочей температурой нагревателей, вследствие отсутствия в вакууме окисления и насыщения газами.
В вакуумных электропечах можно проводить химико-термическую обработку — азотирование и цементацию, во много раз ускоряя процесс и получая высокое качество обрабатываемых изделий.
Вакуумный переплав металлов и сплавов разрешает значительно снизить содержание газов ,и количество неметаллических включений, обеспечить высокую однородность и плотность слитка за счет направленной кристаллизации жидкого металла, значительно улучшить физико-механические свойства металла [3,15].
Преимущества электронагрева в вакууме определили весьма широкий круг технологических 'процессов, осуществляемых в вакуумных электропечах. К ним относятся: плавка высоколегированных, жаропрочных, тугоплавких металлов и сплавов; спекание изделий из легкоокисляющихся металлов; обезгаживание жидкого металла и различных материалов и изделий; широкий круг самых различных видов термической обработки, отпуск, отжиг, закалку; сушка различных материалов и изделий; пайка особо ответственных деталей и конструкций; дистилляция металлов, нанесение различных покрытийосаждением предварительно испаряемых материалов и т. д.
Наиболее широкое распространение получили вакуумные электропечи сопротивления, позволяющие получать рабочие температуры до 2500 С, при давлении до 10-9 мм рт. ст. (~10-7Па). Объем рабочего пространства этих печей достигает десятков и сотен кубических метров.
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ
Из технических требований, предъявляемых к материалам, работающим в вакууме, особое значение в вакуумном электропечестроении имеют: малые упругости пара и соответственно малая скорость испарения при рабочих температурах; температуры диссоциации окислов карбидов и других химических соединений, из которых изготовлены работающие в нагревательной камере детали, должны быть выше их рабочей температуры; отсутствие химических реакций взаимодействия работающих в печи материалов, особенно протекающих с обильным газовыделением.
На рис. 11,а приведен график зависимости упругости пара, а на рис. 11,6 скорости испарения от температуры для некоторых применяемых или обрабатываемых в вакуумных печах материалов.
В качестве материалов для нагревателей, горячих токоподводов, теплоизоляционных экранов, подставок, подвесок, опор и других деталей, работающих при высоких температурах в вакуумных электропечах, в зависимости от условий работы применяются хромоникелевые, железо-хром-алюминиевые сплавы, тугоплавкие металлы, графит [4, 10, 11].
Испытания конструкционных сталей марок 2X13, Х18Н10Т, Х25Н18 и сплавов сопротивления Х20Н80, Х15Н60103А, ОХ23105А, ОХ27105А показали, что при высокой температуре и вакууме они заметно испаряются и при температурах выше 950... 1000°С скорость испарения достигает 50 ... 60 г/м2 за 100 ч.
Наиболее часто применяемые в электропечестроении тугоплавкие металлы — молибден и вольфрам, реже тантал.
Максимальные температуры применения в вакууме вольфрама составляют 2500° С, тантала — 2200° С, молибдена — 1700° С. При более высоких температурах их механическая прочностьрезко падает, а скорость испарения становится недопустимо большой. Эти металлы имеют высокий температурный коэффициент сопротивления, из-за чего питание нагревателей должно осуществляться от источников, разрешающих постепенное повышение напряжения при разогреве печи.
Температура начала контактных реакций вольфрама с углеродом равна 1500° С, с окисью бериллия — 2000° С, окисью магния— 2000° С, двуокисью циркония — 1600° С, двуокисью тория — 2200° С; для молибдена соответствующие температуры равны 1500, 1900, 1600, 2200 и 1900° С.
Молибден начинает окисляться на воздухе уже при температуре 400° С (наблюдаются цвета побежалости), а при 600° С окисление протекает весьма активно. Окислы молибдена легколетучи, поэтому при попадании кислорода в печь молибденовые детали быстро выходят из строя. Механические свойства молибдена в большой степени зависят от чистоты металла, способа получения, предшествующих механической и тепловой обработки. Молибден сравнительно хорошо поддается прокатке, ковке, гибке. Возможна штамповка с вытяжкой. Гибка молибдена ведется, 'как правило, с предварительным подогревом до 400 ... 850° С в зависимости от сечения материала.
Минимальный радиус гиба прутка равен ~1,5 диаметра, а листа 2—4 толщины. Отжиг при температуре 1000... 1100° С снижает напряжения в материале и придает молибдену достаточную пластичность. Резка листов на ножницах во избежание хрупкого излома «а кромках среза должна производиться при температуре 350... 450° С.
Вольфрам окисляется с образованием легколетучего соединения и поэтому как и для молибдена, даже небольшое содержание кислорода в остаточной среде печи недопустимо. Обрабатывается он хуже молибдена, однако радиус гиба аналогичен радиусу гиба молибдена. Температура подогрева перед гибкой зависит от сечения материала и может достигать 1150—1200° С. Вальцевать и штамповать вольфрамовый лист можно при условии предварительного подогрева (места и оснастки) до температуры 600—700° С. Рекристаллизация, ухудшающая свойства вольфрама, .наступает при температуре 1300° С. Для снятия остаточных напряжений применяется отжиг при температуре 1200° С. Механическая обработка вольфрама крайне сложна и обычно производится электроискровым способом.
Тугоплавкие металлы в вакуумном электропечестроении наиболее часто применяются в виде листа толщиной от 0,1 до 2...3 мм и пруток.
Материалом, который во многих случаях конкурирует с тугоплавкими металлами для изготовления нагревательных элементов вакуумных высокотемпературных электропечей и зачастую даже превосходит их, является графит. Максимальная температура длительного применения в вакууме ограничивается высокой упругостью пара и составляет 2200° С.
Высокая огнеупорность графита, возможность механической обработки на обычных металлорежущих станках а также низкая стоимость в сравнении с тугоплавкими металлами привели к широкому применению графита для изготовления нагревателей. Этому способствует также его сравнительно высокое удельное электросопротивление и небольшой температурный коэффициент электросопротивления, разрешающие при значительном сечении нагревателей применять для их питания напряжения в несколько десятков вольт и подавать на холодные нагреватели непосредственно рабочее напряжение.