РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОИЗДЕЛИЙ

 

Родионов И.В., Ромахин А.Н. (СГТУ имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, РФ)

Rodionov I.V., Romachin А.N. (Saratov state technical university of a name Gagarin Yu.A., Saratov, Russia)

 

Разработано специализированное термооборудование для упрочнения поверхностных слоев изделий машиностроения. Оборудование позволяет проводить упрочняющую термическую обработку поверхностей металлов и сплавов в атмосфере воздуха и в среде перегретого водяного пара с формированием термических оксидных покрытий, обладающих повышенными показателями износостойкости и коррозионной устойчивости.

A specialized welding thermal equipment for hardening of the surface layers of engineering products. The equipment allows the heat-hardened surfaces of metals and alloys in air and in an environment of superheated steam to the formation of thermal oxide coatings with higher rates of wear and corrosion resistance.

 

Ключевые слова: термическое оборудование, упрочняющая термообработка поверхности, оксидные покрытия

Key words: thermal equipment, hardening heat treatment of the surface, oxide coatings

 

Одним из перспективных направлений создания высококачественных машиностроительных изделий является применение ресурсосберегающих упрочняющих технологий. К числу таких технологий относится газотермическое оксидирование, позволяющее без использования дополнительных материалов, сложного оборудования и оснастки получать на функциональной поверхности металлических изделий механически прочные и коррозионно устойчивые термооксидные покрытия, которые существенно повышают надежность и ресурс работы ответственных элементов различных деталей машин [1].

Наиболее широкое распространение в создании функциональных оксидных покрытий на металлоизделиях получили способы воздушно-термического и паротермического оксидирования, характеризуемые высокой технико-экономической эффективностью.

Формирование функциональных термооксидных покрытий на металлоизделиях осуществляется в специализированных промышленных нагревательных устройствах с применением различных реакционных окислительных сред. В зависимости от применяемого металлического материала изделий выбирается та или иная технологическая среда оксидирования, режимы обработки и физико-технические параметры применяемого электронагревательного оборудования.

Для высокоэффективной термической обработки изделий, выполняемых из различных металлических материалов, разработано специализированное электропечное оборудование, позволяющее проводить групповое поверхностное упрочнение металлоизделий при использовании в качестве рабочих реакционных сред различных газов и их смесей.

Для получения упрочняющих термооксидных покрытий способом воздушно-термического оксидирования разработана однокамерная цилиндрическая электропечь сопротивления, конструкция которой предусматривает свободный доступ воздуха в ее рабочий объем (рис. 1).

Такая электропечь состоит из цилиндрической камеры 1, открытой с одной стороны для поступления воздушной среды в рабочий объем и закрытой с другой противоположной стороны крышкой 2 с помощью защелки 3. Внутри камеры 1 расположена термопара 4, а снаружи на корпусе – система нагрева в виде нагревательного элемента 5, соединенного с токоизолированными электрическими выводами 6 источника питания и закрытого с внешней стороны кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала, а также систему охлаждения в виде двух охлаждающих контуров 8 со штуцерами для обеспечения циркуляции жидкой среды.

Выполнение камеры оксидирования открытой с одной стороны и закрытой крышкой с другой – создает возможность заполнения всего объема камеры воздушной окислительной средой, необходимой для осуществления процесса оксидирования изделий. При этом камера должна быть закрыта с одной стороны крышкой для предотвращения рассеивания тепла и возникновения погрешности задаваемого температурного режима в камере.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Цилиндрическая однокамерная электропечь для воздушно-термического оксидирования металлоизделий

 

Снабжение крышки 2 защелкой 3 дает возможность открывать камеру 1 с другой стороны и при открытом с двух противоположных сторон положении камеры проводить требуемую техническую подготовку всей ее внутренней поверхности путем удаления со стенок образуемого нагара.

При использовании данной электропечи сначала производят загрузку обрабатываемых изделий в цилиндрическую камеру 1 через открытую, не имеющую крышки часть, и включают нагревательный элемент 5 для обеспечения заданной температуры в камере 1, используя при этом термопару 4. При достижении определенной температуры в камере с воздушной окислительной средой осуществляют процесс оксидирования в течение требуемой продолжительности обработки. По окончании воздушно-термического оксидирования нагревательный элемент 5 отключают от источника питания, включают прокачку охлаждающей жидкости через контуры 8 и производят охлаждение камеры 1 с одновременным охлаждением обработанных изделий при выключенном нагреве устройства. После завершения охлаждения камеры и оксидированных изделий их извлекают из устройства.

Разработанная печь для воздушно-термического оксидирования характеризуется простотой конструкции, надежностью эксплуатации и технической эффективностью применения, а формируемые термооксидные покрытия отличаются повышенными показателями функциональных качеств.

Кроме термооксидирования в воздушной атмосфере в современном промышленном производстве широко применяется способ оксидирования в среде перегретого водяного пара, который получил большое распространение при создании износостойких, защитных, электроизоляционных, декоративных и других видов оксидных покрытий [2]. Данный способ оксидирования может с высокой эффективностью использоваться при получении упрочняющих и коррозионностойких покрытий, например, на стальных кольцах подшипников.

Для осуществления процесса паротермического оксидирования разработана электропечь, конструкция которой состоит из цилиндрической камеры 1, закрытой с двух сторон крышками 2 и 3, которая снабжена термопарой 4 и системой нагрева в виде расположенного на корпусе нагревательного элемента 5, соединенного с токоизолированными электрическими выводами 6 источника питания (рис. 2). С внешней стороны нагревательный элемент 5 закрыт кожухом 7 с прокладками из теплоизолирующего материала. В крышку 2 вмонтирован штуцер 8 подачи перегретого водяного пара с парогенератора (на рис. 2 не показан) для осуществления процесса оксидирования и штуцер 9 подачи охлаждающего газа для ускоренного охлаждения обработанных металлоизделий. Для отвода отработавших газов после оксидирования и охлаждения изделий в корпус камеры 1 вмонтирован газоотводящий штуцер 10. При этом данная электропечь имеет систему охлаждения камеры 1 в виде охлаждающих контуров 11 со штуцерами, обеспечивающими циркуляцию жидкой среды. Охлаждающие контуры 11 расположены на корпусе камеры 1 с двух сторон нагревательного элемента 5 на равном от него расстоянии. Крышки 2 и 3 снабжены уплотнительными кольцами, кроме этого, крышка 3 снабжена защелкой 12 для открывания и закрывания камеры 1.

Технологический процесс обработки в электропечи начинается при открытой крышке 3, когда в камеру 1 производят загрузку группы обрабатываемых изделий. Закрыв крышку 3 с помощью защелки 12, включают электропитание нагревательного элемента 5 для обеспечения заданной температуры в камере 1, используя при этом термопару 4. Через газоподводящий штуцер 8 подают в камеру 1 перегретый водяной пар и осуществляют процесс оксидирования изделий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Цилиндрическая однокамерная электропечь для паротермического оксидирования металлоизделий

 

После завершения паротермического оксидирования прекращают подачу пара, нагревательный элемент 5 отключают от источника питания и обработанные изделия охлаждают в камере 1 при проточной подаче охлаждающего инертного газа через штуцеры 9 и 10. Одновременно с этим осуществляют охлаждение камеры оксидирования 1 до нормальной температуры, включив при этом циркуляцию охлаждающей жидкой среды через контуры 11. После завершения охлаждения термооксидированных изделий, открыв крышку 3, их извлекают из камеры 1.

Оксидированные изделия возможно охлаждать в камере 1 при прекращенной подаче пара и выключенном нагреве печи (инерционное охлаждение).

Разработанное устройство для паротермичекого оксидирования характеризуется небольшим габаритом, простотой конструктивного исполнения и эксплуатационной надежностью, а получаемые термооксидные покрытия упрочняют металлическую поверхность изделий, придают ей повышенную твердость и износостойкость.

Список использованных источников

1. Родионов И.В., Мудрова А.Л. Исследование микротвердости оксидных покрытий, получаемых на хромоникелевой стали 12Х18Н9Т способами воздушно-термического и паротермического оксидирования / Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных материалов и сплавов: материалы II Междунар. научн. конф. Орск. В 2 т. Т. 2. -М.: Машиностроение, 2012. -С. 77-83.

2. Гладкова Е.Н. Основы теории получения защитных пленок термической обработкой в атмосфере пара / Матер. 23-й научн.-техн. конф. СПИ. -Саратов: Изд-во СПИ, 1970.- С. 35-43.