8.4. Оборудование для термической обработки инструмента

Для термической обработки инструментов в промышленности широко применяются электрические печи, реже пламенные газовые печи. Их изготавливают с открытым подом, муфельными, полумуфельными и в виде печей-ванн. Во избежание окисления, обезуглероживания или науглероживания при термической обработке инструмента применяются печи, в которых создается специальная нейтральная защитная атмосфера. В качестве защитной атмосферы наиболее часто применяют: водород, азот, соединение водорода и азота, диссоциированный аммиак и т.п. Защитная атмосфера с автоматическим регулированием состава дает широкую возможность применять термические печи непрерывного действия и позволяет обходиться в термических цехах без высококвалифицированных рабочих [48].

Электрические печи имеют значительное преимущество перед печами, работающими на том или ином топливе (газе, солярке). Благодаря точному регулированию тока они обеспечивают быстрый и равномерный нагрев инструмента до требуемой температуры. Электрические печи используют как для закалки инструмента из быстрорежущей стали, так и для ее отпуска. Способ нагрева заключается в пропускании тока через электрические спирали, изготовленные из нихрома или других тугоплавких сплавов, расположенных по стенкам огнеупорной футеровки (рис. 8.21).

Рис. 8.21. Электропечь для нагревания при термической обработке

Электрические печи позволяют создавать в камере не только нейтральную атмосферу, но и атмосферу любого газа, и даже вакуум.

На рис. 8.22 представлена схема электрической печи с газовой завесой для закалки быстрорежущей стали, в которой можно создавать нейтральную атмосферу.

Рис. 8.22. Схема электрической печи с газовой завесой: 1 – дверца печи;

2 – отверстие; 3 – канал; 4 – элементы сопротивления; 5 – охла­ждаемые контакты; 6 – огнеупорная футеровка; 7 – изоляция; 8 – плита пода;

9 – кирпичи для контактов

Нейтральная атмосфера предотвращает образование на поверхности инструментов из быстрорежущей стали пузырьков, трещин или отслоений, предупреждая одновременно рост зерна, приводящий к хрупкости металла. Воздушно-газовая смесь, поступая через отверстие 2, попадает в камеру сгорания, откуда газы поднимаются в канал 3, создающий газовую завесу, вследствие чего кислород атмосферного воздуха не может проникнуть через закрытую дверцу 1 печи. Продукты сгорания полностью наполняют печь нейтральной смесью и нагреваются посредством электрических элементов сопротивления 4 до 1300–1400 ºС.

Для отпуска быстрорежущего инструмента применяются электрические печи (рис. 8.23).

Принцип действия ее заключается в следующем: на внутренней поверхности теплоизолированного цилиндра 2 установлены элементы 3, нагреваемые электрическим током. Внутри цилиндрического пространства поставлен второй кожух 1. Внутри второго кожуха в сетчатой корзине 4 помещаются обрабатываемые инструменты. В дно кожуха встроен вентилятор 6, приводимый в действие электродвигателем 5. Контроль за нагревом и температурой – автоматический.

Рис. 8.23. Схема электрической печи для отпуска инструментов

Для отпуска инструмента при температурах до 200–280 ºС широко применяются масляные электрические ванны (рис. 8.24).

Рис. 8.24. Схема электрической ванны для отпуска инструментов:

7 – элементы сопротивления; 2 – решетка для инструмента; 3 – стальной резервуар; 4 – пирометр для контроля темпера­туры; 5 – рубильник

Соляные ванны дают возможность доводить температуру нагрева до высоких пределов. В табл. 8.11 приведены температуры плавления наиболее применяемых солей и их смесей.

Таблица 8.11

Температуры плавления солей и их смесей

Наименование соли	Химическая формула	Температура расплава, ºС
Хлористый барий	BaCl2	960
Хлористый натрий (поваренная соль)	NaCl	808
Хлористый калий	КCl	790
Азотокислый калий (калийная селитра)	КNО3	337
Азотокислый натрий (натриевая селитра)	NaNО3	317
50 % соды и 50 % хлористого калия	NaCl3 и КCl	560
50 % хлористого натрия и 50 % поташа	NaCl и К2Cl3	560
33,3 % хлористого кальция, 33,3 % хлористого бария, 33,4 % хлористого натрия	СаCl2, ВаCl2, NaCl	570
50 % хлористого кальция и 50 % хлористого бария	СаCl2 и ВаCl2	600
44 % хлористого натрия и 56 % хлористого калия	NaCl и КCl	665
50 % азотокислого калия и 50 % азотокислого натрия	КNО3 и NaNО3	137

По величине этих температур можно судить о применимости той или иной соли для соответствующей ванны. Соли могут загружаться в смеси, благодаря чему получаются и промежуточные температуры расплава. Для высокого нагрева инструментов применяют соли, содержащие хлористый барий и раскислитель – кремнезем.

Хорошие результаты получаются при смешении в равных количествах хлористого бария, хлористого калия и хлористого натрия. При этой смеси удобно нагревать инструменты до 900 ºС. Инструменты перед погружением в ванну расплава необходимо высушивать для предохранения от разбрызгивания или выброса соли из ванны. Когда инструмент опускают в соляную ванну, на нем вследствие разницы температур образуется тонкая корка соли (которая впоследствии расплавляется), в первый момент предохраняющая инструмент от резкого нагрева. При извлечении инструмента из ванны на нем снова образуется тонкая корка соли, предохраняющая его от окисления кислородом воздуха при переносе в охлаждающую среду.

В первый момент погружения эта корка защищает инструмент от резкого воздействия охлаждающих жидкостей (вода, масло). Через некоторое время корка соли сама удаляется с поверхности инструмента. Соляные ванны, как правило, обезуглероживают поверхности инструмента, что происходит главным образом вследствие наличия в ванне примесей сернокислых солей и накопления в ней окалины. С повышением температуры соляной ванны, с увеличением срока работы ванны обезуглероживоющее действие ее возрастает. Обезуглероживание можно значительно уменьшить или совсем устранить периодической очисткой ванны от окалины, добавкой через каждые 4–8 часов работы буры или железосинеродистого калия (синькалий) К₄Fe(Cl)₆ в количестве 1–2 % от веса солей, а также погружением древесного угля в ванну в сетчатом пакете при тщательном перемешивании. Также ректификация соляных ванн производится ферросилицием, фтористым магнием или готовыми смесями БМФ, БМ5. Контроль обезуглероживающей активности ванн производится по контрольным образцам путем измерения термо-ЭДС на специальных установках моделей ИТЭС-4, ИТЭС-5.

После нагрева инструментов в соляной ванне, их необходимо очищать от закалочных солей для предотвращения в дальнейшем появления коррозии. Процесс химической очистки инструментов осуществляется следующими операциями:

• промывка в промывочной машине;

• кипячение в воде;

• травление в технической соляной кислоте;

• промывка в проточной воде;

• кипячение в 2 % растворе соды в течение 30 мин.;

• промывка в кипящем растворе 1,5 % олеинового мыла.

На рис. 8. 25 приведена схема электрической печи для нагрева инструментов в соляной ванне.

Кладка печи состоит из двух рядов простого кирпича 1 на растворе из жидкого стекла и глиняного порошка и огнеупорного кирпича 5. Кладка заключена в железный кожух 6. Внутренняя часть печи представляет собой ванну для наполнения солью. Соль нагревают при помощи двух металлических электродов 2 и 4, опущенных концами в ванну на всю ее глубину и соединенных с сетью переменного тока (обычно через сварочный трансформатор). Печь получает требуемую температуру за счет нагревания массы соли при прохождении тока через нее.

Рис. 8.25. Схема электриче­ской печи для нагрева ин­струментов

в соляной ванне

Процесс розжига соляной ванны довольно трудоемкий и занимает 12–16 часов до вывода ее на требуемый температурный режим. В начале процесса, кода соль еще не расплавлена, приходится пользоваться добавочным подвижным электродом 3, который может быть замкнут накоротко со стационарным электродом 2, так как сам соединен проводом с электродом 4. Постоянный электрод 2 и подвижный 3 замыкают через угольный наконечник. Как только ток включен, соль, находящаяся около угольного наконечника и электрода, расплавляется и создает контакт между электродами 2 и 3. Электрод 3 отодвигают и процесс проводят дальше, расширяя зону расплава и двигаясь в верхнюю зону ванны. В дальнейшем, когда токопроводность соли устанавливается (соль расплавиться), достаточно иметь только постоянные электроды 2 и 4. Для получения одинаковой температуры во всех частях ванны, соль необходимо перемешивать. Благодаря точному регулированию тока, соляные ванны дают быстрый и равномерный нагрев инструмента до требуемой температуры. В большинстве случаев термические цехи имеют 3 и более соляных ванн, встроенных в линию и выведенных на разные температурные режимы – для закалки и отпуска инструмента.

Глубина ванн устанавливается в зависимости от габаритных размеров термообрабатываемых инструментов. Обычно глубина ванн выполняется 1000 мм и 1600 мм (последняя – для закалки протяжек). Обязательным требованием эксплуатации соляных ванн является наличие вытяжного кожуха (зонта) с принудительным отсосом испарений расплавленных солей.

Закалку и отпуск инструментов также производят на выпускаемом промышленностью оборудовании (закалочные печи моделей СКЗ-4.30.1/7-Б2, СКЗ-6.30.1/9-Б2; отпускные печи моделей СКЗ-4.30.1/7-Б2; СКЗ-6.30.1/7-Б2; бак и закалочные печи модели БКМ-6.25-Б3; баки для замочки модели БКВ-6.10-Б4; машины моечного типа МКП-6.20-Б3) или на специальном нестандартном оборудовании, изготовляемом самими предприятиями.

Среди специального оборудования для термообработки инструментов применяются автоматические линии термообработки и очистки концевого инструмента, на которых выполняется целый комплекс операций. Например, на линии ТХА15 для закалки, отпуска, очистки сверл, зенкеров, разверток, метчиков предусмотрены следующие операции: нагрев лапок, охлаждение лапок, первый подогрев рабочей части, второй подогрев рабочей части, окончательный нагрев, предварительное охлаждение, окончательное охлаждение, первый отпуск, охлаждение, второй отпуск, охлаждение, выварка, травление, промывка в холодной воде, нейтрализация и пассивирование. Внедрение автоматических линий термической обработки на специализированных заводах, позволяют повысить производительность и качество термической обработки (температурные режимы работы линии на каждую партию инструментов устанавливаются по контрольным шлифам, в линии предусмотрен жесткий временной контроль). Для снижения кривизны концевых инструментов в процессе термообработки, осуществляют его правку вращающимися валками на специальных установках. При этом правка происходит за счет повышения пластичности быстрорежущих сталей в зоне температур мартенситного превращения (≈270 ºС). Введение правки в состав операций автоматической лини, устраняет необходимость править инструмент после термообработки, обеспечивает достаточную прямолинейность заготовок инструментов, для последующей обработки на автоматизированном оборудовании. В частности, при заточке сверл, метчиков на современных заточных станках-автоматах одним из основных требований к заготовке является ее малая кривизна. Так как при определенной величине последней заготовки не подаются в зажимные цанги автоматов [46].