Наибольшее распространение в настоящее время в России получили процессы термической и химико-термической обработки в газовой среде, как более экологически чистые и производительные. Промышленность для указанных процессов выпускает различное оборудование садочного и проходного типа.

Анализ термического производства машиностроительных предприятий показал, что наиболее распространенным оборудованием для серийного, мелкосерийного и единичного производства являются садочные камерные и шахтные печи различного назначения: СНО, СНЗ, СШО, СШЗ – камерные и шахтные печи сопротивления с окислительной и защитной атмосферами; США, СШЦМ – шахтные печи для низко- и высокотемпературной химико-термической обработки.

Конструкция оборудования предусматривает возможность использования для нагрева под термическую обработку и процессы насыщения (цементации и нитроцементации) контролируемых атмосфер, получаемых на основе эндогаза. На данном этапе развития металловедения этот метод является наиболее перспективным.

Однако сложность эндогазовых установок, их высокая стоимость и, как правило, отсутствие дополнительных производственных площадей для их размещения приводят к тому, что нагрев под термическую обработку на практике ведется в воздушной среде, а химико-термическая обработка – с использованием жидких карбюризаторов.

Однако следует отметить, что современные требования к качеству продукции, экологической безопасности процессов, снижению трудоемкости не могут быть обеспечены подобными методами. Окисление и обезуглероживание поверхности деталей при нагреве в воздушной атмосфере приводит к необходимости дальнейшей очистки поверхности методом дробеструйной или пескоструйной обработки, увеличению припусков на механическую обработку и, следовательно, к увеличению трудоемкости изготовления изделия в целом и ухудшению экологической обстановки.

Использование жидких углеводородов для химико-термической обработки применяется в 90% случаев, поскольку процесс относительно прост, экологически безопасен и не требует специальных устройств подготовки насыщающей атмосферы. Однако использование в качестве карбюризатора керосина (наиболее распространенный метод) связано с проблемами: наличия серы, которая не только вызывает коррозию поверхности детали, но и при содержании более 0,4% делает цементацию практически невозможной; большого содержания нафтеновых и ароматических углеводородов, вызывающих повышенное саже- и коксообразование, препятствующее насыщению; нестабильной работы капельницы и как следствие получение непрогнозируемых результатов; длительностью процессов насыщения.

Применение для термической и химико-термической обработки жидких соляных ванн позволяет относительно быстро получать высококачественную продукцию с минимальными искажениями геометрических размеров. Однако этот метод обработки небезопасен, требует сложной методики подбора солей, трудоемких процессов наведения ванны и ее ректификации, контроля состава среды, очистки деталей от остатков солей, проведения мероприятий по охране окружающей среды. Помимо этого следует отметить, что оборудование, на котором сегодня технологам приходится решать сложные задачи получения деталей с заданным комплексом механических свойств, давно морально и физически устарело. Перед предприятиями остро стоит вопрос о техническом перевооружении. Однако, выпускаемое в настоящее время оборудование, принципиально ничем не отличается от имеющегося, разработанного еще в 60-х годах Всесоюзным научно-исследовательским институтом электротермического оборудования, и не имеет возможности реализовать новые концепции в технологии.

К тому же оно является в основном специализированным и может в лучшем случае использоваться для 1 – 3 операций. Таким образом, оснащение термического участка, на котором выполняются основные виды термической обработки (закалка, отпуск, отжиг, нормализация, цементация, нитроцементация, азотирование, карбонитрирование и т.п.), потребует приобретения как минимум 3 – 4 видов термического оборудования, что при мелкосерийном и единичном производстве экономически невыгодно.

Одним из методов, решающих задачи термического производства в комплексе, является обработка с использованием известного явления кипящего слоя мелкодисперсных частиц, ожижаемых газо-воздушной смесью. Частицы, находясь во взвешенном состоянии, имитируют при соответствующих температурах и газовых составляющих изотермические, теплопроводные и диффузионные свойства жидких сред для получения равномерного прогрева и диффузионного насыщения. При этом «сухой» кипящий слой не токсичен, не взрывоопасен, прост в эксплуатации и не требует дальнейшей операции очистки деталей. При использовании в качестве носителя кипящего слоя мелкосферического катализатора конверсии углеводородного газа, возможно получение в рабочем пространстве защитных и насыщающих атмосфер без использования дополнительных газо-приготовительных устройств.

Экономическая эффективность от применения технологии и оборудования с использованием кипящего слоя катализатора для поверхностной и объемной термической обработок определяется следующими факторами:

- многофункциональной возможностью настоящей технологии, позволяющей проводить в одном рабочем пространстве до 9 операций термической и химико-термической обработок:  1. Отжиг (изотермический, безокислительный, с регулируемой атмосферой); 2. Нагревы под закалки (изотермические, безокислительные, скоростные); 3. Нормализацию (изотермическую, безокислительную); 4. Отпуски (изотермические, безокислительные); 5. Обработку на твердый раствор; 6. Цементацию; 7. Нитроцементацию (ускоренный процесс); 8. Карбонитрацию (азотирование, нитроцементация) - ускоренный процесс; 9. Парооксидирование (скоростное).

Таким образом, одна установка кипящего слоя при мелкосерийном производстве может заменить 3-4 единицы традиционного оборудования. Быстрая переналадка с одного процесса на другой позволяет обрабатывать за одну смену несколько партий изделий по различным технологическим режимам.

- высокой производительностью: от внедрения в производство технологии и оборудования кипящего слоя специального катализатора позволяет сократить время процессов химико-термической обработки в 3-5 раз (средняя скорость цементации составляет 0,5-0,6 мм за 1 час).

- ресурсосбережением: электроэнергия, газ, материалы и т.д. снижаются в среднем на 30-35%.   При сравнении между собой различных способов термической обработки важное значение имеют оценочные характеристики термического оборудования с точки зрения эффективности использования потребляемых энергоносителей. Решающее значение для оценки эффективности термического оборудования имеет рыночная стоимость энергетических затрат и материалов, отнесенная к единице термически обработанной продукции (см. табл.).

- капитальными затратами, отнесенными на единицу садки при объемном нагреве и химико-термической обработке при использовании технологии кипящего слоя в термическом производстве, предлагающими значительное снижение финансовых вложений при аналогичной производительности существующих систем печей и соляных ванн.

Применение катализатора в установке "Корунд" в качестве среды кипения не требует затрат на приобретение специальных газоприготовительных установок[6].

Существующие (традиционные) типы печей и ванн, хотя и позволяют иметь больший объем садки, как правило не достигают указанной производительности за единицу времени, требуя при этом капитальных вложений примерно вдвое больше, чем оборудование с кипящим слоем, благодаря его способности быстро переналаживаться для обработки различных садок "по требованию".

Сравнительная стоимость по основным энергоносителям (электричество и газ) одного рабочего дня при работе печи "Корунд" в сравнении с традиционным отечественным оборудованием для нагрева под закалку в защитной среде и для проведения химико-термической обработки в 2-3 раза дешевле.

Таблица – Сравнительный анализ технических показателей при химико-термической обработке

Технико-экономические показатели, изложенные выше требуют раскрытия механизмов взаимодействия времени, температуры, газовых атмосфер, сочетания свойств используемых сжижаемых материалов и т.д. для дальнейшего расширения технологических возможностей технологии кипящего слоя в термическом производстве, разработки и создания оборудования, удовлетворяющего следующим основополагающим факторам современного технологического парка:

- время (скорость нагрева) - в кипящем слое близка к скорости нагрева в жидкой соляной ванне. Так, по данным разработчика, при диаметре тигля 300 мм и глубине кипящего слоя около 700 мм при мощности в 40 кВт садка размером около 80 мм в диаметре и 600 мм длиной, массой около 70 кг прогревается за 45-60 мин. Таким образом, снижается время прогрева под отпуск такой же садки до 300 оС и составляет 20-25 мин.

Скорость химико-термической обработки (нитроцементация, карбонитрирование, цементация и т.п.) также идет со значительным превышением по сравнению с гранулированными. На практике цементация при 920-940 оС дает эффективную глубину слоя 0,6 мм через 1 час и 1,0-1,2 мм через 3 часа. Карбонитрирование дает эффективную глубину слоя 0,4 мм через 1 час при 880-900 оС и 0,25 мм через 45 мин при 870 оС;

- устойчивость, стабильность, надежность, повторяемость - обусловлены природой производства, скоординированной с колебаниями спроса, т.е. с работой "по требованию", диктует меньшие садки и большее число обработок. Это, в свою очередь, должно обеспечиваться воспроизводимостью обработки.

При технологии кипящего слоя каждая деталь подвергается одинаковому воздействию: такой же атмосферы, нагревательному эффекту и времени пребывания, а это, в свою очередь, позволяет получать равномерную твердость по всему сечению при объемной закалке и такое же количество по глубине слоя при поверхностной обработке. Обработка полых частей дает одинаковую однородность и края, и центра. При обработке пористых материалов поры "залечиваются" равномерно и с высокой степенью "охватываемости" за счет высокой протяженности межзеренных границ порошковых изделий;

- запуск и остановка процесса (доступность) - использование катализатора в качестве материала для кипения приводит к уменьшению нагреваемой массы среды по сравнению с соляной ванной, устраняет полностью наличие скрытого тепла при плавлении солей около рабочей температуры, вследствие чего значительно сокращается время нагрева и при этом нет необходимости поддерживать температуру в ночное время: нагрев из холодного состояния до 870 оС достигается за 1 час после запуска.

Способность менять атмосферу в считанные минуты дает пользователю большую степень свободы, необходимую при ситуациях "обработка сразу при поступлении", без предварительной подготовки поверхности, что позволяет технологам менять садки и различные типы обработки деталей в считанные минуты, позволяя немедленно обработать "срочные" садки: например, в течение 7-часовой смены были проведены обычные технологии по нормализации, нейтральной закалке, карбонитрированию и цементации над различными садками деталей;

- стоимость - капитальные затраты, отнесенные к единице объема садки в печах кипящего слоя и в традиционных печах с гораздо большим объемом уплотненной садки по данным разработчика, взятым из отечественного и зарубежного опыта, вдвое ниже, за счет более высокой производительности печей кипящего слоя.

Проведенные в ОАО "Тульский ПКТИмаш" исследования показали, что в установках "кипящего слоя" могут быть обработаны все классы сталей, чугунов и цветных металлов. Обработка весьма эффективна как для деталей основного производства (шестерни, валы, оси, втулки, корпусные детали и т.д.), так и для инструментального производства (сверла, метчики, плашки, фрезы, развертки, мерительный инструмент, пресс-формы и штампы).

Однако эксплуатация технологии и оборудования кипящего слоя при получении высокого качества продукции выявило ряд существенных недостатков: нестабильность получаемых результатов за счет неоптимальных условий эксплуатации катализатора, так как температура технологического процесса может не совпадать с температурой работоспособности катализатора; отложение сажи на частицах носителя и перекрывание каталитически активной поверхности, как следствие, непрогнозируемый результат, особенно при длительных процессах; ограничение номенклатуры обрабатываемых деталей (невозможность обработки насыпных садок мелких деталей и необходимость разработки специальных приспособлений для деталей средних размеров) и вынос катализатора с садкой; большие расходы газовоздушной смеси для подъема кипящего слоя; высокая инерционность печи по температуре, связанная с большой массой разогретого материала, что при широкой номенклатуре изделий сводит к минимуму достоинство кипящего слоя как многофункциональной системы. высокие затраты на энергоносители и мелкосферический катализатор.

Анализ тенденций развития в области термической обработки и практических задач, стоящих перед технологами машиностроительных предприятий привел к необходимости разработки технологий и электротермического оборудования нового типа, позволяющих в условиях рыночной экономики, связанной с резкими колебаниями спроса, мобильно перестраивать производство и получать высококачественную продукцию с минимальными капитальными, эксплуатационными и трудовыми затратами.

ЗАО «МИУС» разработал принципиально новую концепцию проведения технологии термической и химико-термической обработки, позволяющую используя все преимущества обработки в кипящем слое (качество и скорость), резко повысить эффективность процесса и универсальность его использования.

Основная идея заключается в применении при проведении технологических процессов характерного для кипящего слоя прямоточного метода подачи газовой среды (снизу вверх), однако сам кипящий слой при этом из рабочего пространства изымается. Отсутствие в рабочем пространстве инерционной массы самого кипящего слоя позволяет оперативно менять температурные режимы и обрабатывать любую номенклатуру изделий. При этом печь оборудована независимым встроенным блоком газоподготовки, что позволяет вести процессы с использованием эндогазовой атмосферы, полученной на более экономичном и качественном катализаторе нового поколения НИАП-10-01 в оптимальном интервале температур.

Опыт промышленного внедрения показал, что качественные и количественные характеристики продукции, обработанной по прямоточному методу, аналогичны показателям термообработки в кипящем слое и значительно превышают показатели традиционных процессов.

Эффект достигается за счет сохранения прямоточного принципа подачи атмосферы. При этом количество газосмен на порядок выше, чем в традиционном оборудовании и в 4-5 раза меньше, чем в кипящем слое. Таким образом, при экономии контролируемой атмосферы (по сравнению с кипящим слоем), удается обеспечить оптимальную скорость обновления атмосферы и подвода активных атомов к поверхности изделия.

По сравнению с традиционными стационарными процессами обработки в газовой среде (специализированные печи типа СШЦМ для цементации и США для азотирования) прямоточный метод обеспечивает: более быстрый и равномерный прогрев садки за счет предварительного подогрева эндогаза в блоке подготовки и выравнивания температуры по высоте рабочего пространства; более высокие скорости насыщения при химико-термической обработке за счет наличия постоянно возобновляемой насыщающей среды, подводимой непосредственно к обрабатываемой поверхности; более высокое избыточное давление внутри печного блока и как следствие менее жесткие требования по герметичности оборудования; отсутствие вентилятора, так как его функции выполняет сам поток; более стабильные результаты при насыщении по профилю изделия за счет равномерного обтекания садки потоком.

По сравнению с кипящим слоем разработанная технология и оборудование позволяют: расширить функциональные возможности оборудования за счет разделения блока газоподготовки и рабочего пространства; стабильно получать качественную продукцию за счет создания оптимальных условий эксплуатации катализатора (без сажеобразования); более экономично расходовать газо-воздушную смесь (расход уменьшается в 4 – 5 раз); увеличить производительность (вес садки при газовом процессе в 2 – 4 раза больше) и номенклатуру обрабатываемых деталей; значительно уменьшить затраты на приобретение дорогостоящего катализатора (засыпка стандартной печи кипящего слоя диаметром 600 мм составляет 500-550 кг, засыпка блока эндогенератора печи МИМП СШЗ 20-30 кг); повысить технико-экономические показатели процесса.

Установка представляет собой электрическую двухкамерную печь шахтного типа. Оригинальная секционная конструкция позволяет в течение одного дня провести монтаж или демонтаж печного блока. В нижней секции расположена камера получения эндогаза, остальные секции, количество которых определяется необходимой глубиной рабочей зоны, составляют собственно рабочее пространство, где проводятся технологические процессы. Компьютерная система управления процессом обеспечивает поддержание в блоке газоподготовки оптимальной температуры 9700С- 9800С, в рабочем пространстве температурный режим может быть практически любым от 100 до 1050 ⁰С. Избыточное давление, обеспечиваемое потоком газовоздушной смеси, позволило применить негазоплотные крышки с песочным затвором, что для традиционных печей химико-термической обработки невозможно из-за подсоса воздуха в рабочее пространство.

Все основные виды термической и химико-термической обработки проводятся на основе использования эндогазовой атмосферы, которая образуется в результате химических реакций взаимодействия воздуха и углеводородного газа (метана, пропана-бутана) в камере газоподготовки в присутствии специального катализатора. Подача газа и воздуха в определенном соотношении осуществляется через ротаметры. При проведении процессов нагрева деталей в защитной атмосфере в рабочее пространство через центральную трубку, соединяющую обе камеры, подается только эндогаз. При проведении процессов цементации к эндогазовой атмосфере дополнительно подмешивается вторичный углеводородный газ, который поступает в газосмесительную решетку рабочей камеры через отдельный ввод, минуя эндогенератор. При проведении нитроцементации добавляется аммиак, который подводится совместно с вторичным углеводородным газом. Процессы низкотемпературной химико-термической обработки: азотирование, карбонитрирование оксинитрирование и т.п. также проводятся с использованием эндогаза в сочетании с аммиаком и другими добавками.

Таким образом, наличие автономного блока газоподготовки и использование отдельного ввода углеводородного газа, аммиака и азота, позволяют проводить в одной установке все основные виды термической и химико-термической обработки: отпуск, отжиг, нормализацию, цементацию, нитроцементацию, азотировании, карбонитрирование и т. п.

Внедрение технологии и оборудования МИМП-СШЗ в инструментальной и авиационной промышленности, в науке, на предприятиях малого и среднего бизнеса позволило потребителю: получить высококачественную продукцию с требуемым комплексом механических свойств; полностью снять проблему экологически опасных последствий применения действующих технологий, использующих обработку в жидких соляных ваннах и капельно-газовых печах, которые вместе взятые дают прирост опасных выбросов и твердых шлаковых отходов на 25%-30%; в среднем в 2 раза снизить энергозатраты на обработку 1 кг садки за счет более высокой скорости нагрева и насыщения; на 30% сократить эксплуатационные и трудовые затраты за счет высокоремонтных свойств оборудования и отсутствия технологических операций по подготовке обрабатываемых изделий к термообработке и очистки после нее.

Использование в оборудовании самого принципа потока позволило разработать уникальное приспособление к печи МИМП СШЗ для обработки саморезов в объемных (до 200 кг) насыпных садках. На практике обработка мелких деталей производится в сложных громоздких проходных агрегатах с насыпным слоем деталей не более 2-3 см, так как, несмотря на перемешивание атмосферы вентиляторами, технологическая среда с трудом проникает между ними. Разработанное приспособление обеспечило принудительный продув насыщающих компонентов сквозь всю садку и тем самым получение результатов не только по профилю детали, но и по садке в целом.

Внедрение безокислительного нагрева тяжело нагруженных деталей на предприятии авиационной промышленности инструментальной и авиационной промышленности, в науке, на предприятиях малого и среднего бизнеса позволило исключить из технологического цикла операцию дальнейшей пескоструйной обработки, которая ранее проводилась для снятия окалины. В результате экономия металла составила около 10%, общая трудоемкость изготовления изделия снижена на 15%, получено высокое качество поверхности без окалины и обезуглероженного слоя, подтвержденное заключением лаборатории предприятия, устранена операция с вредными условиями труда.

Оборудование и технология на базе использования прямоточного метода подачи контролируемых атмосфер являются новым направлением в химико-термической обработке и в настоящее время не имеют аналогов в СНГ и за рубежом.