КОНВЕКЦИОННО-ИНДУКЦИОННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Изобретение относится к области металлообработки в машиностроении, а именно к химико-термической обработке металлических изделий в жидкой среде при индукционном нагреве, и может использоваться на машиностроительных предприятиях.
Применение индукционных соляных печей-ванн для химико-термической обработки позволяет при небольших температурах расплавов карбюризирующих солей создавать высокую температуру на поверхности обрабатываемых деталей, тем самым, ускоряя процесс химико-термической обработки, не увеличивая расхода карбюризатора.
Известна индукционная соляная печь-ванна для химико-термической обработки изделий (Авт.св. №492562), состоящая из керамического тигля, индуктора, подключенного к регулируемому источнику тока высокой частоты. Печь снабжена металлическим стержнем, связанным с электроприводом, позволяющим перемещать его в вертикальной плоскости. Подобная конструкция позволяет повысить скорость химико-термической обработки деталей за счет интенсификации процесса расплавления солей карбюризатора, благодаря нагреву стержня, перемещающегося внутри тигля.
Однако, в рассматриваемой конструкции печи создается неравномерное температурное поле в расплаве солей и расходуется часть карбюризатора на химико-термическую обработку металлического стержня, а также невозможно обеспечить полную защиту изделия от окисления, обезуглероживания и обезлегирования поверхности до введения карбюризаторов в расплав солей.
Часть указанных недостатков устраняется в конструкции конвекционно-индукционной соляной печи-ванне для химико-термической обработки изделий (патент РФ №70662), выбранной в качестве прототипа. Печь-ванна содержит
тигель с многосекционным индуктором с различной индуктивностью секций, средства нагрева, контроля и регулирования температуры, а также подвижный цилиндрический и съемные кольцевые углеграфитовые нагреватели, содержащие карбюризатор, и осуществляющие нагрев, регулирование температуры и ректификацию расплава солей и получения насыщающего элемента в атомарном состоянии.
Приведенная конструкция позволяет снизить расход карбюризатора за счет понижения температуры расплава солей и снижения их летучести, а также ускорить процесс химико-термической обработки за счет индукционного нагрева приповерхностного слоя изделия, повысить качество поверхностного слоя за счет использования пористых углеграфитовых ректифицирующих нагревательных элементов.
Однако эта конструкция печи-ванны имеет неравномерное распределение насыщающего элемента по объему ванны. Градиент концентрации направлен от дна ванны, где располагаются кольца с карбюризатором, к ее зеркалу, где идет активное взаимодействие с окружающей средой.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции конвекционно-индукционной печи для химико-термической обработки, позволяющей ускорить процесс химико-термической обработки поверхностного слоя детали и повысить качество обработки за счет равномерного распределения насыщающего элемента в расплаве солей, а также интенсифицировать процессы насыщения поверхности изделий дополнительными активными атомами.
Это достигается благодаря предложенной конструкции конвекционно-индукционной печи для химико-термической обработки, содержащей тигель с многосекционным индуктором с различной индуктивностью секций, подвижные цилиндрические и съемные кольцевые углеграфитовые нагреватели, содержащие карбюризатор, средства нагрева, контроля и регулирования температуры и стержневые углеграфитовые электроды, установленные внутри тигля с
возможностью перемещения в вертикальной плоскости и вращения вокруг оси тигля.
Предложенная конструкция печи по периметру оборудована сменными стержневыми углеграфитовыми электродами, к которым попеременно прикладывается разность потенциалов таким образом, что создается движение ионов расплава солей без электролиза, а вращение электродов обеспечивает перемешивание расплава, что позволяет ускорить процесс химико-термической обработки поверхностного слоя детали, повысить качество обработки за счет более равномерного распределения насыщающего элемента в расплаве солей, в результате чего повысить эксплуатационные характеристики приповерхностного слоя изделия.
На фиг.1 схематически изображена конструкция конвекционно-индукционной печи для химико-термической обработки.
Тигель печи 1, изготовленный из керамики, используется в качестве контейнера для расплавленных солей карбюризаторов. Индуктор печи 2, подключенный к регулируемому источнику тока высокой частоты, имеет несколько секций, обеспечивающих различную напряженность электромагнитного поля по высоте керамического тигля. Такая конструкция индуктора позволяет иметь в тигле зоны с различной напряженностью высокочастотного электромагнитного поля и интенсивностью нагрева. Цилиндрический углеграфитовый нагреватель 3 автоматически перемещается в вертикальной плоскости в зоны с различной напряженностью высокочастотного электромагнитного поля в зависимости от температуры расплава солей. Таким образом, поддерживается его заданная постоянная температура. Расплав солей обеспечивает получение насыщающего элемента в атомарном состоянии, подвод и отвод тепловой энергии и продуктов реакций на насыщаемой поверхности изделия и нагревателях. Обрабатываемое изделие за счет индукционного нагрева и генерации тепла в тонком поверхностном слое интенсифицирует процессы химико-термической обработки концентрированными потоками энергии на поверхности и обеспечивает нагрев расплава солей в зоне контакта до более высоких температур. Кольцевые углеграфитовые
нагреватели 4 стабильно обеспечивают постоянный нагрев расплава солей, их ректификацию и получение насыщающего элемента в атомарном состоянии. По периметру тигля 1 расположены стержневые пористые углеграфитовые электроды 5, вращение которых вызывает перемешивание расплава, обеспечивая интенсивный подвод и отвод продуктов реакции. К электродам 5 попеременно прикладывается разность потенциалов от внешнего источника электрического тока. Этим вызывается движение ионов расплава между электродами разной полярности в одну сторону до момента, предшествующего возникновению электролиза расплава, а затем, изменяя полярность на обратную, заставляют ионы двигаться в противоположном направлении.
Конвекционно-индукционная печь для химико-термической обработки работает следующим образом. При включении генератора ТВЧ в индукторе 2 и тигле 1, в котором загружены соли без насыщающего элемента, наводится электромагнитное поле, вследствие чего цилиндрический нагреватель 3, опущенный в нижнее положение, вместе с кольцевыми нагревателями 4 нагревается токами высокой частоты. За счет теплообмена с солями последние нагреваются и переходят в жидкое состояние. После достижения заданной температуры в расплав солей вводят насыщающий элемент и обрабатываемую деталь, а цилиндрический нагреватель 3 поднимают в верхнее положение. После чего резко увеличивают мощность нагрева при помощи генератора ТВЧ. При этом интенсивность нагрева поверхностного слоя детали, помещенной в зону секции индуктора 2 с максимальной напряженностью электромагнитного поля, возрастает, и такая концентрация потоков энергии в зоне диффузионного насыщения поверхностного слоя детали позволяет за счет местного перегрева поверхностного слоя интенсифицировать процесс насыщения детали, сохранив более низкую температуру расплава солей во всем остальном объеме тигля 1. Кроме того, вращением стержневых электродов 5 осуществляется перемешивание расплава, что ведет к равномерному распределению насыщающего элемента по всему объему тигля 1, обеспечивая интенсивный подвод и отвод продуктов реакции окисления-восстановления, протекающей на поверхности детали. При
этом на стержневые электроды 5 подается разность потенциалов с изменяемой полярностью, вызывая движение ионов расплава без возникновения электролиза. Этим достигается дополнительная активизация расплава. Изготовленные из графита электроды могут дополнительно содержать насыщающий элемент, который постепенно переходит в расплав, что способствует увеличению концентрации насыщающего элемента в расплаве. Чтобы температура расплава солей не превышала допустимую, цилиндрический углеграфитовый нагреватель 3 перемещают в зону с меньшей напряженностью электромагнитного поля, уменьшая интенсивность его нагрева и теплообмена с расплавом солей.