Как правильно выбрать корзину для термообработки: материалы, конструкции и лучшие практики для каждого применения печи

Правильная корзина для термообработки — это та, которая соответствует вашей конкретной технологической температуре, атмосфере, геометрии детали и весу нагрузки — универсального решения не существует, а использование неправильной корзины стоит денег из-за преждевременного выхода из строя, повреждения детали и неравномерного термоциклирования. Корзина для термообработки (также называемая корзиной печи, лотком для термообработки или высокотемпературным рабочим приспособлением) представляет собой изготовленный или литой контейнер, используемый для хранения, транспортировки и позиционирования металлических деталей во время операций термической обработки, включая отжиг, закалку, цементацию, азотирование, отпуск и спекание. В этом руководстве описаны все основные типы корзин, сплавы, используемые для их изготовления, расчет грузоподъемности и продление срока службы печей в сложных условиях.

Что такое корзина для термообработки и почему это важно?

А корзина для термообработки представляет собой специально разработанное приспособление, которое обеспечивает равномерное воздействие на детали атмосферы и температуры печи, сохраняя при этом их безопасную удерживаемость во время транспортировки, закалки и перемещения между этапами процесса. Без правильно спроектированной корзины детали неравномерно складываются на подину печи, блокируют циркуляцию газа, контактные поверхности загрязняют или затеняют их от тепла, а также создают небезопасные условия во время погружения закалочной ванны.

Экономическое обоснование правильного выбора корзины является прямым. Хорошо подобранная корзина для термообработки в печи цементации, работающей при температуре 1700°F (927°C), может выдержать 500–800 термических циклов перед заменой. Корзина, изготовленная из неподходящего сплава или с неправильной конструкцией для этого процесса, может выйти из строя всего за 50–100 циклов — разница в стоимости обработки каждой детали в 5–8 раз, полностью обусловленная выбором приспособления. Для производственного предприятия, работающего в три смены, шесть дней в неделю, эта разница выражается в десятках тысяч долларов в год только в стоимости замены корзин без учета потерь производительности из-за внепланового технического обслуживания.

Корзины для термообработки выполняют одновременно четыре функции:

• Сдерживание — сохранение деталей в виде партии на этапах печи, закалки и промывки.
• Позиционирование — ориентация деталей для равномерной атмосферы и температурного воздействия на всех поверхностях
• Управление тепловой массой — действует как контролируемый тепловой буфер или проводник в зависимости от конструкции
• Механическая защита — предотвращение контакта деталей, вызывающего повреждение поверхности, появление мягких пятен или деформацию во время закалки.

6 основных типов корзин для термообработки и их применение

1. Корзины из проволочной сетки

Корзины для термообработки из проволочной сетки представляют собой наиболее универсальную и широко используемую конструкцию, обеспечивающую отличную циркуляцию атмосферы для цементации, азотирования и отжига мелких и средних деталей при температуре примерно до 2000°F (1093°C). Открытая сетчатая структура, обычно сотканная из проволоки из жаропрочных сплавов с квадратными или прямоугольными отверстиями от 1/4 до 2 дюймов, позволяет атмосфере печи, лучистому теплу и закалочной среде одновременно достигать всех поверхностей детали. Сетчатые корзины доступны в прямоугольной, цилиндрической и нестандартной геометрии и могут быть изготовлены со сплошными боковыми стенками в сочетании с сетчатым полом или с полностью открытой сеткой на всех поверхностях.

• Лучшие процессы: Науглероживание, карбонитрирование, газовое азотирование, отжиг, нормализация, отпуск.
• Диапазон температур: До 2000°F (1093°C) в стандартных сплавах; до 2200°F (1204°C) в сплавах с высоким содержанием никеля
• Грузоподъемность: Обычно 200–2000 фунтов в зависимости от сечения проволоки, апертуры ячейки и размеров корзины.
• Слабость: Более низкая структурная жесткость, чем у литых или готовых пластинчатых корзин; сетка может деформироваться при очень тяжелых или сосредоточенных нагрузках

2. Изготовленные корзины для стержней или стержней.

Изготовленные корзины из стержней или стержней обеспечивают более высокую структурную жесткость, чем конструкции из проволочной сетки, и предпочтительны для тяжелых грузов, крупных деталей и применений, где перекрытие отверстий сетки может привести к выпадению мелких деталей. Они изготавливаются из сплошных или полых круглых, квадратных или плоских стержней, сваренных в виде сетки или лестницы. Расстояние между стержнями — обычно от 1 до 4 дюймов — рассчитано по наименьшему размеру обрабатываемых деталей. Для деталей с минимальным размером 2 дюйма стандартным является расстояние между стержнями 1 дюйм, чтобы предотвратить попадание капель и максимально увеличить открытую площадь для потока атмосферы.

• Лучшие процессы: Закалка, нормализация, отжиг крупных деталей, предварительный нагрев штамповки.
• Диапазон температур: До 2200°F (1204°C) при выборе соответствующего сплава
• Грузоподъемность: 500–5000 фунтов в зависимости от размера стержня и сплава.
• Слабость: Более высокая тепловая масса, чем у сетки; более длительное время нагрева и охлаждения за цикл

3. Литые корзины и поддоны для термообработки.

Литые корзины и лотки для термообработки обеспечивают высочайшую стабильность размеров и сопротивление ползучести при экстремальных температурах, что делает их предпочтительным выбором для ленточных печей непрерывного действия, толкательных печей и операций спекания при температуре выше 2000°F (1093°C). Литые корзины производятся методом литья в песчаные формы или литья по выплавляемым моделям из высоколегированных составов — чаще всего HK-40 (25Cr/20Ni) или сплава HP (26Cr/35Ni), — которые противостоят окислению, цементации и деформации ползучести, которые разрушают изготовленные приспособления при самых высоких температурах процесса. Литые конструкции обычно имеют сплошной или полуоткрытый пол с литыми стенками и встроенными ручками или проушинами.

• Лучшие процессы: Спекание, пайка, вакуумная закалка, отжиг авиационно-космических сплавов, высокотемпературный обжиг керамики.
• Диапазон температур: 1800–2350 ° F (982–1288 ° C)
• Грузоподъемность: 200–3000 фунтов в зависимости от размера отливки и сплава.
• Слабость: Высокая первоначальная стоимость; тяжелый (добавляет значительную собственную нагрузку на подину печи); хрупкий при термическом ударе

4. Ретортные корзины и внутренние приспособления.

Ретортные корзины представляют собой герметичные или полугерметичные контейнеры, используемые внутри печей с контролируемой атмосферой для создания локализованной атмосферы вокруг определенной партии деталей, не влияя на более широкую среду печи. Они особенно ценны в многозонных печах, где разные партии одновременно требуют разного потенциала углерода или состава атмосферы. Конструкция ретортной корзины обычно цельносварная из листов и прутков аустенитной нержавеющей стали или сплава с высоким содержанием никеля.

• Лучшие процессы: Светлый отжиг, пайка в контролируемой атмосфере, селективная цементация
• Диапазон температур: До 2100°F (1149°C)

5. Корзины из перфорированного листа

Корзины из перфорированного листа сочетают в себе жесткость боковых стенок коробчатой конструкции с атмосферопроницаемостью сетки через перфорированные или вырезанные лазером отверстия в листовых панелях. Эта конструкция предпочтительна, когда детали достаточно малы, чтобы проваливаться через стандартную сетку или расстояние между стержнями, но открытая конструкция обеспечивает недостаточную поддержку геометрии нагрузки. Схема перфорации — круглая, с прорезями или шестиугольная — и процент открытой площади (обычно 30–55%) выбираются для обеспечения баланса структурной целостности с атмосферным потоком.

• Лучшие процессы: Обработка мелких деталей (крепеж, подшипники, штамповки), порошковое спекание металлов, отжиг деталей с керамическим покрытием.
• Диапазон температур: До 1900°F (1038°C) в стандартных сплавах

6. Специальные приспособления: стойки, подносы и подвесные корзины.

Крепления для стоек, плоские лотки и подвесные корзины специально разработаны для деталей определенной геометрии — особенно для длинных валов, колец или хрупких тонкостенных компонентов, которые могут деформироваться, если оставить их на плоском полу во время термоциклирования. Подвесные корзины подвешивают детали к верхней раме, позволяя силе тяжести поддерживать допуски на размеры во время отжига или снятия напряжений. Плоские лотки используются для тонколистового металла или штампованных деталей, которые должны оставаться плоскими. Стеллажные приспособления ориентируют трубчатую или прутковую заготовку вертикально для равномерного нагрева по окружности.

• Лучшие процессы: Прецизионный отжиг авиационных деталей, отпуск пружин, обработка валов и труб.
• Диапазон температур: До 2000°F (1093°C) в зависимости от конструкции и сплава

Из какого сплава должна быть изготовлена корзина для термообработки?

Аlloy selection is the single most consequential decision in heat treating basket specification — using a 304 stainless basket in a 1,900°F carburizing atmosphere will result in failure within a handful of cycles, while an appropriately specified RA330 or HK-40 basket may last hundreds of cycles in the same environment.

Таблица 1. Сравнение сплавов корзин для термообработки по температурным характеристикам, коррозионной стойкости и стоимости. Ориентировочная стоимость: $ = стандартный, $$$$ = премиальный сплав с высоким содержанием никеля или специальный сплав.

Как подобрать размер корзины для термообработки с учетом веса нагрузки и геометрии детали

Правильный размер корзины для термообработки состоит из трех частей: максимальный вес загрузки, минимальная открытая площадь для потока атмосферы и собственный вес корзины как доля от общей емкости загрузки печи.

Шаг 1 — Определите максимальную частичную загрузку на корзину

Начните с номинальной нагрузки пода, указанной производителем печи, в фунтах на фут² — обычно 15–40 фунтов на фут² для атмосферных печей периодического действия и 10–25 фунтов на фут² для непрерывно-ленточных печей. Умножьте на эффективную площадь пода, используемую на одну корзину. Затем вычтите собственный вес корзины. Для печи периодического действия с номинальной нагрузкой 25 фунтов/фут² и площадью корзины 24 × 36 дюймов (6 футов²) полная нагрузка на корзину составляет 150 фунтов. Если корзина из проволочной сетки весит 30 фунтов, доступная чистая частичная нагрузка составит 120 фунтов.

Шаг 2 — Рассчитайте необходимую открытую площадь для циркуляции атмосферы

Промышленная практика цементации и азотирования в атмосфере требует наличия минимум 35–50% открытой площади на дне и стенках корзины, чтобы обеспечить достаточную циркуляцию атмосферы вокруг деталей. Для сетчатой ​​корзины открытая площадь = (площадь апертуры ÷ общая площадь панели) × 100. Пол корзины, сотканный из проволоки диаметром 0,120 дюйма с шагом квадратных отверстий 1/2 дюйма, имеет примерно 51% открытой площади, что подходит для большинства атмосферных процессов. Уменьшайте размер отверстия (и, следовательно, открытую площадь) только в том случае, если мелкие детали рискуют выпасть, и компенсируйте это увеличением скорости вентилятора или циркуляции в печи.

Шаг 3 — Управляйте собственным весом корзины как долей шихты печи

Корзина для термообработки в идеале должна составлять не более 20–25% от общего веса шихты (корзины деталей). Превышение этого соотношения означает, что печь сжигает значительную энергию, нагревая корзину, а не детали, что напрямую увеличивает затраты энергии на каждую обработанную деталь. Корзина весом 50 фунтов, обрабатывающая 200 фунтов деталей (коэффициент собственного веса 20%), хорошо оптимизирована; Корзина весом 50 фунтов, обрабатывающая только 50 фунтов деталей (коэффициент собственного веса 50%), должна быть переработана с использованием более легкого сплава или специального приспособления меньшего размера.

Производительность корзин для термообработки в зависимости от процесса: прямое сравнение

Различные процессы термообработки предъявляют принципиально разные требования к конструкции корзины: то, что идеально работает в закалочной печи, может катастрофически выйти из строя в атмосфере цементации при температуре на 200°F выше. В таблице ниже приведены оптимальные тип корзины и сплав для наиболее распространенных термических процессов.

Таблица 2. Рекомендации по типу корзины и сплаву для термообработки в зависимости от термического процесса. Минимальный сплав относится к материалу самого низкого качества, надежно используемому в эксплуатации — модернизация всегда допустима.

Почему корзины для термообработки преждевременно выходят из строя и как это предотвратить

Тремя основными причинами преждевременного выхода из строя корзины для термообработки являются науглероженное охрупчивание, термическое усталостное растрескивание и перегрузка. Все это можно предотвратить путем правильного выбора сплава, практики загрузки и планового осмотра.

Науглероживание, охрупчивание

В атмосфере цементации углерод из технологического газа диффундирует в корзиночный сплав в течение многих циклов, постепенно повышая содержание углерода в поверхностных слоях сплава. Это превращает обычно пластичную аустенитную структуру в хрупкие, богатые карбидами зоны, которые трескаются во время термоциклирования. Первым видимым признаком является сеть мелких поверхностных трещин, обычно параллельных направлению наибольшего термического напряжения. RA330 и сплав 601 значительно лучше противостоят науглероживанию, чем стандартная нержавеющая сталь 310, благодаря более высокому содержанию никеля — никель действует как термодинамический барьер для поглощения углерода. Замена корзин из нержавеющей стали 310 на RA330 в печи цементации при температуре 1700°F обычно продлевает срок службы в 1,5–3 раза.

Термическое усталостное растрескивание

Каждый раз, когда корзина переключается с температуры окружающей среды на температуру процесса и обратно, дифференциальное тепловое расширение и сжатие подвергают материал нагрузке. В течение сотен циклов эти напряжения вызывают и распространяют трещины, особенно в сварных соединениях, углах и областях геометрической концентрации напряжений. Сведение к минимуму теплового удара за счет ограничения скорости охлаждения до уровня ниже 400°F/час (222°C/час) значительно продлевает срок службы корзины. При закалке корзины испытывают самый сильный термический удар на любом этапе процесса; сплавы с более низкими коэффициентами теплового расширения (например, литые сплавы) справляются с этим лучше, чем готовые конструкции из листов или проволоки.

Перегрузка и неравномерное распределение нагрузки

Размещение грузов, превышающих расчетную грузоподъемность корзины, или концентрация тяжелых деталей в одной области дна корзины приводит к необратимому провисанию (деформации ползучести), которое ускоряется с каждым последующим термическим циклом. Пол корзины, провисающий на 1/4 дюйма (6 мм), создает неравномерное распределение газа вокруг деталей в углах, что приводит к неравномерности процесса. Установите маркировку максимального веса груза на каждой корзине и соблюдайте ее с помощью системы отслеживания нагрузки. Вращение корзин в разных положениях шихты также выравнивает износ всего парка корзин.

Как продлить срок службы корзин для термообработки: рекомендации по техническому обслуживанию

А structured inspection and maintenance program can extend heat treating basket service life by 30–60% compared to run-to-failure operation — at a cost that is typically less than 10% of the basket's replacement value per year.

• Перестрелка между кампаниями: Дробеструйная или пескоструйная обработка корзин для термообработки каждые 50–100 циклов удаляет скопившуюся окалину, углеродистые отложения и технологические остатки. Чистая корзина нагревается и охлаждается более равномерно, а осмотр голой металлической поверхности выявляет трещины и коррозию до того, как они перерастут в поломку. Дробеструйная очистка также удаляет хрупкий науглероженный поверхностный слой на внешних нескольких тысячных долях дюйма, слегка увеличивая пластичность основного сплава.
• Проверяйте сварные швы при каждой дробеструйной очистке: Сварные соединения являются точками наибольшего напряжения в любой изготовленной корзине. Используйте яркий свет и увеличительное стекло, чтобы проверить наличие трещин на всех сварных швах. Трещины короче 1/2 дюйма (12 мм) часто можно зашлифовать и повторно заварить соответствующим присадочным металлом. Трещины длиной более 1 дюйма (25 мм) или трещины, распространившиеся на основной металл более чем на 1/4 дюйма (6 мм), указывают на то, что компонент следует списать.
• Количество циклов отслеживания на корзину: Аssign each basket a serial number and log its cycles. Most wire mesh baskets have a predictable service life of 300–600 cycles in carburizing service; cast baskets in continuous pusher furnaces commonly run 800–1,500 cycles. Scheduling replacement at 80% of expected life prevents in-furnace failures that contaminate charges and damage furnace hearths.
• Аvoid quenching empty baskets: Термический удар по пустой корзине (особенно литому противню) без тепловой массы частичной загрузки значительно более серьезен, чем закалка при полной загрузке. Пустые циклы закалки могут потребовать 5–10 эквивалентных циклов термической усталости на одно событие. Установите правило эксплуатации, запрещающее излишнее гашение пустых светильников.
• Расправляйте покоробленные корзины заранее: Незначительные деформации изготовленных корзин можно исправить путем горячей правки в прессе или с помощью гидравлических инструментов, пока корзина еще теплая после эксплуатации в печи. Корзину, деформированную более чем на 1/2 дюйма (12 мм) от плоскости, следует выпрямить перед следующей загрузкой — значительно деформированная корзина загружается неравномерно и ускоряет ползучесть в последующих циклах.

Часто задаваемые вопросы о корзинах для термообработки

Как узнать, что корзину для термообработки необходимо заменить?

Замените корзину для термообработки при обнаружении любого из следующих условий: трещины на сварных соединениях длиной более 1 дюйма или проникающие в основной металл; видимый провисание или деформация пола, превышающая 3/4 дюйма (19 мм) от плоскости; обрывы проводов в сетчатых панелях, занимающих более 5% общей площади панелей; коррозионные язвы глубиной более 15% от исходной толщины стенки материала; или любые признаки сквозного растрескивания, из-за которых детали могут провалиться во время закалки. Отслеживание количества циклов и планирование профилактической замены при достижении 75–80 % ожидаемого срока службы предпочтительнее, чем ожидание видимого отказа.

Могу ли я использовать стандартную корзину из нержавеющей стали в печи цементации?

Нержавеющую сталь 304 и 316 не рекомендуется использовать в печах цементации, работающих при температуре выше 1500°F (816°C). Эти сплавы имеют относительно низкое содержание никеля (8–12%) и быстро поглощают углерод из атмосферы цементации, становясь хрупкими в течение 20–50 циклов. Нержавеющая сталь 310 (25Cr/20Ni) — минимальная рекомендуемая марка для цементации; RA330 или сплав 601 предпочтительны из-за длительного срока службы и экономичной эксплуатации в течение всего жизненного цикла корзины.

Какой размер ячеек сетки следует использовать для мелких деталей, таких как крепежные детали или подшипники?

Размер ячейки сетки должен составлять не более 60 % наименьшего размера наименьшей детали в партии — это предотвращает застревание или проваливание деталей через сетку во время загрузки, обработки и разгрузки. Для болтов M8 (диаметр головки примерно 13 мм/0,51 дюйма) максимальная апертура ячейки составляет примерно 8 мм/0,31 дюйма. Для шарикоподшипников с внешним диаметром 10 мм используйте отверстие максимум 6 мм. Когда детали слишком малы для любого практичного отверстия в сетке, предпочтительной альтернативой являются перфорированные листовые панели с круглыми отверстиями диаметром 2–4 мм.

Почему корзины для термообработки деформируются и можно ли предотвратить деформацию?

Деформация возникает потому, что ни один сплав не нагревается и не охлаждается с совершенно одинаковой скоростью по всем секциям — более толстые секции отстают от более тонких, создавая дифференциальные напряжения теплового расширения, которые необратимо деформируют корзину в течение многих циклов. Симметричная конструкция (равный вес секций со всех сторон), минимизация разрывов массы в местах сварных швов и использование поперечных ребер жесткости под большими секциями пола — все это снижает склонность к короблению. Предотвращение перегрузки и поддержание как можно более равномерного распределения нагрузки по дну корзины также снижает совокупную деформацию за цикл за счет поддержания равномерного распределения температуры по корзине.

Сколько стоит корзина для термообработки и что влияет на цену?

Стандартные корзины для термообработки из проволочной сетки из нержавеющей стали 310 для обычных размеров периодической печи (18 × 24 × 12 дюймов) обычно стоят 200–600 долларов в зависимости от калибра проволоки и сплава. Модернизация до RA330 с той же геометрией увеличивает стоимость материала на 25–50 %, но обычно обеспечивает увеличение срока службы в 2–3 раза, улучшая общую экономию затрат за цикл. Литые корзины из сплава HK-40 или HP для лотков непрерывной печи стоят от 400 до 2500 долларов в зависимости от размера и сложности отливки. Изготовленные на заказ специальные приспособления с механически обработанными деталями или прецизионными допусками могут стоить от 3000 до 8000 долларов США для применения в аэрокосмической отрасли или в вакуумных печах.

Должен ли я использовать вкладыш или разделительную среду внутри корзины для термообработки?

Во время операций спекания на дно корзины обычно кладут керамическую волокнистую бумагу, глиноземную плиту или установочные листы MgO, чтобы предотвратить реакцию между спеченными деталями и сплавом корзины - контакт между прессовками спекающего порошка и поверхностями сплава может вызвать загрязнение или соединение детали с приспособлением. Для закалки и цементации стали футеровка обычно не требуется; детали должны опираться непосредственно на сетку или стержень, чтобы максимизировать теплопередачу. При вакуумной закалке титана или химически активных сплавов сепараторы из графита или керамического волокна предотвращают захват сплава из точек контакта корзины.

Резюме: Как правильно выбрать корзину для термообработки для вашего процесса

Оптимальная корзина для термообработки — это та, которая соответствует вашей конкретной температуре процесса, агрессивности атмосферы, геометрии детали, весу нагрузки и требуемым циклам в год — и наиболее важным решением в этой спецификации является выбор сплава.

• Сначала сопоставьте сплав с температурой и атмосферой: нержавеющая сталь 304 для отпуска при температуре ниже 1500°F; 310 SS для общей цементации; RA330 или сплав 601 для тяжелых условий цементации или температур до 2100°F; Отливки из сплава HP для спекания и работы при экстремальных температурах
• Выберите тип корзины, соответствующий геометрии детали и процессу: Проволочная сетка для атмосферокритичных процессов; сборный стержень для тяжелых или крупных деталей; литые лотки для экстремальных температур и проходных печей; перфорированный лист для мелких деталей
• Размер правильный: Собственный вес корзины не должен превышать 20–25 % общей шихты; минимум 35–50 % открытой площади для процессов, критически важных для атмосферы
• Реализуйте программу обслуживания: Дробеструйная очистка и проверка каждые 50–100 циклов; отслеживать количество циклов; заменяйте заранее по истечении 75–80 % ожидаемого срока службы.
• Рассчитайте стоимость жизненного цикла, а не цену покупки: А basket that costs 2× as much but lasts 3× as long is the economically correct choice in virtually every production environment