Термическая обработка алюминиевых сплавов в печах типа ПАП

Н. И. КОЛОБНЕВ, Л. Б. КУШНЕР, Д. М. МИТИН, П. И. ТЕВИС
ISSN 0026-0819. «Металловедение и термическая обработка металлов», № 1. 1968 г.

Для термической обработки алюминиевых, магниевых, титановых сплавов и сталей разработаны и на ряде заводов успешно эксплуатируются рециркуляционные печи ПАП, в которых воздух или газ нагревается без применения электрических или других специальных нагревателей до 550-600 °С. Печь ПАП представляет собой теплоизолированную камеру без кирпичной кладки с центробежным вентилятором, имеющим определенный расчетный профиль лопаток. Вентилятор, работая в замкнутой системе, превращает почти всю приложенную для его вращения энергию в теплоту, которая передается нагреваемым изделиям за счет конвективного теплообмена.

На большинстве машиностроительных заводов термическая обработка алюминиевых сплавов проводится в воздушных печах ЭТА или в селитровых ваннах. Нами проведено исследование условий нагрева различных полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов в печи ПАП-3 в сравнении с печью ЭТА-2 и селитровой ванной, близкими по размерам рабочего пространства.

Продолжительность и равномерность нагрева воздуха и селитры изучались с помощью 12 контрольных термопар, равномерно расположенных в рабочем пространстве. Определение продолжительности нагрева различных полуфабрикатов до 500-515 °C проводилось с помощью термопар, заделанных в центры образцов из сплава Д16 (листы толщиной 0,8-10 мм, трубы с толщиной стенки 1-4 мм, прутки диаметром 40-200 мм) и сплава АК6 (поковки толщиной 40-100 мм). Образцы загружали в печи и в селитровую ванну с садками металла весом 80-350 кг.

Установлено, что печь ПАП-3 обеспечивает более равномерное температурное поле в рабочем пространстве по сравнению с печью ЭТА-2, приближаясь по величине перепада температуры в рабочем пространстве к селитровым ваннам (см. табл.1).

Таблица 1. Характеристика печей ПАП-3, ЭТА-2 и селитровой ванны

Вид термического оборудования	Мощность, кВт	Размер рабочего пространства, мм	Максимальная рабочая температура, °C	Скорость циркуляции воздуха, м/сек	Температура нагрева, °C	Перепад температур, °C
ПАП-3	55	1100×3100×1600	550	16-18	160	±1,5
					410	±2,0
					500	±3,0
ЭТА-2	129	1200×3200×1500	550	6	550	±5,0
Селитровая ванна	100	1000×3200×1100	540	—	500	±2,0

Нагрев воздуха в печи ПАП-3 от комнатной до 500 °C происходит в два раза быстрее (4 ч), чем в печи ЭТА-2 (8 ч) таких же габаритов, но мощностью, в два раза большей.

Несмотря на большее снижение температуры в печи ПАП-3 по сравнению с печью ЭТА-2 после загрузки садок металла весом 180-350 кг воздух и в этом случае до заданной температуры нагревается в 1,5-2 раза быстрее (рис. 1,а). Однако, при загрузке меньших садок (80-160 кг) воздух в печи ЭТА-2 нагревается до заданной температуры в 1,5 раза быстрее, чем в печи ПАП-3 (рис. 1,б). Это объясняется большим запасом тепла в печи ЭТА-2 за счет прогретой кирпичной кладки, что также приводит к меньшему снижению температуры в печи ЭТА-2 при загрузке металла в разогретую печь.

Рис.1. Кинетические кривые нагрева воздуха в печах ПАП-3, ЭТА-2 и селитры в ванне с момента загрузки садки до заданной температуры 515 °C:
а — садка прутков и поковок весом 350 кг;
б — садка прутков и поковок весом 160 кг.

При загрузке металла в селитровую ванну из-за большой тепловой инерции снижение температуры селитры минимальное, а продолжительность нагрева до заданной температуры максимальное по сравнению с печами ЭТА-2 и ПАП-3 (рис. 1,б).

Нагрев образцов прутков и поковок в садках весом 160-350 кг до 515 °C и образцов листов и труб в садках весом 80-180 кг до 500 °C в печи ПАП-3 происходит в 1,8-2,5 раза быстрее (в зависимости от толщины), чем в печи ЭТА-2, несмотря на более быстрый нагрев воздуха в печи ЭТА-2 при загрузке малых по весу садок.

Рис.2. Кинетические кривые нагрева образцов прутков и поковок толщиной 100 мм в садке весом 160 кг в печах ПАП-3, ЭТА-2 и в селитровой ванне до 515 °C.

Продолжительность нагрева металла в селитровой ванне наименьшая по сравнению с печами ПАП-3 и ЭТА-2 (рис. 2). При нагреве садки прутков и поковок весом 160 кг оказалось, что до 505 °C прутки и поковки толщиной 40-200 мм нагреваются в селитровой ванне за 5-20 мин, в печи ПАП-3 за 40-100 мин, а в печи ЭТА-2 за 60-180 мин. Затем скорость нагрева образцов в селитре резко снижается и различие в продолжительности нагрева до 515 °C уменьшается: продолжительность нагрева образцов в печи ПАП-3 лишь в 1-2,4 раза, а в печи ЭТА-2 в 2,5-5 раз больше, чем в селитре.

Преимущества печи ПАП-3 в равномерности температурного поля в рабочем пространстве и скорости нагрева металла, несмотря на меньшую мощность (в 2 раза) в сравнении с печью ЭТА-2, объясняется большой скоростью циркуляции воздуха, малой тепловой инерцией, наличием одной тепловой зоны и полным отсутствием теплообмена лучеиспусканием. Печь ЭТА-2 имеет три самостоятельно регулируемые тепловые зоны; теплообмен лучисто-конвективный.

С целью определения возможности использования печи ПАП-3 для отжига алюминиевых деформируемых сплавов было исследовано изменение скорости охлаждения вместе с печью с 420 до 200 °C садки весом 180 кг листов толщиной 0,8-10 мм сплава Д16. При охлаждении с 420 до 380 °C максимальная скорость охлаждения (26 град/ч) достигалась на листах толщиной 0,8-1,5 мм.

Для оценки качества термической обработки различных полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов в печах ПАП-3, ЭТА-2 и в селитровой ванне исследовались механические свойства: коррозионная стойкость, сопротивление коррозии под напряжением, глубина диффузии меди и магния о плакирующий слой листов и электропроводность. Образцы листов толщиной 0,8-10 мм сплавов Д16М и Д16Т, трубы с толщиной стенки 1,5 мм, прутка диаметром 40 мм сплава Д16Т, поковки толщиной 70 мм сплава АК6, а также заклепки диаметром 5 мм сплава В65 нагревались под закалку в печах ПАП-3, ЭТА-2 и в селитровой ванне. После закалки образцы из сплава Д16 подвергались естественному старению, из сплава АК6 и В65 — искусственному старению в печи ПАП-1. Термическая обработка проводилась по стандартным режимам.

Механические свойства образцов после термической обработки в указанных агрегатах, электропроводность, потери механических свойств за счет коррозии листов толщиной 0,8 и 1,5 мм, а также сопротивление коррозии под напряжением листов толщиной 5, 10 мм и труб почти одинаковы.

Глубина диффузии меди и магния в плакирующий слой листов толщиной 0,8 и 1,5 мм сплава Д16 после термической обработки во всех случаях не превышала 10-15 % толщины плакировки, что не влияет на коррозионную стойкость.

Выводы. 1. Печи ПАП экономичнее, более просты в изготовлении и безопасны при обслуживании по сравнению с воздушными электрическими печами и с селитровыми ваннами.

2. В печах ПАП обеспечивается более равномерное температурное поле в рабочем пространстве и в 2 раза меньшая продолжительность нагрева воздуха от комнатной до заданной температуры, чем в печах ЭТА.

3. Нагрев различных полуфабрикатов с толщиной сечения 40-200 мм в садках весом 80-350 кг до 500-515 °C в печи ПАП-3 происходит в 1,8-2,5 раза быстрее, чем в печи ЭТА-2 аналогичных габаритов, но в 2 раза большей мощности.

4. Механические свойства, коррозионная стойкость, сопротивление коррозии под напряжением и электропроводность различных полуфабрикатов из сплавов Д16, АК6 и В65, термически обработанных в печах ПАП-3, ЭТА-2 и в селитровой ванне, не отличаются.