離心熱壓燒結裝置

離心熱壓燒結裝置，是包括加熱裝置和離心機裝置的綜合裝置。該離心熱壓燒結裝置工作溫度高、真空度高、壓合力大、冷卻條件好。整個爐體除發熱和保溫部件外,其餘各部位均強烈冷卻,這對結構設計和製造精度都提出了較高的要求。

基本介紹

• 中文名：離心熱壓燒結裝置
• 外文名：Centrifugal hot-pressing sintering device
• 學科：冶金工程
• 領域：冶煉
• 結構：加熱裝置和離心機裝置
• 特點：工作溫度高、真空度高、壓合力大

簡介

在真空和保護性氣氛中,對金屬、陶瓷及一些難熔金屬中間化合物粉末加熱燒結,要獲得一定密度和具有一定機械性能的材料時,一般採用兩種工藝:即有壓燒結和無壓燒結。有壓燒結工藝是將粉狀材料置於真空和保護性氣氛中的高碳模具中,高溫加熱到軟化狀態時,加壓成型。這種工藝需要一種離心熱壓燒結裝置才能實現。該燒結裝置具有溫度高、真空度高、熱壓力高的特點。目前這種爐型在我國尚未見定型產品。根據製備硼化物陶瓷材料的工藝要求,經過一年多的努力,作者自行研製成功一台真空熱壓結裝置,使用效果良好。

該離心熱壓燒結裝置工作溫度高、真空度高、壓合力大、冷卻條件好。整個爐體除發熱和保溫部件外,其餘各部位均強烈冷卻,這對結構設計和製造精度都提出了較高的要求。

主要技術參數

工作溫度≥2 300 ℃

功率0～50 kW

最大壓合力100 kN

工作電壓0～375 V

工作電流0～150 A

發熱體額定電壓0～36 V

下頂桿運動速度調節範圍　50～300 mm/ min

工作區尺寸(直徑×長度) 　140 mm ×160 mm

結構特點

離心熱壓燒結裝置由爐體、爐蓋、保溫桶、熱壓裝置、發熱體和電源、真空系統、水冷卻系統及測溫系統等組成。

(1) 爐體全部採用不鏽鋼製造,為雙層結構,分內外桶體,爐底封頭採用旋壓工藝加工。因為熱壓裝置產生的力要由爐體承受,爐體必須具有很高的強度和足夠的剛度,在外力和高溫下不得變形。爐底動密封裝置的固定座中心線與爐體上法蘭盤必須垂直,以保證下頂桿運動的直線度。動密封裝置固定座有良好的冷卻條件,以延長密封件的使用壽命。

(2) 爐蓋由爐蓋體、舉起油缸和上壓頭組成。爐蓋為雙層結構,為承受下頂桿傳遞的壓力,必須具有足夠的強度和剛度。上壓頭的下端工作時處於高溫區,必須強制冷卻。

(3) 保溫桶由隔熱桶、反射桶、保溫層及桶體組成,分別用石墨、鉬片、石墨氈和不鏽鋼製作。用鉬片製作的反射桶主要抵禦由發熱元件產生的輻射熱,以免損害保溫層和爐體。

(4) 熱壓裝置由液壓站、油缸、舉起油缸、下頂桿及控制器組成。液壓站有兩路壓力輸出,一是驅動爐蓋上下運動,二是驅動熱壓油缸運動。熱壓油缸的控制有兩種方式,手動或自動。自動運行時,可根據設定的壓力自動保壓,使製品始終處於恆壓狀態。

油缸運動的速度調節範圍為50～300 mm/ min。熱壓油缸在有載工作時必須具有較高的穩定性,不能抖動。製備高質量的產品,熱壓油缸的運動質量是重要的條件之一。

下頂桿是唯一一個在高溫區有載運動的零件,承受高壓和高溫的作用,又要在高溫區運動。要求它既不能變形,又不能在高溫環境下氧化。因此它必須具有良好的冷卻條件和動密封性能。整個爐體內的極限真空度在很大程度上取決於下頂桿動密封的情況。這是該爐的關鍵技術之一,要達到良好的動密封性能有很高的難度,這是不少研製者失敗的原因之一。為保證極低的漏氣率,一方面要提高加工精度,另一方面要選用適宜的密封材料。在該爐中,選擇聚四氟乙烯作為動密封材料。其特點是能耐300 ℃高溫、耐烘烤、放氣率低、耐磨損,而且具有良好的潤滑性能。密封圈的幾何形狀,是根據爐子在正、負壓狀態設計的。

(5) 發熱體和電源由發熱體、托盤、引入電極、乾式變壓器、可控矽電壓調節器組成。　發熱元件是爐子的關鍵部件,由托盤、發熱體組成,全部用高碳石墨加工。在發熱電源功率一定的情況下,爐子的溫度取決於發熱元件的幾何形狀和尺寸。

引入電極由中心導體、上絕緣體、下絕緣體、上密封圈和下密封圈組成。該電極為低電壓大電流結構,它不但起導電作用,還起到支撐發熱體的作用。發熱體托盤的溫度直接傳給中心導體,必須有良好的冷卻條件。中心導體內製成空心並設回水管,以保障水的流動不出現短路現象。電極的絕緣材料不僅有良好的絕緣性能,還必須具有耐高溫、耐烘烤的性能。該電極的絕緣套選擇聚四氟乙烯材料,具有良好的耐熱及絕緣性能,工作溫度可達300℃,可用於超高真空系統,無熱塑性,真空中的滲透率和放氣性都很小。

(6) 真空系統由真空閥門、擴散泵、旋片式真空泵、管路及真空測量儀表構成。該系統是在爐體的漏率達到最低極限時,能保證爐子正常工作的關鍵。

能否實現高真空度取決於真空泵的抽速、閥門的密封性、管路的密封和漏率性能能否達到要求。該爐中選擇的旋片式真空泵抽氣速率15 L/ s ,極限真空度5 ×10 - 4 Pa ;擴散泵抽氣速率800 L/ s ,極限真空度7 ×10 - 7 Pa 。管路採用放氣率低的矽橡膠管。

實現高真空度的措施

極限真空度和最大漏率極限是真空設備的兩項重要指標,也是該爐正常運行的基本條件。爐內的極限真空度(P) 取決於以下因素。

P = ( Qz + ΣQi) / S

式中:Qz —爐體的最大漏率(Pa·L/ s)

ΣQi —除Qz 以外的總放氣率(Pa·L/ s)

S —真空機組的有效抽速(Pa·L/ s)

影響最大漏率的因素有爐體的製造精度、爐體材料、密封材料、絕緣材料等。所以,應選擇漏率極低的材料作為主導材料,選擇密封性好的閥門,抽氣效率高的真空泵等。

總放氣率系指材料的放氣、解吸、凝結氣體的再蒸發、焊縫夾層內氣體的滲透,以及真空系統中工作介質的逆流和逆擴散等放氣的總和。其中材料的放氣率是影響真空度的最大因素。該爐中的材料包括:發熱元件、保溫材料、密封件、模具、製品的原材料等。就放氣率而言,在這些材料中保溫材料所占比重最大。在該爐中選擇金屬鉬片和石墨氈作為保溫材料, 在高溫中放氣率極低, 約為( 0. 7 ～ 3) ×10 - 9 。密封件材料選擇矽橡膠。

發熱元件產生2 300 ℃以上的溫度,目前常用的材料一般為鉬、鎢和石墨等。這幾種發熱材料必須在較高的真空度和有保護性氣氛的條件下才能正常工作。隨著爐內溫度的升高,爐內各種材料如發熱體、保溫材料、模具、被製備的原材料等有一個去氣和蒸發的過程,使真空度下降,影響發熱元件的壽命。所以,一般採用抗氧化的高純石墨製作發熱元件。

被製備的材料要獲得一定的壓合成型力,外來的機械力要通過密閉的爐體,首先要考慮的是機械動密封問題。這種機械動密封裝置必須滿足兩個條件:正壓、負壓時均能維持極限真空。

總結

在研製過程中,對結構設計和數據的計算做了大量的工作,在許多關鍵部件的設計上是首次嘗試,曾有過失敗。但經過反覆試驗和修改,在結構和性能方面與國外同類型設備比較,有許多獨到之處。

a. 全部採用國產零部件。互換性強,結構緊湊,使用安全可靠,便於維修,價格便宜,僅是國外同類產品的1/ 8 。

b. 發熱元件熱效率高。加熱電源採用可控矽調壓器恆流控制,升溫速率快,工作穩定,安全保護電路靈敏度高。

c. 爐內有效工作空間大。適合於有壓燒結或無壓燒結,操作靈活,套用範圍廣。

d. 液壓油缸與高溫區脫離,提高了安全性,便於安裝調試和維修。

e. 在燒結熱壓過程中,液壓站可根據工藝要求實行手動調壓和自動保壓,熱壓裝置操作靈活,也提高了產品在燒結過程中的內在質量。