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真空熱壓燒結(jié)爐結(jié)構(gòu)及應(yīng)用簡介

更新更新時間:2021-03-25點擊次數(shù):5303

    對于金屬、陶瓷以及一些難熔金屬中間化合物粉末的燒結(jié),一般采用兩種燒結(jié)方式即無壓燒結(jié)和有壓燒結(jié)。而目前常用的有壓燒結(jié)主要常采用以下三種方式,熱等靜壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)及氣壓燒結(jié)。隨著大量新材料的不斷被研發(fā)出來及工業(yè)化量產(chǎn)的需求,上述三種有壓燒結(jié)被大量應(yīng)用于新材料的制備。熱等靜壓燒結(jié)及氣壓燒結(jié)設(shè)備由于自身結(jié)構(gòu)特殊,生產(chǎn)成本較為昂貴,對于很多生產(chǎn)型廠家來說,并不是合理的選擇,因而研發(fā)成本較低的真空熱壓燒結(jié)爐有著其現(xiàn)實意義?,F(xiàn)在的研究及生產(chǎn)實踐證明,熱壓材料致密化的過程包括塑性流動、粘性流動和擴散與蠕變,當(dāng)以塑性和粘性流動成為主導(dǎo)致密機制時,粉末體得到快速致密化,并得到可控的顯微結(jié)構(gòu)。熱壓法的優(yōu)勢在于設(shè)備投資小,雖然壓力較等靜壓低一個數(shù)量級,但由于熱壓機內(nèi)承壓材料可以變細(xì),從而限制了縱向熱流,改善了工件溫度場的均勻性、大大降低了能耗,可以制備大直徑的材料、能夠以IT技術(shù)測控?zé)釅簷C,有效的控制材料的致密化過程及質(zhì)量。

    熱壓燒結(jié)是利用熱能與機械能將制品致密化的過程。此過程的特色是燒結(jié)溫度可依外加壓力的大小而比常壓燒結(jié)低約200~400℃,同時外加的能量使得制品致密化的速度加快,因此*致密且晶粒細(xì)致的制品可在降低的溫度及較短的時間內(nèi)完成;而采用真空熱壓燒結(jié),由于熱壓過程中保持有較高的真空度,能夠進(jìn)一步有效地降低制品的燒結(jié)溫度并高效排除微小氣孔中的氣體,從而進(jìn)一步的促進(jìn)熱壓材料的致密化過程。*,燒結(jié)溫度的降低,對于微粉制品,能夠有效的防止晶粒的長大,對于最終產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定有著極其重要意義。尤其是對于接近納米級硬質(zhì)合金等材料,由于顆粒直徑的減小,比表面積增大、表面活化能增加、顆粒間的接觸面積增加,造成最終燒結(jié)的驅(qū)動力增大,降低了氣孔的產(chǎn)生及氣孔的數(shù)量?,F(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn),納米級粉末制品的燒結(jié)驅(qū)動力是普通制品的幾十甚至上百倍。抑制燒結(jié)過程中晶粒的長大是獲得納米晶粒制品重要關(guān)鍵的過程,而真空熱壓燒結(jié)工藝能夠很好的實現(xiàn)這一點,這一點在結(jié)構(gòu)陶瓷及ITO靶材的實際生產(chǎn)中已得到了證明。

 

一、真空熱壓燒結(jié)爐的分類

真空熱壓燒結(jié)爐根據(jù)使用環(huán)境可分類如下:

大氣熱壓燒結(jié)爐:主要有氧熱壓燒結(jié),在大氣環(huán)境下熱壓燒結(jié);

氣氛熱壓燒結(jié)爐:通過氣氛保護(hù)或起化學(xué)反應(yīng)來熱壓燒結(jié);

真空熱壓燒結(jié)爐:通過一定的高真空環(huán)境來熱壓燒結(jié),所燒結(jié)的材料厭氧或與氧氣會起化學(xué)反應(yīng),必須通過真空環(huán)境下來熱壓燒結(jié)。

真空熱壓燒結(jié)爐根據(jù)溫度可分類如下:

1、常溫~800℃:溫度在800℃以下的爐子,加熱器常采用鐵鉻鋁、鎳鉻絲等作為加熱元件,保溫材料常采用高溫硅酸鋁保溫氈。

2、常溫~1600℃:溫度在1000~1600℃常采用金屬鉬、硅鉬棒、硅碳棒,石墨棒等作為加熱元件,保溫材料常采用復(fù)合碳?xì)?、莫來石氈,石墨氈等?/font>

3、常溫~2400℃:溫度在1600~2400℃常采用石墨管,金屬鎢等作為加熱元件或采用感應(yīng)加熱方式,保溫材料常用石墨氈等。

二、真空熱壓燒結(jié)爐的組成(電阻式加熱)

真空熱壓爐主要由爐體、爐門、加熱與保溫及測溫系統(tǒng)、壓系統(tǒng)真空氣氛系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)等組成。

熱壓燒結(jié)爐具有工作溫度高、真空度高、結(jié)合壓力大、冷卻條件好等優(yōu)點,整個爐體除發(fā)熱和保溫部外,其余各部位均可快速冷卻,安全性能耗。要滿足以上特點,對結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造精度都較高的要求,下面我們來了解下它的結(jié)構(gòu)特點:

1)爐體全部采用不銹鋼制造,為雙層結(jié)構(gòu),分內(nèi)外桶體,爐底封頭采用旋壓工藝加工。因為熱壓裝置產(chǎn)生的力要由爐體承受,爐體必需具有很高的強度和足夠的剛度,在外力和高溫下不會產(chǎn)生變形。爐底動態(tài)密封裝置固定爐體中心線上,與法蘭盤必需垂直,保證下頂桿沿直線運動動態(tài)密封裝置有良好的冷卻系統(tǒng),以延長密封件的使用壽命。

2爐門由爐封頭及法蘭、舉起油缸和上壓頭組成。爐為雙層結(jié)構(gòu),為承受下頂桿傳遞的壓力,必需具有足夠的強度和剛度。上壓頭的下端工作時處于高溫區(qū),必需強制冷卻。

3)保溫系統(tǒng)由隔熱、反射、保溫層等組成,分別用石墨、鉬片、石墨氈和不銹鋼制作。用鉬片制作的反射主要抵御由發(fā)熱元件產(chǎn)生的輻射熱,以免損害保溫層和爐體。

   (4壓力系統(tǒng)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(qū)動爐蓋上下運動,二是驅(qū)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(jù)設(shè)定的壓力自動保壓,使制品始終處于恒壓狀態(tài)。油缸運動的速度調(diào)節(jié)范圍為50~300mm/min。熱壓油缸在有載工作時必需具有較高的穩(wěn)定性,不能抖動。制備高質(zhì)量的產(chǎn)品,熱壓油缸的運動質(zhì)量是重要的條件之一。

三、真空熱壓燒結(jié)爐的應(yīng)用

1、先進(jìn)陶瓷熱壓燒結(jié)(B4C燒結(jié))

純碳化硼的致密化燒結(jié)是極其困難的,這是因為其共價鍵達(dá)到93.94%,遠(yuǎn)高于諸如碳化硅(88%)和氮化硅(70%)等。從而使得碳化硼內(nèi)氣孔的消除、晶界和體積擴散需要在2200℃以上充分發(fā)生。

碳化硼的晶格及結(jié)構(gòu)片段

一般而言,普通碳化硼粉末在2250-2300℃常壓燒結(jié),只能達(dá)到80-87%的相對密度。其機理是在溫度接近碳化硼熔點時的體積擴散。在如此高溫的條件下燒結(jié),晶粒會快速粗化、長大,不利于氣孔的排除,并將產(chǎn)生大量的殘余氣孔使材料的致密性受到影響。

   碳化硼是一種典型的通過共價鍵結(jié)合的穩(wěn)定化合物,加上它的擴散系數(shù)低,很難用常規(guī)的燒結(jié)方法使其達(dá)到致密化,必須通過添加一些燒結(jié)助劑以降低表面能或增加表面積,以及采用特殊工藝處理來獲得致密的碳化硅陶瓷。

   熱壓燒結(jié)是目前制造碳化硼及其復(fù)合材料工程器件應(yīng)用較廣泛的快速燒結(jié)方法。采用添加劑的熱壓燒結(jié)能夠強烈促進(jìn)致密化速率,并可以獲得接近理化密度的材料,明顯提高產(chǎn)品性能。目前采用的助劑與常壓燒結(jié)采用的助劑相似。液相燒結(jié)在碳化硅及其復(fù)合材料燒結(jié)中占重要地位。

   實驗表明,在2150℃下熱壓燒結(jié)10min,碳化硼陶瓷的相對密度達(dá)到91.6%,室溫楊氏模量292.5GPa,室溫泊松比0.16,在0~1000℃內(nèi),溫度與線膨脹系數(shù)成正比,而導(dǎo)熱系數(shù)降低。

2、靶材熱壓燒結(jié)

   通常,熔融鑄造法無法實現(xiàn)難熔金屬濺射靶材的制備,對于熔點和密度相差較大的兩種或兩種以上的金屬,采用普通的熔融鑄造法,一般也難以獲得成分均勻的合金靶材,對于無機非金屬靶材、復(fù)合靶材,熔融鑄造法更是無能為力,而粉末冶金法是解決制備上述靶材技術(shù)難題的理想途徑。同時,粉末冶金工藝還具有容易獲得均勻細(xì)晶結(jié)構(gòu)、節(jié)約原材料、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點,目前已成為磁控濺射靶材的主要制備方法和研究熱點。

   粉末冶金法;將一定成分配比的合金原料熔煉,澆注成鑄錠后再粉碎,將粉碎形成的粉末經(jīng)等靜壓成形,再高溫?zé)Y(jié),最終形成靶材。常用的粉末冶金工藝包括冷壓、真空熱壓和熱等靜壓等,而真空熱壓燒結(jié)可以制備大尺寸、高致密度的平面靶材,應(yīng)用相當(dāng)廣泛。

3、金屬/陶瓷擴散焊連接

   由于陶瓷材料與金屬材料化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)根本不同,加上陶瓷本身特殊的物理化學(xué)性能,因此無論是與金屬連接還是陶瓷自身的連接都存在不少的難題。其主要體現(xiàn)在如下兩個問題,其一:陶瓷材料主要由離子鍵和共價鍵組成,金屬材料則主要是由金屬鍵構(gòu)成,二者幾乎不浸潤,因此需要考慮陶瓷與金屬材料的潤濕性問題,其二:兩者的線膨脹系數(shù)一般相差較大,當(dāng)采用熱封或者機械連接時,陶瓷與金屬的接頭處會有較大的應(yīng)力殘留,削弱接頭的力學(xué)性能甚至使接頭受到破壞開裂,因此需考慮結(jié)頭處的熱應(yīng)力緩解問題。

固相擴散連接是目前研究較多的耐高溫陶瓷/金屬連接方式,其工作原理是:兩個同種或異種材質(zhì)在高溫及一定壓力下緊密接觸,表面發(fā)生塑性變形,原子間實現(xiàn)相互擴散,形成良好的接頭。

   該工藝的優(yōu)點是接頭處質(zhì)量穩(wěn)定,連接強度高,可焊接較大截面的接頭,一次可焊多個接頭,效率較高,可增加中間層,對陶瓷材料無需表面金屬化。但該法工藝過程復(fù)雜,可滿足高溫和耐蝕條件下的應(yīng)用要求。對連接表面狀態(tài)和連接設(shè)備要求高。

四、熱壓燒結(jié)技術(shù)發(fā)展趨勢

    熱壓燒結(jié)一直很受矚目,但它在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展卻并不顯著,只有少數(shù)特殊制品得以成功,如用于核工業(yè)的致密化碳化硼,用于軍工的氟化鎂窗,以及特制的碳化鎢、切割工具和特種靶材等。限制熱壓燒結(jié)應(yīng)用的主要原因是耗資高,燒制一件樣品通常需要固定占用一套有壓力、升溫系統(tǒng)的裝置,且樣品的幾何形狀又局限在圓柱狀上,但這些原因也同時促進(jìn)了等靜壓燒結(jié),只是目前仍有許多技術(shù)問題亟待解決,尤其是等靜壓模具,且初期投資大。目前隨著社會進(jìn)步科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,熱壓燒結(jié)逐漸趨向于數(shù)字模型人工智能自動化方向發(fā)展。

五、我司先進(jìn)陶瓷及復(fù)合材料熱工裝備

    皓越科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售電爐為一體的先進(jìn)型技術(shù)企業(yè)。公司一直專注于半導(dǎo)體材料、碳材料、先進(jìn)陶瓷與復(fù)合材料和鋰電材料四大行業(yè),擁有豐富的行業(yè)經(jīng)驗和專業(yè)技術(shù),竭誠服務(wù)于客戶,提供完善的一體化產(chǎn)業(yè)解決方案。

 

 

 

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