Как да изберем материал за нагревателна плоча и тип нагревател за преса за синтероване при висок-вакуум и висока{1}}температура?

За синтероване на усъвършенствана керамика, карбиди или огнеупорни метали се нуждаете от преса, която може да работи при висок вакуум и при температури, при които стандартните стомани губят структурата си и започват да отделят значителни пари. При тези високи условия нагревателната плоча се превръща в основен структурен и термичен елемент на системата. Следователно дизайнът на високовакуумна преса за синтероване за нагревателни плочи се основава на материали, които са стабилни, здрави и с изключително-ниско отделяне на газове при условия над 1000 градуса и дълбоки нива на вакуум.

При тези температури плочата е пламтящо парче от същото минерално царство, което обработва. Изборът на материал трябва да бъде направен от най-огнеупорните елементи, налични в инженерната практика.

Екстремни условия на обработка за вакуумно синтероване
Високо{0}}вакуумните преси за синтероване се използват за уплътняване на материалите, което изисква:

Газова атмосфера с ултра{0}}висока чистота

Точни температурни профили над 1000 градуса

Контролирано прилагане на налягане по време на процеса на синтероване

Слабо замърсяване от инструментални материали

Вакуумната среда предотвратява окисляването, но изисква много строги свойства на летливост на материала и отделяне на газове.

Защо обикновените метали се провалят
Конвенционалните неръждаеми стомани и никелови сплави не са подходящи, защото:

Механичната якост намалява бързо над ~800-900 градуса

Значително отделяне на газове във вакуум

Замърсяване на детайла чрез повърхностно замърсяване

Голямо пълзене при натоварване

Тези ограничения изискват преход към огнеупорни метали и въглерод-материали.

Избор на материал за нагревателната плоча на високовакуумни преси за синтероване
Изборът на материал за нагревателната плоча на преса за синтероване при висок вакуум зависи от термичната стабилност, механичната якост и съвместимостта с вакуум.

Графитът като плоча
Графитът е често срещан материал, използван за плочи за вакуумно синтероване, особено в системи със средна до висока температура.

Основни свойства на графита
Стабилен в инертна среда или вакуум до приблизително . 2500 градуса

Много добра устойчивост на термичен шок

Плочата е много подходяща за машинна обработка за сложни геометрии

Сравнително ниска цена в сравнение с огнеупорни метали

Обикновено използваните в графитните плочи включват:

Системи за горещо{0}}пресоване

Пещи за прахова металургия

Керамични преси

Графитът обаче е порест и трябва да бъде правилно почистен и обработен, за да се намали отделянето на газове.

Молибден и волфрам за ултра{0}}плочи с висока температура
Сред огнеупорните метали, използвани за най-взискателните приложения за синтероване, са молибденът и волфрамът.

Характеристики на молибден
Точка на топене около . 2620 градуса

Висока твърдост при висока температура

По-висока топлопроводимост от керамиката

Добра стабилност на размерите във вакуум

Характеристики на волфрам
Точка на топене: ~3422 градуса

Устойчивост при висока температура - страхотно

Висока плътност и твърдост

Отлична устойчивост на пълзене

При тези температури плочата е горящо парче от същото минерално царство, което обработва, със съществени характеристики на материала, общи със самите синтеровани компоненти.

Критично ограничение
Молибденът не може да се използва в окислителни атмосфери. Високите температури причиняват бързо окисление, което води до катастрофално разрушаване на материала. Следователно системите с молибден и волфрам могат да работят само в:

Условия на висок вакуум.

Атмосфера на инертен газ (аргон, хелион)

Намалени контролирани условия

Технологии за нагревателни елементи с вакуумни пластини
Нагряването в пресите за синтероване под висок вакуум се осигурява от огнеупорни подходящи елементи.

Телни нагреватели от молибден
Обикновено се използва молибденова жица, тъй като е съвместима с настройки за вакуум и висока температура. Може да е:

Вътре в графитните структури

висящи зад воалите от светлина

Вградени във възли на плоча

Компоненти от силициев карбид
SiC пръти понякога се използват в системи с по-нисък вакуум или преходни системи. Тези елементи са главно лъчисти нагреватели и са разположени извън повърхността на плочата.

Доминиране на радиационното отопление
Конвекцията не е важна при висок вакуум. Основният начин на пренос на топлина е:

Излъчване от нагревателния елемент

Проводимост на плочата структура

Топлинни щитове, които са отразяващи

Контрол на отделянето на газове и съвместимост с вакуум
От съществено значение е материалът да е чист, тъй като всеки газ, отделян при системите за вакуумно синтероване, може да повреди вакуума и да опетни резултата от синтероването.

Източници на замърсяване
Често срещани източници на замърсяване са:

Органични остатъци от машинни масла

Адсорбирана влага във въздуха

Летливи замърсители в основни материали

Оксиди и въглеродни съединения върху повърхности

Процедури за-вакуумно изпичане
Обикновено модулите на плочата се изпичат в контролиран цикъл преди оперативна употреба.

В този процес:

Нагряване на плочата при условия на вакуум

Температурата е по-висока от желаното работно ниво

Летливите видове се изхвърлят от матрицата на веществото

остатъчните газове се изпомпват от системата

Тази процедура на предварителна подготовка е необходима за стабилна работа на вакуума по време на производствените цикли.

Съображения за механичен и топлинен дизайн
Високотемпературните плочи трябва да имат стабилни размери при термично напрежение и механичен натиск.

Контрол на термичното разширение
Графитът и огнеупорните метали се характеризират с различно термично разширение. Проектирането на системата трябва да вземе предвид:

Равномерно разширяване върху големи повърхности на плочата

Избягване на концентрации на топлинен стрес

Контролирани градиенти на нагряване по време на нарастване и намаляване

Изисквания за носене на тежести
При приложенията за горещо пресоване плочата също е компонент,-носещ структурно натоварване. Следователно изборът на материал трябва да вземе предвид:

Устойчивост на пълзене при продължително натоварване

Модул на еластичност при работна температура

стабилност на дълготрайни-деформации

Сравнителен преглед на избора на материал
Материал Максимална температура Вакуумна съвместимост Механична якост Типично приложение
Графит ~2500 градуса Отличен (вакуум/инертен) Умерен Обща плоча за синтероване
Молибден ~2620 градуса Отлична (само не-оксидираща) Висока Висока{2}}прецизна преса
Волфрам ~3422 градуса Отлично (само не-окисляващо) Много високи системи за екстремни температури
Системна архитектура и интеграция на процеси
Като цяло системите с нагревателна плоча се комбинират със сложни устройства на пещ{0}}пресови възли, като например:

Системи за управление на топлината за много-зони

Вакуумни помпени системи (висок и изключително висок вакуум)

Купища радиационна защита

Системи за пресоване (хидравлични или механични)

Надеждни мрежи за наблюдение на температурата

Всяка подсистема трябва да бъде проектирана да бъде стабилна в среда с висока температура и вакуум.

Заключителни мисли
Инженерното решение за избор на нагревателна плоча за високо{0}}температурна преса за вакуумно синтероване е едно от най-екстремните в дизайна на термичната обработка. Графитът, молибденът и волфрамът имат своя собствена уникална комбинация от термична стабилност, механична якост и вакуумна съвместимост, което позволява работа при температури, при които други структурни материали биха се повредили.

Така че високовакуумната преса за синтероване на материал с нагревателна плоча е специфична система с висока стойност, направена от компоненти, които могат да оцелеят в тежките условия, които създават. Изборът на материал в тази област е основно изследване на горния край на периодичната таблица, където производителността се определя от огнеупорна стабилност и поведение при ултра-висок вакуум.

Най-горещите производствени процеси върху инструменти, конструирани върху същите основни основи, в крайна сметка се формират от най-екстремните настройки в природата, където термичните и структурните ограничения се срещат на ръба на материалните възможности.