雙室高溫真空熱壓燒結(jié)爐的研制

張文靜　李曉明

【摘 要】本文介紹了雙室高溫真空熱壓爐的設(shè)備組成、主要技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點，并指出了該設(shè)備在透明陶瓷制造行業(yè)推廣應(yīng)用的前景。

【關(guān)鍵詞】真空熱壓爐;熱壓燒結(jié);透明陶瓷

中圖分類號： TK175文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0056-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.024

【Abstract】Describes the build-up， main technical parameters and structural features of the two-chamber high temperature vacuum sintering furnace， and points out the application prospect of the equipment in transparent ceramic manufacturing industry.

【Key words】Vacuum hot pressing furnace; Hot pressing sintering; Transparent ceramics

0 引言

透明尖晶石（鎂鋁尖晶石透明陶瓷），簡稱透明陶瓷，廣泛應(yīng)用于電子、光學(xué)、照明、機(jī)械、國防等領(lǐng)域。透明陶瓷的燒結(jié)方法多種多樣，有常壓燒結(jié)、真空熱壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)、微波燒結(jié)及SPS放電等離子燒結(jié)。透明陶瓷的真空熱壓燒結(jié)是在加熱粉狀材料的同時進(jìn)行加壓，主要取決于塑性流動，而不是擴(kuò)散。對于同一種材料而言，熱壓燒結(jié)與常壓燒結(jié)相比：熱壓法容易獲得接近理論密度、氣孔率接近于零的燒結(jié)體，容易得到細(xì)晶粒的組織，易得到具有良好機(jī)械性能、電學(xué)性能的產(chǎn)品;能生產(chǎn)形狀較復(fù)雜、尺寸較精準(zhǔn)的產(chǎn)品;粉末粒度、硬度對熱壓過程影響小，可壓制一些硬而脆的材料。熱壓燒結(jié)的缺點是加熱、冷卻時間長，生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)效率，應(yīng)用戶要求，研制了雙室半連續(xù)式真空熱壓燒結(jié)爐。

1 設(shè)備的組成及主要技術(shù)性能參數(shù)

設(shè)備分為雙室爐體、真空系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等幾部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點

2.1 爐體

爐體為雙室立式結(jié)構(gòu)，爐殼為雙層水冷結(jié)構(gòu)，升溫時爐壁外表面溫度不高于環(huán)境溫度+20℃。爐體隨底爐門車平行移動，帶調(diào)速控制功能，運(yùn)行平穩(wěn)，前后運(yùn)動具有機(jī)械定位功能。頂爐門采用螺栓連接，方便檢修。底爐門采用氣缸鎖緊，操作方便。底爐門固定在升降平臺車上，隨升降平臺升降，方便工件進(jìn)出。

隔熱屏：采用硬質(zhì)復(fù)合石墨氈，加工成三明治式石墨氈筒。具有連續(xù)有效的保溫、加快爐子升溫和冷卻速度、減少爐內(nèi)氣氛中的纖維顆粒、縮短抽空時間、容易操作、維護(hù)更簡單等優(yōu)點。在硬質(zhì)復(fù)合石墨氈兩表面覆有石墨箔，用作氣體的對流屏蔽板，還將加熱元件的熱輻射反射回爐體內(nèi)部，并防止石墨氈在較高氣體流速下被腐蝕。由于石墨氈吸附水蒸汽后不利于抽真空，在熱壓燒結(jié)前須對爐體進(jìn)行烘烤。

加熱器：熱壓燒結(jié)的加熱方式有感應(yīng)加熱和電阻加熱兩種方式。據(jù)了解，目前國內(nèi)以感應(yīng)加熱方式的熱壓燒結(jié)爐其爐溫均勻性很難滿足±5℃。2200℃的熱壓燒結(jié)設(shè)備的極限真空度很難達(dá)到10-4Pa。因此該設(shè)備選用電阻加熱方式。根據(jù)設(shè)備的最高溫度2200℃，選用石墨加熱元件。石墨加熱元件不會因為再結(jié)晶或因老化引起的晶粒長大而導(dǎo)致變脆。另一優(yōu)點是，石墨加熱元件的強(qiáng)度隨溫度上升增加，而熱抗震性保持不變。圓柱面和頂?shù)锥荚O(shè)有加熱器，側(cè)區(qū)加熱器選用圓筒形加熱器，頂?shù)准訜崞鬟x用環(huán)形。加熱器的布置形式，既滿足設(shè)備的爐溫均勻性，又能滿足上下壓頭移動。與金屬加熱元件相比較，結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，成本低廉。

2.2 真空系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備的真空度，真空系統(tǒng)采用1臺油擴(kuò)散泵，1臺羅茨泵，1臺滑閥泵組成三級抽氣系統(tǒng)。另設(shè)1臺直聯(lián)機(jī)械泵作為維持泵，供擴(kuò)散泵啟動、停止用。在高真空擋板閥與擴(kuò)散泵之間設(shè)有氟利昂冷阱以抑制擴(kuò)散泵返油。滑閥泵排氣口接有油霧分離器，減少空氣污染。

真空閥門均為氣動擋板閥。閥門的開啟與閉合均由PLC控制，且聯(lián)動互鎖，斷電時閥門自動關(guān)閉以保證爐內(nèi)真空度，避免工件氧化。該系統(tǒng)在各級管道上設(shè)有檢漏接口，分段檢漏很方便，布局緊湊。

設(shè)備燒結(jié)的是粉狀材料，為防止粗抽時爐內(nèi)粉末被抽走，系統(tǒng)設(shè)置了微抽閥。為防止燒結(jié)過程中產(chǎn)生的粉塵顆粒隨氣流抽至泵腔，影響真空泵的抽氣性能，甚至?xí)斐汕凹壉玫膿p壞，在前級管道上設(shè)置了兩級除塵過濾裝置：第一級為干式除塵器，內(nèi)芯可抽出清理，該除塵器可收集燒結(jié)過程中產(chǎn)生的大部分粉塵顆粒;第二級為油浸鋼絲球式過濾器，可有效收集燒結(jié)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)物、油脂、粉塵等，避免粉塵顆粒對滑閥泵轉(zhuǎn)子的劃傷，結(jié)構(gòu)簡單，便于維護(hù)清理。

真空系統(tǒng)與爐室之間配有手動隔離閥，來實現(xiàn)雙室爐體共用一套真空系統(tǒng)，降低成本，節(jié)省空間。

2.3 液壓系統(tǒng)

本系統(tǒng)由液壓站、主加壓液壓缸、液壓機(jī)架、液壓管路及沖頭位移檢測裝置等組成。在透明陶瓷熱壓過程中，液壓系統(tǒng)對工件實施準(zhǔn)確、穩(wěn)定的壓力是透明陶瓷致密度的重要因素。

2.4 冷卻系統(tǒng)

高溫?zé)釅簾Y(jié)后，爐體內(nèi)部是溫度均勻的高溫氣體，爐體降溫速度很慢，爐體設(shè)有的惰性氣體冷卻裝置加快了爐體降溫速度，縮短了工作周期。

2.5 加熱電源系統(tǒng)

為了保證對模具加熱的均勻性，設(shè)計了頂、側(cè)、底三區(qū)加熱。加熱電源系統(tǒng)由磁性調(diào)壓器、整流回路、控制及保護(hù)回路等組成，形成三個可獨(dú)立調(diào)節(jié)的回路，分別為三個可控?zé)釁^(qū)供電。

2.6 電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)由工業(yè)計算機(jī)監(jiān)控管理、西門子S7系列可編程控制器為主的過程控制、多回路智能控溫儀爐溫控制組成?？刂葡到y(tǒng)具有故障診斷功能，并具有過載、過電流、缺相及機(jī)械各動作之間的電氣安全聯(lián)鎖。沖頭壓力和位移突然變化時沖頭立即停止加壓動作、停止加熱并報警提示，以減輕事故損失。

按預(yù)設(shè)的溫度工藝曲線，通過智能控制儀、控制熱電偶、加熱電源和電阻負(fù)載完成燒結(jié)過程。按預(yù)設(shè)的壓力工藝曲線，通過智能控制儀、壓力傳感器、液壓站和液壓沖頭完成加壓過程?？扇Q自動控制，也可手動介入操作?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2.多通道記錄儀負(fù)責(zé)記錄工作過程的真空度和溫度、壓力，位移數(shù)顯表顯示上沖頭工作位置。

3 真空熱壓設(shè)備的生產(chǎn)工藝及流程

真空熱壓設(shè)備按照實際生產(chǎn)工藝實施各個步驟，工藝參數(shù)可通過對控制儀表參數(shù)的設(shè)定方便進(jìn)行更改，保證了生產(chǎn)過程的自動化，提高了產(chǎn)品的加工精度，為高性能、高致密度的透明陶瓷的生產(chǎn)奠定了加工基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

透明陶瓷高溫真空熱壓爐投入工業(yè)運(yùn)行至今性能穩(wěn)定，真空熱壓法生產(chǎn)的透明陶瓷符合后續(xù)生產(chǎn)的工藝要求。隨著透明陶瓷的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)量的增加，該設(shè)備還可以開發(fā)成三室、四室等新的型式。

隨著社會科技的進(jìn)步和新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對透明陶瓷等新材料需求的種類和數(shù)量度大大增加，我們應(yīng)抓住透明陶瓷市場需求猛增的大好時機(jī)，加速透明陶瓷生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

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