双室高温真空热压烧结炉的研制

时间：2024-05-19

张文静　李晓明

【摘要】本文介绍了双室高温真空热压炉的设备组成、主要技术参数和结构特点，并指出了该设备在透明陶瓷制造行业推广应用的前景。

【关键词】真空热压炉;热压烧结;透明陶瓷

中图分类号： TK175文献标识码： A 文章编号： 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（镁铝尖晶石透明陶瓷），简称透明陶瓷，广泛应用于电子、光学、照明、机械、国防等领域。透明陶瓷的烧结方法多种多样，有常压烧结、真空热压烧结、气氛烧结、微波烧结及SPS放电等离子烧结。透明陶瓷的真空热压烧结是在加热粉状材料的同时进行加压，主要取决于塑性流动，而不是扩散。对于同一种材料而言，热压烧结与常压烧结相比：热压法容易获得接近理论密度、气孔率接近于零的烧结体，容易得到细晶粒的组织，易得到具有良好机械性能、电学性能的产品;能生产形状较复杂、尺寸较精准的产品;粉末粒度、硬度对热压过程影响小，可压制一些硬而脆的材料。热压烧结的缺点是加热、冷却时间长，生产效率低。为了提高生产效率，应用户要求，研制了双室半连续式真空热压烧结炉。

1 设备的组成及主要技术性能参数

设备分为双室炉体、真空系统、加压系统、冷却系统、电气控制系统等几部分组成，结构示意图如图1。

设备的主要技术参数见表1。

2 设备的结构特点

2.1 炉体

爐体为双室立式结构，炉壳为双层水冷结构，升温时炉壁外表面温度不高于环境温度+20℃。炉体随底炉门车平行移动，带调速控制功能，运行平稳，前后运动具有机械定位功能。顶炉门采用螺栓连接，方便检修。底炉门采用气缸锁紧，操作方便。底炉门固定在升降平台车上，随升降平台升降，方便工件进出。

隔热屏：采用硬质复合石墨毡，加工成三明治式石墨毡筒。具有连续有效的保温、加快炉子升温和冷却速度、减少炉内气氛中的纤维颗粒、缩短抽空时间、容易操作、维护更简单等优点。在硬质复合石墨毡两表面覆有石墨箔，用作气体的对流屏蔽板，还将加热元件的热辐射反射回炉体内部，并防止石墨毡在较高气体流速下被腐蚀。由于石墨毡吸附水蒸汽后不利于抽真空，在热压烧结前须对炉体进行烘烤。

加热器：热压烧结的加热方式有感应加热和电阻加热两种方式。据了解，目前国内以感应加热方式的热压烧结炉其炉温均匀性很难满足±5℃。2200℃的热压烧结设备的极限真空度很难达到10-4Pa。因此该设备选用电阻加热方式。根据设备的最高温度2200℃，选用石墨加热元件。石墨加热元件不会因为再结晶或因老化引起的晶粒长大而导致变脆。另一优点是，石墨加热元件的强度随温度上升增加，而热抗震性保持不变。圆柱面和顶底都设有加热器，侧区加热器选用圆筒形加热器，顶底加热器选用环形。加热器的布置形式，既满足设备的炉温均匀性，又能满足上下压头移动。与金属加热元件相比较，结构简单，价格便宜，成本低廉。

2.2 真空系统

根据设备的真空度，真空系统采用1台油扩散泵，1台罗茨泵，1台滑阀泵组成三级抽气系统。另设1台直联机械泵作为维持泵，供扩散泵启动、停止用。在高真空挡板阀与扩散泵之间设有氟利昂冷阱以抑制扩散泵返油。滑阀泵排气口接有油雾分离器，减少空气污染。

真空阀门均为气动挡板阀。阀门的开启与闭合均由PLC控制，且联动互锁，断电时阀门自动关闭以保证炉内真空度，避免工件氧化。该系统在各级管道上设有检漏接口，分段检漏很方便，布局紧凑。

设备烧结的是粉状材料，为防止粗抽时炉内粉末被抽走，系统设置了微抽阀。为防止烧结过程中产生的粉尘颗粒随气流抽至泵腔，影响真空泵的抽气性能，甚至会造成前级泵的损坏，在前级管道上设置了两级除尘过滤装置：第一级为干式除尘器，内芯可抽出清理，该除尘器可收集烧结过程中产生的大部分粉尘颗粒;第二级为油浸钢丝球式过滤器，可有效收集烧结过程中产生的挥发物、油脂、粉尘等，避免粉尘颗粒对滑阀泵转子的划伤，结构简单，便于维护清理。

真空系统与炉室之间配有手动隔离阀，来实现双室炉体共用一套真空系统，降低成本，节省空间。

2.3 液压系统

本系统由液压站、主加压液压缸、液压机架、液压管路及冲头位移检测装置等组成。在透明陶瓷热压过程中，液压系统对工件实施准确、稳定的压力是透明陶瓷致密度的重要因素。

2.4 冷却系统

高温热压烧结后，炉体内部是温度均匀的高温气体，炉体降温速度很慢，炉体设有的惰性气体冷却装置加快了炉体降温速度，缩短了工作周期。

2.5 加热电源系统

为了保证对模具加热的均匀性，设计了顶、侧、底三区加热。加热电源系统由磁性调压器、整流回路、控制及保护回路等组成，形成三个可独立调节的回路，分别为三个可控热区供电。

2.6 电气控制系统

该系统由工业计算机监控管理、西门子S7系列可编程控制器为主的过程控制、多回路智能控温仪炉温控制组成。控制系统具有故障诊断功能，并具有过载、过电流、缺相及机械各动作之间的电气安全联锁。冲头压力和位移突然变化时冲头立即停止加压动作、停止加热并报警提示，以减轻事故损失。

按预设的温度工艺曲线，通过智能控制仪、控制热电偶、加热电源和电阻负载完成烧结过程。按预设的压力工艺曲线，通过智能控制仪、压力传感器、液压站和液压冲头完成加压过程。可全称自动控制，也可手动介入操作。控制系统结构图见图2.多通道记录仪负责记录工作过程的真空度和温度、压力，位移数显表显示上冲头工作位置。

3 真空热压设备的生产工艺及流程

真空热压设备按照实际生产工艺实施各个步骤，工艺参数可通过对控制仪表参数的设定方便进行更改，保证了生产过程的自动化，提高了产品的加工精度，为高性能、高致密度的透明陶瓷的生产奠定了加工基础。