Hvaða hlutverki gegna upphitaðar plötur í heitpressun á tæknikeramik?

Þú bræðir ekki einfaldlega og steypir traustri, skotheldri, skotheldri keramikbrynjuplötu hermanns eða gegnsærri, ofur-harðri hvelfingu fyrir innrauða eldflaugaleitara. Það er búið til með heitpressun: þunnu, lausu keramikdufti er pakkað í mót og kreist undir miklum þrýstingi við brennandi hitastig, djúpt inni í lofttæmisofni. Og plöturnar sem gefa þessa myljandi, brennandi orku eru ekki stál, sem myndi síga og bráðna. Þetta eru kubbar úr þéttum grafíti eða eldföstum málmi, appelsínugult með hita, og þeir eru myndhöggvarar af hörðustu og fullkomnustu efnum heims.

Heitpressun á tæknikeramik
Technical ceramics, such as silicon carbide (SiC), aluminium oxide (Al₂O₃), boron carbide (B₄C) and silicon nitride (Si₃N₄), are characterised by excellent hardness, high-temperature strength, wear resistance and chemical inertness. However, they cannot be melted and cast like metals, because their melting points are very high (typically >2000 gráður) og bráðið keramik brotnar niður eða skapar óæskilega fasa. Þess í stað eru þau framleidd úr duftmálmvinnsluferlum, heitpressun er ein skilvirkasta aðferðin til að veita nærri-fræðilegan þéttleika og framúrskarandi vélræna eiginleika.

Vandlega vegið magn af keramikdufti er hlaðið í deyjahol, venjulega grafít, í heitpressunaraðgerð. Teningurinn er á milli tveggja stórra, flatra heitra plötur. Öll samsetningin er sett í lofttæmishólf eða ofn fylltan með óvirku gasi (argon eða köfnunarefni). Plöturnar eru hitaðar, venjulega með því að setja mjög mikinn rafstraum beint í gegnum þær (viðnámshitun) eða með inductive hitun, að hitastigi á milli 1500 gráður. og yfir 2000 gráður. Á sama tíma beitir vökvahringur einása þrýstingi (oft 20–100 MPa) í gegnum plöturnar að duftinu. Plastaflögun keramikagna undir miklum hita og þrýstingi og dreifing og skrið kornmarka leiða til þéttingar. Gropi minnkar og algerlega þéttur hágæða keramikhluti er framleiddur.

Brennandi grafítplöturnar eru heitu, miskunnarlausu steðjurnar sem kreista lífinu í dufthrúgu og móta bút af nánast óslítandi leirmuni.

Hvers vegna upphitaðar plötur eru mikilvægar fyrir ferlið
Tæknilega keramik heitpressunarkerfið með upphituðum plötum er ekki aðeins hita- og kraftveita, heldur miðlægt tæki sem ákvarðar gæði fullunnar keramikhluta. Plöturnar hafa fjölda mikilvægra aðgerða:

1. Samræmd, háhitahitun
Plöturnar verða að hita deyfið og duftið jafnt yfir allt pressuflötið. Allur hitamunur leiðir til ójafnrar þéttingar, þar sem heitir hlutar verða of-þéttir og sýna hugsanlega kornþroska á meðan kaldari hlutar eru áfram gljúpir og veikir. Plöturnar eru þannig skornar í ákveðna flatleika (venjulega betri en 0,01 mm) og hituð með því að nota multi-aflgjafa eða rétt hönnuð viðnámshitaeining. Við 2000 gráður, sem er glæsilegt verkfræðilegt afrek, er hitastigi einsleitni meðfram yfirborði plötunnar venjulega haldið innan ±5 gráður.

2. Jöfn þrýstingsdreifing
Vökvahringurinn beitir krafti en það eru plöturnar sem dreifa þeim krafti jafnt yfir allan þversnið teningsins. Ef plötuflötin eru ekki nákvæmlega jöfn og samsíða er þrýstingsdreifingin ó-jöfn. Þetta þýðir að íhlutirnir eru þykkari á annarri hliðinni og þynnri á hinni eða að þeir hafa þéttleikahalla. Jafnvel við háan hita (yfir 1500 gráður) byrjar grafít að skríða. Plöturnar verða að vera nægilega þykkar og úr háhreinleika fínkorna grafíti sem skekkist ekki við álag. Sumar af flóknari pressunum nota harðar grafítplötur sem studdar eru af mýkri, samhæfum grafítfilti eða vökvakerfi með mörgum-stimplum til að auka enn frekar einsleitni þrýstings.

3. Viðnám gegn mikilli hitauppstreymi og vélrænni streitu
Plöturnar verða samtímis fyrir miklu þjöppunarálagi og miklum hita. Stál væri mjúkt og flæði við 1000 gráður, langt fyrir 1500–2000 gráður sem þarf. Venjulega efnið er þykkt,-sterkt grafít (samsætt eða fínkorn). Grafít hefur góða viðnám gegn hitaáfalli (hröð upphitun og kæling án þess að splundrast), er efnafræðilega samhæft við flest keramikduft og heldur þrýstistyrk sínum við 2500 gráður. Í sumum sérstökum forritum þar sem krafist er mjög mikils hreinleika eða ekki-kolefnis andrúmslofts, eru eldfastir málmar eins og wolfram eða mólýbden notaðir fyrir plöturnar, þó að þeir séu dýrari og minna oxunarþolnir-.

4. Að veita hreint, hvarfgjarnt-ókeypis umhverfi
Tæknileg keramik er næstum alltaf heitpressuð undir lofttæmi (venjulega 10-2 til 10-4 mbar) eða óvirku gaslofti (argon, köfnunarefni). Þetta hindrar oxun keramikduftsins og grafítplatanna. Súrefni við háan hita myndi brenna grafít hratt og skemma flest keramik sem ekki er oxíð. Deyjan eða keramikið ætti ekki að bregðast við plötunum sjálfum. Vegna tregðu hárhreins grafíts gagnvart karbíðum, nítríðum og oxíðum við vinnsluhitastig er það ákjósanlegasta plötuefnið.

Hönnun og undirbúningur grafíthitaðs plötu
Grafítplötur eru ekki skornar úr grafítblokk. Þetta eru nákvæmnishannaðar íhlutir. Dæmigert færibreytur eru:

Efni: fínt-korn (<10 μm), high bulk density (>1,8 g/cm³), grafít, jafnstöðu- eða titringsmótað. Hár þéttleiki eykur hitaleiðni, vélrænan styrk og rofþol.

Flatleiki: Yfirborðssléttleiki á öllu yfirborði plötunnar Minna en eða jafnt og 0,01 mm. Þetta er almennt gert með demantsslípun eftir háhita streitulosun.

Samsíða: Flötur á efri og neðri plötum eru slípaðar samsíða innan minna en eða jafnt og 0,02 mm.

Yfirborðshúð (valfrjálst): Sumar plötur eru húðaðar með þunnu lagi af brennslugrafíti eða eldföstum karbíði (td TaC, NbC) til að draga úr sliti, forðast að festast í mótunum og lengja endingartímann.

Kælirásir (samþættar): Þegar þarf að kæla plöturnar fljótt eftir pressunarferlið eru innri rásir unnar inn í grafítblokkina sem óvirku gasi (td helíum eða argon) er dælt í gegnum. Hins vegar verður að gæta varúðar við kælingu til að forðast hitaáfall.

Nýjar grafítplötur eru almennt „bakaðar“ áður en þær eru notaðar í fyrsta sinn við háan hita í lofttæmi til að útrýma öllum frásognum raka eða rokgjörnum aðskotaefnum. Þessi aðferð við losun á gasi miðar að því að koma í veg fyrir mengun keramiksins.

Aðferðarathugið: Stýrð kæling til að forðast hitaáfall
Keramikhlutinn sem búinn er til við 1500-2000 gráður verður að kæla niður í stofuhita. Þessi kólnunarfasi-er jafn mikilvægur og pressan sjálf. Tæknileg keramik, sérstaklega ó-oxíð (kísilkarbíð, bórkarbíð) eru brothætt og hafa takmarkaða hitaleiðni. Ef kæling er hröð eða ójöfn, myndast innri hitaspenna sem getur valdið því að hluturinn splundrast af sjálfu sér - oft kröftuglega - þegar hann fer úr pressunni.

Þess vegna, í lok pressunarlotunnar, lækkar krafturinn sem er til hituðu plöturnar hægt og rólega í kjölfar forritaðs -kólunarsniðs. Algengt snið gæti verið að lækka hitastigið úr 2000 gráðum í 800 gráður á 2-4 klukkustundum og láta það síðan kólna náttúrulega í óvirku andrúmsloftinu. Platurnar sjálfar verða að kólna jafnt. Grafít hjálpar með tiltölulega mikilli hitaleiðni (u.þ.b. . 50-100 W/mk við háan hita, fer eftir gráðu), en hraðinn sem það kólnar á er enn takmarkaður af eiginleikum keramiksins. Sumar heitpressur eru með virkt kælikerfi sem dælir óvirku gasi í gegnum plöturásirnar en flæðishraðanum er vandlega stjórnað til að koma í veg fyrir hitastig yfir yfirborð plötunnar.

Mismunandi keramik, mismunandi plötuhönnun
Heitpressunarskilyrðin eru breytileg fyrir mismunandi tæknilega keramik. Í samræmi við það eru hituðu plöturnar aðlagaðar:

Keramik|Dæmigert heitpressunarhitastig|Plata efni|Sérstök atriði
Kísilkarbíð (SiC) 1800-2100 gráðu grafítMjög hár hiti Mjög hreint grafít krafist. Oft er gjóskandi grafítlag notað til að koma í veg fyrir samskipti við SiC gufur
Súrál (Al2O3) 1400–1600 gráður Grafít eða mólýbden Hægt að pressa í lofttæmi eða óvirku gasi. Mólýbden þegar forðast verður kolefnismengun
Bórkarbíð (B₄C) 2000–2200 gráður Grafít Mikill hiti; sérstakt hár-þéttleiki, fínkornað-grafít krafist; mjög hægt kólna-niður
Kísilnítríð (Si3N4) 1700-1850 gráðu grafít Venjulega er duftbeð eða álpappír (td BN losunarlag) notað til að koma í veg fyrir að íhluturinn festist við plötuna eða deyja
Sirkoníumdíbóríð (ZrB 2 ) 1900-2100 gráðu grafít (hjúpað með TaC) Mjög hvarfgjarnt, þarf hlífðarkarbíðhúð á yfirborði plötunnar
Af hverju er heitpressun betri en aðrar keramikmótunaraðferðir?
Í samanburði við þrýstingslausa hertu eða heita jafnstöðupressu (HIP), gefur heitpressun með upphituðum plötum:

Higher Density: Hot pressing gives you >99,5% fræðilegur þéttleiki, og á skemmri tíma.

Fín kornastærð. Sintring undir þrýstingi gerir sintun kleift við lægra hitastig en þrýstilaus sintun, sem gefur tilefni til smærri korna og bættra vélrænna eiginleika.

Nálægt-net lögun: Keramikhlutinn er framleiddur beint í mótið þannig að mjög lítillar vinnslu eftir pressun þarf (sem er erfitt og dýrt fyrir hart keramik).

Samræmdir eiginleikar: Sambland af einása þrýstingi og einsleitri upphitun leiðir til jafntrópískra eða nær-samsætueiginleika, allt eftir efninu og pressunaraðstæðum.

En heitpressun er takmörkuð við tiltölulega einföld form (strokka, blokkir, plötur) og er dýrari í verkfærakostnaði en þrýstilaus sintun. Fyrir flóknari form gæti verið þörf á einhverri annarri aðferð, til dæmis sprautumótun og síðan sintun.

Öryggis- og rekstrarsjónarmið
Þegar unnið er með upphituðu plöturnar við 2000 gráður inni í lofttæmishólfinu verður að gera öryggisráðstafanir:

Oxun grafíts: Ef loftræstingin tapast eða óvirka gasið bilar mun heitt grafít kvikna í lofti við hitastig yfir 400 gráður, brenna hratt og gefa frá sér mikinn hita. Ef súrefni kemst inn slökkva sjálfvirkir læsingar á rafmagninu og skola hólfið með óvirku gasi.

Varmageislun. Logandi plöturnar geisla sterklega í innra-rauða. Hlífðarsíur eru settar upp í útsýnisgluggunum. Rekstraraðilar horfa aldrei beint á heita svæðið án augnverndar.

Hitaáfall grafíts Sprungur grafítplötur með hraðri kælingu Stórar plötur hafa lágan-kólnunarhraða sem er Minna en eða jafnt og 50 gráður/mínútu og venjulega mun hægari.

Dánarhætta og duft: Sum keramikduft (td berylliumoxíð, tóriumoxíð) eru eitruð. Heitpressun slíkra efna fer fram í hanskaboxum-. Grafítryk, jafnvel þegar það er „óvirkt“, getur verið rafmagnshætta þegar það safnast upp.

NIÐURSTAÐA: Hæsta, öflugasta, heitasta yfirborðið
Upphitaða platan er hápunkturinn í smíðaverkfærum við-háhita og breytir lausu, gráu dufti í fullkomnasta líf-sparandi keramikhluta á jörðinni. Þeir eru allt frá brynjaplötum sem stöðva riffillotur, til skurðarverkfæra sem vinna ofur málmblöndur, til eldflaugahvelfinga sem lifa af yfirhljóðsflugi, til legubolta sem ganga án smurningar-allir fæddir á heitasta, sterkasta og flatasta yfirborðinu-glóandi grafítplötum heitpressunarofns. Aðferðin krefst mjög hás hitastigs (> 1500 C), jafns þrýstings og hreins lofttæmis eða óvirks andrúmslofts. 2) Hönnun hvers þáttar í upphitaða plötukerfinu, allt frá fíngerðu-korna grafítstigi til míkron-sléttu til stýrðs kælingar-niðursnúningsprófíls, er fullkomlega gölluð{1} til að framleiða háan{1} afköst keramik. Þegar um er að ræða háþróuð efni myndast hörðustu vörurnar á hörðustu og heitasta búnaðinum - upphituðum plötum heitpressunar.