Kokį vaidmenį šildomos plokštės atlieka karštuoju techninės keramikos spaudimu?

Jūs tiesiog neišlydysite ir neišliesite kareivio tvirtos, neperšaunamos{0}}keraminės šarvų plokštės arba permatomo, itin kieto{1}}kupolo, skirto raketos infraraudonųjų spindulių ieškotojui. Jis gaminamas karšto presavimo būdu: ploni, birūs keraminiai milteliai supilami į štampą ir išspaudžiami dideliu slėgiu, esant degimo temperatūrai, giliai vakuuminėje krosnyje. Ir plokštelės, tiekiančios šią gniuždančią, deginančią energiją, nėra plieninės, kurios susmuktų ir ištirptų. Tai tankaus grafito arba ugniai atsparaus metalo blokai, oranžiniai su karščiu ir yra kiečiausių ir pažangiausių pasaulyje medžiagų skulptoriai.

Techninės keramikos karštasis presavimas
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 laipsnių) ir išlydyta keramika sugenda arba susidaro nepageidaujamos fazės. Vietoj to jie gaminami naudojant miltelinės metalurgijos procesus, o karštasis presavimas yra viena iš efektyviausių procedūrų, užtikrinančių beveik -teorinį tankį ir puikias mechanines charakteristikas.

Kruopščiai pasvertas keramikos miltelių kiekis įpilamas į štampavimo ertmę, dažniausiai grafitą, atliekant karšto presavimo operaciją. Štampas yra tarp dviejų didelių plokščių karštųjų plokščių. Visas mazgas dedamas į vakuuminę kamerą arba krosnį, užpildytą inertinėmis dujomis (argonu arba azotu). Plokštės kaitinamos iki 1500 laipsnių temperatūros, paprastai tiesiogiai per jas perduodant labai didelę elektros srovę (kaitinimas priešpriešiniu būdu) arba indukciniu kaitinimu. ir daugiau nei 2000 laipsnių. Tuo pačiu metu hidraulinis cilindras daro vienaašį slėgį (dažnai 20–100 MPa) per plokšteles į miltelius. Plastinė keraminių dalelių deformacija, veikiant intensyviai šilumai ir slėgiui, ir grūdelių ribos difuzija bei šliaužimas sukelia tankėjimą. Sumažėja poringumas ir susidaro visiškai tankus, aukštos kokybės keramikos komponentas.

Degančios grafito plokštės yra karšti, negailestingi priekalai, kurie išspaudžia gyvybę į miltelių krūvą ir iškaldo beveik nesunaikinamos keramikos gabalą.

Kodėl šildomos plokštės yra gyvybiškai svarbios procesui
Technologinė keraminė karšto presavimo sistema su šildomomis plokštelėmis yra ne tik šilumos ir jėgos tiekėjas, bet ir centrinis įrenginys, lemiantis pagamintos keraminės dalies kokybę. Plokštės atlieka keletą svarbių funkcijų:

1. Vienodas, aukštos temperatūros šildymas
Plokštės turi tolygiai kaitinti štampą ir miltelius per visą presavimo paviršių. Bet koks temperatūrų skirtumas lemia netolygų tankėjimą, o karštos dalys tampa per-tankios ir gali matytis grūdelių vystymasis, o vėsesnės dalys išlieka porėtos ir silpnos. Taigi plokštės supjaustomos iki tam tikro lygumo (paprastai geriau nei 0,01 mm) ir šildomos naudojant kelių zonų maitinimo šaltinius arba tinkamai sukonstruotus varžinius kaitinimo elementus. Esant 2000 laipsnių temperatūrai, kuri yra įspūdingas inžinerinis pasiekimas, temperatūros vienodumas išilgai plokštės paviršiaus paprastai išlaikomas ± 5 laipsnių ribose.

2. Tolygus slėgio pasiskirstymas
Hidraulinis cilindras veikia jėgą, tačiau lėkštės tą jėgą tolygiai paskirsto visame štampo skerspjūvyje. Jei plokščių paviršiai nėra tiksliai lygūs ir lygiagretūs, slėgio pasiskirstymas nėra vienodas. Tai reiškia, kad komponentai iš vienos pusės yra storesni, o iš kitos – plonesni arba kad jie turi tankio gradientus. Net aukštoje temperatūroje (virš 1500 laipsnių) grafitas pradeda šliaužti. Plokštės turi būti pakankamai storos ir iš didelio grynumo smulkiagrūdžio grafito, kuris neiškryps veikiant įtempimui. Kai kuriuose sudėtingesniuose presuose naudojamos kietos grafito plokštės, paremtos minkštesniu, reikalavimus atitinkančiu grafito veltiniu arba hidrauline kelių{7}stūmoklių sistema, kad slėgis būtų tolygesnis.

3. Atsparumas dideliam šiluminiam ir mechaniniam įtempimui
Plokštės vienu metu yra veikiamos stiprios gniuždymo apkrovos ir stiprios temperatūros. Plienas būtų minkštas ir tekėtų 1000 laipsnių, gerokai anksčiau nei reikiamas 1500–2000 laipsnių diapazonas. Įprasta medžiaga yra storas, didelio stiprumo{5}}grafitas (izotropinis arba smulkiagrūdis). Grafitas turi gerą atsparumą šiluminiam smūgiui (greitas kaitinimas ir aušinimas nesudūžtant), chemiškai suderinamas su dauguma keramikos miltelių ir išlaiko 2500 laipsnių gniuždymo stiprumą. Kai kuriose konkrečiose srityse, kur reikalingas labai didelis grynumas arba ne{9}}anglies atmosfera, plokštelėms naudojami ugniai atsparūs metalai, pvz., volframas ar molibdenas, nors jie yra brangesni ir mažiau atsparūs oksidacijai.

4. Švarios, reaguojančios-nemokamos aplinkos teikimas
Techninė keramika beveik visada karštai presuojama vakuume (paprastai 10-2–10-4 mbar) arba inertinių dujų atmosferoje (argonas, azotas). Tai slopina keramikos miltelių ir grafito plokščių oksidaciją. Aukštoje temperatūroje esantis deguonis greitai sudegintų grafitą ir sugadintų daugumą neoksidinės keramikos. Štampas arba keramika neturėtų reaguoti su pačiomis plokštelėmis. Dėl didelio grynumo grafito inertiškumo karbidams, nitridams ir oksidams esant proceso temperatūrai, tai yra optimali plokštelių medžiaga.

Grafito kaitinamos plokštės projektavimas ir paruošimas
Grafitinės plokštės nėra išdrožtos iš grafito bloko. Jie yra tiksliai suprojektuoti komponentai. Tipiški parametrai yra šie:

Medžiaga: smulkiagrūdė-grūdė (<10 μm), high bulk density (>1,8 g/cm³), grafitas, izostatinis arba vibracinis. Didelis tankis padidina šilumos laidumą, mechaninį stiprumą ir atsparumą erozijai.

Plokštumas: Paviršiaus lygumas visame plokštumos paviršiuje Mažesnis arba lygus 0,01 mm. Tai dažniausiai pasiekiama šlifuojant deimantais po atkaitinimo aukštoje temperatūroje.

Lygiagretumas: Viršutinių ir apatinių plokščių paviršiai šlifuojami lygiagrečiai 0,02 mm arba mažesniu atstumu.

Paviršiaus danga (pasirinktinai): kai kurios plokštės yra padengtos plonu pirolitinio grafito sluoksniu arba ugniai atspariu karbidu (pvz., TaC, NbC), kad būtų sumažintas nusidėvėjimas, išvengta štampo prilipimo ir pailginamas tarnavimo laikas.

Aušinimo kanalai (integruoti): Kai po presavimo ciklo plokštes reikia greitai atvėsinti, vidiniai kanalai yra apdirbami į grafito blokus, per kuriuos pumpuojamos inertinės dujos (pvz., helis arba argonas). Tačiau reikia pasirūpinti vėsinimu, kad būtų išvengta šiluminio šoko.

Naujos grafito plokštės paprastai „iškepamos“ prieš pirmą kartą naudojant aukštoje temperatūroje vakuume, kad būtų pašalinta bet kokia sugerta drėgmė ar lakūs teršalai. Šia dujų pašalinimo procedūra siekiama išvengti keramikos užteršimo.

Proceso pastaba: kontroliuojamas aušinimas, kad būtų išvengta šiluminio šoko
1500{2}}2000 laipsnių temperatūroje sukurta keraminė dalis turi būti atvėsinta iki kambario temperatūros. Ši atvėsimo-fazė yra tokia pat svarbi, kaip ir pats presavimas. Techninė keramika, ypač ne-oksidai (silicio karbidas, boro karbidas), yra trapi ir turi ribotą šilumos laidumą. Jei aušinimas vyksta greitai arba netolygiai, susidaro vidinė šiluminė įtampa, dėl kurios dalis gali spontaniškai - sudužti, kai ji palieka presą.

Todėl presavimo ciklo pabaigoje įkaitintoms plokštelėms tiekiama galia lėtai mažinama pagal užprogramuotą vėsinimo{0}}profilį. Įprastas profilis gali būti nuleisti temperatūrą nuo 2000 laipsnių iki 800 laipsnių per 2-4 valandas ir leisti natūraliai atvėsti inertinėje atmosferoje. Pačios plokštelės turi atvėsti tolygiai. Grafitas padeda dėl santykinai didelio šilumos laidumo (apie . 50-100 W/mk aukštoje temperatūroje, priklausomai nuo klasės), tačiau jo aušinimo greitį vis dar riboja keramikos savybės. Kai kurie karštieji presai turi aktyvią aušinimo sistemą, kuri siurbia inertines dujas per plokštelės kanalus, tačiau srautas yra kruopščiai kontroliuojamas, kad būtų išvengta šilumos gradiento per plokštelės paviršių.

Skirtinga keramika, skirtingi plokščių dizainai
Karštojo presavimo sąlygos skirtingoms techninėms keramikoms yra skirtingos. Atitinkamai, šildomos plokštės yra pritaikytos:

Keramika|Tipinė karšto spaudimo temperatūra|Plokštės medžiaga|Specialūs svarstymai
Silicio karbidas (SiC) 1800–2100 laipsnių GrafitasLabai aukšta temperatūra Reikalingas labai didelio grynumo grafitas Dažnai naudojamas pirolitinis grafito sluoksnis, kad būtų išvengta sąveikos su SiC garais
Aliuminio oksidas (Al2O3) 1400–1600 laipsnių Grafitas arba molibdenasGali būti spaudžiamas vakuume arba inertinėse dujose. Molibdenas, kai reikia vengti anglies užteršimo
Boro karbidas (B₄C) 2000–2200 laipsnių Grafitas Ekstremali temperatūra; reikalingas specialus didelio-tankio, smulkiagrūdis-grafitas; labai lėtai atvėsti-
Silicio nitridas (Si3N4) 1700-1850 laipsnių Grafitas Paprastai naudojamas miltelių sluoksnis arba folija (pvz., BN atpalaidavimo sluoksnis), kad būtų išvengta komponento prilipimo prie plokštės arba štampo
Cirkonio diboridas (ZrB 2 ) 1900-2100 laipsnių Grafitas (padengtas TaC) Labai reaktyvus, reikalinga apsauginė karbido danga ant plokštės paviršiaus
Kodėl karštasis spaudimas yra geresnis nei kiti keramikos formavimo metodai?
Palyginti su beslėgiu sukepimu arba karštuoju izostatiniu presavimu (HIP), karštasis presavimas šildomomis plokštelėmis suteikia:

Higher Density: Hot pressing gives you >99,5% teorinio tankio ir per trumpesnį laiką.

Smulkaus grūdelio dydis. Sukepinimas slėgiu leidžia sukepinti žemesnėje temperatūroje nei beslėgis sukepinimas, todėl susidaro mažesni grūdeliai ir pagerinamos mechaninės charakteristikos.

Beveik{0}}neto forma: keraminė dalis gaminama tiesiai į štampą, todėl po presavimo reikia labai nedaug apdirbti (tai sudėtinga ir brangu kietajai keramikai).

Vienodos savybės: vienaašio slėgio ir vienodo šildymo derinys lemia izotropines arba beveik{0}}izotropines savybes, priklausomai nuo medžiagos ir presavimo sąlygų.

Tačiau karštasis presavimas apsiriboja palyginti paprastomis formomis (cilindriais, blokais, plokštėmis) ir yra brangesnis įrankių sąnaudų atžvilgiu nei sukepinimas be slėgio. Sudėtingesnėms formoms gali prireikti kitų procedūrų, pavyzdžiui, liejimo įpurškimo ir sukepinimo.

Saugos ir eksploatavimo svarstymai
Dirbant su 2000 laipsnių įkaitintomis plokštelėmis vakuuminės kameros viduje, reikia imtis saugos priemonių:

Grafito oksidacija: pametus kaukę arba nutrūkus inertinių dujų tiekimui, karštas grafitas užsidegs ore, kurio temperatūra viršija 400 laipsnių, greitai degdamas ir išskirdamas itin karštą. Jei deguonies patenka, automatiniai blokatoriai išjungia maitinimą ir praplauna kamerą inertinėmis dujomis.

Šiluminė spinduliuotė. Liepsnojančios plokštelės stipriai spinduliuoja infra-raudonaisiais spinduliais. Apsauginiai filtrai sumontuoti peržiūros langeliuose. Operatoriai niekada nežiūri tiesiai į karštą zoną be akių apsaugos.

Šiluminis grafito smūgis Grafito plokščių įtrūkimas greitai aušinant Didelių plokščių aušinimo{0}}greitis yra Mažesnis arba lygus 50 laipsnių per minutę ir paprastai daug lėtesnis.

Mirties ir miltelių pavojai: kai kurie keramikos milteliai (pvz., berilio oksidas, torio oksidas) yra nuodingi. Tokių medžiagų karštasis presavimas atliekamas pirštinių-dėžėse. Grafito dulkės, net ir „inertiškos“, susikaupusios gali sukelti elektros pavojų.

IŠVADA: lygiausi, galingiausi ir karščiausi paviršiai
Šildoma plokštelė yra aukščiausios{0}}temperatūrinio kalimo įrankių viršūnė, paverčianti birius, pilkus miltelius į pažangiausius gyvybę{1}}taupančius keramikos komponentus Žemėje. Jie svyruoja nuo šarvų plokščių, stabdančių šautuvų šovinius, iki pjovimo įrankių, apdirbančių superlydinius, iki raketų kupolų, atlaikančių viršgarsinį skrydį, iki guolių rutulių, kurie važiuoja netepti-visa tai gimsta ant karščiausių, stipriausių ir plokščiausių paviršių-karšto presavimo krosnies žėrinčių grafito plokščių. Procedūra reikalauja labai aukštų temperatūrų (> 1500 C), tolygaus slėgio ir švaraus vakuumo arba inertinės atmosferos. 2) Kiekvieno kaitinamos plokščių sistemos elemento dizainas – nuo ​​smulkiagrūdžio grafito iki mikronų- lygio plokštumo iki kontroliuojamo vėsinimo{10}}profilio, optimizuotas taip, kad būtų sukurtas didelis, tankus, nedefektyvus, našumas. Dirbant su sudėtingomis medžiagomis, kiečiausi gaminiai susidaro ant kiečiausios, karščiausios įrangos – karšto preso įkaitintų plokščių.