Kāda ir apsildāmo plākšņu loma tehniskās keramikas karstajā presēšanā?

Jūs nevarat vienkārši izkausēt un izkausēt karavīra cieto, ložu{0}}necaurlaidīgo keramikas bruņu plāksni vai caurspīdīgu, īpaši cietu{1}}kupolu raķetes infrasarkano staru meklētājam. Tas tiek izgatavots ar karsto presēšanu: plāns, irdens keramikas pulveris tiek iesaiņots presformā un izspiests zem liela spiediena degšanas temperatūrā, dziļi vakuuma krāsnī. Un plātnes, kas nodrošina šo graujošo, dedzinošo enerģiju, nav tērauds, kas sakarst un kust. Tie ir blīva grafīta vai ugunsizturīga metāla bloki, oranži ar siltumu, un tie ir pasaulē cietāko un vismodernāko materiālu tēlnieki.

Tehniskās keramikas karstā presēšana
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 grādi) un izkususi keramika sabojājas vai rada nevēlamas fāzes. Tā vietā tos ražo pulvermetalurģijas procesos, un karstā presēšana ir viena no efektīvākajām procedūrām, kas nodrošina gandrīz-teorētisku blīvumu un izcilas mehāniskās īpašības.

Karstās presēšanas operācijā rūpīgi nosvērts keramikas pulvera daudzums tiek ievietots presformas dobumā, parasti grafītā. Matrica atrodas starp divām lielām, plakanām karstajām plāksnēm. Visu komplektu ievieto vakuuma kamerā vai krāsnī, kas piepildīta ar inertu gāzi (argonu vai slāpekli). Plāksnes tiek uzkarsētas, parasti pievadot ļoti lielu elektrisko strāvu tieši caur tām (pretestības sildīšana) vai ar induktīvo karsēšanu, līdz temperatūrai no 1500 grādiem. un vairāk nekā 2000 grādu. Tajā pašā laikā hidrauliskais cilindrs caur plāksnēm uz pulveri izdara vienpusēju spiedienu (bieži 20–100 MPa). Keramikas daļiņu plastiskā deformācija intensīva karstuma un spiediena ietekmē un graudu robežas difūzija un šļūde izraisa blīvēšanu. Tiek samazināta porainība, un tiek iegūta pilnīgi blīva augstas veiktspējas keramikas sastāvdaļa.

Degošās grafīta plāksnes ir karstas, nežēlīgas laktas, kas izspiež dzīvību pulvera kaudzē un izkaļ gandrīz neiznīcināmas keramikas gabalu.

Kāpēc apsildāmās plāksnes ir svarīgas procesam
Tehnoloģiskā keramikas karstās presēšanas sistēma ar apsildāmām plāksnēm ir ne tikai siltuma un spēka piegādātājs, bet gan centrālā ierīce, kas nosaka gatavās keramikas detaļas kvalitāti. Plāksnēm ir vairākas svarīgas funkcijas:

1. Vienota, augstas temperatūras apkure
Plāksnēm ir vienmērīgi jāuzsilda matrica un pulveris visā presēšanas virsmā. Jebkādas temperatūras atšķirības izraisa nevienmērīgu sablīvēšanos, karstās porcijas kļūstot pārāk-blīvas un, iespējams, veido graudus, savukārt vēsākās daļas paliek porainas un vājas. Tādējādi plāksnes tiek sagrieztas līdz noteiktam līdzenumam (parasti labākam par 0,01 mm) un karsētas, izmantojot vairāku zonu barošanas avotus vai pareizi izstrādātus pretestības sildelementus. Pie 2000 grādiem, kas ir iespaidīgs inženierijas sasniegums, temperatūras viendabīgums gar plāksnes virsmu parasti tiek uzturēts ±5 grādu robežās.

2. Vienmērīga spiediena sadale
Hidrauliskais cilindrs iedarbojas uz spēku, bet plāksnītes vienmērīgi sadala spēku visā veidnes šķērsgriezumā. Ja plātnes virsmas nav precīzi līdzenas un paralēlas, spiediena sadalījums nav vienmērīgs. Tas nozīmē, ka komponenti ir biezāki vienā pusē un plānāki otrā pusē vai tiem ir blīvuma gradienti. Pat augstā temperatūrā (virs 1500 grādiem) grafīts sāk ložņāt. Plāksnēm jābūt pietiekami biezām un no augstas tīrības pakāpes smalkgraudaina grafīta, kas deformācijas rezultātā nedeformējas. Dažās sarežģītākajās presēs tiek izmantotas cieta grafīta plāksnes, ko atbalsta mīkstāks, saderīgs grafīta filcs vai hidrauliskā vairāku virzuļu sistēma, lai vēl vairāk palielinātu spiediena vienmērīgumu.

3. Izturība pret augstu termisko un mehānisko spriegumu
Plāksnes vienlaikus tiek pakļautas spēcīgai spiedes slodzei un smagai temperatūrai. Tērauds būtu mīksts un plūst pie 1000 grādiem, krietni pirms nepieciešamā 1500–2000 grādu diapazona. Parastais materiāls ir biezs, augstas -stiprības grafīts (izotropisks vai smalks graudains). Grafītam ir laba izturība pret termisko triecienu (ātra sildīšana un dzesēšana bez saplīšanas), tas ir ķīmiski saderīgs ar lielāko daļu keramikas pulveru un saglabā spiedes izturību 2500 grādos. Dažos īpašos lietojumos, kur nepieciešama ļoti augsta tīrības pakāpe vai bezoglekļa atmosfēra, plātnēm tiek izmantoti ugunsizturīgi metāli, piemēram, volframs vai molibdēns, lai gan tie ir dārgāki un mazāk izturīgi pret oksidēšanos.

4. Tīras, reaģējošas-bezmaksas vides nodrošināšana
Tehniskā keramika gandrīz vienmēr tiek karsti presēta vakuumā (parasti 10-2 līdz 10-4 mbar) vai inertās gāzes atmosfērā (argons, slāpeklis). Tas kavē keramikas pulvera un grafīta plākšņu oksidēšanos. Skābeklis augstā temperatūrā ātri sadedzinātu grafītu un sabojātu lielāko daļu keramikas, kas nav oksīds. Matricai vai keramikai nevajadzētu reaģēt ar pašām plāksnēm. Pateicoties augstas tīrības pakāpes grafīta inercei pret karbīdiem, nitrīdiem un oksīdiem procesa temperatūrā, tas ir optimālais plākšņu materiāls.

Grafīta apsildāmās plāksnes projektēšana un sagatavošana
Grafīta plāksnes nav grebtas no grafīta bloka. Tie ir precīzi izstrādāti komponenti. Tipiski parametri ir:

Materiāls: smalki{0}}graudains (<10 μm), high bulk density (>1,8 g/cm³), grafīts, izostatisks vai vibrācijas formēts. Augstais blīvums uzlabo siltumvadītspēju, mehānisko izturību un izturību pret eroziju.

Līdzenums: Virsmas līdzenums uz visas plāksnes virsmas Mazāks vai vienāds ar 0,01 mm. To parasti panāk ar dimanta slīpēšanu pēc augstas temperatūras spriedzes samazināšanas atkvēlināšanas.

Paralēlitāte: augšējo un apakšējo plāksnīšu virsmas ir noslīpētas paralēli 0,02 mm vai mazākā robežās.

Virsmas pārklājums (pēc izvēles): Dažas plāksnes ir pārklātas ar plānu pirolītiskā grafīta vai ugunsizturīga karbīda kārtu (piemēram, TaC, NbC), lai samazinātu nodilumu, izvairītos no presformas pielipšanas un pagarinātu kalpošanas laiku.

Dzesēšanas kanāli (integrēti): kad plāksnes pēc presēšanas cikla ir ātri jāatdzesē, iekšējie kanāli tiek apstrādāti grafīta blokos, caur kuriem tiek sūknēta inerta gāze (piemēram, hēlijs vai argons). Tomēr dzesēšanai ir jābūt uzmanīgiem, lai izvairītos no termiskā trieciena.

Jaunas grafīta plāksnes parasti tiek “izceptas” pirms pirmās lietošanas augstā temperatūrā vakuumā, lai novērstu jebkādu absorbētu mitrumu vai gaistošus piesārņotājus. Šīs izplūdes procedūras mērķis ir novērst keramikas piesārņošanu.

Procesa piezīme: kontrolēta atdzesēšana, lai izvairītos no termiskā trieciena
1500{2}}2000 grādu temperatūrā izveidotā keramikas daļa ir jāatdzesē līdz istabas temperatūrai. Šī atdzišanas-fāze ir tikpat svarīga kā pati presēšana. Tehniskā keramika, īpaši ne-oksīdi (silīcija karbīds, bora karbīds), ir trausla un ar ierobežotu siltumvadītspēju. Ja dzesēšana ir ātra vai nevienmērīga, tiek izveidots iekšējais termiskais spriegums, kas var izraisīt spontāni - daļas spontāni saplīst, bieži vien vardarbīgi, izejot no preses.

Tāpēc presēšanas cikla beigās apsildāmajām plāksnēm piegādātā jauda tiek lēnām pazemināta, ievērojot ieprogrammētu dzesēšanas{0}}profilu. Kopējais profils var būt temperatūras pazemināšana no 2000 grādiem līdz 800 grādiem 2-4 stundu laikā un pēc tam ļaut tai dabiski atdzist inertā atmosfērā. Pašām plāksnēm vienmērīgi jāatdzesē. Grafīts palīdz ar tā salīdzinoši augsto siltumvadītspēju (apmēram . 50-100 W/mk augstā temperatūrā, atkarībā no pakāpes), taču tā atdzišanas ātrumu joprojām ierobežo keramikas īpašības. Dažām karstajām presēm ir aktīvā dzesēšanas sistēma, kas sūknē inertu gāzi pa plāksnītes kanāliem, bet plūsmas ātrums tiek rūpīgi kontrolēts, lai novērstu siltuma gradientu pāri plātnes virsmai.

Dažāda keramika, dažādi plākšņu dizaini
Karstās presēšanas apstākļi dažādiem tehniskajiem keramikas izstrādājumiem ir mainīgi. Attiecīgi apsildāmās plāksnes tiek pielāgotas:

Keramikas|Tipiskā karstās presēšanas temperatūra|Plāksnes materiāls|Īpaši apsvērumi
Silīcija karbīds (SiC) 1800-2100 grādi GrafītsĻoti augsta temperatūra Nepieciešams ļoti augstas tīrības pakāpes grafīts Bieži tiek izmantots pirolītiskais grafīta slānis, lai novērstu mijiedarbību ar SiC tvaikiem
Alumīnija oksīds (Al2O3) 1400–1600 grādi Grafīts vai molibdēnsVar presēt vakuumā vai inertā gāzē. Molibdēns, ja jāizvairās no oglekļa piesārņojuma
Bora karbīds (B₄C) 2000–2200 grādi Grafīts Ekstrēmā temperatūra; nepieciešams īpašs augsta-blīvuma, smalkgraudains-grafīts; ļoti lēna atdzišana-
Silīcija nitrīds (Si3N4) 1700-1850 grādu grafīts Parasti izmanto pulvera slāni vai foliju (piemēram, BN atdalīšanas slāni), lai novērstu komponenta pielipšanu pie plāksnes vai formas
Cirkonija diborīds (ZrB 2 ) 1900-2100 grādu grafīts (pārklāts ar TaC) Ļoti reaģējošs, nepieciešams aizsargājošs karbīda pārklājums uz plāksnes virsmas
Kāpēc karstā presēšana ir labāka par citām keramikas formēšanas metodēm?
Salīdzinot ar bezspiediena saķepināšanu vai karsto izostatisko presēšanu (HIP), karstā presēšana ar apsildāmām plāksnēm nodrošina:

Higher Density: Hot pressing gives you >99,5% teorētiskais blīvums un īsākā laikā.

Smalks graudu izmērs. Saķepināšana zem spiediena ļauj veikt saķepināšanu zemākā temperatūrā nekā bezspiediena saķepināšana, radot mazākus graudus un uzlabojot mehāniskās īpašības.

Tuva{0}}neto forma: keramikas daļa tiek ražota tieši presformā, tāpēc pēc presēšanas ir nepieciešama ļoti neliela apstrāde (kas ir grūti un dārgi cietai keramikai).

Vienādas īpašības: vienpusēja spiediena un vienmērīgas karsēšanas kombinācija rada izotropas vai gandrīz{0}}izotropas īpašības atkarībā no materiāla un presēšanas apstākļiem.

Bet karstā presēšana ir ierobežota ar salīdzinoši vienkāršām formām (cilindriem, blokiem, plāksnēm), un tā ir dārgāka instrumentu izmaksu ziņā nekā bezspiediena saķepināšana. Sarežģītākām formām var būt nepieciešama cita procedūra, piemēram, iesmidzināšana un pēc tam saķepināšana.

Drošības un ekspluatācijas apsvērumi
Strādājot ar apsildāmām plāksnēm 2000 grādu temperatūrā vakuuma kamerā, jāievēro drošības pasākumi:

Grafīta oksidēšanās: ja pazūd troksnis vai inertās gāzes padeve neizdodas, karstais grafīts aizdegsies gaisā temperatūrā, kas pārsniedz 400 grādus, ātri sadegot un izdalot ārkārtēju karstumu. Ja skābeklis nokļūst, automātiskie bloķētāji izslēdz strāvu un izskalo kameru ar inertu gāzi.

Termiskais starojums. Degošās plāksnes spēcīgi izstaro infrasarkano- staru. Skatu portos ir uzstādīti aizsargfiltri. Operatori nekad tieši neskatās uz karsto zonu bez acu aizsardzības līdzekļiem.

Grafīta termiskais trieciens Grafīta plākšņu plaisāšana ar strauju dzesēšanu Lielām plāksnēm ir zems atdzišanas ātrums{0}}mazāks par vai vienāds ar 50 grādiem minūtē un parasti daudz lēnāks.

Nāves draudi un pulveris: daži keramikas pulveri (piemēram, berilija oksīds, torija oksīds) ir indīgi. Šādu materiālu karstā presēšana tiek veikta cimdu{1}}kastes apvalkos. Grafīta putekļi, pat ja tie ir "inerti", var radīt elektrisku apdraudējumu, kad tie uzkrājas.

SECINĀJUMS: vislīdzenākās, jaudīgākās un karstākās virsmas
Apsildāmā plāksne ir augstākās -temperatūras kalšanas instrumentu virsotne, pārvēršot birstošu, pelēku pulveri par vismodernākajiem-dzīvību glābjošajiem keramikas komponentiem uz Zemes. Tās ir dažādas, sākot no bruņu plāksnēm, kas aptur šautenes lādiņus, līdz griezējinstrumentiem, kas apstrādā supersakausējumus, līdz raķešu kupoliem, kas iztur virsskaņas lidojumu, līdz gultņu lodītēm, kas darbojas bez eļļošanas-visas rodas uz karstākās, spēcīgākās un plakanākās virsmas-karstās presēšanas krāsns kvēlojošās grafīta plāksnes. Procedūra prasa ļoti augstu temperatūru (> 1500 C), vienmērīgu spiedienu un tīru vakuumu vai inertu atmosfēru. 2) Katra apsildāmās plākšņu sistēmas elementa dizains, sākot no smalkgraudaina-grafīta pakāpes līdz mikronu-līmeņa plakanumam līdz kontrolētam dzesēšanas-profilam, ir optimizēts, lai radītu defektu, pilnībā{{11}. Strādājot ar izsmalcinātiem materiāliem, cietākie izstrādājumi veidojas uz cietākajām, karstākajām iekārtām – karstās preses apsildāmajām plāksnēm.