Краткие сведения о печах для спекания металлических порошков

Основной особенностью печей для спекания металлокерамических изделий является возможность проведения нагрева в защитных средах. В простейшем случае для спекания пригодны обычные печи, предназначенные для термической обработки деталей. Спекаемые изделия загружаются в коробки с применением засыпок, обеспечивающих создание инертной или восстановительной атмосферы внутри коробки. Более надежные результаты при использовании таких не приспособленных для целей спекания печей дает применение специальных муфелей, в которые подается защитный газ (рис. 216). Муфель с загруженными в него изделиями помещается в печь таким образом, что крышка и холодильник остаются вне печного пространства.

Для спекания можно также использовать ванны из расплавленных солей и металлов. При погружении в расплав изделия оказываются защищенными от окисления. Однако спекание в расплавленных солях применимо только для высокоплотных изделий, когда исключается возможность заполнения пор солью.

При спекании в металлических расплавах необходимо учитывать возможное взаимодействие с металлом спекаемых изделий. Иногда бывает целесообразно соединить операцию спекания с пропиткой изделия расплавленным металлом. Для целей массового производства применяются специализированные печи, позволяющие достигать более высокой производительности и обеспечивать лучшее качество спекаемых изделий. Печи для спекания изделий и восстановления порошков имеют примерно аналогичную конструкцию.

По принципу работы печи для спекания металлокерамических изделий могут быть периодического и непрерывного действия. Печи периодического действия, в свою очередь подразделяются на печи колокольные, муфельные и вакуумные.

Схема колокольной печи показана на рис. 217. Внутренний стальной колокол устанавливается на основание печи, образуя камеру для спекания. Герметизация соединения колокола с основанием создается специальным песчаным затвором, в который погружается борт стального колокола. Внутрь колокола на под печи помещаются спекаемые изделия.

Защитный газ подается через под в центр печи и выводится через патрубок в наиболее низко расположенной части камеры спекания. Обогрев колокола осуществляется нагревателями, расположенными на внутренней поверхности керамического кожуха, которыми накрывается стальной колокол, образующий камеру спекания. Керамический кожух делается съемным, что дает возможность перестанавливать его после окончания выдержки для спекания на соседнюю подготовленную печь. Это позволяет сократить время охлаждения первой печи и ускорить нагрев второй.

При использовании муфельных печей изделия для спекания загружаются в муфель из жароупорной стали, аналогичный приведенному на рис. 216, после закрепления крышки муфель продувается защитным газом и затем помещается в печь. На рис. 218 показана схема высокотемпературной муфельной печи с молибденовым нагревателем. Муфель в печи футерован огнеупорами с высоким содержанием окиси магния и окиси алюминия. Такие печи могут работать с применением хорошо осушенного водорода в качестве защитной среды до температуры 1700°.

К этому же типу печей относятся и печи для спекания фрикционных дисков (рис. 219). Отличительной особенностью последних является наличие устройства, позволяющего в процессе спекания прикладывать давление к дискам, уложенным стопкой в муфель. Последнее может осуществляться пружинным, гидравлическим или пневматическим устройством.

Недостатком муфельных печей является низкая производительность, что связано с большими потерями времени на нагрев и охлаждение.

На рис. 220 показана схема вакуумной печи с молибденовыми нагревателями в виде спирали. Для обеспечения теплоизоляции печь снабжена защитными экранами из молибдена. Такие печи используются для спекания тугоплавких материалов. Нагревательным элементом иногда случит сам спекаемый образец, по которому пропускается электрический ток большой силы (до 10 000 а), температура при этом достигает 2000—3000°. Таким методом изготавливаются штабики из тугоплавких металлов (вольфрама, тантала, ниобия). Схема одного из аппаратов для высокотемпературного спекания (или, как его иногда именуют, сварки) штабиков приведена на рис. 221.

Спекание в вакууме может осуществляться за счет высокочастотного нагрева. На рис. 222 показана вакуумная индукционная печь, конструкция которой предусматривает возможность проведения термообработки (закалки) после спекания или отжига. Имеется большое разнообразие конструкций устройств для высокочастотного вакуумного спекания. При выборе той или иной конструкции необходимо учитывать, что при высоких температурах (1000—1200°) кварцевые трубки могут быть проницаемыми для газа. Лучше ведут себя трубки из силиманита (Al2O3*SiO2), однако они требуют медленного нагрева, так как не выдерживают тепловых ударов. Чтобы избежать нагрева стенок вакуумной камеры, иногда высокочастотный индуктор помещают внутрь вакуумной камеры. При этом необходимо поддерживать высокий вакуум (до 10в-6 мм рт. ст.). Так как в противном случае в результате ионизации газа возможен искровой разряд между витками индуктора. Во избежание этого необходимо применять машинные высокочастотные генераторы с частотой 1000—1200 циклов, вместо ламповых, имеющих частоту десятка тысяч циклов.

В массовом производстве металлокерамических изделий незаменимы высокопроизводительные печи непрерывного действия — толкательные и конвейерные. В таких печах лодочки или поддоны со спекаемыми деталями проталкиваются толкателем или двигаются по конвейеру из загрузочного тамбура через нагретую зону спекания печи в холодильник и далее вручную или при помощи конвейерной ленты выдаются наружу. Защитный газ подается в холодильник, откуда он движется в печь навстречу движению спекаемых изделий с тем, чтобы свежие порции газа, лишенные влаги, омывали спекаемые изделия во время охлаждения, т. е. в момент наибольшей опасности окисления. Схема такой печи показана на рис. 223. Скорость продвижки поддонов рассчитывается исходя из необходимой продолжительности спекания. Длина холодильника обычно составляет 2—4 длины основного печного пространства. Последнее отделено от загрузочного бункера и холодильника тамбурами с заслонками, которые уменьшают теплоизлучение в камеру загрузки и в холодильник к препятствуют попаданию подсосанного воздуха из бункера в печь. Конвейерные роликовые печи обычно работают до температур 1100—1150°, их производительность может доходить до 200 кг/час и выше. На погонный метр конвейера нагрузка составляет 15—18 кг, а в роликовых печах — около 100 кг (16 кг на один ролик).

Ролики, расположенные внутри печи, и конвейерные ленты изготавливаются из жароупорной стали. Конвейерная лента приводится в движение от мотора, а движение поддонов в роликовых печах осуществляется с помощью толкателей. Для температур спекания, больших 1200°, используются только толкательные печи, причем движение поддонов проходит непосредственно по поду печи, выложенному из огнеупорной керамики.

Материал нагревательных устройств и муфелей выбирается в зависимости от температурных условий работы печей. До температур 1000—1200° при электрическом нагреве могут использоваться нагреватели из сплавов на основе железа, никеля и хрома с добавками различных легирующих элементов, зарекомендовавшие себя в качестве окалиностойких. Выше этих температур применяются нагреватели из карбида кремния (силиты), силицида молибдена, а также из вольфрама, молибдена и тантала. Первые два материала могут работать до температур 1400° (SiC) и 1600° (MoSi2) без защитной атмосферы. Металлические нагреватели из вольфрама, молибдена и тантала обеспечивают получение более высоких температур. По данным Киффера и Бенесовского, максимальные рабочие температуры для этих металлов соответственно составляют 2560, 1920 и 2400°. Однако эти материалы могут работать только в защитной атмосфере (сухой водород, вакуум).

В качестве нагревателя может использоваться также графит, который обеспечивает получение температур вплоть до 2000°. Схема печи сопротивления с графитной трубой уже приводилась нами ранее.

До температур 1500—1600° в качестве материала для муфелей можно использовать алунд, карбофракс. Огенупорные материалы на основе чистых окислов (Al2O3, BeO, MgO) могут работать и при более высоких температурах (1800—1900°), но они преимущественно используются только в лабораторной практике. Для высокотемпературных печей (2000°) используются защитные экраны из молибдена или вольфрама, уменьшающие потери тепла за счет излучения.

В массовом производстве изделий методами порошковой металлургии применяются и печи, отапливаемые газом — наиболее дешевым источником энергии. Схема такой печи с двумя муфелями из карбофракса уже приводилась нами ранее. Особенностью этой печи является также то, что конвертированный газ на выходе из печи сжигается в топочном пространстве. В такой печи могут спекаться антифрикционные, конструкционные и другие металлокерамические материалы.

Таковы в основном конструкции печей, применяемых для спекания. Общим требованием к ним является обеспечение герметичности. Подсосы воздуха в печь чреваты возможностью взрыва при образовании гремучих смесей и окислением спекаемых деталей. Исключение возможности подсосов достигается созданием и поддержанием в печи положительного давления защитных газов (до 20—40 мм вод. ст.). Отверстие для ввода газа в печь должно быть широким, отверстие для вывода — узким.

Расход защитного газа зависит от типа печи, обычно он составляет от 0,3 до 1 м3/час, крупные печи конвейерного типа расходуют 5—10 м3/час. Герметичность печей обеспечивается также применением плотных муфелей, использованием затворов тамбуров, задвижек и т. п. В вакуумных печах отсутствие подсосов воздуха достигается применением специальных вакуумных уплотнений, предварительной дегазацией деталей печи и др. Особое внимание для обеспечения герметичности должно быть уделено в случае проходных печей. Схема комплексной автоматизации высокотемпературных проходных печей для твердосплавного производства описана в работе. На рис. 224 показана схема работы загрузочного устройства, которое обеспечивает высокую герметичность. При опускании кассеты (положения II, III) в загрузочном патрубке создается разрежение и опасность подсоса воздуха. Для предотвращения этого предусмотрена подача дополнительного водорода через специальный клапан, благодаря чему в бункере постоянно сохраняется избыточное давление. Аналогично работает и разгрузочное устройство.