1． 前言

　　在真空和保護(hù)性氣氛中，對金屬、陶瓷及一些難熔金屬中間化合物粉末加熱燒結(jié)，要獲得一定密度和具有一定機(jī)械性能的材料時(shí)，一般采用兩種工藝；即有壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)。有壓燒結(jié)工藝是將粉狀材料置于真空和保護(hù)性氣氛中的高碳模具中，高溫加熱到軟化狀態(tài)時(shí)，加壓成型。這種工藝需要一種真空熱壓燒結(jié)才能實(shí)現(xiàn)。該燒結(jié)爐具有溫度高、真空度高、熱壓力高的特點(diǎn)。目前這種爐型在我國沿未見定型產(chǎn)品。根據(jù)制備硼化物陶瓷材料的工藝要求，經(jīng)過一年多的努力，作者自行研制成功一臺(tái)真空熱壓燒結(jié)爐，使用效果良好。

　　該真空熱壓燒結(jié)爐工作溫度高、真空度高、壓合力大、冷卻條件好。整個(gè)爐體除發(fā)熱和保溫部件外，其余各部位均強(qiáng)烈冷卻，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度都提出了較高的要求。

　　本文對該爐在研制過程中遇到的主要技術(shù)問題予以介紹，供讀者在設(shè)計(jì)和使用時(shí)借鑒。

　　2． 主要技術(shù)參數(shù)

　　工作溫度 ≥2300℃

　　功率 0～50kW

　　最大壓合力 100kN\

　　工作電壓 0～375V

　　工作真空度 6.67×10-2 Pa

　　工作電流 0～150A

　　極限真空度 6.67×10-3Pa

　　發(fā)熱體額定電壓 0～36V

　　下頂桿運(yùn)動(dòng)速度調(diào)節(jié)范圍 50～300mm/min

　　工作區(qū)尺寸（直徑×長度） 140mm×160mm

　　3． 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　真空熱壓燒結(jié)爐由爐體、爐蓋、保溫桶、熱壓裝置、發(fā)熱體和電源、真空系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)及測溫系統(tǒng)等組成。

　�。�1） 爐體全部采用不銹鋼制造，為雙層結(jié)構(gòu)，分內(nèi)外桶體，爐底封頭采用旋壓工藝加工。因?yàn)闊釅貉b置產(chǎn)生的力要由爐體承受，爐體必須具有很高的強(qiáng)度和足夠的剛度，在外力和高溫下不得變形。爐底動(dòng)密封裝置的固定座中心線與爐體上法蘭盤必須垂直，以保證下頂桿運(yùn)動(dòng)的直線度。動(dòng)密土封裝置固定座有良好的冷卻條件，以延長密封件的使用壽命。

　　（2） 爐蓋由爐蓋體、舉起油缸（在圖上未標(biāo)出）和上壓頭組成。爐蓋為雙層結(jié)構(gòu)，為承受下頂桿傳遞的壓力，必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。上壓頭的下端工作時(shí)處于高溫區(qū)，必須強(qiáng)制冷卻。

　　（3） 保溫桶由隔熱桶、反射桶、保溫層及桶體組成，分別用石墨、鉬片、石墨氈和不銹鋼制作。用鉬片制作的反射桶主要抵御由發(fā)熱元件產(chǎn)生的輻射熱，以免損害保溫層和爐體（如圖2）

　　（4） 熱壓裝置由液壓站、油缸、舉起油缸、下頂桿及控制器組成。液壓站有兩路壓力輸出，一是驅(qū)動(dòng)爐蓋上下運(yùn)動(dòng)，二是驅(qū)動(dòng)熱壓油缸運(yùn)動(dòng)。熱壓油缸的控制有兩種方式，手動(dòng)或自動(dòng)。自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)設(shè)定的壓力自動(dòng)保壓，使制品始終處于恒壓狀態(tài)。油缸運(yùn)動(dòng)的速度調(diào)節(jié)范圍為50~300mm/min。熱壓油缸在有載工作時(shí)必須具有較高的穩(wěn)定性，不能抖動(dòng)。制備高質(zhì)量的產(chǎn)品，熱壓油缸的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量是重要的條件之一。下頂桿是唯一一個(gè)在高溫區(qū)有載運(yùn)動(dòng)的零件，承受高壓和高溫的作用，又要在高溫區(qū)運(yùn)動(dòng)。要求它既不能變形，又不能在高溫環(huán)境下氧化。因此它必須具有良好的冷卻條件和動(dòng)密封性能。整個(gè)爐體內(nèi)的極限真空度在很大程度上取決于下頂桿動(dòng)密封的情況。這是該爐的關(guān)鍵技術(shù)之一，要達(dá)到良好的動(dòng)密封性能有很高的難度，這是不少研制者失敗的原因之一。為保證極低的漏氣率，一方面要提高加工精度，另一方面要選用適宜的密封材料。在該爐中，選擇聚四氟乙烯作為動(dòng)密封材料。其特點(diǎn)是能耐300℃高溫、耐烘烤、放氣率低、耐磨損，而且具有良好的潤滑性能。密封圈的幾何形狀（見圖3），是根據(jù)爐子在正、負(fù)壓狀態(tài)設(shè)計(jì)的。正壓狀態(tài)時(shí)，正壓氣室的氣壓使A圈抱緊下頂桿；負(fù)壓時(shí)，負(fù)壓氣室的氣流使B圈收縮，抱緊下頂桿。

　�。�5） 發(fā)熱體和電源由發(fā)熱體、托盤、引入電極、干式變壓器、可控硅電壓調(diào)節(jié)器組成。

發(fā)熱元件是爐子的關(guān)鍵部件，由托盤、發(fā)熱體組成，全部用高碳石墨加工。在發(fā)熱電源功率一定的情況下，爐子的溫度取決于發(fā)熱元件的幾何形狀和尺寸。

引入電極由中心導(dǎo)體、上絕緣體、下絕緣體、上密封圈和下密封圈組成（見圖4）。該電極為低電壓大電流結(jié)構(gòu)，它不但起導(dǎo)電作用，還起到支撐發(fā)熱體的作用。發(fā)熱體托盤的溫度直接傳給中心導(dǎo)體，必須有良好的冷卻條件。中心導(dǎo)體內(nèi)制成空心并設(shè)回水管，以保障水的流動(dòng)不出現(xiàn)短路現(xiàn)象。電極的絕緣材料不僅有良好的絕緣性能，還必須具有耐高溫、耐烘烤的性能。該電極的絕緣套選擇聚四氟乙烯材料，具有良好的耐熱及絕緣性能，工作溫度可達(dá)300℃，可用于超高真空系統(tǒng)，無熱塑性，真空中的滲透率和放氣性都很小。

　�。�6） 真空系統(tǒng)由真空閥門、擴(kuò)散泵、旋片式真空泵、管路及真空測量儀表構(gòu)成。該系統(tǒng)是在爐體的漏率達(dá)到最低極限時(shí)，能保證爐子正常工作的關(guān)鍵。能否實(shí)現(xiàn)高真空度取決于真空泵的抽速、閥門的密封性、管路的密封和漏率性能能否達(dá)到要求。該爐中選擇的旋片式真空泵抽氣速率15L/S，極限真空度5╳10-4Pa；擴(kuò)散泵抽氣速率800 L/S，極限真空度7╳10-7 Pa。管路采用放氣率低的硅橡膠管。

　　4 實(shí)現(xiàn)高真空度的措施

　　極限真空度和最大漏率極限是真空設(shè)備的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，也是該爐正常運(yùn)行的基本條件。爐內(nèi)的極限真空度（P）取決于以下因素。

　　P=（QZ+∑Qi）/S

　　式中：QZ——爐體的最大漏率（Pa·L/S）

　　∑Qi—除QZ以外的總放氣率（Pa·L/S）

　　S—真空機(jī)組的有效抽速（Pa·L/S）

　　影響最大漏率的因素有爐體的制造精度、爐體材料、密封材料、絕緣材料等。所以，應(yīng)選擇漏率極低的材料作為主導(dǎo)材料，選擇密封性好的閥門，抽氣效率高的真空泵等。

　　總放氣率系指材料的放氣、解吸、凝結(jié)氣體的再蒸發(fā)、焊縫夾層內(nèi)氣體的滲透，以及真空系統(tǒng)中工作介質(zhì)的逆流和逆擴(kuò)散等放氣的總和。其中材料的放氣率是影響真空度的最大因素。該爐中的材料包括：發(fā)熱元件、保溫材料、密封件、模具、制品的原材料等。就放氣率而言，在這些材料中保溫材料所占比重最大。在該爐中選擇金屬鉬片和石墨氈作為保溫材料，在高溫中放氣率極低，約為（0.7～3）×10-9。密封件材料選擇硅橡膠。

　　發(fā)熱元件產(chǎn)生2300 ℃以上的溫度,目前常用的材料一般為鉬、鎢和石墨等。這幾種發(fā)熱材料必須在較高的真空度和有保護(hù)性氣氛的條件下才能正常工作。隨著爐內(nèi)溫度的升高，爐內(nèi)各種材料如發(fā)熱體、保溫材料、模具、被制備的原材料等有一個(gè)去氣和蒸發(fā)的過程，使真空度下降，影響發(fā)熱元件的壽命。所以，一般采用抗氧化的高純石墨制作發(fā)熱元件。

　　被制備的材料要獲得一定的壓合成型力，外來的機(jī)械力要通過密閉的爐體，首先要考慮的是機(jī)械動(dòng)密封問題。這種機(jī)械動(dòng)密封裝置必須滿足兩個(gè)條件：正壓、負(fù)壓時(shí)均能維持極限真空。

　　5 結(jié)論

　　在研制過程中，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的計(jì)算做了大量的工作，在許多關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)上是首次嘗試，曾有過失敗。但經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和修改，在結(jié)構(gòu)和性能方面與國外同類型設(shè)備比較，有許多獨(dú)到之處。

　　a. 全部采用國產(chǎn)零部件�；�換性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊，使用安全可靠,便于維修，價(jià)格便宜，僅是國外同類產(chǎn)品的1/8。

　　b. 發(fā)熱元件熱效率高。加熱電源采用可控硅調(diào)壓器恒流控制，升溫速率快，工作穩(wěn)定，安全保護(hù)電路靈敏度高。

　　c. 爐內(nèi)有效工作空間大。適合于有壓燒結(jié)或無壓燒結(jié)，操作靈活，應(yīng)用范圍廣。

　　d. 液壓油缸與高溫區(qū)脫離，提高了安全性，便于安裝調(diào)試和維修。