Сверхвысоковакуумные электрические печи сопротивления
Макарычев И.И., Кондратьев А.И
Энергия, 1975 г.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
1. КЛАССИФИКАЦИЯ
В зависимости от давления газов в нагревательной камере вакуумные печи подразделяют на низковакуумные, работающие при давлении до 10 Па, средневакуумные 10—10-1 Па, высоковакуумные 10-2—10-4 Па и СВВ, работающие при давлении 10-5 Па и ниже.
Таким образом, СВВ-электропечами называются печи, рабочее давление газа в которых поддерживается на уровне, не превышающем 10-5 Па.
Для получения и поддержания сверхвысокого вакуума конструкции печей должны быть герметичными, т. е. обеспечивать настолько малое проникновение газа внутрь объема, чтобы им можно было пренебречь в рабочих условиях.
Классифицировать СВВ-электропечи можно по режиму работы, конструкции, рабочей температуре, характеру откачных средств.
По режиму работы СВВ-электропечи можно разделить на две группы:
а)печи периодического действия, в которых одновременно осуществляется один и тот же режим нагревания или охлаждения для всей находящейся в нагревательной камере садки и процесс загрузки и выгрузки садки связан с напуском воздуха в рабочую камеру;
б)печи полунепрерывного действия, в которых загрузка и выгрузка обрабатываемых изделий осуществляются без нарушения вакуума в рабочей камере, а режим нагревания аналогичен периодическому.
По конструкции СВВ-электропечи могут быть такими же, как и обычные вакуумные, однако <пока нашли применение только камерные, шахтные и элеваторные. Конструкция печи определяется характером обрабатываемой в ней садки и условиями ее загрузки и выгрузки.
ίΊο рабочей температуре СВВ-электропечи целесообразно разделять на низкотемпературные и высокотемпературные.
К низкотемпературным следует отнести печи с рабочей температурой до 1300— 1400°С. Нагреватели и экраны этих печей, как правило, выполняются из молибдена и его сплавов.
К высокотемпературным относятся печи, рассчитанные на 1400°С и выше. Нагреватели и часть экранов этих печей изготовляются из «вольфрама, тантала и сплавов на их основе.
По характеру применяемых откачных средств СВВ-электропечи можно разделить на печи, откачиваемые масляными насосами, и печи, откачиваемые безмасляными насосами. От вида применяемых насосов зависит состав остаточной атмосферы печи. Применение защитных средств типа маслоотражателей, ловушек различных конструкций может лишь частично предотвратить миграцию масла в печь, но не устранить ее полностью. Ниже разрежение, полученное путем откачки безмасляными насосами, мы будем называть безмасляным вакуумом.
Назначение СВВ-электропечей весьма многообразно. В основном они служат для различных видов термической обработки и обезгаживания.
2. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Известно, что взаимодействие нагреваемых в электропечах садок с печной средой зависит от состава и давления среды. В частности, в вакуумных печах оно тем меньше, чем ниже давление.
СВВ-электропечи обеспечивают наименьшее в сравнении с другими видами вакуумных печей взаимодействие обрабатываемых материалов с агрессивными составляющими остаточного газа печи (кислородом, углеро-досодержащими газами, водяным паром). Применение СВВ при нагревании значительно понижает эффект высокотемпературного окисления.
Нагревание материалов IV и V групп периодической системы (Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та) ,из-за активного взаимодействия их с газами должно производиться только в вакууме. Причем остаточное давление должно быть весьма низким, чтобы исключить возможность образования стойких карбидов, нитридов и окислов. Так, например, при нагревании этих металлов под термообработку парциальные давления азота, кислорода и углеродосодержащих газов не должны превышать 10-9—10-18 Па, а при спекании 10-5—10-9 Па. Повышение давления в соответствии с законами термодинамики приводит к смещению равновесия в сторону образования химически стойких соединений.
Наличие остаточных газов — азота, кислорода, водорода, углерода — снижает пластичность металлов, что усложняет их обработку.
Наиболее перспективными технологическими процессами, требующими нагревания в СВВ, можно считать следующие.
1.Спекание порошков активных металлов. Применение СВВ при спекании обеспечивает улучшение механических свойств получаемого металла.
2.Отжиг и обезгаживание полуфабрикатов, деталей и узлов из нержавеющих сталей, реакционных металлов и сплавов на основе циркония, титана, ванадия, гафния, используемых в авиационной, ракетной и других областях техники.
3.Термовакуумную обработку деталей из тугоплавких металлов для ответственных электронных приборов. Исследования, проведенные в электронной промышленности, (показали, что применение сверхвысокого, безмасляного вакуума позволяет увеличить долговечность работы приборов в среднем на 10%, а также повысить их надежность, снизить разброс параметров и таким образом увеличить процент выхода годной продукции в среднем на 3—4%.
4.Отжиг деталей из ниобия, тантала и сплавов на их основе при производстве сверхпроводников должен осуществляться в СВВ, поскольку при отжиге в обычном вакууме не удается устранить влияние вредных газов и соединений, находящихся на поверхности отжигаемых деталей, на их свойства.
5.Термическую обработку тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена и их сплавов) и получение изделий, обладающих высокой пластичностью. Исследования показали, что термообработка в вакууме с остаточным давлением 10-5—10-6 Па способствует резкому повышению пластичности за счет очистки от газов, чтов свою очередь расширяет технологические возможности этих металлов и способствует снижению отходов материалов.
6. Пайку изделий из тугоплавких и реакционных металлов. Применение СВВ-электропечей для высокотемпературной пайки позволяет существенно улучшить качество паяных соединений, уменьшить последующие расходы на обработку, повысить надежность деталей и узлов.
При решении ряда проблем ядерной физики, физики твердого тела, квантовой электроники, физики плазмы необходимы СВВ-электропечи, позволяющие проводить исследования в вакууме до 10-8 Па при температурах 2500 °С и выше, обеспечивающие возможность получения материалов с новыми свойствами и характеристиками.
Поскольку создание СВВ-электропечей находится в самой начальной стадии, еще не раскрыты все потенциальные возможности этого вида печей, однако можно с уверенностью сказать, что ближайшие годы приведут к значительному расширению областей их применения. Создание СВВ-электропечей требует решения большого числа серьезных технических проблем и высокой культуры производства.