Основы порошковой металлургии. Прессование и спекание

Джонс В.Д.

Мир, 1965 г.

5. ПЕЧИ ДЛЯ СПЕКАНИЯ И УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ

Для спекания требуются печи и печные атмосферы, обеспечивающие выдержку спекаемых изделий в течение определенного времени при требуемой температуре и протекание необходимых химических реакций. Современная практика требует тщательного контроля продолжительности воздействия печной атмосферы, а также ее температуры и состава. Обычно спекание должно быть выполнено также с минимальной стоимостью. Это предполагает использование более низких температур дешевых сред, сокращение продолжительности операций, наименьшее потребление мощности, а также минимальные эксплуатационные расходы и затраты на рабочую силу. Часто также необходимость осуществления строгого контроля размеров требует воспроизводимых скоростей нагрева (до температур спекания) и последующего охлаждения. Печи для спекания должны также обеспечивать возможность загрузки и извлечения брикетов из печи без излишних потерь защитной атмосферы и без ее загрязнения наружным воздухом. Кроме того, спеченные изделия необходимо охлаждать в защитной атмосфере до такой «низкой температуры, при которой они не будут затем окисляться на воздухе.

Большая часть промышленных печей для спекания незначительно отличается от печей, применяемых для других целей, например для отжига, различной термической обработки, пайки и т. д. Нет (необходимости поэтому подробно описывать их характеристики. Более полное рассмотрение этого вопроса см. у Гетцеля [220]. Вообще говоря, по печам существует очень немного современных руководств, и для более подробного ознакомления целесообразно обратиться за консультацией непосредственно к заводам-изготовителям. Ниже приводятся общие принципы выбора типа печи и установки по производству атмосферы для различных операций спекания.

1. Температура печей для спекания

Для температур спекания ниже 1150° обычно используют газовые печи или нихромовые печи электросопротивления. Обогрев газом, как правило, требует использования муфеля, отделяющего продукты горения от атмосферы спекания. В печах электрообогрева внешний металлический кожух печи часто служит также для герметизации. Нагревательные элементы, вся огнеупорная кирпичная кладка и изоляция находятся внутри этого кожуха в атмосфере печи.

Температуры ниже ~1350° могут быть достигнуты в печах с силитовыми стержнями. Для температур порядка 1700° можно применять молибденовые нагреватели, но их необходимо защищать от окисления (водород или вакуум). При значительно более высоких температурах в качестве сопротивлений применяют графитизированный углерод, вольфрам, тантал или ниобий. Можно также использовать высокочастотную индукцию с проводниками или контейнерами из этих материалов. Максимальные температуры спекания, достигаемые этим путем, лежат между 2000 и 2500°.

Следует отметить, что максимальная температура для любого отрезка времени определяется рядом факторов, включая атмосферу, степень разрежения, газообразные продукты спекания и реакции с огнеупорными материалами печи [263]. В табл. 31 и 32 [263] приведены максимальные температуры, при которых нагревательные элементы из молибдена, вольфрама или тантала могут быть использованы в контакте с различными окислами и огнеупорами или с разными средами.

Устойчивость материалов высокотемпературных нагревательных элементов к окислам и футеровке печи

Необходимо указать, что максимальная рабочая температура нагревательных элементов из нихрома, фехраля и молибдена может значительно понизиться при соприкосновении с науглероживающей средой, испарениями цинка и копотью, образующимися при производстве латуни, а также с парами свинца и меди, которые могут выделяться из медно-свинцовых и железо-свинцовых брикетов. Такие загрязнения, помимо непосредственного действия на нагревательные элементы, могут также уменьшать электросопротивление огнеупоров печи.

Для снижения эксплуатационных расходов следует иметь достаточный запас прочности в работе печей для спекания, т. е. температура должна быть, как правило, ниже максимальной, установленной расчетом. Необходимо иметь в виду, что максимальная возможная температура в большой мере предопределяет конструктивные особенности печи. Ленточные или цепные конвейеры обычно могут работать под напряжением при температурах до 1150°. Для более высоких температур требуются агрегаты, элементы которых напряжены незначительно.

При температурах выше 1300° металлические конструкции, как правило, не применяют и для 1300— 1600° лотки или контейнеры обычно изготовляют из графита или иногда из карбида кремния, а выше 1700° движущихся частей в печах для спекания обычно не предусматривают. Подобным же образом температуры лимитируют выбор материалов для муфелей. При таких и более высоких температурах колоссальные трудности, возникают при выборе даже огнеупорных материалов или материалов для теплоизоляции. В вакуумных печах в качестве защитных экранов используют молибденовые листы или подобные материалы.