Quin paper tenen les planxes escalfades en el premsat en calent de ceràmica tècnica?

No només fondreu i llenceu la placa de blindatge de ceràmica sòlida-a prova de bales d'un soldat, o una cúpula transparent i ultra-dura per al cercador d'infrarojos d'un míssil. Es fa mitjançant premsat en calent: una pols de ceràmica fina i solta s'envasa en una matriu i s'esprem sota una gran pressió a una temperatura abrasadora, a l'interior d'un forn de buit. I els plats que proporcionen aquesta energia trituradora i combustida no són d'acer, que s'enfonsa i es fon. Són blocs de grafit dens o metall refractari, taronja amb calor, i són els escultors dels materials més durs i avançats del món.

Premsat en calent de ceràmica tècnica
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 graus) i les ceràmiques foses es descomponen o creen fases no desitjades. En canvi, es fabriquen a partir de processos de metal·lúrgia de pols, sent el premsat en calent un dels procediments més eficients per proporcionar una densitat gairebé-teòrica i unes excel·lents característiques mecàniques.

Una quantitat acuradament pesada de pols ceràmica es carrega en una cavitat de matriu, generalment de grafit, en una operació de premsat en calent. La matriu es troba entre dues planxes planes i grans. Tot el conjunt es col·loca en una cambra de buit o en un forn ple de gas inert (argó o nitrogen). Les platines s'escalfen, generalment posant un corrent elèctric molt elevat directament a través d'elles (escalfament per resistència) o per escalfament inductiu, a temperatures entre 1500 graus. i més de 2000 graus. Al mateix temps, l'ariet hidràulic exerceix una pressió uniaxial (sovint 20-100 MPa) a través de les platines a la pols. La deformació plàstica de les partícules de ceràmica sota la intensitat de calor i pressió i la difusió i la fluència del límit del gra donen lloc a la densificació. Es redueix la porositat i es produeix un component ceràmic d'alt rendiment totalment dens.

Les planxes de grafit enceses són les encluses calentes i despietades que comprimeixen la vida en un munt de pols i forgen una peça de ceràmica gairebé indestructible.

Per què les platines escalfades són vitals per al procés
El sistema tecnològic de premsat en calent de ceràmica amb platines escalfades no només és un proveïdor de calor i força, sinó el dispositiu central que determina la qualitat de la peça ceràmica acabada. Els plats tenen una sèrie de funcions importants:

1. Calefacció uniforme i d'alta temperatura
Les platines han d'escalfar uniformement la matriu i la pols sobre tota la superfície de premsat. Qualsevol diferència de temperatura condueix a una densificació desigual, amb les porcions calentes que es tornen massa-denses i possiblement mostren desenvolupament de gra, mentre que les seccions més fredes romanen poroses i febles. Així, els plats es tallen a una planitud específica (normalment millor que 0,01 mm) i s'escalfen mitjançant fonts d'alimentació multi-zona o elements de calefacció resistius dissenyats correctament. A 2000 graus, que és una proesa d'enginyeria impressionant, l'homogeneïtat de la temperatura al llarg de la cara del plat es manté generalment dins de ± 5 graus.

2. Distribució uniforme de la pressió
L'ariet hidràulic exerceix una força però són les platines les que distribueixen aquesta força uniformement per tota la secció transversal de la matriu. Si les superfícies de la placa no són precisament planes i paral·leles, la distribució de pressió no és-uniforme. Això vol dir que els components són més gruixuts per un costat i més prims per l'altre o que posseeixen gradients de densitat. Fins i tot a altes temperatures (més de 1500 graus) el grafit comença a arrossegar-se. Els plats han de ser suficientment gruixuts i de grafit de gra fi d'alta puresa que no es distorsioni sota la tensió. Algunes de les premses més sofisticades utilitzen platines de grafit dur suportades per un feltre de grafit més suau i compatible o un sistema hidràulic de múltiples pistons per augmentar encara més la uniformitat de pressió.

3. Resistència a elevades tensions tèrmiques i mecàniques
Les platines estan sotmeses simultàniament a una forta càrrega de compressió i temperatures severes. L'acer seria tou i fluiria a 1000 graus, molt abans de l'interval necessari entre 1500 i 2000 graus. El material habitual és un grafit gruixut i-de gran resistència (isòtrop o gra fi). El grafit té una bona resistència al xoc tèrmic (escalfament i refredament ràpid sense trencar-se), és químicament compatible amb la majoria de pols ceràmiques i manté la seva resistència a la compressió a 2500 graus. En algunes aplicacions particulars on es requereix una atmosfera de puresa molt alta o sense -carboni, s'utilitzen metalls refractaris com el tungstè o el molibdè per als plats, tot i que són més cars i menys resistents a l'oxidació-.

4. Proporcionar un entorn net i lliure{1}}reactiu
La ceràmica tècnica gairebé sempre es premsa en calent al buit (normalment de 10-2 a 10-4 mbar) o en atmosfera de gas inert (argó, nitrogen). Això inhibeix l'oxidació de la pols ceràmica i les plaques de grafit. L'oxigen a altes temperatures cremaria el grafit ràpidament i danyaria la majoria de ceràmiques no òxides. La matriu o la ceràmica no han de reaccionar amb les planxes. A causa de la inercia del grafit d'alta puresa als carburs, nitrurs i òxids a les temperatures de procés, és el material de platina òptim.

Disseny i preparació de platina escalfada de grafit
Les platines de grafit no estan tallades a partir d'un bloc de grafit. Són components dissenyats amb precisió. Els paràmetres típics són:

Material: gra-fi (<10 μm), high bulk density (>1,8 g/cm³), grafit, isostàtic o modelat per vibració. L'alta densitat millora la conductivitat tèrmica, la resistència mecànica i la resistència a l'erosió.

Planitud: Planitud de la superfície a la cara sencera del plat Menor o igual a 0,01 mm. Això s'aconsegueix habitualment mitjançant la mòlta de diamant després d'un recuit d'alleujament d'estrès a alta temperatura.

Paral·lelisme: les cares de les platines superior i inferior estan paral·leles a terra dins de Menys o igual a 0,02 mm.

Recobriment superficial (opcional): algunes platines estan recobertes amb una fina capa de grafit pirolític o un carbur refractari (per exemple, TaC, NbC) per reduir el desgast, evitar l'enganxament de la matriu i allargar la vida útil.

Canals de refrigeració (integrats): Quan els plats s'han de refredar ràpidament després del cicle de premsat, es mecanitzen canals interns en els blocs de grafit a través dels quals es bombeja un gas inert (per exemple, heli o argó). No obstant això, cal tenir cura en el refredament per evitar el xoc tèrmic.

Les noves plaques de grafit generalment es "cueten" abans del primer ús a alta temperatura al buit per eliminar qualsevol humitat absorbida o contaminants volàtils. Aquest procediment de desgasificació pretén evitar la contaminació de la ceràmica.

Nota del procés: refredament controlat per evitar el xoc tèrmic
La part de ceràmica creada a 1500-2000 graus s'ha de refredar a temperatura ambient. Aquesta fase de refredament-és tan important com el premsat en si. Les ceràmiques tècniques, especialment els no-òxids (carbur de silici, carbur de bor) són fràgils i tenen una conductivitat tèrmica limitada. Si el refredament és ràpid o desigual, s'estableixen tensions tèrmiques internes que poden fer que la peça es trenqui espontàniament - sovint de manera violenta, quan surt de la premsa.

Per tant, al final del cicle de premsat, l'energia subministrada als plats escalfats es redueix lentament seguint un perfil de refredament-programat. Un perfil comú pot ser baixar la temperatura de 2000 graus a 800 graus en 2-4 hores i després deixar-la refredar de manera natural a l'atmosfera inert. Els plats mateixos s'han de refredar uniformement. El grafit ajuda amb la seva conductivitat tèrmica relativament alta (aproximadament . 50-100 W/mk a altes temperatures, depenent del grau), però la velocitat a la qual es refreda encara està restringida per les qualitats de la ceràmica. Algunes premses calentes tenen un sistema de refrigeració actiu que bombeja gas inert a través dels canals del plat, però el cabal es controla acuradament per evitar el gradient de calor a través de la cara del plat.

Diferents ceràmiques, diferents dissenys de plaques
Les condicions de premsat en calent són variables per a diferents ceràmiques tècniques. En conseqüència, les platines escalfades s'adapten:

Ceràmica|Temperatura típica de premsat en calent|Material de platina|Consideracions especials
Carbur de silici (SiC) 1800-2100 graus Grafit Temperatura molt alta Es requereix grafit de molt alta puresa Sovint s'utilitza una capa de grafit pirolític per evitar la interacció amb vapors de SiC
Alúmina (Al2O3) 1400–1600 graus Grafit o molibdè Es pot premsar al buit o amb gas inert. Molibdè quan s'ha d'evitar la contaminació per carboni
Carbur de bor (B₄C) 2000–2200 graus Grafit Temperatura extrema; cal un grafit especial d'alta-densitat i gra-gran; refredament-molt lent
Nitrur de silici (Si3N4) 1700-1850 graus Grafit Normalment s'utilitza un llit de pols o làmina (per exemple, una capa d'alliberament BN) per evitar l'adherència del component a la placa o matriu
Diborur de zirconi (ZrB 2 ) 1900-2100 graus Grafit (cobert amb TaC) Molt reactiu, requereix un recobriment protector de carbur a la superfície de la platina
Per què és millor el premsat en calent que altres mètodes de conformació de ceràmica?
En comparació amb la sinterització sense pressió o el premsat isostàtic en calent (HIP), el premsat en calent amb platines escalfades proporciona:

Higher Density: Hot pressing gives you >99,5% de densitat teòrica, i en menys temps.

Mida del gra fi. La sinterització sota pressió permet la sinterització a una temperatura més baixa que la sinterització sense pressió, donant lloc a grans més petits i característiques mecàniques millorades.

Forma propera-neta: la peça ceràmica es produeix directament a la matriu, de manera que es requereix molt poc mecanitzat després del premsat (cosa difícil i costosa per a la ceràmica dura).

Propietats uniformes: una combinació de pressió uniaxial i escalfament uniforme dóna lloc a propietats isòtropes o gairebé{0}}isòtropes, depenent del material i de les condicions de premsat.

Però el premsat en calent es limita a formes relativament simples (cilindres, blocs, plaques) i és més car en despeses d'eines que la sinterització sense pressió. Per a formes més complexes, pot ser necessari algun altre procediment, per exemple, l'emmotllament per injecció i després la sinterització.

Consideracions operatives i de seguretat
Quan es treballa amb les platines escalfades a 2000 graus dins de la cambra de buit, s'han de prendre mesures de seguretat:

Oxidació del grafit: si es perd l'aspiradora o falla el subministrament de gas inert, el grafit calent s'encén a l'aire a temperatures superiors als 400 graus, cremant ràpidament i emet una calor extrema. Si entra oxigen, els enclavaments automàtics apaguen l'alimentació i netegen la cambra amb gas inert.

Radiació tèrmica. Les plaques ardents irradien fortament a l'infra-rojo. Els filtres protectors es munten a les finestres. Els operadors mai miren directament la zona calenta sense protecció ocular.

Xoc tèrmic de grafit Esquerdament de plaques de grafit amb un refredament ràpid Les plaques grans tenen baixes velocitats de refredament-inferiors o iguals a 50 graus/minut i normalment molt més lentes.

Perills de mort i pols: Algunes pols ceràmiques (per exemple, òxid de beril·li, òxid de tori) són tòxiques. El premsat en calent d'aquests materials es fa en tancaments-de guantera. La pols de grafit, fins i tot quan és "inert", pot ser un perill elèctric quan s'acumula.

CONCLUSIÓ: Les superfícies més planes, més potents i més calentes
La platina escalfada és el cim de les eines de forja a -alta temperatura, convertint una pols solta i grisa en la vida-més avançada que salva els components ceràmics de la Terra. Van des de plaques de blindatge que detenen les rondes de rifles, fins a eines de tall que mecanitzan superaliatges, fins a cúpules de míssils que sobreviuen al vol supersònic, fins a boles de coixinets que funcionen sense lubricació-totes neixen a les superfícies més calentes, resistents i planes-les planxes de grafit brillants d'un forn de premsat en calent. El procediment requereix temperatures molt altes (> 1500 C), pressió uniforme i un buit net o una atmosfera inert. 2) El disseny de cada element del sistema de platina escalfada, des del grau de grafit de gra fi-grau fi fins a la planitud de nivell-micra fins al refredament controlat-perfil de baixada, està optimitzat{10}per produir un perfil d'alt rendiment{1} sense defectes{1} ceràmica. Quan es tracta de materials sofisticats, els productes més durs es formen a l'equip més dur i calent: les planxes escalfades d'una premsa calenta.