[科普中国]-烧结炉

烧结炉是指使粉末压坯通过烧结获得所需的物理、力学性能以及微观结构的专用设备。烧结炉用于烘干硅片上的浆料、去除浆料中的有机成分、完成铝背场及栅线烧结。1

要求为了保证粉末压坯在烧结过程中的脱蜡（润滑剂或成形剂）、还原、合金化、组织转变等顺利进行，烧结时需要对烧结温度、保护气氛、压坯传送方式、加热和冷却速度等进行精确的控制。

因此，烧结炉在结构上应满足以下要求：

(1)具有完善的润滑剂烧除装置（俗称脱蜡带）。

(2)具有气密性，即能隔绝炉外空气并保证炉内保护气氛畅通。

(3)炉内的各段温度可控，烧结气氛可调。

(4)具有快速冷却装置，可将烧结零件快速冷却到出炉温度而不会氧化。2

类型一般可按压坯移动方式不同把烧结炉分为两大类：连续式烧结炉和间歇式烧结炉。

连续式烧结炉压坯以一定的速度通过炉子的预热段、高温段及冷却段的炉膛。这种炉子具有生产量大、产品质量均匀、热效率高、操作方便、筑炉材料和发热元件费用低且寿命长、峰值电力小、烧结费用节省等优点。在粉末冶金机械零件生产中，常用的连续式烧结炉有网带炉、步进梁炉和推杆炉等。

1．网带炉

1)网带炉的特点

(1)通常条件下，不必使用烧舟，烧结件加热均匀、变形较小。

(2)操作简单，自动化程度高。

(3)可以使用快速烧除（RBO）机构加速润滑剂的烧除，以及碳补偿保证炉内碳势。

(4)具有驱动、传动装置，进料、出料稳定并连续地进行。传送带的速度可以在1.4~14m/h之间进行调节，以适应各种压坯烧结时间不同的要求。

(5)有各种安全装置。为了确保运转安全，采用能应用的所有警报系统和相应措施。例如气体低压报警，冷却水断流报警，温度异常报警等。

(6)设有辅助部分。每个烧结加热带的温度、缓冷区的温度都有自动控制装置，并有自动记录烧结气氛纯度的装置、气体压力与流量的自动控制装置。

2)网带炉的结构

网带炉由驱动装置，烧除区，烧结区，冷却区（水套冷却式），进、卸料装置，加热装置，各种配管及电气、测试装置组成。

(1)预烧区。

为了使蒸发的润滑剂顺利排除出炉外，加有气流流动系统，便于部分未能排出的润滑剂沉渣的清除，在炉底下部设有收集口，很容易从炉外清扫。

预烧区的炉盖以及与烧结区的法兰连接，均使用螺栓，所以检测简单。

(2)烧结区。

烧结区炉管采用耐热铸钢制的马弗炉炉管，且炉管留有充分的长度，可使保护气氛稳定，能保证传送带上的横向温差控制在±2℃以内。

为了不使在预烧区脱润滑剂时污浊了的保护气体流入烧结区，在预烧区和烧结区之间设有挡板，以阻止这部分气体流入。

炉管的隔热材料除承受炉管的重力外，全部采用陶瓷纤维，因此热经济性好，隔热效果好，从而使炉体表面温度控制在60℃以下。

用SiC加热元件间接式加热。可以从外部更换。另外加热器的各个端子采用的是耐热材料。

(3)缓冷区。

缓冷区采用的是自然冷却（空气）。备有充分的长度（1200mm），用隔热材料保温，具有恢复碳含量的作用。该区与烧结区是用同一耐热铸钢一体加工而成。

(4)冷却区。

冷却区分为三段。第一段底部加工成船形，这种设计是为了加快水的流速。以防止水垢等黏附堵塞水流，造成底部高温而引起烧结零件开裂。为便于水垢等的清扫，各区均设有清扫口。

3)使用注意事项

(1)必须严格限制使用温度，控制在1120～1150℃范围内，否则网带寿命将大大缩短。

(2)网带失效的主要形式是：变形拉长，超过允许伸长10%～20%的范围；网带丝的材料因氧化、渗碳及疲劳，截面缩小，产生疲劳裂纹，甚至断裂。网带使用寿命较短（约为6～9个月），网带费用高。

(3)炉门始终是敞开的，留出的间隙以让压坯刚刚通过为好，这种炉子需要大量的保护气氛。

2．推杆式烧结炉

这种炉子是将压坯装于烧舟中或垫块上，用机械（或手动）传动，推进炉内进行烧结。根据推舟是连续的还是间歇的，这种炉子又分为连续推进式和间歇推进式两种。

1)炉子结构

这种炉子适用于合金化要求高的粉末冶金机械零件的生产，一般烧结温度在1200～1250℃范围。

推杆式烧结炉是由推进装置和预热带、高温带、冷却带等组成。各段温度均自动控制。为了尽可能降低推进力，除高温烧结带外，在预热带和冷却带中铺设了辊道。预热带加热元件为Ni-Cr合金。烧结炉进、出料时，要先关闭中间门，在烧结炉进出口形成火帘后再进、出料。烧舟材料，用于1150℃以下时，可采用耐热合金钢；用于高于1150℃时，可采用陶瓷、石墨等耐高温材料。烧结带加热元件为SiC棒或钼。烧结气氛可采用吸热性气氛及分解氨等。

2)注意事项

(1)高温段如使用钼作为加热元件时，预烧段可选择如下保护气氛：

240℃以下：大气或氮气

240~720℃：氮气

720℃以上：氮气混合气体（氢气 20%）

(2)进、出料。

进料时，置换室入口侧门自动开启，由汽缸将烧舟推入置换室内；然后，入口侧门自动关闭，室内充氮气进行清洗。

然后打开预热带的炉门，烧舟被送入马弗炉内，门关闭。烧舟进炉以这样的方式不断循环反复。出料机构与操作与进料类似。

烧舟的运送可以进行定时设计。

置换室由氮气清洗，以防止混入空气，保证产品烧结质量和保护加热器。

(3)钼加热元件是挂在耐火侧墙上。既要防止钼的氧化，也要防止钼的碳化。

(4)与炉体结合的法兰盘要用硅酮胶密封。要定期进行泄漏检查。

(5)冷却装置上设有爆发口，以防止打爆。运转时抬起摇柄使用。停炉和检查，向炉内加压时，放下摇柄，进行完全的密封。

间歇式烧结炉这种炉子是按一定时间间隔，进行开炉、压坯进炉、烧结及烧结零件出炉的工作循环。其优点是可以进行各种各样的特殊烧结、用气量小、可达到连续式烧结炉不可能达到的高温，易应用真空等。因此它适合于摩擦片、高速钢、不锈钢等特殊的粉末冶金零件烧结。常用的间歇式烧结炉有钟罩炉和真空炉等。

1．钟罩式加压烧结炉

这是用于生产粉末冶金摩擦片的专用烧结炉。在烧结中可施加压力，以使摩擦片快速、有效地与基板粘结。

炉子的工作室由耐火陶瓷块与砂封组成。气管及热电偶都是从炉子的下方通过底座引入工作室的。

装炉时，将需要烧结的摩擦片以一摞或几摞放置在底座上，将传递压力的平盘放置在摩擦片上，然后罩上加热用的钟罩。罩的底部是锐边的，它们在自重的作用下，沉入砂封中。这样形成一个密闭的工作空间。一般用分解氨气体作为保护气氛。压缩空气通入使摩擦片上平盘受压，即可对摩擦片进行加压烧结。

2．真空烧结炉

真空烧结炉也具有润滑剂烧除、预烧结及高温烧结的功能。润滑剂含量多的压坯可先在一般炉中烧除，然后再在真空炉内烧结。

真空烧结炉内部通常是由加热部分和隔热保温两部分组成的烧结区。加热形式有电热元件（如碳管、碳棒）加热、中频感应加热两种。炉子的冷却采用水夹套冷却。为了加速冷却，可向炉内通入氢、氮、氩等气体。

温度控制采用智能型温度仪，可实行升温、控温、降温的自动控制功能，并具有储存多条不同烧结工艺曲线的功能，还具有升降温速度可调及准确报时功能以及显示实际温度和设定温度等多种参数的功能。粉末冶金零件烧结使用的烧结炉型号多种多样，结构不同，其使用的方法也就不同。但就粉末冶金烧结工艺特性来分析，烧结炉使用与维护应注意如下事项。2

使用1)烧结炉使用的注意事项

(1)当使用氢气或分解氨时，要先通入氮气，在确保炉中的空气完全被排出时，才能通电升温，以防止打鸣和爆炸。

(2)对钼丝作加热元件的烧结炉，在通电前炉体中应通入保护气体，以防止钼丝氧化而脆断。

(3)炉门及气体排出口应点明火烧除，以防止氧气进入或氢气排出而发生爆炸危险和煤气中毒危险。

(4)若电热元件为铁铬铝电阻丝，在升温至1100℃时应停留一段时间（30min左右）再升温，以防止电阻丝表面温度过高而损坏。

(5)在升温前和操作中应不时检查气流、水流是否符合要求，以及检查设备、电和炉温的控制仪表是否正常。

(6)停炉前应先断电，在炉温降到200℃以下时再停气和停水。

(7)除了因维修必须停炉外，要避免频繁停炉。烧结炉的频繁开停，会造成加热元件易于老化，耐火材料易于碎裂，炉内气氛不纯，炉温容易波动等弊端。

2)烧结气氛输送管配置和冷却水降温装置

当粉末冶金零件的生产超过一定的规模后，为了确保烧结零件的质量和炉子的使用寿命，烧结炉应有烧结气氛输送管配置和冷却水降温装置。一般每台烧结炉都可配有两种气源的管道，以备一种气体的管道出现故障时，另一种气体可代用，避免因停气造成烧结质量问题和炉子损坏。

3)烧舟的合理使用和整修

在步进梁式炉、推杆式炉及间歇式炉中烧结，必须使用烧舟。烧舟在高温中反复使用，不可避免地会翘曲变形。对于变形烧舟必须及时检出进行整修，方可投入使用，以免变形的烧舟在炉内产生卡舟事故，既影响烧结零件质量又严重降低烧结炉的使用寿命。因此，在烧结工段应备一台整舟用液压机及整舟模具，对变形的烧舟及时整修。

此外，网带式烧结炉虽然多半不使用烧舟，但有时为了减少工件（特别是薄型、细长件等）变形，也采用烧舟，即将压坯装在烧舟中，然后再排放在网带上。对于形状特殊的零件，烧结时需要做专用工装。装舟形式主要有以下几种。

(1)薄的烧结零件，应选用底面平整的石墨舟，烧结中不变形。对网带式烧结炉考虑到网带使用寿命，常用陶瓷板作为烧舟。

(2)舟底部平整，烧结厚壁及外形较小的压坯，可直接装舟。

(3)旧舟底部不平，烧结薄壁及外形较大的压坯时，烧舟底部需填上薄层A120，等填料，并加盖。

(4)特殊要求、需严防氧化的烧结零件，烧结舟上部可放上3mm厚的钢板盒覆顶，盒外再放置填料。2

维护(1)新炉以及更换筑炉耐火材料后应进行烘干处理。烘炉要分阶段升温。在烘干初期，升温速度低，时间长，因刚升温时炉子是冷的，炉体材料中的水分高。在低于400℃以下时，要敞开炉门排出水汽。在升至700℃时应保温一段时间，以使炉体的温度均匀。新炉的烘干程序如下：

20～100℃：8 h

100~2000℃：16 h

200~4000℃：8 h

400～700℃：10 h

700~1000℃：6 h

若是网带炉，在炉温升至400℃时应运转一段时间，以进行预氧化处理，提高网带的寿命。

(2)压坯中的低熔点杂质（硫、铅、锌等）对炉膛材料和加热元件均会产生侵蚀作用，为了提高炉子的使用寿命，应定期净化炉膛，尤其是预烧区。在粉末冶金配料中尽量避免添加硫等元素，以免污染炉膛和发热元件。

(3)炉子要定期清理。在使用一氧化碳或其他含碳气体时，有可能会从碳氢化合物中分解出碳，这部分碳会沉积在炉壁和加热元件上，这样会污染炉子、侵蚀耐火材料和损坏电热元件。

(4)保持炉体清洁，定期清理炉内的氧化铁皮、碎石墨、氧化锌等杂物。

(5)检查电热元件和导线的连接情况，防止接触不良打弧。

(6)因炉内需要在低露点下进行作业，所以对用螺栓封闭的法兰盘部位要定期进行泄漏检测。

(7)勿将附有油污的烧舟送入炉内。油污进入炉内会使露点急剧增加，影响正常运转。

(8)严禁超温运行。2

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学