Урок 9.5Придать формуГлава 9 · Порошки и керамика

Микроволновое спекание

Микроволны нагревают деталь изнутри

Микроволновое спекание нагревает спрессованную порошковую деталь микроволнами, а не горячими стенками печи. Энергия поглощается внутри материала, поэтому вся деталь прогревается сразу, подобно тому как кухонная микроволновка греет суп изнутри. Это может сократить циклы спекания с многих часов до гораздо меньшего времени и сохранить более тонкую структуру материала.

Микроволновое спекание · разрез печи и картина нагреваПечь слева показана в разрезе; панель справа сравнивает, где начинается нагрев в обычной печи и в микроволновой. Номера в кружках соответствуют шагам.

Как это работает

Загрузите деталь. Спрессованную порошковую деталь (часто керамическую) помещают в короб из изоляции, который пропускает микроволны, но удерживает тепло. Рядом с ней часто стоят стержни из карбида кремния, называемые сусцепторами (материалами, хорошо поглощающими микроволны).
Создайте микроволны. Магнетрон (лампа, питающая и кухонные печи) создаёт микроволны, обычно на частоте 2,45 ГГц и мощностью несколько киловатт. Металлический канал — волновод — подводит их в закрытую металлическую полость, где они отражаются во все стороны.
Нагрев изнутри. Молекулы и заряды детали поглощают волны и превращают их в тепло по всему объёму. Многие виды керамики в холодном состоянии почти не поглощают микроволны, поэтому сусцепторы нагревают их первыми, пока они сами не начнут поглощать («гибридный» нагрев).
Спекание и охлаждение. При рабочей температуре (например, около 1200–1500 °C для многих видов керамики) частицы соединяются, а деталь усаживается и уплотняется, как при любом спекании. Пирометр (бесконтактный термометр) следит за температурой, а мощность регулируется, затем деталь остывает в коробе.

Ключевые факты

Материалы: В основном керамика (оксид алюминия, диоксид циркония, ферриты, нитрид кремния); также порошковые металлические детали и некоторые композиты
Типичные детали: Стоматологические коронки из диоксида циркония, керамические компоненты, твердосплавные наконечники, исследовательские образцы
Размер детали: В основном небольшие и средние: от нескольких граммов до деталей длиной в несколько десятков сантиметров
Точность: Как и при другом спекании: усадку нужно прогнозировать; после спекания часто около ±0,5–1% размера
Качество поверхности: После спекания, как у спрессованной детали; при необходимости шлифуется или полируется
Подходящая партия: Лабораторные работы, малые партии и несколько непрерывных промышленных линий
Стоимость оснастки и оборудования: Оснастки для формы нет (форма придаётся заранее); печи — от небольших лабораторных установок до промышленных систем стоимостью сотни тысяч долларов
Скорость: Часто от минут до нескольких часов на цикл, обычно гораздо короче, чем в обычной печи для той же детали

Сильные стороны и ограничения

Сильные стороны

Быстрый нагрев изнутри, а значит, более короткие циклы
Меньше энергии тратится на нагрев стенок печи
Более тонкие зёрна, что часто даёт более прочные детали
Компактное оборудование для небольших лабораторий и клиник

Ограничения

Многие материалы плохо поглощают в холодном состоянии и требуют сусцепторов
Горячие точки и «тепловой разгон» (участок, перегревающийся всё быстрее и быстрее) могут растрескивать детали
Температуру трудно равномерно измерять и контролировать
Металлы отражают микроволны, поэтому массивные металлические детали обрабатывать труднее

Где применяется

СтоматологияБыстрое спекание коронок и мостов из диоксида циркония в печах клинического размера
Современная керамикаОксид алюминия, нитрид кремния и сверхвысокотемпературная керамика для экстремального нагрева
ЭлектроникаФерриты и другая электрокерамика
Аддитивное производствоСпекание напечатанных металлических и керамических деталей в микроволновых печах
ИсследованияБыстрые испытания новых рецептур керамики и композитов

Как узнать процесс

По самой детали обычно не отличить: она выглядит как любая спечённая керамическая или металлическая деталь.
Выдаёт печь: металлический короб с волноводом, внутри которого нет раскалённых нагревательных элементов.
Лабораторные и любительские детали часто стоят в белом коробе из волокнистой изоляции или в тигле из карбида кремния.

Сравните с

Порошковая металлургия9.1использует обычную печь, которая греет снаружи внутрь, в течение нескольких часов.Спекание искровой плазмой9.4тоже быстро нагревает изнутри, но электрическим током через пресс-форму и под давлением.Золь-гель технология9.6ещё один способ получения тонкой керамики, исходя из жидкости, а не из порошка.

Смотрите

National Science Foundation News · Почему микроволновые печи ускоряют изготовление керамики, с кадрами из лаборатории

Hunan WISE Microwave Technology Co., Ltd · Устройство промышленной печи: магнетроны, волноводы, камера

The Virtual Foundry, Inc. · Идея сусцептора на примере напечатанных металлических деталей в тигле

CERAMBOT · Небольшая микроволновая печь обжигает напечатанные керамические детали

Смотреть реальные фото

Википедия: Sintering — общая статья о спекании с разделом о микроволновом спекании; в английской Википедии отдельной статьи нет
Поиск фотографий в Wikimedia Commons

Запомните

Микроволновое спекание нагревает саму деталь, а не стенки печи.
Нагрев изнутри даёт более короткие циклы и более тонкие зёрна.
Слабое поглощение в холодном состоянии и горячие точки — главные трудности, решаемые сусцепторами и тщательным управлением.