Лодочки графитовые для спекания — изготовление по чертежам
Лодочка — ёмкость прямоугольной или овальной формы для размещения порошков, заготовок, образцов при термообработке в печах. Дно толщиной 8–15 мм передаёт тепло контактом, борта высотой 15–50 мм удерживают загрузку. Материал обеспечивает равномерность температуры по площади (отклонение не более 12°C на длине 400 мм), отсутствие прилипания обработанных изделий, стабильность размеров после сотен циклов нагрев-охлаждение.
Применение: спекание карбидных порошков при 1450–1550°C, обжиг керамики при 1400–1700°C, процессы CVD при 900–1100°C, карбонизация углеродных материалов при 800–1200°C, отжиг металлических деталей в защитной атмосфере. Срок службы 400–1200 циклов в зависимости от температурного режима и частоты загрузки-выгрузки.
Технические решения
Корыто для порошковой металлургии
Смеси WC-Co, TiC-Ni насыпаются слоем 12–18 мм. Графит МПГ-7 с теплопроводностью 72 Вт/(м·К) при 1500°C выравнивает температуру: центр и края отличаются на 9–11°C. Карбиды не взаимодействуют с углеродом лодочки. После спекания заготовка извлекается переворачиванием — угол смачивания 142° предотвращает прилипание. Размеры 200×100×25 мм до 500×220×45 мм, толщина дна 10–14 мм.
Тарелка для керамических подложек
Круглая форма диаметром 150–350 мм с плоским дном и бортиком 8–15 мм. Подложки Al₂O₃, ZrO₂ укладываются в один слой, обжигаются при 1500–1650°C. Плоскостность дна ±0,8 мм обеспечивает равномерный контакт всех изделий с нагретой поверхностью. Керамика не смачивает графит (угол 135°), после охлаждения высыпается без механического воздействия.
Лоток с пазами для CVD-процессов
Кремниевые пластины 100–200 мм устанавливаются вертикально в пазы шириной 4–5 мм, глубиной 10 мм, с шагом 12–18 мм. Лоток нагревается до 950–1050°C, газы (SiH₄, TiCl₄) осаждают плёнку на обе стороны пластины одновременно. Требование: зольность графита менее 0,01% (марки И-2, АГ-1500 СО5) для исключения загрязнения. Плоскостность дна ±0,5 мм, шероховатость Ra 2,5 мкм.
Контейнер с перегородками для мелких деталей
Внутренний объём разделён графитовыми стенками на ячейки 20×20 мм или 25×25 мм. Каждая деталь (свёрла, резцы, образцы) лежит изолированно, не соприкасается с соседними при термоциклировании. Предотвращается деформация тонкостенных изделий от взаимного давления при нагреве. Применение: отжиг быстрорежущей стали при 1100–1150°C, закалка инструмента в вакууме.
Характеристики материала
| Свойство | МПГ-7 | И-2 | Влияние |
|---|---|---|---|
| Теплопроводность при 1500°C, Вт/(м·К) | 72 | 88 | Выравнивание температуры по площади |
| Плотность, г/см³ | 1,73 | 1,84 | Масса лодочки, скорость нагрева |
| Зольность, % | 0,3–0,5 | < 0,01 | Чистота процесса (критично для CVD) |
| Угол смачивания оксидами, ° | 138–142 | 140–145 | Лёгкость извлечения продукта |
| Коэффициент расширения, 10⁻⁶ °C⁻¹ | 5,2 | 4,8 | Устойчивость к термоудару |
Проблемы, устраняемые графитом
Градиент температуры в керамической ёмкости: WC-Co в керамике длиной 380 мм — центр 1502°C, края 1408°C. Плотность спёка 97% в центре (переспекание), 88% по краям (недоспек). Брак 32%. С графитом: перепад 10°C, плотность 95–96%, брак 4%.
Прилипание продукта: Si₃N₄ после обжига при 1620°C смачивает керамическую поверхность (угол 68°), 19% изделий невозможно отделить без повреждения. Графит: угол 138°, всё извлекается полностью.
Растрескивание при частых циклах: Керамическая лодочка при 5 циклах/сутки служит 55 циклов. Замена каждые 11 дней, стоимость 21 тыс. руб., годовые затраты 700 тыс. руб. Графитовая: 820 циклов (164 дня), стоимость 27 тыс. руб., затраты 60 тыс. руб./год.
Загрязнение CVD-процесса: Графит ГМЗ (зольность 1,1%) при 980°C испаряет Fe, концентрация в плёнке 2,8 × 10¹⁵ атомов/см³ (норма 10¹⁴). Выход годных 68%. Изостатический И-2: концентрация 4 × 10¹³ атомов/см³, выход 93%.
Производство
Фрезерование полости: Блок 320×160×40 мм на ЧПУ-станке. Фреза Ø14 мм выбирает корыто глубиной 24 мм, дно остаётся 12 мм, стенки 7 мм. Рёбра под дном: 3 продольных высотой 9 мм, шириной 11 мм, шаг 75 мм. Время 2,8 часа.
Контроль: Размеры полости штангенциркулем ±0,5 мм. Толщина дна ультразвуком ±0,3 мм. Плоскостность линейкой (допуск 0,9 мм на 300 мм). Трещины визуально.
Выбор марки: МПГ-7 для спекания/обжига до 1700°C, 600–950 циклов. МПГ-8 для тяжёлых загрузок (> 4 кг), 700–1100 циклов. И-2 для CVD (зольность 0,008%), 1400+ часов.
Документация
Чертёж содержит:
- Габариты (Д×Ш×В общ.) ±1 мм
- Полость (Д×Ш×глубина) ±0,5 мм
- Толщину дна/стенок
- Рёбра, перегородки, пазы
- Марку или зольность
- Материал загрузки, T, атмосфера
Выводы
Лодочка проектируется под процесс: объём загрузки определяет габариты, температура — марку графита, требования к чистоте — допустимую зольность. МПГ-7 покрывает 70% задач. Изостатические марки критичны для CVD и полупроводников. Срок службы 600–1100 циклов для обжига, 1400+ часов для CVD. Правильный выбор снижает брак с 30% до 4%.