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S3型放电等离子烧结系统

技术方案书

一、                      SPS简介及主要特点

1.                      SPS简介

S3型放电等离子烧结系统是当今世界上先进的烧 结系统之一，是在两电极间施加脉冲电流和轴向压力进行粉末烧结致密化的一种 新型快速烧结技术。它具有升温速度快、烧结时间短、组织结构可控、节能环保等 鲜明特点，可用来制备金属材料、陶瓷材料、复合材料，也可用来制备纳米块体材 料、非晶块体材料、梯度材料等。此外，SPS 设备也为非常特殊的新型材料的制 造提供了可能，诸如可在晶粒无显著长大的状态下烧结出纳米材料，功能梯度 材料，复合材料，碳化钨，氮化硅，碳化硅或其他硬质材料，结构陶瓷和功能 陶瓷等。

2.                      SPS技术特点

由于SPS过程中施加直流脉冲电流产生放电效应而带来的一些现象，SPS技术具有以下几个特点：

1)                      可以快速升温，快速冷却，大幅缩短生产时间，降低生产成本，升温速率可达200℃/min(根据材料特性或有些差异)；

2)                      烧结温度低（与热压烧结相比，烧结温度可进一步降低）；

3)                      具有净化、活化效应（消除粉末颗粒表面吸附气体，击穿氧化膜），轻松实现难烧结材料、多元素材料的烧结；

4)                      相比于传统烧结工艺，可以在更短的时间内得到组织性质更均匀、更致密、晶粒尺寸更小的材料；

5)                      相比于传统烧结工艺，可大幅节省电能。

6)                      无需粉末预成型，可以直接烧结成致密体。

（设备图示，以实际出货为准）

二、                      设备特点

皓越科技公司此台设备的主要特点如下：

1)                      该系列放电等离子烧结系统，充分考量了烧结工艺的自动化和操控性，烧结 温度，加压控制，电流控制等自动程控系统为设备的标准配置。

2)                      设备搭载了安全停机功能，当监控或侦测到设备水温异常、模具破损等突发 状况时设备将自动停机。配备数据采集解析系统，可将决定烧结体产品品质的工艺参数，如烧结电压、电流、控制温度、施加压力、位移、真空度、位移变化率、实测温度等物理量进行保存和调用，以对产品生产工艺进行追踪。

3)                      设备采用了自主开发的脉冲变频 DC 电源，与传统的同等级别 SPS 相比，耗 电量大幅降低，可真正有效地实现节能降耗环保型高品位的烧结生产。

4)                      采用前置开门式水冷真空烧结腔，工件上下机台、腔体内的施工作业、维护 维修等轻松便捷。

5)                      采用大型液晶触控操作面板，可随时自行对位移数据以及联动互锁等状态的 显示、报警显示、报警履历、加压压力设定值等进行诊断和确认。

6)                      为避免设备各操作按钮或按键的误操作，设备搭载了安全联动互锁功能，即 使新手上机也可放心使用。

三、                      应用领域

1.       金属：Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni、Cr、Mo、Sn、Ti、W、Be;

2.       陶瓷氧化物：Al2O3、Mulitex ZrO2、Mg、SiO2、TiO、HfO2;

3.       碳化物：SiC、B4C、TaC、WC, ZrC, VC;

4.       氮化物：Si3N4、TaN、 TiN、 AIN、 ZrN、VN;

5.       硼化物：TiB2、HfB2、LaB6、ZrB2、VB2;

6.       氟化物:LiF、CaF2、MgF2;

7.       金属陶瓷：Si3N4+Ni、Al2O3+Ni、ZrO2+Ni、Al2O3+Ti、SUS+WC/Co、BN+Fe、WC+Co +Fe ；

8.       金属化合物：TiAl、MoSi2、Si3Zr5、NiAl、NbCo、NbAl   Sm2Co17。

四、                      设备型号

本设备为卧式周期式SPS，具体型号为VHPsp-10/35-2200（S3），具体代码含义如下图所示：

五、                      主要技术参数

1.       设备装料方式： 侧开门装料

2.       加热功率：      160KW±10%（以实际为准）

3.       最高温度：      2200℃（设计温度）

4.       工作温度：      2100℃（验收温度）（温度和升温速度与样品、模具大小决定）

5.       最快升温速率：   ≥200℃/min（Φ80 mm样品）

6.       控温精度：        ±3℃

7.       样品直径：       ≤Φ80mm

8.       压头开放高度：    350mm

9.       压头行程：        100mm

10.       加热电压（V）：    10V

11.       加热电流：        0-16000A

12.       电极材料导电率（IACS）：≥95%（提供第三方检测报告）

13.       最大压力：        30T(可根据要求定制)

14.       加压方式：       单向加压，下加压（由下往上加压）

15.       压力控制：       伺服液压站

16.       压头材质：       铜合金（水冷）

17.       压力精度：       ≤±3‰FS（FS 是全量程压力）

18.       位移精度：        ±0.005mm

19.       极限真空度：      6.7x10-3Pa（空炉，冷态，经净化）

20.       真空抽速：       从大气压力抽至5 Pa≤20min

21.       压升率：         ≤ 2Pa/h（空炉，冷态，经净化）

22.       测温方式：       顶部红外测温，侧面热电偶测温

23.       红外测温仪：     （测温范围600℃-2800℃）

24.       控温及测温方式：  HMI+PLC+PID程序控温

温度<800℃时K型热电偶插入模具接触式测温

温度>800℃时双色红外仪侧部非接触式测温

25.       气氛系统：       高纯氩气或高纯氮气一路气氛

26.       充气压力：       ≤0.02MPa（绝对压力，可调）

27.       通讯接口：       设备配备“RJ45”网络接口，支持“PROFINET”或“MODBUS        TCP”协议

28.       冷却水要求：     水质按GB10067.1-88标准，压力0.2~0.4MPa，PH值7.0～8.5，悬浮物固体＜100mg/L，总硬度CaO＜10mg当量/L，溶解性固体＜30mg/L，电导率＜500μS/cm。

29.       设备外形尺寸：     1560mm（W）X1500mm（D）X2300mm（H）（以实际产品尺寸为准）

30.       设备重量：         约2.2t

六、                      结构组成

皓越科技的SPS（S3）设备主要由炉体、炉架、真空系统、充气装置、测温系统、加压系统、水冷系统、脉冲直流电源、气动装置、电气控制系统等组成。

七、                      设备结构特征

1.                      炉体

炉体采用全不锈钢材料，双层水冷结构，内、外壁均为304且经精密抛光处理，内外壁之间通水冷却，确保炉壁温度低于55℃。炉体为卧式侧开门结构，便于物料装卸，炉门上设有观察窗、真空压力表、手动放气阀等。炉体下压头的密封采用可靠的金属波纹管密封。

2.                      炉架

炉架为支撑炉体及承受压力的结构件，由上下平台及支架构成，上下平台焊接 后经消除应力后，经过严格加工使上下加压平台的中心安装孔具备良好的同心度。

3.                      真空系统

真空系统由直联泵，扩散泵、气动高真空阀、真空变送器、真空压力表、真空放气阀、真空管路等组成，并留有充气接口。为减少炉体振动，真空管道与泵的连接采用金属波纹管，真空度由真空变送器测量。

真空阀门设掉电保护和安全联锁，如设备突然断电，真空系统的各系统阀门自动调整为关闭状态，保护真空室。

所有真空管路均采用不锈钢或碳钢电镀制造。管路连接处采用金属波纹管连接，以隔绝直联泵的震动，防止将震动传递至真空加热室系统。

4.                      充气装置

充气装置（不含气体干燥、气体过滤及尾气处理系统）主要由充气阀、浮子流量计、充气管道等组成，用于工艺所需充氮气、氩气的一路气氛要求，最大充气压力≤0.02MPa（微正压、表压）。

1)       所有气路管道均采用SUS304材质

2)       进气管道采用浮子流量计控制。

5.                      测温系统

测温元件采用K型热电偶和双色红外测温仪进行测温：当温度<800℃时，K型热电偶插入模具接触式测温；温度>800℃时，双色红外测温仪顶部非接触式测温。配合温度控制仪进行温度闭环控制，测温元件测量温度并供给温度控制器控制信号，从而调整功率调控器的输出，从而控制变压器的输出大小，以满足系统的控温需求。

6.                      加压系统

加压系统为液压单向下加压，加压压力为最大30T（可调），加压行程为100mm。

压机由四立柱及上下横梁组成，单向下加压，加压油缸固定在横梁上，炉体支撑在炉架上，并与下横梁进行固定，横梁经过严格机械加工，保证下压头的加压精度。压头的密封采用焊接波纹管密封，密封可靠、使用寿命长。压头位移由位移传感器测得，采用光栅尺测距，测量误差±0.005mm，加压压力由载荷传感器测量。

下压头全部采用特殊水冷结构形式，材料为铜合金，具有水冷效果好，反复加压工作不变形、使用寿命长、移动过程泄漏小等优点。

加压系统由伺服液压站、加压油缸、载荷传感器、加压位移传感器等组成，并由电磁阀通过控制系统进行控制，位移传感器采用光栅尺。可通过手动调节加压压力，也可自动调节加压压力，进而实现稳压、保压。

7.                      水冷系统

系统由集成式进水组件（不锈钢管）、集成式回水组件（不锈钢管）、球阀、优质橡胶管及接头等组成。回水方式采用封闭式，在关键回路如电极上设置了水温水流量传感器，水温过高或水流量不足时及时报警并停止加热。

进水主管路上设有电接点压力表，当水压不足时提供信号给控制系统，然后由控制系统判断报警，启动备用水源系统或切断电源。

水路特点：

1)                      所有水路管道均采用耐高温、高压软管材质，确保不生锈；其他辅助水路管道采用高压防爆管道。确保水路安全；

2)                      关键管路设置有水流量传感器和水温传感器和报警装置，水流量过低报警，水超温报警，及时发现安全隐患。进水路欠水压与加热PLC互锁，水压低时，报警并停止加热。

3)                      使用方须做好备用水源及UPS电源。主电路停电可立即切换至UPS电源，给水泵供电，冷却水源循环，确保炉体安全。

8.                      脉冲直流电源

脉冲直流电源：采用IGBT为数字功率模块，超微晶软磁合金材料为变压器铁芯，配有电压、电流自动反馈，系统故障诊断保护功能。

1)                      采用高频率大功率的IGBT模块，使电流瞬间增加到几千或者上万安培，保证粉末快速烧结致密。

2)                      技术保证大电流在连续输出的过程中稳定，纹波电流≤1%。

3)                      毫秒级别的通断时间可显著抑制晶粒粗化，使被加工件能同时保证达到纳米尺寸的晶粒和致密的要求。

4)                      重要器件选用进口品牌，在使用寿命及输出稳定性达到工业级水准。

9.                      气动装置（需选配空压机）

由气动三联件（除水器、压力表、油雾器）、电磁换向阀，管道和产气量为0.6m3/min的空压机（可选配）等组成。可对气动执行元件（如气缸、充气阀、真空阀门等）提供洁净的压缩空气，确保气动原件运行稳定可靠，管路走向整洁美观。

10.                      电气控制系统

电气控制系统：全自动 PLC+触摸屏系统，可以手动、自动切换。

电源控制系统软件介绍： 有以下特点：

1)       源控制具有手动和自动两种控制方式，手动和自动都可以在触摸屏上控制，操作方便、系统稳定，具有误操作提示报警功能。

2)       温控系统：全自动 PLC+触摸屏系统，可以手动、自动切换，采用热电偶和控温仪表控制电源的输出从而控制模具的温度，触摸电脑自动记录烧结过程及历史曲线。配备 PLC 控制器（西门子/欧姆龙），具有 PID 及超温报警功能，能储存和输出记录，清晰反应炉子工作状况。

3)       控制系统软件由我公司自行开发，人机界面操作系统，画面友好，操作简单，响应速度快，可对炉内工况进行实时监测，系统稳定可靠。

4)       本设备可自动采集温度曲线、真空度曲线和烧结时间等曲线，对各个工艺参数（温度、真空度）实现动态显示，方便用户根据历史曲线分析烧结工艺。

5)       通讯接口丰富，如 RS485、LAN、USB 等，易于和其它设备 组网应用。软件控制界面形象化，能够动态显示工作流程，方便直观。

6)       控制系统上设有过流、超温及断水等分类报警功能，电器元件采用施耐德、 LG等品牌，产品品质有保证。电控柜按照西门子标准制作，所有的仪表及控制元件集中到一个电控柜内。

7)       软件免费升级。

温度的控制也可通过数显温度程序控制仪根据用户设定的工艺曲线，实行自动控制温度，并具有PID自整定功能，也可根据用户需要手动控制温度。

八、                      安全保护系统

1.                      电气联锁保护系统；

2.                      保险丝；

3.                      电热过电流保护装置。

九、                      整机要求

1.                      电力需求：                        380V，120KVA，50Hz

2.                      起重设备：                        ＞3吨

3.                      水源：

1)                      循环水量：                12m3/h

2)                      水压：                        0.15~0.3Mpa

3)                      进水水温：                ≤25℃

4.                      压缩空气气源：

1)                      耗量：                        ~3L/s

2)                      压力：                        ≥0.6Mpa

十、                      安装、调试及验收

1.                      甲方负责地基、气源、乙方电控柜的进线电缆。进回水接到乙方冷却水箱的总进回水口处。在所有准备工作完成后，通知乙方进行安装、调试。设备以卖方组织，买方配合的方式在买方现场安装、调试并达到买方正常使用的要求；

2.                      验收工作完成后，由双方共同签署设备最终验收报告。

十一、                      培训

1.                      设备安装调试过程中，卖方同时对买方设备使用人员进行必要的操作和维护保养的培训。经培训，用户技术人员能够达到独立正确操作设备并能判断故障及简单维修。

2.                      培训计划和内容：

十二、                      保固期

机器全系统保固壹年。

十三、                      售后

保固期内，若设备发生故障（易损件加热元件、热电偶除外），我公司在2小时内给予回复，并在72小时内派员到达现场，组织维修。

长期优惠提供备品备件。

十四、                      随机资料

1.                      操作说明书。

2.                      出厂检验报告。

3.                      安装调试必需的图纸。

十五、                      选配配件

1.                      冷水机HCA-10      1台

2.                      水路管道及法兰：   1套

3.                      空压机HA-1        1台

4.                      脱模机HD-1        1台

5.                      分子泵组/DM或/OD：1台

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