钎焊炉内使用碳/碳炉具工装替代重型金属炉具工装的优点

如今的钎焊炉通常需要在钎焊室内使用许多沉重的炉具。这些炉具包括了钎焊炉高温区的所有重型金属结构（比如炉栅、料盘、料架、料篮等）。

放入高温区的所有部件和炉具都需要被加热到钎焊温度，然后再安全地冷却到室温，并且尽量避免产生变形。

炉室内的炉具如果很重，不仅会延长钎焊工艺时间，而且会使很大一部分产能被占用。

凡事都要付出代价。钎焊企业不得不付出相当一部分成本将这些沉重的炉具加热到钎焊温度，往往每天都要重复多次，日复一日，年复一年。这些成本明显吞噬了钎焊企业的利润。

事实上，我见过这样的一些钎焊企业：它们放入炉室的材料总重量中炉具占到了90%以上，只有不到10%是需要钎焊和提供给客户的部件。

有很多这样的钎焊企业与其说是在进行钎焊，还不如说是在进行炉具的热处理。

我对一些工厂经理这样说过：“让我看一下我是否说对了：虽然你们没有意识到，但你们其实是在对炉具进行热处理。当然，你们确实在炉子里放进了一些需要钎焊的部件，但这样获得的收益都被热处理抵消了。难道不是这样吗？”

这往往能引起他们的思考，让他们明白自己的所谓“钎焊炉”为什么效率这么低。

为了帮助改变这种情况，碳纤维增强碳（碳/碳）这种材料越来越多地被用来制造钎焊炉具。碳/碳炉具不仅大幅度降低了装入炉内的重量，还有长期热稳定性的额外优点。

基本介绍

碳/碳炉具的内部构造包括了如图1所示的碳纤维。它们被加到特殊的基体碳素材料中，形成一种强度很高的复合结构。

图1. 制造碳/碳炉具使用的典型碳纤维

碳纤维本身的强度就很高，而基体碳素材料则具有特殊的耐热、耐化学、低热膨胀、高导热和高导电性能。

使用的碳纤维的长度（通常切得很短）和它们在碳基体中的排列方向可以根据需要而改变，从而获得期望的性能。

相比于其他炉具材料——比如压制石墨、陶瓷或金属——碳/碳材料的特点是强度高，重量轻，柔韧性好。它适合于在很大的温度范围内使用，不仅性能不受任何影响，还能保持形状稳定（不变形）。

碳/碳材料能够在任何非氧化性环境中（真空、氩气、氮气等）安全地耐受超过3,500°F（2,000°C）的温度。它们不应当在高温下被用在氢气或任何氧含量较高的气氛中。

炉具的搬运

生产人员需要正确地搬运碳/碳炉具，这确实需要掌握有关注意事项和接受适当的训练。

将碳/碳炉具随意丢放或者掉落到地面上可能会损坏碳/碳材料，缩短炉具的使用寿命。

应当记住，碳/碳材料不会出现像金属炉具那样的凹陷或变形，但尽管它因为柔韧性好而不容易断裂，生产人员仍然应当学会怎样存放、搬运和使用碳/碳炉具。

像所有材料一样，碳/碳炉具会在加热和冷却过程中产生膨胀和收缩，但它应当能够比金属炉具更好地保持形状稳定（因为它的抗变形能力好于金属）。

从图2和图3可以看到，金属炉栅在使用几个月后由于反复出入炉膛而产生了明显的变形，而相同用途的碳/碳炉栅在使用同样长的时间后仍然保持平整，没有出现任何变形。

图2. 这个重66磅（30千克）的炉栅在经过了9个月的反复加热/冷却后产生了明显变形（使用期间没有进行过矫正）。

图3. 这个重5磅（2.5千克）的碳/碳炉栅以与图2中的金属炉栅同样的方式使用后没有产生任何变形。

由于您钎焊的很多金属都可能同承载它们的碳/碳炉具发生反应，您需要在金属部件和碳/碳炉具之间放上某种分隔层，比如在被钎焊的金属部件下面垫上陶瓷材料薄片或陶瓷纤维布。

图4给出了一个将陶瓷件套在炉栅筋条上的例子。

图4. 套在炉栅上的陶瓷件

可以看到，套在炉栅上的陶瓷件能够可靠地防止放在它们上面的任何金属与它们下面的炉具发生反应。

因为碳/碳材料是纯度大于99%的碳，而纯碳容易与含有铁的任何金属（比如不锈钢）发生反应，所以，碳和钢之间的任何反应都可能会在低于2,100°F（1,150°C）的温度下生成低熔点共晶物。

碳/碳炉具承载的金属如果发生局部熔化，将会造成直接接触。你需要注意这一点，要采取预防措施确保金属在炉内加热过程中不与碳/碳炉具发生直接接触。

其他容易与碳发生反应的金属还有钛和铬。

碳/碳炉具的设计

图5是碳/碳钎焊炉具设计的一个例子。

图5. 炉具需要精心设计，以保证对换热器施加均匀的压力。随着温度升高，金属换热器膨胀，碳/碳弹簧压紧。

这种炉具被用来将待钎焊的部件固定在碳/碳材料制成的顶板和底板之间。

螺旋弹簧也是用碳/碳材料制成的，用来在钎焊过程中施加均匀的压力。碳/碳弹簧的材质是单向碳纤维复合材料，即使在高达2,350°F（1,300°C）左右的钎焊温度下使用几百次，也能在部件表面施加正确的压力。

图6和图7展示了两种碳/碳弹簧的例子（螺旋弹簧和板弹簧）。

图6. 碳/碳螺旋弹簧

图7. 碳/碳板弹簧

碳/碳弹簧和配重压料的对比

钎焊企业普遍会在部件上面放置一些金属块（配重）以压紧下面的金属部件，使它们在整个钎焊过程中始终保持紧密接触。这样往往会使被加热的材料量增加几百磅。

通过使用轻质碳/碳弹簧代替配重压紧部件，可以取消占用炉膛的很大一部分重量。

另外，由于碳/碳炉具本身的升温速度比金属快3倍左右（因为碳/碳炉具的导热性非常好），炉料的加热效率大大提高，对增加产量非常有利。

结论

在用途相同时，碳/碳炉具与金属炉具相比有很多优点，包括：

•炉具（炉栅、料篮、料盘、料架等）总重量显著降低

•钎焊炉产量大幅提高（周期时间缩短，操作次数增加）

•钎焊部件能源成本明显下降

•疲劳或变形导致的炉具维修/更换减少

随着碳/碳技术不断发展，预计将会有越来越多的用户选择使用碳/碳材料作为提高钎焊产量和效益的一种简单方法，而碳/碳炉具相比于典型金属炉具较高的初始成本很快就能收回。

随着购买和使用碳/碳炉具，从这种“新”技术中受益的客户逐渐增多，它们的成本将会稳步下降。