CN107716925A - 一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，由高纯石墨加工成形的零部件和高强碳化钨合金加工成形的零部件组合而成；其中内膜嵌入在外模内侧壁凸台上部，外模壁上设有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度。上内压头与下内压头分别嵌入在内模内侧壁的上部和下部，且与内模之间形成的空腔为烧结区，用来装填烧结试件的粉末。下垫块与上垫块一端为平面分别紧靠下外压头和上外压头，另一端面设有圆盘状凸起，且分别与下内压头、上内压头配合对称安装。模具在保证顺利导电的前提下，有效地提高作用于试样上的烧结压力，并能防止模具长时间使用后内外模在烧结过程中发生相对滑落；从而降低生产成本，提高生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金烧结设备技术领域，具体地说，涉及一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具。
背景技术
近年来，纳米晶材料因其优异的性能在国内外引发了研究的热潮，然而由于制备技术有限，目前很难制备出大型纳米晶块体材料。相对的，通过高能球磨方法制备纳米晶粉末的技术已经比较成熟，因此采用粉末冶金方法将粉末制备成块状纳米晶材料已成为当前研究的热点。目前，主要通过热等静压(HIP)、超高压烧结(UPS)和放电等离子烧结(SPS)的方法来制备纳米晶块体材料。
放电等离子烧结方法是将金属等粉末装入石墨等材质制成的模具内，利用上模冲、下模冲及通电电极将脉冲电流和烧结压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却制取高性能材料的一种新型粉末冶金烧结技术。其主要特点为脉冲直流电直接通过石墨模具，从而产生大量的焦耳热，能实现极快的可达200K/min升温速率，与常规烧结技术相比，其能够在相对较低的烧结温度下、较短的时间内实现接近理论值的密度。但放电等离子烧结必须辅以专门配套的模具。
发明专利CN205200542U中公开了一种放电等离子烧结模具，该模具包括模具底座和位于模具底座上的模具套及上压头，模具套的内壁包围的空间形成模具腔,上压头从模具套的上端压入模具腔；所述上压头的下方设有上压片，所述模具底座上设有下压片,上压片和下压片分别与所述模具腔滑动密封配合,在模具腔中位于上压片和下压片之间的空间为原料粉末的烧结区。该模具能有效避免在真空烧结时因为粉体的逸出而造成仪器的损坏，降低放电等离子烧结工艺制备成本，同时模具操作简单方便，提高了生产效率。然而，由于该模具整体都是由石墨制备而成，而传统石墨承受的最大压力为50MPa左右，极大的限制了烧结设备最大载荷，进而使得烧结试样致密度不高。
在专利CN202571280U中公开了一种放电等离子烧结模具，该模具包括内外依次套接的压头、模具套和外模套，模具套的内壁包围的空间形成模具腔。该模具虽然能在一定程度上提高烧结时的压力，但由于压头仍然是由石墨制造的，能提高的压力有限。并且如果长时间使用，该模具的内外模间隙会逐渐增大，在烧结过程中，内外模可能会发生相对滑动，从而造成试样的掉落的问题，极大地降低了模具的使用寿命，增加了试样的制备成本。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具；该模具通过高纯石墨材料加工成形的零部件和高强碳化钨合金加工成形的零部件组合，在保证模具能顺利导电的前提下，有效地提高作用于试样上的烧结压力，极大的提高烧结式样的致密度，降低烧结温度，并且通过外模内壁上凸台的设计，防止模具长时间使用后发生相对滑动的问题，从而降低生产成本，提高生产效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括外模、内模、下外压头、上外压头、下内压头、上内压头、下垫块、上垫块，所述外模为上下两端开口的中空腔体，外模内侧壁上沿周向设有凸台，内膜嵌入在外模内位于侧壁凸台上部，外模壁上设有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度；所述上内压头与所述下内压头为两个结构相同的小圆柱形部件，两端为平面，上内压头和下内压头分别嵌入在内模内侧壁上部和下部，且上内压头和下内压头与内模之间形成的空腔为烧结区，用来装填烧结试件的粉末；上垫块和上外压头依次放置在上内压头的上部，下垫块和下外压头依次放置在下内压头的下部；所述下垫块与所述上垫块为两个结构相同的部件，下垫块与上垫块一端为平面分别紧靠下外压头和上外压头，下垫块与上垫块的另一端面设有圆盘状凸起，且分别与下内压头、上内压头配合对称安装。
外模、内模、下外压头和上外压头均采用高纯石墨材料。
下内压头、上内压头、下垫块和上垫块均采用高强碳化钨合金材料。
在内模的内壁，下内压头与上内压头相对的端面喷涂氮化硼。
有益效果
本发明提出的一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，由高纯石墨材料加工成形的零部件和高强碳化钨合金材料加工成形的零部件组合而成；模具上设置有用于热电偶测温的测温孔。在保证模具顺利导电的前提下，有效地提高作用于试样上的烧结压力，提高烧结试样的致密度，降低烧结温度。并且通过模具的设计，有效地防止模具长时间使用后内外模在烧结过程中发生相对滑落的问题，从而降低生产成本，提高生产效率。
a.传统的放电等离子烧结模具由石墨制成，而石墨材料所能承受的极限压力为50Mpa。通过模具的设计，在不影响导电能力的情况下，模具的上垫片、下垫片、上内压头、下内压头均由高强碳化钨合金材料加工成形，高纯碳化钨合金材料可承受的压力达1Gpa，因而承受压力提升了近20倍，大大提升烧结试样的致密度，并降低烧结温度，从而提高了生产效率，降低了生产成本。
b.传统放电等离子烧结模具在长时间使用后，外模和内模之间的间隙会变大，导致在烧结过程中两者会发生相对滑动，从而使得烧结不能继续进行。在模具的外模内壁上设计了凸台结构，辅以尺寸的合理配合，有效地防止内、外模的脱落，缩短了试样的装取时间，减少了对模具的损伤。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具作进一步详细说明。
图1为用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具结构示意图。
图2为用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具剖视图。
图中
1.外模 2.内膜 3.下内压头 4.上内压头 5.下垫块 6.上垫块 7.下外压头 8.上外压头
具体实施方式
本实施例是一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具；先将事先制备好的纳米晶粉末放置在由内模、上内压头和下内压头形成的烧结区内，确保粉末在烧结区内紧密填充。工作时，将模具放置在放电等离子烧结设备内，通电使得整个模具均匀受热升温，与此同时压力作用于外压头上。推动垫块向模具内部移动，通过阶梯传力，最终将压力施加到粉末试样上，使得粉末试样在受压条件下进行烧结。由于放电等离子烧结设备能提供的压力有限，但通过高强的碳化钨阶梯传力，使得作用于试样上的压力大大增加，能有效提高烧结试样的致密度，并且提高生产效率，降低生产成本。
参阅图1、图2，下面结合纳米晶铁的烧结过程对用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具作进一步说明。
本实施例中，用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，由外模1、内模2、下外压头7、上外压头8、下内压头3、上内压头4、下垫块5、上垫块6组成；其中，外模1为上下两端开口的圆柱形中空腔体，外模1内侧壁上沿周向设有凸台，内膜2嵌入在外模1内位于侧壁凸台上部，外模内壁的凸台设计有效防止模具在烧结过程中的相对滑动。外模1壁上设置有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度。上内压头4与下内压头3为两个结构相同的小圆柱形部件，两端为平面；上内压头4和下内压头3分别嵌入在内模2内侧壁上部和内模2内侧壁下部，且上内压头4和下内压头3与内模2之间形成的空腔为烧结区，用来装填烧结试件的粉末。上垫块6和上外压头8依次放置在上内压头4的上部，下垫块5和下外压头7依次放置在下内压头3的下部。下垫块5与上垫块6为两个结构相同的部件，下垫块5与上垫块6一端为平面分别紧靠下外压头7和上外压头8，下垫块5与上垫块6的另一端面设有圆盘状凸起，且分别与下内压头3、上内压头4配合对称安装。
本实施例中，外模1、内模2、下外压头7和上外压头8均采用高纯石墨材料加工。下内压头3、上内压头4、下垫块5和上垫块6均采用高强碳化钨合金材料加工。模具组装时,在内模2的内壁，下内压头3与上内压头4相对的端面喷涂氮化硼。
本实施例中,外模1壁上径向盲孔直径为1.1mm。外模1内壁上的凸台结构能固定内模和外模的相对位置，方便试样的装取，有效防止模具长时间使用后内外模发生相对滑动。由内模、下内压头和上内压头形成的腔体为粉末烧结区；由公式P＝F/S可知，当设备所能施加的力为一定的时候，外模1通过缩小截面积来提高压力。因此，下垫块5与上垫块6的端面设有圆盘状凸起形状，形成阶梯传力，最终把力作用在横截面积更小的下内压头3和上内压头4上，起增大压力的作用，实现超高压烧结。
实验过程:
在进行烧结装样之前先检查模具是否有开裂损坏的情况，如有需立即更换新模具，以免在烧结过程中出现意外，损坏放电等离子烧结设备；
在装入纳米晶铁粉之前，在内模2的内壁，下内压头3和上内压头4的端面喷涂氮化硼，方便烧结完成后的取样工作；
将下内压头3与内模2组装后，向两者形成的腔体中装入纳米晶粉末，并通过上内压头4配合小型压力机将装入的粉末压严实，确保装入的粉末烧结出符合实验要求的式样；
粉末装入之后，按结构组合模具，并放入放电等离子烧结设备内，将热电偶插在外模外壁预留的盲孔上，关上放电等离子烧结设备的炉门，抽取真空，同时在计算机上编写控温和控压程序，当真空度低于10-2Pa时，进行烧结实验；
烧结过程中,实时观察放电等离子烧结设备显示的电压与电流数值，并注意观察模具的工作情况，若模具发生开裂情况应立即停止实验；
烧结完毕后，让式样随炉冷却，当温度低于150℃时，打开炉门，取出试样，实验结束。
Claims (4)
1.一种用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，其特征在于:包括外模、内模、下外压头、上外压头、下内压头、上内压头、下垫块、上垫块，所述外模为上下两端开口的中空腔体，外模内侧壁上沿周向设有凸台，内膜嵌入在外模内位于侧壁凸台上部，外模壁上设有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度；所述上内压头与所述下内压头为两个结构相同的小圆柱形部件，两端为平面，上内压头和下内压头分别嵌入在内模内侧壁上部和下部，且上内压头和下内压头与内模之间形成的空腔为烧结区，用来装填烧结试件的粉末；上垫块和上外压头依次放置在上内压头的上部，下垫块和下外压头依次放置在下内压头的下部；所述下垫块与所述上垫块为两个结构相同的部件，下垫块与上垫块一端为平面分别紧靠下外压头和上外压头，下垫块与上垫块的另一端面设有圆盘状凸起，且分别与下内压头、上内压头配合对称安装。
2.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，其特征在于:外模、内模、下外压头和上外压头均采用高纯石墨材料。
3.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，其特征在于:下内压头、上内压头、下垫块和上垫块均采用高强碳化钨合金材料。
4.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的超高压防滑落模具，其特征在于:在内模的内壁，下内压头与上内压头相对的端面喷涂氮化硼。
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