CN108748620B - 一种通电烧结模具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通电烧结模具，包括：自内向外设置的内部活块成型模和外模套；以及设于所述内部活块成型模内的上压头和下压头；在所述外模套上设有沉孔；在所述沉孔内设有分流导流体；在所述外模套的内壁上或者所述内部活块成型模的外壁上涂覆有脱模剂。本发明能够提高烧结温度场的均匀性并降低烧结样品的脱模难度从而提高样品烧结均匀性及烧结样品完整性。

Description

一种通电烧结模具

技术领域

本发明属于烧结模具的改造技术，涉及一种烧结模具，尤其涉及到一种通电烧结模具。

背景技术

在特种陶瓷领域和热电块体材料领域，常常需要高温快速烧结细晶粒的样品。相比与外部加热的烧结方式，通电烧结是一种有效的可以实现高温快速的烧结方法。

这些高温烧结样品的模具常常采用熔点高、膨胀系数小的石墨模具或者耐高温合金模具。其典型结构主体为圆柱形，内部圆形或者其他形状的内腔放置粉末样品，烧结时粉末样品两端放置有压头以施加压力，高温烧结后用压力机顶出压头，同时顶出样品。

这样的通电烧结模具的使用存在如下问题 ：（1）通电烧结时，对材料导电性较好的样品，电流除了一部分从模具中通过外，主要从样品的材料中通过，加热主要是通过模具发热及材料自身发热实现的；而对材料导电性较差或者材料不导电的样品，电流主要从模具中通过，加热是通过模具发热实现的，这些加热方式导致了温度分布的不均匀，温度分布的不均匀就会导致烧结的不一致，从而影响材料的均匀性及性能；（2）现行的石墨模具由于硬度较低，样品从模具中退出时容易磨损模具内腔壁，而合金模具虽然硬度较高，但是在高温高压烧结后压头可能有略微变形，容易造成退样时压头拉伤合金模具内壁或者导致冷焊接，从而可能损伤模具。同时有些样品从高温冷却下来后紧紧地挤压在模具内，若强行退出，石墨模具容易裂开或者样品常常被挤碎了。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种能够提高烧结温度场的均匀性并降低烧结样品的脱模难度从而提高样品烧结均匀性及烧结样品完整性的通电烧结模具。

为此，本发明所的通电烧结模具包括：自内向外设置的内部活块成型模和外模套；及设于所述内部活块成型模内的上压头和下压头；在所述外模套上设有沉孔；在所述沉孔内设有分流导流体；在所述外模套的内壁上或者所述内部活块成型模的外壁上涂覆有脱模剂。

根据本发明，可通过调整内部活块成型模外径尺寸、外模套上导流沉孔尺寸、分流导流体的尺寸以及在外模套内壁或内部活块成型模外壁上涂覆脱模剂来合理分布通过外模套、内部活块成型模以及样品中的烧结电流，能够在高温高压烧结时在降低烧结温度与时间的同时提高烧结样品的均匀性，而且由于在外模套内壁或内部活块成型模外壁上涂覆有脱模剂，因而退模无需强行进行，提高了模具的使用寿命及烧结样品的完整性。

又，本发明中，在所述内部活块成型模的内壁与烧结样品之间设有保护层，所述保护层优选为石墨纸、陶瓷纸、氮化硼涂层或者石墨涂层中的至少一种。

借助于此，通过在内部活块成型模的内壁与烧结样品之间设有诸如石墨纸、陶瓷纸、氮化硼涂层或者石墨涂层中的一种或者几种的保护层，能够保护烧结样品与模具。

又，本发明中，在所述外模套的外部设有保温材料。优选地，所述保温材料为碳毡。

又，本发明中，所述内部活块成型模、外模套、上压头、下压头、以及分流导流体均为石墨材料、耐高温的金属或者耐高温的合金材料。

即、上述通电烧结模具的各组成部分中除保温材料外均为可导电的石墨、耐高温的金属或者合金。

又，本发明中，所述脱模剂为耐高温脱模剂，优选为无机粉末脱模剂，更优选为氮化硼、滑石、云母、陶土、或白黏土中的至少一种。

借助于此，不仅能够起到绝缘作用，还还能有利于脱模。具体地，能够有效地把通过外模套与通过内部的电流分离开来，并使烧结后的内部活块成型模与烧结后样品一起从外模套中脱模。

具体而言，本申请中所谓“耐高温”指的是耐烧结温度。

又，本发明中，所述分流导流体形成为能够在所述外模套的沉孔中上下自由移动并在烧结过程中始终保持与所述外模套及通电烧结炉的用于通电及加压的上、下电极接触的结构。从而能够始终保证一部分烧结电流通过外模套。

又，本发明中，所述外模套的沉孔形成为其深度能够保证所述分流导流体在烧结过程中不与所述外模套的沉孔的底部接触的结构。从而保证烧结过程中加载的烧结压力始终施加在烧结样品上。

又，本发明中，在所述外模套的沉孔与所述分流导流体之间加入导电层，优选为石墨纸或者铜箔。

借助于此，分流导流体能够始终保持与外模套的良好接触。

又，本发明中，所述内部活块成型模由分成相等的多个部分的模具组成。

即、上述内部活块成型模由相同的两块或者两块以上的均匀块体拼成所要烧结样品的内腔形状。借助于此，可以在脱模过程中保护烧结后的样品，同时，可使脱模时的力加载在分块的内部活块成型模上而不是加载在烧结后的样品上，由此可进一步有助于退模，降低烧结样品的脱模难度。

附图说明

图 1 是示出了本发明一实施形态的通电烧结模具的结构示意图；

图 2 是图1所示的通电烧结模具的外模套与内部活块成型模组成的结构的俯视示意图；

图 3 是图1所示的通电烧结模具的外模套的结构示意图；

图 4 是图1所示的通电烧结模具的上、下压头的结构示意图；

图 5 是图1所示的通电烧结模具的分流导流体的结构示意图；

图 6中的（a）和（b）分别是图1所示的通电烧结模具的内部活块成型模的剖视图及俯视图；

附图标记：

1、分流导流棒，

2、外模套，

3、内部活块成型模，

4a、上压头，

4b、下压头，

5、保温材料，

6、烧结样品，

7、石墨纸，

8、沉孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式进一步阐述本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

针对现有技术中存在的通电烧结模具温度分布不均匀以及模具和样品易损坏的问题，本发明提供了一种能够提高烧结温度场的均匀性从而提高样品烧结均匀性的通电烧结模具。该模具包括：自内向外设置的内部活块成型模和外模套；以及设于所述内部活块成型模内的上压头和下压头；在所述外模套上设有沉孔；在所述沉孔内设有分流导流体；在所述外模套的内壁上或者所述内部活块成型模的外壁上涂覆有脱模剂。

进一步而言，该通电烧结模具中，在内部活块成型模的内壁与烧结样品之间还可设有保护层，所述保护层优选为石墨纸、陶瓷纸、氮化硼涂层或者石墨涂层中的至少一种，以此，能够保护烧结样品与模具。优选地，该内部活块成型模内壁与烧结样品之间的石墨纸、陶瓷纸、氮化硼涂层或者石墨涂层中的一种或者几种的厚度小于等于0.2mm。另外，在外模套外还包裹有保温材料，例如碳毡等。

此外，上述内部活块成型模、外模套、上压头、下压头、以及分流导流体均可为石墨材料、耐高温的金属或者耐高温的合金材料。也就是说，上述烧结模具的各组成部分除保温材料外均为可导电的石墨、耐高温的金属或者合金。

另外，本发明中，分流导流体可插装在外模套的沉孔中。优选地，该分流导流体可形成为棒状，以下的具体实施形态中也称为分流导流棒。进一步而言，上述外模套上的沉孔是分布在外模套壁上、中心对称的一组或者一组以上的沉孔，以此来分配通过外模套、内部活块成型模以及样品中的烧结电流。沉孔轴线与外模套轴线应该平行，沉孔的深度应该保证分流导流体在烧结过程中不与外模套上的沉孔的底部接触，孔径大于分流导流体直径0.2-0.4mm。

更具体地，上述分流导流棒与外模套上的沉孔之间***导电层，例如可为0.1-0.2mm厚的石墨纸或者铜箔，以保证分流导流体与外模套上的沉孔之间的良好接触，石墨纸或者铜箔一部分位于沉孔中，一部分包裹在分流导流棒上。

此外，上述外模套上还设有用于***热电偶的小孔，***热电偶的小孔轴线与外模套轴线应该相交且垂直，孔径为 2-3mm。上述外模套内径大于内部活块成型模外径0.1-0.3mm。

另外，上述外模套内壁上或者内部活块成型模外壁上涂覆的脱模剂可以是耐高温脱模剂，优选为无机粉末脱模剂，更优选为氮化硼、滑石、云母、陶土、或白黏土等中的至少一种，可起到绝缘作用及有利于脱模。又，脱模剂厚度优选小于0.15mm。

上述内部活块成型模具有相同的两块或者两块以上的均匀块体拼成所要烧结样品的内腔形状。

另外，上述内部活块成型模的内径大于上下压头的外径0.01-0.4mm。上述上压头、下压头的直径与样品直径d相同。当内部活块成型模与烧结样品之间放置石墨纸时上下压头的直径比内部活块成型模的直径小0.2-0.4mm。

此外，假设外模套的高度h；上、下压头的长度优选为 L>=h/2 。另外，上述烧结前、松装的粉体的高度h1，烧结后样品的高度为h2，外模套沉孔深度h4，上述分流导流棒的长度h3优选为比(L+h1/2-h/2)长1-3mm，而小于(L+h2/2-h/2)+h4的长度，保证分流导流棒能够在所述外模套的沉孔中上下自由移动并在烧结过程中始终保持与所述外模套接触，同时保证烧结压力始终施加在烧结样品上。

具体地，图 1 至图6示出了本发明一实施形态的通电烧结模具。如图1所示，本实施形态的通电烧结模具，包括上压头4a、下压头4b、外模套2、内部成型活块模3、石墨纸7、分流导流棒1、保温材料5。以上模具的材料，除保温材料5外，都为高密度石墨或者耐高温合金。

如图1和图2所示，本实施形态中，在外模套2上形成有2个沉孔8，分流导流棒1***于沉孔8。但本发明中，沉孔的数量不限于2个。沉孔可以是分布在外模套2上、中心对称的一组或者一组以上的沉孔，同时在沉孔中放置同样数量的分流导流棒。

外模套2内壁喷涂一层氮化硼或者滑石、云母、陶土、白黏土等无机粉末脱模剂，保证内部成型活块模3紧密的安放在外模套2内部，并使内部活块成型模3与外模套2上下表面平齐。内部活块成型模3内壁安放一层石墨纸7，石墨纸7的厚度要保证上压头4a与下压头4b在内部活块成型模3内部自由移动。

所述外模套2上分流沉孔8的内壁中安放一层石墨纸，石墨纸的厚度要保证分流导流棒1在分流沉孔8内部自由移动，石墨纸的高度与外模套2的高度一致，将分流导流一 端***到外模套2的分流导流沉孔8内，另一端露出沉孔外，且保证其上部高度与上压头4a一致。且，上压头4a与下压头4b有着相同的直径。外模套2的2个导流沉孔8内径有着相同的直径。

具体地，在使用本实施形态的通电烧结模具时，在外模套2内壁喷涂一层氮化硼，内部活块成型模3放入外模套2中，把裁剪好尺寸的石墨纸7放入内部活块成型模3内壁，把下压头4b一端***内部活块成型模3内放置好的石墨纸7形成的孔中，另一端露出内部活块成型模3外。用剪刀剪2片与上压头4a和下压头4b相同直径的石墨纸，用压杆将它们推入内部活块成型模3内并与下压头4b接触并压平，然后将要烧结的各种粉末按要求依次放置在下压头4b的石墨纸上，然后再放一层石墨纸，并将上压头4a放入内部活块成型模3内，安装上上压头4a，在外模套2的导流沉孔8内放入包裹了石墨纸或者铜箔的分流导流棒1，并调整导流棒1的高度使其与上压头4a和下压头4b的高度一致。如果进行高温烧结则在外模套2外部裹上碳毡或其他耐高温保温材料5。将装配好的模具安放到通电烧结炉中烧结。

更具体地，烧结模具的上压头4a、下压头4b及导流棒1分别与通电烧结炉的用于通电及加压的上、下电极保持接触，以保证外模套及活块成型模内始终有电流通过。

在烧结完成后，例如可以通过以下步骤进行脱模。烧结后的烧结模具随炉冷却至室温后取出。先取下置于外模套沉孔中的导流棒，再把模具置于对称放置的垫块上，垫块的高度大于外模套的高度，同时垫块与外模套接触而不影响内部活块成型模向下移动。在内部活块成型模上端对称放置两块厚度比内部活块成型模厚度略小的脱模压块或者脱模环。在脱模压块或者脱模环上施加脱模压力使活块成型模与样品同时从外模套内部脱出来，从而保护模具并保证样品的完整性。

本发明包含但不限于上述说明中的具体数值，包括在本发明的基础上进行的改进，如增减导流棒的数量以及调整其分布，改变导流棒的尺寸，调整通过烧结样品的电流分布等，同时其他类似的调整烧结电流分布的改进方法与手段均在本发明权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种通电烧结模具，其特征在于，包括：

自内向外设置的内部活块成型模和外模套；以及

设于所述内部活块成型模内的上压头和下压头；

在所述外模套上设有沉孔；

在所述沉孔内设有分流导流体, 所述分流导流体形成为能够在所述外模套的沉孔中上下自由移动并在烧结过程中始终保持与所述外模套及通电烧结炉的用于通电及加压的上、下电极接触的结构；

在所述外模套的内壁上或者所述内部活块成型模的外壁上涂覆有耐高温脱模剂；

在所述内部活块成型模的内壁与烧结样品之间设有保护层；

在所述外模套的沉孔与所述分流导流体之间加入导电层。

2.根据权利要求1所述的通电烧结模具，其特征在于，所述保护层为石墨纸、陶瓷纸、氮化硼涂层或者石墨涂层中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的通电烧结模具，其特征在于，在所述外模套的外部设有保温材料。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述内部活块成型模、外模套、上压头、下压头、以及分流导流体均为石墨材料、耐高温的金属或者耐高温的合金材料。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述耐高温脱模剂为无机粉末脱模剂。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述耐高温脱模剂为氮化硼、滑石、云母、陶土、或白黏土中的至少一种。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述外模套的沉孔形成为其深度能够保证所述分流导流体在烧结过程中不与所述外模套的沉孔的底部接触的结构。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述导电层为石墨纸或者铜箔。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的通电烧结模具，其特征在于，所述内部活块成型模由分成相等的多个部分的模具组成。

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