CN101530916B - 控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法的模具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法及模具。在粉末坯体的烧结过程中，对坯体施加三向约束压应力，对坯体产生约束作用，限制烧结过程中坯体的物理或化学反应而产生的体积膨胀，实现约束烧结，控制其烧结致密化，消除烧结膨胀缺陷。在约束模(1)内设有外模，约束模(1)与外模之间的配合锥度为5°＜θ＜15°，在外模内设有内模，在内模与烧结坯体之间设有防止坯体与模具发生反应的隔离片(6)。本发明是一种可以有效控制粉末冶金材料及其制品在烧结过程中产生的膨胀、变形、开裂和孔隙/空洞等缺陷，提高其烧结密度和质量的约束烧结方法及模具，该模具的使用方法简单易行。

Description

控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法的模具 
技术领域
本发明涉及一种控制粉末冶金材料及其制品烧结膨胀缺陷的约束烧结方法及模具。 
背景技术
粉末冶金材料及其制品在烧结制备过程中，由于坯体的物理或化学反应产生体积膨胀而出现孔隙/空洞、变形甚至裂纹等缺陷，特别是在烧结过程中会产生自蔓燃反应等化学反应的粉末冶金材料[黄培云.粉末冶金原理.北京：冶金工业出版社，2004：1-6]，这些缺陷会严重影响烧结坯体的质量、降低后续加工的成品率。例如，采用元素粉末冶金法制备金属间化合物的过程中，粉末之间会发生自蔓燃反应造成热爆效应，从而使反应坯体产生体积膨胀、变形、开裂，其中元素粉末冶金法制备的钛铝的体积膨胀可高达30～50％[张永刚，韩雅芳，陈国良，郭建亭等.金属间化合物材料.北京：国防工业出版社，2001：312-318]，从而使烧结坯体难以达到全致密化。 
对于粉末冶金材料及其制品的烧结膨胀缺陷一般采取加压烧结的方法来消除，如热压、热等静压、气氛加压烧结等。但这些方法存在以下主要问题： 
(1)采用的设备都是大型设备，需要庞大的电流控制装置、真空系统及气氛加压装置；
(2)设备造价昂贵，操作复杂，运行、维护修理成本高； 
(3)不同的设备需要不同的专用模具； 
(4)制品尺寸受到设备能力的制约，难以制备大尺寸的制品； 
(5)材料的制备成本高，不利于规模化生产。 
本发明提出了一种约束烧结原理与方法，利用这一原理与方法设计的具有摩擦自锁功能的约束烧结模具，可有效控制烧结坯体的膨胀，消除孔隙/空洞、变形、裂纹等烧结缺陷，提高粉末冶金材料及其制品烧结密度和烧结质量。 
有关采用约束烧结原理及具有摩擦自锁功能的粉末冶金模具来控制粉末冶金材料及其制品烧结质量的方法，目前国内外尚无相关研究报道。 
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种可以有效控制粉 末冶金材料及其制品在烧结过程中产生的膨胀、变形、开裂和孔隙/空洞等缺陷，提高烧结体密度和质量的约束烧结方法。 
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种可以有效控制粉末冶金材料及其制品在烧结过程中产生的膨胀、变形、开裂和孔隙/空洞等缺陷，提高烧结体密度和质量的模具。 
为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的控制粉末冶金材料及其制品烧结膨胀缺陷的约束烧结方法，在粉末冶金坯体的烧结过程中，对坯体施加三向约束压应力，对坯体产生约束作用，限制其产生烧结膨胀，实现约束烧结，控制烧结体的致密化过程，保证得到预期的形状、致密度和性能。 
为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的控制粉末冶金材料及其制品烧结膨胀缺陷的模具，在约束模内设有右外模和左外模，所述的右外模和左外模是由一个梯形带底圆筒整体轴向分割而成，所述的约束模1与所述的右外模和左外模之间的配合锥度为5°＜θ＜15°，在所述的右外模和左外模内设有左内模和右内模，所述的左内模和右内模由一个带底圆筒整体轴向分割而成；在所述的左内模和右内模与烧结坯体之间设有防止坯体与模具发生反应的隔离片。 
本模具的制造材料为不锈钢、耐热不锈钢、镍基高温合金或石墨。 
本发明提供的控制粉末冶金材料及其制品烧结膨胀缺陷模具的使用方法将模压成形的烧结坯体用隔离片进行包装后，将其放入由右外模和左外模组成的腔体中，然后将左内模和右内模插入到右外模和左外模与隔离片包装的烧结坯体之间，再将由右外模、左外模、左内模、右内模和用隔离片包装的烧结坯体组成的整体放入约束模中，在轴向施加100MPa～200MPa的压力使其压紧配合，然后放入烧结炉中进行烧结。 
采用上述技术方案的控制粉末冶金材料及其制品烧结膨胀缺陷的约束烧结方法、模具及其使用方法，在粉末冶金坯体的烧结过程中，对坯体施加三向约束压应力，对坯体产生约束作用，限制其产生烧结膨胀，实现约束烧结，控制其烧结致密化。约束模与右外模和左外模之间设计了5°＜θ＜15°配合锥度，在完成组装、给右外模和左外模施加轴向(A向)装配力后，右外模和左外模会产生径向(B向)作用力，消除左内模、右内模、隔离片和烧结坯体之间的间隙，并使它们相互之间产生压应力，实现径向(B向)约束。由于右外模、左外模与左内模、右内模、隔离片和烧结坯体之间具有压应力作用，右外模、左外模与左内模、右内模之间会产生轴向(A向)摩擦力，限制左内模、右内模产生轴向位移，从而限制烧结坯体烧结过程中的轴向膨胀，实现轴向约束。通过上述径向(B向)约束和轴向(A向)约 束的共同作用，实现三维约束作用。根据粉末冶金制品物理化学性能和烧结温度要求，本模具可选用不同的材料制造，如不锈钢、耐热不锈钢、镍基高温合金、石墨等。 
粉末冶金材料及其制品的烧结膨胀缺陷，如孔隙/空洞、变形甚至裂纹等，主要是由于烧结过程中坯体的物理或化学反应而产生体积膨胀作用的结果。对于致密体材料，由于热作用产生的膨胀具有可逆性，不会造成缺陷。对于粉末冶金材料，烧结是消除粉末界面、实现粉末的冶金结合从而实现致密化的关键方法。粉末冶金坯体在烧结过程中由于热作用产生的膨胀，会使其中的孔隙/空洞膨胀，孔隙率增加，影响粉末的冶金结合；粉末冶金坯体在烧结过程中，会产生扩散、化学反应等物理、化学过程，扩散的结果将导致原子的大量迁移和空位、空洞的聚集，化学反应的结果将形成新的物相，改变体积，从而产生新的孔隙。因此，粉末冶金材料烧结过程中的这种膨胀具有不可逆性，是产生烧结缺陷的主要原因。例如，元素粉末冶金法制备钛铝合金，烧结时坯体体积膨胀高达30～50％。为了控制粉末冶金坯体的烧结膨胀率，对坯体施加三向约束作用力，限制其产生烧结膨胀，实现约束烧结。这就是本发明的基本原理。 
本发明的优点和积极效果： 
(1)本发明提出的约束烧结原理及方法，简单易行，具有普适性。 
(2)本发明可以采用常规烧结设备制备直径较大的粉末冶金坯体，从而避免使用热等静压，热压，加压气氛烧结等高成本工艺和大型复杂设备，所制备的坯体的尺寸大于这些高成本工艺、大型复杂设备所制备的制品。 
(3)利用本发明提出的约束烧结原理与方法制成的模具，可有效控制烧结坯体的烧结膨胀缺陷，提高制品的致密度，同时使材料的致密化过程与烧结过程可以同步进行。与现有技术中烧结与致密化分步进行相比，可有效缩短工艺流程，降低材料的制备成本。 
(4)本发明所设计的模具，可采用常用材料，模具可以多次重复使用，模具的尺寸可以根据粉末冶金制品尺寸调整。 
(5)本发明采用了分离式内、外模，无紧固件，便于烧结后坯体脱模。 
(6)本发明的模具结构简单，易于加工，成本低廉，有利于规模化生产，具有较好的应用前景。 
综上所述，本发明是一种可以有效控制粉末冶金坯体在烧结过程中产生的膨胀、变形、开裂和孔隙/空洞等缺陷，控制粉末冶金材料及其制品烧结致密化、提高其烧结密度和质量的约束烧结方法及模 具，该模具的使用方法简单易行。 
附图说明
图1是本发明所采用的模具结构示意图。 
具体实施方式
下面结合附图1和具体实施方式对本发明作进一步说明。 
参见图1，在约束模1内设有右外模2和左外模3，右外模2和左外模3是由一个梯形带底圆筒整体轴向分割而成，分割切除尺寸约1～3mm，约束模1与右外模2和左外模3之间的配合锥度为5°＜θ＜15°，在右外模2和左外模3内设有左内模4和右内模5，左内模4和右内模5由一个带底圆筒整体轴向分割而成，分割切除尺寸约1～3mm；在左内模4和右内模5与烧结坯体之间设有防止坯体与模具发生反应的隔离片6。 
参见图1，本发明的使用方法：将模压成形的烧结坯体7用隔离片6进行包装后，将其放入由右外模2和左外模3组成的腔体中，然后将左内模4、右内模5插入右外模2和左外模3与隔离片6包装的烧结坯体7之间，再将由右外模2、左外模3、左内模4、右内模5和用隔离片6包装的烧结坯体7组成的整体放入约束模1中，在轴向(A向)施加100MPa～200MPa的压力使其压紧配合，然后放入烧结炉中进行烧结。 
实施例1：TiAl金属间化合物的烧结 
采用粒径小于43μm的Ti粉、粒径为10～100μm的Al粉，按Ti∶Al原子比为1∶1进行配料混合，在500MPa的压力下模压成形，制成尺寸为100mm×15mm的坯体。随后将其放入图1所示的模具中组装后放入烧结炉中，按照TiAl合金的烧结工艺进行烧结，获得的烧结坯体的体积膨胀率小于1.77％，无变形、裂纹等缺陷。 
实施例2：NiAl金属间化合的烧结 
采用粒径为1～10μm的Ni粉、粒径为10～100μm的Al粉，按Ni∶Al原子比为1∶1进行配料混合，在500MPa的压力下模压成形，制成尺寸为φ100mm×15mm的冷坯体，随后将其中一个放入图1所示的模具中组装后放入烧结炉中，按照NiAl合金的烧结工艺进行烧结，获得的烧结坯体的体积膨胀率小于1.15％，无变形、裂纹等缺陷。 
实施例3：FeAl金属间化合物的烧结 
采用粒径小于147μm的Fe粉、粒径为10～100μm的Al粉，按Fe∶Al原子比为1∶1进行配料混合，在500MPa的压力下模压成形，制成尺寸为φ100mm×15mm的冷坯体，随后将其中一个放入图1所示的模具中组装后放入烧结炉中，按照FeAl合金的烧结工艺进行烧结，获得的烧结坯体的体积膨胀率小于1.02％，无变形、裂纹等缺陷。 

Claims (2)

1.一种控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法的模具，其特征是：在约束模(1)内设有右外模(2)和左外模(3)，所述的右外模(2)和左外模(3)是由一个梯形带底圆筒整体轴向分割而成，所述的约束模(1)与所述的右外模(2)和左外模(3)之间的配合锥度为5°＜θ＜15°，在所述的右外模(2)和左外模(3)内设有左内模(4)和右内模(5)，所述的左内模(4)和右内模(5)由一个带底圆筒整体轴向分割而成；在所述的左内模(4)和右内模(5)与烧结坯体之间设有防止坯体与模具发生反应的隔离片(6)。
2.根据权利要求1所述的控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法的模具，其特征是：所述的模具的制造材料为不锈钢、镍基高温合金或石墨。
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