CN101684520B - 超声辅助致密化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及冶金烧结设备，特别涉及一种超声辅助致密化装置。压坯的上下端由压头固定，左右两侧由内模固定，内模外有压模对压坯做进一步固定；超声换能器通过变幅杆连接到压头上；所述超声换能器将高频电信号转换成机械振动，机械振动通过变幅杆变换振幅传递到压头上，由于压头的高频振动传递到压坯，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到紧密配合的状态。本发明所述装置具有装置简单，适应性广，压制密度高，密度分布均匀，在高温压制时还可防止晶粒长大等优点。

Description

超声辅助致密化装置

技术领域

本发明涉及冶金烧结设备，特别涉及一种超声辅助致密化装置。

背景技术

超声波是一种频率高于20KHz的声波，可以在固体、液体以及气体中传播，由于具有方向性好、穿透能力强、能量集中的特点，传播时可以在传播介质中引发独特的物理现象，如产生机械效应、热效应、空化效应以及化学效应，超声波由于具有这些特征，将其应用于粉末冶金中的压制、烧结过程，可以得到比普通压制更好的效果。

随着现代工业的迅速发展，要求材料制备工艺节能、环保、高效、易于操作，同时要求在原有设备基础上进行改造以节约成本。超声辅助致密化装置可以满足现代工业对材料制备工艺的要求，可以方便的在已有的压机或热压设备上使用。

采用超声辅助致密化装置，可以使颗粒之间相互摩擦，增加颗粒之间的接触面积，在超声热效应的作用下加速颗粒之间的扩散。在液相热压烧结时，由于液体在超声场中的空化效应，可以使颗粒受到冲击而破裂，因此可保持甚至细化被烧结材料的微观组织，防止压坯在压制烧结过程中晶粒长大，并且可以极大地降低孔隙率。

由于超声辅助致密化装置具有细化坯体组织，降低孔隙率的特点，在制备致密的粉末冶金材料设备中具有应用前景，特别在复合材料以及纳米材料的制备中有独特的作用。

发明内容

本发明提供了一种超声辅助致密化装置，其特征在于，压坯7的上下端由压头3固定，左右两侧由内模6固定，内模6外有压模5对压坯7做进一步固定；超声换能器1通过变幅杆2连接到压头3上；所述超声换能器1将高频电信号转换成机械振动，机械振动通过变幅杆2变换振幅传递到压头3上，由于压头3的高频振动传递到压坯7，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到紧密配合的状态。

所述超声辅助致密化装置的工作温度范围为-100℃～2500℃。

所述压头3的材料为包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛在内的金属，包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金在内的高温高强度合金，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝在内的陶瓷或石墨；压坯7为固体金属坯或无机物坯；垫片4为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、铌、铼、镍、铜在内的金属或石墨毡。

所述超声换能器1为磁致伸缩换能器或压电换能器。

所述超声换能器1与变幅杆2组成的超声装置，其位置为安装在压模5的侧面或压头3的顶端；安装数量为1～4个。

所述变幅杆2的变幅放大级数范围为1～4级，变幅方式包括阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合组合类型。

本发明的有益效果为：

(1)装置简单：构件形状简单，易于加工维护；

(2)节能：采用超声辅助致密化装置可以在比常规压制装置低得多的压力以及保压时间条件下得到致密的压坯；

(3)阻止晶粒长大：由于超声能使颗粒剧烈振动，甚至可以打破大的晶粒，在高温热压烧结时可以有效的增加籽晶数量，从而保证得到的热压制品的晶粒细化，对于纳米材料的制备具有非常明显的优势；

(4)适应性广：在材料的许可温度范围内，几乎适用于一切固体材料；

(5)压制致密度高、孔隙率低：超声所具有的压制机理能够保证压制出的制品密度分布均匀，颗粒之间接触面积大，孔隙率低。

附图说明

图1为超声辅助致密化装置示意图。

图中标号：

1-超声换能器；2-变幅杆；3-压头；4-垫片；5-压模；6-内模；7-压坯。

具体实施方式

本发明提供了一种超声辅助致密化装置，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为超声辅助致密化装置示意图。先将待压制的压坯7填充进压模5以及内模6中，并在上下端设置压头3，并在压头3外侧依次安装变幅杆2以及超声换能器1。压头(3)的材料为包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛在内的金属，包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金在内的高温高强度合金，包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝在内的陶瓷或石墨，垫片4的材料为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、铌、铼、镍、铜在内的金属或石墨毡。变幅杆2的变幅方式可以根据需要的压力、操作条件、坯体收缩率设计成包括阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合组合类型。当开始压制时，可根据工艺参数先对压坯进行压力较低的初压，使超声换能器1和变幅杆2与热压炉压头或压机压头3配合紧密，位置正确。装置位置调整完毕后，即可根据需要压制的材料的工艺参数进行调节，当需要超声装置辅助时，可以根据工艺要求调节超声发生器的功率、频率、作用时间等参数进行超声辅助压制过程；当需要在高温条件下工作时，可以用炉丝加热超声致密化装置或对压坯7通入电流直接加热。

实施例1

仅在轴向上下两端施加超声振动辅助压制，超声换能器1采用压电换能器，变幅方式为指数型，变幅级数为2级，压头3的材料为不锈钢，垫片4的材料为钽，压坯7的材料为铁粉。对压坯7进行5MPa的初步压制，然后使用超声压制，条件如下：室温条件下，压制压力增至10MPa，保压时间10分钟，超声频率30KHz，超声辅助作用时间2分钟。得到的压坯收缩率达到了18％，而未进行超声辅助的同样的压制条件下，压坯收缩率为12％。

实施例2

仅在压坯7的侧面设置变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为磁致伸缩换能器，变幅方式为阶梯型，变幅级数为1，压头3的材料为石墨，垫片4的材料为石墨毡，压坯7为室温下在普通压机上经过初步压制，密度为6.9g/cm³电解铜粉初坯。在热压炉中对压坯7直接使用超声压制，条件如下：采用炉丝加热超声致密化装置的方式，按20℃/分钟升温至900℃，保温20分钟，压力保持在0.6MPa，超声频率24KHz，超声作用时间为1分钟。得到的粉末冶金件的线收缩率达到25％，而在没有超声辅助的同样条件下，收缩率只达到10％。

实施例3

在压坯7的上压头轴向设置一个变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为磁致伸缩换能器，变幅方式为一个指数型与两个阶梯形的复合型，变幅级数为3，压头3的材料为金属钛，垫片4的材料为铜，压坯7的材料为In₂O₃与SnO₂混合陶瓷粉。对压坯7进行10MPa的初步压制，然后使用超声压制，条件如下：室温条件下，压制压力增至20MPa，保压时间10分钟，超声频率24KHz，超声辅助作用时间8分钟。得到的压坯收缩率达到了15％，而未进行超声辅助的同样的压制条件下，压坯收缩率为8％。

实施例4

仅在压坯7的侧面对称设置两套变幅杆2和超声换能器1，超声换能器1为磁致伸缩换能器，，变幅方式为余弦型与阶梯型的复合方式，变幅杆级数为2，压头3的材料为石墨，垫片4的材料为石墨毡，压坯7为室温下在普通压机上经过初步压制，密度为5.1g/cm³ZnO初坯。在热压炉中对压坯7直接使用超声压制，条件如下：采用炉丝加热超声致密化装置的方式，按30℃/分钟升温至1000℃，然后按10℃/分钟升温至1200℃，保温30分钟，压力保持在40MPa，，超声频率15KHz，超声作用时间为3分钟。得到的粉末冶金件的线收缩率达到20％，而在没有超声辅助的同样条件下，收缩率只达到12％。

以上所述的实施例，只是本发明的较佳的具体实施方式，本领域的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种修改。

Claims (4)

1.一种超声辅助致密化装置，其特征在于，压坯(7)的上下端由压头(3)固定，左右两侧由内模(6)固定，内模(6)外有压模(5)对压坯(7)做进一步固定；超声换能器(1)通过变幅杆(2)连接到压头(3)上，所述超声换能器(1)与变幅杆(2)组成的超声装置，其位置为安装在压模(5)的侧面或压头(3)的顶端，安装数量为1～4个；所述超声辅助致密化装置的工作温度范围为-100℃～2500℃，超声换能器(1)将高频电信号转换成机械振动，机械振动通过变幅杆(2)变换振幅传递到压头(3)上，由于压头(3)的高频振动传递到压坯(7)，使组成压坯的颗粒之间强烈摩擦，使颗粒之间最终达到紧密配合的状态。

2.根据权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述压头(3)的材料为金属、高温高强度合金、陶瓷或石墨；所述金属包括钨、钼、钽、铌、镍、铁、钴、钛，所述合金包括高温合金钢、碳化钨、碳化钛、钛铝合金、不锈钢、钽铪合金，所述陶瓷包括氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氮化硼、氮化铝；压坯(7)为固体金属坯或无机物坯；垫片(4)为包括铁、钛、银、钨、钼、钽、铌、铼、镍、铜在内的金属或石墨毡。

3.根据权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述超声换能器(1)为磁致伸缩换能器或压电换能器。

4.按照权利要求1所述的超声辅助致密化装置，其特征在于，所述变幅杆(2)的变幅放大级数范围为1～4级，变幅方式包括阶梯、指数、悬链线、圆锥、高斯、傅里叶、余弦以及它们的复合组合类型。

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