CN102632238A - 一种烧结模具 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种烧结模具。包括有外套筒、底盖、顶盖、上模、下模、下石墨棒、上石墨棒，其中底盖及顶盖分别装设在外套筒底部及顶部，下模置于外套筒所设的中空腔体内，且置于底盖，上模下部套装在下模的外侧，下石墨棒插装在下模所设的空腔内，上石墨棒插装在上模上部所设的空腔内，且置于下石墨棒的顶部。本发明的外套筒、底盖、顶盖三构件采用分离设计，使得样品的装入及石墨模具的更换变得很容易。且外套筒的圆柱形保护套具有防石墨模具高温氧化的功能，也增加了石墨模具的耐压强度，使其耐压能力提高至少1.5倍。下模的锥形圆台设计让样品的取出变得很容易。本发明在高温使用时不需要另外加真空腔，退模无需强行进行，样品完整性100%。增加石墨的使用寿命。

Description

一种烧结模具
技术领域
本发明是一种烧结模具，属于烧结模具的改造技术。
背景技术
在特种陶瓷领域和热电块体材料领域，常常需要超高温快速烧结纳米结构样品。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（石墨的熔点达3500℃以上）。其典型结构如图1所示，主体为圆柱形，内部圆形腔放置粉末样品，压样品时粉末样品两端放置有石墨棒以施加压力，高温烧结后取出石墨棒，或者用压力机顶出石墨棒，同时顶出样品。这样的石墨模具的使用存在如下问题：（1）需要额外加一些真空腔以免其在高温时被氧化，这样增加了设备成本和使用成本；（2）石墨模具的耐压性相对差，进口模具石墨最高耐压通常低于80MPa,样品烧结完成后从模具中退出时，石墨模具容易裂开；（3）现行的石墨模具都是圆柱形。尽管石墨的热膨胀系数比金属至少小106数量级，但是有些样品本身热缩冷胀，从高温冷却下来后紧紧地挤压在模具内，若强行退出，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使样品的取出很容易，同时使石墨的使用寿命大大增加的烧结模具。本发明的模具在高温使用时不需要另外加真空腔，而且能抵挡至少200MPa以上的压力，退模无需强行进行，样品完整性100%。
本发明的技术方案是：本发明的烧结模具，包括有外套筒、底盖、顶盖、上模、下模、下石墨棒、上石墨棒，其中底盖及顶盖分别装设在外套筒底部及顶部，下模置于外套筒所设的中空腔体内，且置于底盖，上模下部套装在下模的外侧，下石墨棒插装在下模所设的空腔内，上石墨棒插装在上模上部所设的空腔内，且置于下石墨棒的顶部。
上述下模是一上小下大的锥型圆台。
上述下模由四块相同的块体拼成锥形圆台。
用于压粉末时用的下石墨棒、上石墨棒上设有用于插入热电偶的小孔，插入热电偶的小孔轴线与石墨轴线应该相交且垂直，孔径为2-3mm。
上述上模的外径D是样品直径的2-10倍，且最大不能超过220mm，且样品直径越大，倍数越小。
上述下石墨棒、上石墨棒的直径与样品直径d相同；上述下石墨棒的长度f在5-8mm之间；底盖的顶面与顶盖的底面之间的高度为模具高度h,上述上石墨棒的长度L为：模具高度h+外套厚度b+石墨棒超出长度n - g, 其中石墨棒超出保护套长度n为4-8mm。
上述底盖顶盖、上模、下模的内径都相同,取5-100mm范围。
上述下模的下底外径为D/4—D/2；上述下模的高度g为：f+样品高度-b，下模的侧面与竖直方向的夹角为5-15°。
上述外套筒、底盖顶盖的厚度相同，都为b，b在2-4mm之间；上述外套筒的内径与顶盖的外径相同，且与上模的外径D相同；上述底盖的侧壁内径为D+2b，外径为D+4b；上述底盖的顶面与顶盖的底面之间的高度h为g的4-10倍，且样品高度越高，倍数越小。
上述外套筒高度H为：模具高度h+外套厚度b。
本发明的外套筒、底盖、顶盖三构件采用分离设计，使得样品的装入及石墨模具的更换变得很容易。且外套筒的圆柱形保护套具有防石墨模具高温氧化的功能，也增加了石墨模具的耐压强度，使其耐压能力提高至少1.5倍。下模的锥形圆台设计让样品的取出变得很容易。本发明的模具在高温使用时不需要另外加真空腔，而且能抵挡至少200MPa以上的压力，退模无需强行进行，样品完整性100%。同时石墨的使用寿命大大增加。本发明是一种设计巧妙，性能优良，方便实用的烧结模具。
附图说明
图1为现有技术的结构示意图；
图2为本发明的结构分解图；
图3为本发明的剖视图；
图4为本发明的立体图。
具体实施方式
实施例：
本发明的结构示意图如图2所示，本发明的烧结模具，包括有外套筒1、底盖2、顶盖3、上模4、下模5、下石墨棒6、上石墨棒7，其中底盖2及顶盖3分别装设在外套筒1的底部及顶部，下模5置于外套筒1所设的中空腔体内，且置于底盖2上，上模4的下部套装在下模5的外侧，下石墨棒6插装在下模5所设的空腔内，上石墨棒7插装在上模4上部所设的空腔内，且置于下石墨棒6的顶部。
上述下模5是一上小下大的锥型圆台。
上述下模5由四块相同的块体拼成锥形圆台。
用于压粉末时用的下石墨棒6、上石墨棒7上设有用于插入热电偶的小孔，插入热电偶的小孔轴线与石墨轴线应该相交且垂直，孔径为2-3mm。
上述上模4的外径D是样品直径的2-10倍，且最大不能超过220mm，且样品直径越大，倍数越小。
上述下石墨棒6、上石墨棒7的直径与样品直径d相同；上述下石墨棒6的长度f在5-8mm之间；底盖2的顶面与顶盖3的底面之间的高度为模具高度h,上述上石墨棒7的长度L为：模具高度h+外套厚度b+石墨棒超出长度n - g, 其中石墨棒超出保护套长度n为4-8mm。
上述底盖2、顶盖3、上模4、下模5的内径都相同,取5-100mm范围。
上述下模5的下底外径为D/4—D/2；上述下模5的高度g为：f+样品高度-b，下模5的侧面与竖直方向的夹角为5-15°。
上述外套筒1、底盖2、顶盖3的厚度相同，都为b，b在2-4mm之间；上述外套筒1的内径与顶盖3的外径相同，且与上模4的外径D相同；上述底盖2的侧壁内径为D+2b，外径为D+4b；上述底盖2的顶面与顶盖3的底面之间的高度h为g的4-10倍，且样品高度越高，倍数越小。
上述外套筒1的高度H为：模具高度h+外套厚度b。
本实施例中，外套筒1、底盖2、顶盖3是由刚玉（Al2O3）或者ZrO2等材料做成的耐高温保温保护外套，这三部分不是连接在一起的部分，是分离的三个部分。图2中上模4、下模5两部分拼成和常用石墨模具一样形式的模具。所不同的是上模4和下模5不是一个整体，如图3所示，下模5可自由取出，且是一上小下大的锥型圆台。此锥形圆台由四块相同的块体拼成。下石墨棒6，上石墨棒7是石墨棒，用于压粉末时用。在离1底部一定的高度有一小孔用于插入热电偶。
压样品时，先按图2所示的装配图装好外套筒1，底盖2，顶盖3，上模4，下模5，下石墨棒6，然后放入要压的粉末到石墨内腔内，再装入石墨压棒上石墨棒7。样品压好后，先取掉底盖2，下模5会自然脱落出来后散开，样品自然取出。由于保护外套的保护，阻止了空气对石墨的氧化；同时，保护套也能增强石墨模具的耐压至外套所能承受的压力（>200MPa），远大于石墨模具所承受的压力。样品的自然脱落避免了强行顶出样品时将样品弄碎的情况。
（2）各部件的尺寸：图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、样品直径d，底盖2顶盖3上模4、下模5的内径都相同,取5-100mm范围.上模4的外径D是样品直径的2-10倍且最大不能超过220mm，且样品直径越大，倍数越小。下模5下底外径为D/4—D/2。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度相同，为b，在2-4mm之间。外套筒1的内径、顶盖3外径与石墨磨具的外径D相同。底盖2的壁内径为D+2b，外径为D+4b。下石墨棒6的长度f在5-8mm之间。下模5的高度g为“f+样品高度-b”，下模5的侧面与竖直方向夹角为5-15°。石墨模具高度h为g的4-10倍，且样品高度越高，倍数越小。上石墨棒7的长度L等于“模具高度h+外套厚度b+石墨棒超出长度n - g”, 其中石墨棒超出保护套长度n为4-8mm。外套1的高度H为“模具高度h+外套厚度b”。外套底盖2的深度为b。插入热电偶的小孔轴线与石墨轴线应该相交且垂直。孔径为2-3mm。
实例1: 外套筒1的材料为刚玉。如样品直径d为5mm，高度为2mm时，图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、底盖2、顶盖3上模4、下模5的内径都取5mm。上模4的外径D为50mm。下模5下底外径为12.5mm。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度b为4mm。外套外套筒1的内径、顶盖3外径为50mm。底盖2的壁内径为58mm，外径为66mm。下石墨棒6的长度f为5mm。下模5的高度g为3mm，下模5的侧面与竖直方向夹角为5o。石墨模具高度h为30mm。上石墨棒7的长度L为35mm, 其中石墨棒超出保护套长度n为4mm。外套1的高度H为34mm。底盖2的深度为4mm。
实例2: 外套筒1的材料为氧化锆。如样品直径d为100mm，高度为4mm时，图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、底盖2、顶盖3上模4、下模5的内径都取100mm。上模4的外径D为200mm。下模5下底外径为100mm。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度b为2mm。外套筒1的内径、顶盖3外径为200mm。底盖2的壁内径为204mm，外径为208mm。下石墨棒6的长度f为8mm。下模5的高度g为10mm，下模5的侧面与竖直方向夹角为15o。石墨模具高度h为40mm。上石墨棒7的长度L为40mm, 其中石墨棒超出保护套长度n为8mm。外套筒1的高度H为42mm。底盖2的深度为2mm。
实例3：外套筒1的材料为刚玉。如样品直径d为20mm，高度为5mm时，图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、底盖2、顶盖3上模4、下模5的内径都取20mm。上模4的外径D为100mm。下模5下底外径为40mm。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度b为3mm。外套筒1的内径、顶盖3外径为100mm。底盖2的壁内径为106mm，外径为112mm。下石墨棒6的长度f为6mm。下模5的高度g为8mm，下模5的侧面与竖直方向夹角为10o。石墨模具高度h为64mm。上石墨棒7的长度L为65mm, 其中石墨棒超出保护套长度n为6mm。外套筒1的高度H为67mm。底盖2的深度为3mm。
实例4：外套筒1的材料为氧化锆。如样品直径d为50mm，高度为5mm时，图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、底盖2、顶盖3上模4、下模5的内径都取50mm。上模4的外径D为150mm。下模5下底外径为52.5mm。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度b为2.5mm。外套筒1的内径、顶盖3外径为150mm。底盖2的壁内径为105mm，外径为110mm。下石墨棒6的长度f为7mm。下模5的高度g为9.5mm，下模5的侧面与竖直方向夹角为12o。石墨模具高度h为57mm。上石墨棒7的长度L为55mm, 其中石墨棒超出保护套长度n为5mm。外套1的高度H为59.5mm。底盖2的深度为2.5mm。
实例5：外套筒1的材料为氧化锆。如样品直径d为80mm，高度为3mm时，图2中下石墨棒6和上石墨棒7的直径、底盖2、顶盖3上模4、下模5的内径都取80mm。上模4的外径D为200mm。下模5下底外径为90mm。外套筒1，底盖2，顶盖3的厚度b为3.5mm。外套外套筒1的内径、顶盖3外径为200mm。底盖2的壁内径为207mm，外径为214mm。下石墨棒6的长度f为8mm。下模5的高度g为7.5mm，下模5的侧面与竖直方向夹角为8o。石墨模具高度h为67.5mm。上石墨棒7的长度L为69.5mm, 其中石墨棒超出保护套长度n为6mm。外套筒1的高度H为71mm。底盖2的深度为3.5mm。

Claims (10)

1.一种烧结模具，其特征在于包括有外套筒（1）、底盖（2）、顶盖（3）、上模（4）、下模（5）、下石墨棒（6）、上石墨棒（7），其中底盖（2）及顶盖（3）分别装设在外套筒（1）的底部及顶部，下模（5）置于外套筒（1）所设的中空腔体内，且置于底盖（2）上，上模（4）的下部套装在下模（5）的外侧，下石墨棒（6）插装在下模（5）所设的空腔内，上石墨棒（7）插装在上模（4）上部所设的空腔内，且置于下石墨棒（6）的顶部。
2.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述下模（5）是一上小下大的锥型圆台。
3.根据权利要求2所述的烧结模具，其特征在于上述下模（5）由四块相同的块体拼成锥形圆台。
4.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述用于压粉末时用的下石墨棒（6）、上石墨棒（7）上设有用于插入热电偶的小孔，插入热电偶的小孔轴线与石墨轴线应该相交且垂直，孔径为2-3mm。
5.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述上模（4）的外径D是样品直径的2-10倍，且最大不能超过220mm，且样品直径越大，倍数越小。
6.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述下石墨棒（6）、上石墨棒（7）的直径与样品直径d相同；上述下石墨棒（6）的长度f在5-8mm之间；底盖（2）的顶面与顶盖（3）的底面之间的高度为模具高度h,上述上石墨棒（7）的长度L为：模具高度h+外套厚度b+石墨棒超出长度n - g, 其中石墨棒超出保护套长度n为4-8mm。
7.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述底盖（2）、顶盖（3）、上模（4）、下模（5）的内径都相同,取5-100mm范围。
8.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述下模（5）的下底外径为D/4—D/2；上述下模（5）的高度g为：f+样品高度-b，下模（5）的侧面与竖直方向的夹角为5-15°。
9.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述外套筒（1）、底盖（2）、顶盖（3）的厚度相同，都为b，b在2-4mm之间；上述外套筒（1）的内径与顶盖（3）的外径相同，且与上模（4）的外径D相同；上述底盖（2）的侧壁内径为D+2b，外径为D+4b；上述底盖（2）的顶面与顶盖（3）的底面之间的高度h为g的4-10倍，且样品高度越高，倍数越小。
10.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于上述外套筒（1）的高度H为：模具高度h+外套厚度b。
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