CN105646001A - 一种陶瓷片高压热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷片定向高压热处理装置，包括：感应加热装置，具有感应加热电源，感应线圈和制冷水，所述感应加热器设有调节阀，用于给模具加热；加压模具，通过上下模座固定在万能试验机上；温度传感器，与所述加压模具相连接；光学应变片与带材侧壁相连；温度PID控制器，与温度传感器和感应加热器上的控制阀相连接，用于接收温度传感器发送的温度信号，并根据接收的温度信号来调节感应加热器参数；压力PID控制器，与应变传感器和万能实验机上的位移控制面板相连接。本发明根据不同材料厚度、保温温度及保压保温时间理所需温度和时间调整感应加热参数和压力，实现厚度方向上单一高压的加压热处理。

Description

一种陶瓷片高压热处理装置

技术领域

本发明属于陶瓷热处理技术领域，特别涉及一种陶瓷片高压热处理装置。

背景技术

热处理对改善大部分金属和非金属材料的组织性能十分重要，对陶瓷片来说由于硬度较高，通常采用高压条件下进行热处理从而细化组织粒度，进而改善铁电性能。为缩短超硬合金、陶瓷等材料高压热处理冷却时间和品质，在日本石川岛播磨重工业株式会社公开发明专利(专利号：200480030470.7)中提出了一种高压热处理炉，该加热炉内部设置了压力容器，加热器，绝热壁，绝热盖和冷却片，从而实现内高压条件下加热和快速冷却。

再有，在另一已公开的发明专利(专利号：200510064364.7)中，日本人小林慎一提出了“制造氧化物超导线材所使用的加压热处理装置”，该装置采用加热炉内通氧气和保护气体的方式实现内高压条件下的氧化物超导线材加热热处理。但这种利用加热炉内通入气氛实现高压的方法产生的压力有限，且不具备单一方向性，且加热速度慢，结构较为复杂，能耗高，成本昂贵。目前部分科研人员采用六面顶压机开展了高硬合金或陶瓷更高的压力热处理工艺，但该设备主要功能是主要是制备超硬材料，压力不具备单一方向性，在压力和温度稳定性控制上精度有限，对材料尺寸要求苛刻，加上机器成本较为昂贵不适宜推广应用热处理工艺。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：针对上述现有陶瓷片高压热处理的缺点，本发明的目的是基于常见的万能实验机提供一种结构简单、制作和维护成本低、压力定向、能够很好实现超硬合金或陶瓷片高压热处理的装置及方法

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种陶瓷片高压热处理装置，包括：

一试验机，所述试验机包括相对设置的横梁、底座，在底座和横梁之间设有上模、下模，所述上模带有凸台，所述下模带有用于放置陶瓷片的凹槽，在进行热处理时，所述上模在外力作用下朝向所述下模移动，使得上模上的凸台与下模上的凹槽间隙配合，所述陶瓷片的外部形成有一保温罩；

一温度传感器，与所述上模相连，用于测量上模端部温度；

一感应加热器，用于对所述陶瓷片进行加热；

一应变传感器，与陶瓷片相连，用于测量陶瓷片位移变化，并反馈压力值；

一应变PID控制器，与所述应变传感器、试验机的控制器相连接，用于根据接收到的所述应变传感器的信号来向试验机的控制器发送控制信号，以使得所述试验机的控制器来控制上模的下行位移；

压力调节与厚度应变ε满足如下公式：

p＝BEε(1)

式中：模型系数B为常数；p为压力(MPa)；E为陶瓷片弹性模量(MPa)；ε为陶瓷片反馈的应变值；

弹性模量E随温度而线性降低，满足如下公式：

E＝CT+D(2)

压力调节与厚度应变ε和弹性模量E满足如下公式：

p＝B(CT+D)ε(3)

式中：C和D是与材料有关的常数，T为保温温度(℃)；

一温度PID控制器，与温度传感器和感应加热器相连接，用于接收温度传感器发送的温度信号，并根据接收的温度信号来调节所述感应加热器的加热温度，使加热温度达到预设温度；

加热温度与加热时间t、输入电流I(A)和工作频率f(kHz)满足如下公式：

$T_t=\frac{At(1+aI+{\mathrm{bI}}^2)(1+{\mathrm{ce}}^f)}{\mathrm{\ρ}c}+T_0---\left(4\right)$

式中：模型系数A、a、b、c为常数；ρ为实验样品陶瓷片密度(kg/cm³)；c为实验样品陶瓷片比热(J/(kg·℃))；T_t(℃)为加热时间t(s)后样品陶瓷片温度；T₀为初始温度。

优选地，所述上模通过第一外螺纹与上模座相连，上模座通过螺纹与试验机中梁连接；所述下模通过第二外螺纹与下模座相连接，所述下模座通过法兰与试验机的底座连接。

优选地，所述感应加热器包括感应铜管、冷却水，所述感应铜管用于对陶瓷片进行加热；所述冷却水设置在感应铜管的周围，用于实现感应铜管的温度均匀变化。

优选地，所述凸台直径19mm，高度为3.2mm，凹槽直径20mm，凹槽深度为3mm，所述陶瓷片的直径范围为0-18mm，厚度范围为0-3mm。

(三)有益效果

上述技术方案具有如下优点：本发明根据不同陶瓷热处理工艺要求调节压力和温度，提升加热温度控制灵活性，并在厚度方向上产生高压，从而使其高压热处理过程材料组织更为细化和择优取向分布，简化高压热处理工艺，提高高压热处理效率。

与现有技术相比较，本发明的优点是：

1、采用感应加热，提高了加热速度；

2、上下模具利用凸台和凹槽配合，通过机械装置能够产生Gpa级别的高压，结构简单，成本低廉，易于维护。

3、基于通用的万能试验机设计模具，实现高压热处理，工艺简单，易于操作。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的结构示意图；

图2是图1中的模具示意图。

图中：1-顶梁，2-滑道，3-横梁、4-上模座、5-温度PID控制器，6-应变PID控制器，7-上模，8-感应铜管，9-冷却水，10-温度传感器，11-应变传感器，12-陶瓷片(样品)，13-下模，14-下模座，15-法兰，16-底座，17-第一外螺纹，18-第二外螺纹，19-保温罩,20-盲孔，21-通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1-2所示，为本发明的一种实施例的结构示意图，本实施例的陶瓷片高压热处理装置，包括：

一试验机，所述试验机包括相对设置的横梁3、底座16、顶梁1、滑道2，在底座16和横梁3之间设有上模7、下模13，所述上模7带有凸台，所述下模13带有用于放置陶瓷片12的凹槽，在进行热处理时，所述上模7在外力作用下朝向所述下模13移动，使得上模7上的凸台与下模13上的凹槽间隙配合，所述陶瓷片12的外部形成有一保温罩19；

一温度传感器10，与所述上模7相连，用于测量上模7端部温度；

一感应加热器，用于对所述陶瓷片12进行加热；

一应变传感器11，与陶瓷片12相连，用于测量陶瓷片位移变化，并反馈压力值；

一应变PID控制器6，与所述应变传感器11、试验机的控制器相连接，用于根据接受到的所述应变传感器11的信号来向试验机的控制器发送控制信号，以使得所述试验机的控制器来控制上模7的下行位移；

压力调节与厚度应变ε满足如下公式：

p＝BEε(1)

式中：模型系数B为常数；p为压力MPa；E为陶瓷片弹性模量MPa；ε为陶瓷片反馈的应变值；

一温度PID控制器5，与温度传感器10和感应加热器相连接，用于接收温度传感器发送的温度信号，并根据接收的温度信号来调节所述感应加热器的加热温度，使加热温度达到预设温度；

弹性模量E随温度而线性降低，满足如下公式：

E＝CT+D(2)

压力调节与厚度应变ε和弹性模量E满足如下公式：

p＝B(CT+D)ε(3)

式中：C和D是与材料有关的常数，T为保温温度(℃)；

加热温度与加热时间t、输入电流I(A)和工作频率f(kHz)满足如下公式：

$T_t=\frac{At(1+aI+{\mathrm{bI}}^2)(1+{\mathrm{ce}}^f)}{\mathrm{\ρ}c}+T_0---\left(4\right)$

式中：模型系数A、a、b、c为常数；ρ为实验样品陶瓷片密度(kg/cm³)；c为实验样品陶瓷片比热(J/(kg·℃))；T_t(℃)为加热时间t(s)后样品陶瓷片温度；T₀为初始温度。

一温度PID控制器，与温度传感器和感应加热电源上的控制阀相连接，用于接收温度传感器发送的温度信号，并根据接收的温度信号来调节所述感应加热参数。

应变PID控制器，与应变传感器和万能实验机上的位移控制面板相连接，接受样品厚度方向变形量并根据变形量调节试验压力。

本实施例基于常见的万能试验机，通过加压模具、感应线圈、保温罩及温度和压力控制系统设计实现陶瓷片高压热处理工艺过程，加热速度快，保温效果好，产生的压力大，并且压力定向，结构简单，易于操作，有利于微观组织晶粒细化和择优取向，改善综合性能。

本发明的压力模具上模7通过第一外螺纹17与上模座4相连，上模座4通过螺纹与万能实验机中梁连接，上模中心有盲孔20，下部有通道21，通道21用于布置温度传感器10和应变传感器11；压力模具下模13通过第二外螺纹18与下模座14相连接，下模座14通过法兰15与万能试验机底座连接；压力模具上模座4端部具有凸台，下模座14端部具有凹槽。当万能试验机横梁3开始工作下行后，上下模具闭合，凸台与凹槽直径尺寸为间隙配合，凸台直径19mm，高度为3.2mm，凹槽直径20mm，凹槽深度为3mm，可热处理陶瓷片直径范围为0-18mm，厚度范围为0-3mm。

本发明的感应线圈主要包括感应铜管8和冷却水9组成，主要利用感应加热电源输入工作频率范围10kHz-30kHz的交频电流，电流范围0-150A，电流通过感应线圈后产生交变磁场，变化的磁场在模具表面产生涡流，由于模具本身是一种电阻，因而能够快速加热，模具加热后将热量传递给样品，这样陶瓷样品和模具均匀热处理温度后可以进行保温。可以热处理的温度范围为100-1000℃，热处理温度范围大，加热速度可以达到50℃/s，加热时间快，效率高。

本发明的保温罩19，结构为多层绝热材质组成，固定在模具外层，当样品加热期间，保温罩打开，加热完成后，保温罩闭合，开始工作，对样品和模具进行保温。

本发明的温度、压力控制及反馈系统主要包括温度传感器10、温度PID控制器、应变传感器11、压力PID控制器。陶瓷片12放入下模13的凹槽后，通过万能实验机位移控制使中梁快速下行，带动下模下行，保证凸台与凹槽配合。调整万能实验机工作速度，慢速下行，下行速度0.001mm/s。当凸台与陶瓷片12接触后，应变传感器测试到厚度方向应变，当应变值ε与目标压力p满足式(1)时，应变PID控制器发出信号，万能试验机横梁停止下行，开始保压。保压开始后，温度PID控制器工作，感应加热装置开始工作，模具与样品升温，温度传感器10每隔3s返回一次温度值，当加热温度T_t满足要求后，温度PID控制器发出指令，感应加热装置停止工作，保温罩19闭合，开始对样品和模具进行保温。当保温保压结束后，保温罩打开，万能试验机横梁上行，压力模具分开，取出样品，高压热处理工艺完成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种陶瓷片高压热处理装置，其特征在于，包括：

一试验机，所述试验机包括相对设置的横梁(3)、底座(16)，在底座(16)和横梁(3)之间设有上模(7)、下模(13)，所述上模(7)带有凸台，所述下模(13)带有用于放置陶瓷片(12)的凹槽，在进行热处理时，所述上模(7)在外力作用下朝向所述下模(13)移动，使得上模(7)上的凸台与下模(13)上的凹槽间隙配合，所述陶瓷片(12)的外部形成有一保温罩(19)；

一温度传感器(10)，与所述上模(7)相连，用于测量上模(7)端部温度；

一感应加热器，用于对所述陶瓷片(12)进行加热；

一应变传感器(11)，与陶瓷片(12)相连，用于测量陶瓷片位移变化，并反馈压力值；

一应变PID控制器(6)，与所述应变传感器(11)、试验机的控制器相连接，用于根据接收到的所述应变传感器(11)的信号来向试验机的控制器发送控制信号，以使得所述试验机的控制器来控制上模(7)的下行位移；

压力调节与厚度应变ε满足如下公式：

p＝BEε(1)

式中：模型系数B为常数；p为压力(MPa)；E为陶瓷片弹性模量(MPa)；ε为陶瓷片反馈的应变值；

弹性模量E随温度而线性降低，满足如下公式：

E＝CT+D(2)

压力调节与厚度应变ε和弹性模量E满足如下公式：

p＝B(CT+D)ε(3)

式中：C和D是与材料有关的常数，T为保温温度(℃)；

一温度PID控制器，与温度传感器(10)和感应加热器相连接，用于接收温度传感器发送的温度信号，并根据接收的温度信号来调节所述感应加热器的加热温度，使加热温度达到预设温度；

加热温度与加热时间t、输入电流I(A)和工作频率f(kHz)满足如下公式：

$T_t=\frac{At(1+aI+{\mathrm{bI}}^2)(1+{\mathrm{ce}}^f)}{\mathrm{\ρ}c}+T_0---\left(4\right)$

式中：模型系数A、a、b、c为常数；ρ为实验样品陶瓷片密度(kg/cm³)；c为实验样品陶瓷片比热(J/(kg·℃))；T_t(℃)为加热时间t(s)后样品陶瓷片温度；T₀为初始温度。

2.根据权利要求1所述的陶瓷片高压热处理装置，其特征在于，所述上模(7)通过第一外螺纹(17)与上模座(4)相连，上模座(4)通过螺纹与试验机中梁连接；所述下模(13)通过第二外螺纹(18)与下模座(14)相连接，所述下模座(14)通过法兰(15)与试验机的底座(16)连接。

3.根据权利要求1所述的陶瓷片高压热处理装置，其特征在于，所述感应加热器包括感应铜管(8)、冷却水(9)，所述感应铜管(8)用于对陶瓷片(12)进行加热；所述冷却水(9)设置在感应铜管(8)的周围，用于实现感应铜管(8)的温度均匀变化。

4.根据权利要求1所述的陶瓷片高压热处理装置，其特征在于，所述凸台直径19mm，高度为3.2mm，凹槽直径20mm，凹槽深度为3mm，所述陶瓷片(12)的直径范围为0-18mm，厚度范围为0-3mm。