CN106288785A - 一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械加工刀具制造设备技术领域，特别是一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置。所述装置共有三个以上腔体，每个腔体均包含辅助加热部分和保温部分，辅助加热部分由碳化硅、石墨混合粉末或者碳化硅、氮化硼混合粉末构成，保温部分由莫来石箱体、氧化铝泡沫砖、硅酸铝无石棉、多晶莫来石纤维棉、硅酸铝无石棉盖子、莫来石盖子构成。辅助加热所用的粉体不仅可以防止材料的氧化，而且具有低温助烧和高温保温的作用。在烧结过程中可同时制备多个试样，且温度分布均匀，升温速度快，最高可承受2000℃的温度。本装置结构简单，成本低廉，可显著提高试件的制备效率和力学性能，利于商业化应用。

Description

一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置
技术领域
本发明属于机械加工刀具制造设备技术领域，特别是一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置。
背景技术
陶瓷刀具因其具有高硬度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀性强、化学稳定性好、高耐磨性和不易于金属发生粘结等优点，在高速切削领域具有很大的应用。目前，陶瓷刀具如氧化物陶瓷刀具(氧化铝基)和非氧化陶瓷刀具(氮化硅基、碳化物和碳氮化钛基陶瓷刀具)主要由热压烧结或者无压烧结制备，这些方法存在升温缓慢、烧结温度高和设备昂贵等缺点，不利于陶瓷刀具的制备和推广。微波烧结技术可实现刀具材料的快速烧结，能够抑制晶粒的长大，提高材料的力学性能，符合绿色制造的生产理念。但是，陶瓷刀具材料烧结温度较高，对于保温装置提出了较为严格的要求。不合理的保温装置会使得材料发生开裂，严重影响刀具材料的力学性能和使用效果。
目前，对于微波烧结保温装置较常见的是将碳化硅棒置于一个整体的保温装置内，这种装置可提供额外的热源，但是存在温度场分布不均且升温缓慢的缺点。并且，陶瓷刀具材料的烧结温度一般为1600-1800℃，不合理的保温装置会导致热量散失较快，引起较大温差，降低材料的力学性能。
专利号为201510521945.2的中国专利公开了一种微波烧结陶瓷刀具材料用保温及辅助加热装置。所述装置包括外层莫来石箱体、耐高温氧化铝纤维棉和耐高温氧化铝泡沫砖构成的保温区以及碳化硅，石墨和活性碳粉末构成的辅助加热区。该装置在烧结过程中可承受近2000℃的烧结温度，保温效果优异。但是，由于氧化铝纤维棉与坩埚直接接触，会导致坩埚的温度散失过快。并且该专利中只有一个制备腔体，刀具材料的制备效率较低。
发明内容
本发明目的在于提供一种保温效果良好，装置互换性强，成本低且效率高的陶瓷刀具材料用多腔体微波烧结保温装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，包括莫来石箱体、氧化铝泡沫砖、硅酸铝无石棉、多晶莫来石纤维棉层、坩埚、硅酸铝无石棉盖子、莫来石盖子。所述氧化铝泡沫砖、硅酸铝无石棉、多晶莫来石纤维棉层、坩埚均位于莫来石箱体内，其中氧化铝泡沫砖位于莫来石箱体的底部，氧化铝泡沫砖的上方铺放硅酸铝无石棉，硅酸铝无石棉的内部设置多晶莫来石纤维棉层，多晶莫来石纤维棉层中设置坩埚，坩埚的内部设置埋粉，烧结试样放置于埋粉中，坩埚的上方设置硅酸铝无石棉盖子，硅酸铝无石棉盖子的顶部设置莫来石盖子，所述莫来石盖子和硅酸铝无石棉盖子均开有用于红外测温的通孔，两者的中心线重合且孔径相同。
本发明的工作原理为：烧结试样放置于不同烧结腔体的坩埚中，坩埚中装有埋粉可将试样完全掩埋，并盖上硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子。其中，为了保证温度的均衡，每一个坩埚上方的硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子均开有10mm左右的通孔，一方面利于温度的检测，另一方面使得各个腔体温度相同，利于得到相同的烧结试样。将装置放置于真空微波烧结烧结炉中，打开烧结炉自带的红外测温仪通过硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子上面的通孔打到埋粉上进行实时检测。微波烧结过程中的功率以及温度通过控制面板显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本装置结构合理，升温速率快，可承受温度高达2000℃，温度场分布均匀，可实现各类陶瓷刀具材料的高温烧结；2)本装置采用埋粉烧结法，可实现低温辅助加热、高温保温和平衡温度场的作用，埋粉还可以避免高温时材料可能产生的氧化反应；3)本装置互换性能良好，利于拆卸更换内部的保温材料，并且可以实现多个试样的烧结提高了陶瓷刀具的制备效率；4)本发明的坩埚周围设置了多晶莫来石纤维棉层，可以保证坩埚内部温度均匀且温度不易散失，最终使陶瓷刀具材料的升温速率更快，温度场更加均匀；5)本发明的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置具有三个以上的烧结腔体，可以一次制备多个和多种陶瓷刀具材料，大大增加了制备效率。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1是本发明的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置剖视图。
图2是实例3中烧结碳氮化钛基陶瓷刀具材料的断面扫描电镜图。
图中编号所代表的含义为：1-莫来石箱体；2-氧化铝泡沫砖；3-硅酸铝无石棉；4-多晶莫来石纤维棉；5-坩埚；6-埋粉；7-烧结试样；8-硅酸铝无石棉盖子；9-红外测温孔；10-莫来石盖子。
具体实施方式
本发明的一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，包括莫来石箱体1、氧化铝泡沫砖2、硅酸铝无石棉3、多晶莫来石纤维棉层4、坩埚5、硅酸铝无石棉盖子8和莫来石盖子10；
所述氧化铝泡沫砖2、硅酸铝无石棉3、多晶莫来石纤维棉层4、坩埚5均位于莫来石箱体1内，其中氧化铝泡沫砖2位于莫来石箱体1的底部，氧化铝泡沫砖2的上方铺放硅酸铝无石棉3，硅酸铝无石棉3的内部设置多晶莫来石纤维棉层4，多晶莫来石纤维棉层4中设置坩埚5，坩埚5的内部设置埋粉6，烧结试样7放置于埋粉6中，坩埚5的上方设置硅酸铝无石棉盖子8，硅酸铝无石棉盖子8的顶部设置莫来石盖子10，所述莫来石盖子10和硅酸铝无石棉盖子8均开有用于红外测温的通孔9，两者的中心线重合且孔径相同。
所述莫来石箱体1为方形箱体。
所述埋粉6的成分为碳化硅、石墨的混合粉末或碳化硅、氮化硼的混合粉末，粉末体积比均为10:1，粒径均为微米级。
所述坩埚5为圆柱形或碗形，材质为耐高温的刚玉或者氮化硅。
坩埚5的个数为3个以上。
多晶莫来石纤维棉层4是由碎片状莫来石纤维棉堆积而成。
微波烧结保温装置对保温材料有着严格的要求：所选保温材料必须透波且具有低的导热系数；保温材料必须能承受较高的温度。本装置中所选的材料均符合上述要求，莫来石箱体、氧化铝泡沫砖、硅酸铝无石棉、多晶莫来石纤维棉和坩埚均具有良好的透波性和低的热传导性。多晶莫来石纤维棉和坩埚可承受高达2000℃的温度。
以下结合具体实例对本发明做进一步详细的描述。
实施例中微波真空烧结炉微波频率为2.45GHz，输出功率范围为0-6KW，烧结炉腔体的上下方均布6个额定功率为1KW的磁控管，保证了场强的均匀分布。红外测温仪位于腔体的上方，测量范围为350-2400℃。工作时保温装置的三个腔体中均放有烧结试样。
实施例1
氧化铝基陶瓷刀具的烧结。将质量相同的三个烧结试样放置于坩埚中，置于碳化硅和石墨混合粉末构成的埋粉中，盖上硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子。将保温装置放置于微波烧结炉的腔体中，调整位置使红外测温仪发出的红外线打到中间腔体的埋粉上，然后关闭炉门，抽真空，打开微波开关进行烧结。低温段以20℃/min的速度升至800℃保温5min，然后以30-40℃/min的速度，匀速升温至1700℃，保温10min，随后随炉冷却。得到了氧化铝基陶瓷刀具材料，三个腔体所得到的材料致密度分别为，99.2±0.2％、99.3±0.3％和99.1±0.1％，可以满足刀具材料的使用要求，且三个腔体烧结体致密度相近，提高了材料的制备效率，整个烧结过程持续约60min。
实施例2
氮化硅基陶瓷刀具的烧结。将质量相同的三个烧结试样放置于坩埚中，置于碳化硅和氮化硼混合粉末构成的埋粉中，盖上硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子。将保温装置放置于微波烧结炉的腔体中，调整位置使红外测温仪发出的红外线打到中间腔体的埋粉上，然后关闭炉门，抽真空，打开微波开关进行烧结。以30-40℃/min的速度，匀速升温至1800℃，保温10min，随后随炉冷却。得到了氮化硅基陶瓷刀具，三个腔体所得到的材料致密度分别为，96.4±0.3％、96.3±0.2％和96.1±0.1％，维氏硬度为13.7±0.6GPa、13.8±0.4GPa和13.7±0.5GPa，断裂韧性为7.3±0.2MPa m1/2、7.4±0.1MPa m1/2和7.3±0.4MPa m1/2，整个烧结过程持续约70min。
实施例3
碳氮化钛基陶瓷刀具的烧结。将质量相同的三个烧结试样放置于坩埚中，置于碳化硅和石墨混合粉末构成的埋粉中，盖上硅酸铝无石棉盖子和莫来石盖子。将保温装置放置于微波烧结炉的腔体中，调整位置使红外测温仪发出的红外线打到中间腔体的埋粉上，然后关闭炉门，抽真空，打开微波开关进行烧结。以30-50℃/min的速度，匀速升温至1550℃，保温10min，随后随炉冷却。得到了碳氮化钛基陶瓷刀具材料，三个腔体所得到的材料致密度分别为，98.1±0.2％、98.3±0.1％和98.2±0.3％，可以满足刀具材料的使用要求，整个烧结过程持续约40min。
图2为实施例3中中间腔体制备的碳氮化钛基陶瓷刀具断面扫面电镜图，从图中可以看出，断面组织均匀，颗粒细小，结合致密。
由上可知，本发明的装置可以承受较高烧结温度，而且温度分布均匀，三个腔体中试样的致密度和力学性能相近，极大的提高了生产效率。本装置结构简单，成本低廉，完全满足微波烧结用保温装置的要求，具有很高的实用推广价值。

Claims (6)

1.一种陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，包括莫来石箱体(1)、氧化铝泡沫砖(2)、硅酸铝无石棉(3)、多晶莫来石纤维棉层(4)、坩埚(5)、硅酸铝无石棉盖子(8)和莫来石盖子(10)；
所述氧化铝泡沫砖(2)、硅酸铝无石棉(3)、多晶莫来石纤维棉层(4)、坩埚(5)均位于莫来石箱体(1)内，其中氧化铝泡沫砖(2)位于莫来石箱体(1)的底部，氧化铝泡沫砖(2)的上方铺放硅酸铝无石棉(3)，硅酸铝无石棉(3)的内部设置多晶莫来石纤维棉层(4)，多晶莫来石纤维棉层(4)中设置坩埚(5)，坩埚(5)的内部设置埋粉(6)，烧结试样(7)放置于埋粉(6)中，坩埚(5)的上方设置硅酸铝无石棉盖子(8)，硅酸铝无石棉盖子(8)的顶部设置莫来石盖子(10)，所述莫来石盖子(10)和硅酸铝无石棉盖子(8)均开有用于红外测温的通孔(9)，两者的中心线重合且孔径相同。
2.根据权利要求1所述的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，所述莫来石箱体(1)为方形箱体。
3.根据权利要求1所述的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，所述埋粉(6)的成分为碳化硅、石墨的混合粉末或碳化硅、氮化硼的混合粉末，粉末体积比均为10:1，粒径均为微米级。
4.根据权利要求1所述的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，所述坩埚(5)为圆柱形或碗形，材质为耐高温的刚玉或者氮化硅。
5.根据权利要求1所述的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，坩埚(5)的个数为3个以上。
6.根据权利要求1所述的陶瓷刀具用多腔体微波烧结保温装置，其特征在于，多晶莫来石纤维棉层(4)是由碎片状莫来石纤维棉堆积而成。
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