CN107716926A - 一种用于放电等离子烧结的校温模具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于放电等离子烧结的校温模具，由外模、内模、下外压头、上外压头、下垫块、上垫块和上下内压头组成；其中外模为上下两端开口的中空腔体，内膜嵌入在外模内位于侧壁挡块上面。上内压头、上垫块和上外压头位于内膜的上面，且上垫块和上外压头中间有轴向通孔与上内压头上的中间凹槽相通；下内压头、下垫块和下外压头位于内膜的下面，且下垫块和下外压头中间有轴向通孔与下内压头上的中间凹槽相通，上下通孔用来作为红外测温的光路通道。外模壁上设有盲孔，用于安装热电偶实时监测温度。采用红外线测温来对热电偶的测温进行校准，保证烧结式样在烧结过程中处在同一烧结温度，提高实验精度，降低设备的运行风险。
Description
技术领域
本发明涉及粉末冶金烧结设备技术领域，具体地说，涉及一种用于放电等离子烧结的校温模具。
背景技术
在材料科学研究领域中，纳米晶材料因其优异的性能在国内外引发了研究的热潮，然而由于制备技术有限，目前很难制备出大型纳米晶块体材料。相对的，通过高能球磨方法制备纳米晶粉末的技术已经比较成熟，因此采用粉末冶金方法将粉末制备成块状纳米晶材料已成为当前研究的热点。纳米晶材料对温度比较敏感，在一定的温度下会发生自发长大，从而变成超细晶甚至粗晶材料，丧失其优异的性能。因此，烧结过程中温度的精确控制对纳米晶材料而言显得极其重要。目前，主要通过热等静压(HIP)、超高压烧结(UPS)和放电等离子烧结(SPS)的方法来制备纳米晶块体材料。
放电等离子烧结方法是将金属粉末装入石墨材质制成的模具内，利用上模冲、下模冲及通电电极将脉冲电流和烧结压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却制取高性能材料的一种新型粉末冶金烧结技术。其主要特点为脉冲直流电直接通过石墨模具从而产生大量的焦耳热，并实现极快的升温速率，可达200K/min。其与常规烧结技术相比，能在相对较低的烧结温度下、较短的时间内实现接近理论值的密度；因此，这种烧结方法用来烧结纳米晶材料具有先天的优势。放电等离子烧结必须辅以专门配套的模具。传统的放电等离子设备一般同时具备红外线测温和热电偶测温两种方式。
发明专利CN203972863U中公开了一种放电等离子烧结模具，该模具包括压头、内模套、外模套、保温套；所述外模套与内模套为圆环体，且外模套无间隙套接在内模套的外壁。内模套由至少两个内模套组件无间隙连接而成，内模套组件相互独立,可以拆分和替换；内模套的内壁包围的空间形成内模腔；压头分为上压头和下压头，分别从内模套的两端压入所述内模腔；上压头和下压头与所述内膜腔之间所形成的空腔为烧结区；保温套包裹在所述外模套的外侧，所述保温套与外模套在同一位置开设有热电偶的测温孔。虽然该模具的保温套材料是由硅酸铝陶瓷纤维制成，具有一定的保温作用，但由于其壁厚大于相对于传统的烧结模具的厚度，热电偶测温时会存在一定误差，造成烧结过程中控温不准，严重影响材料的精密制备。
在专利CN202571280U中公开了一种放电等离子烧结模具，该模具包括内外依次套接的压头、模具套和外模套,模具套的内壁包围的空间形成模具腔。该模具既没有留有热电偶测温位置，也没有留有红线测温的孔，在具体实验的过程中，只能根据测定模具表面的温度来估计式样的温度；其式样距离模具表面的距离远远大于一般的放电等离子烧结模具。所以其测温存在相当大的误差，严重影响了式样的制备，并且当烧结低熔点的金属时，也会造成样品的熔化，进而损坏放电等离子烧结设备，造成不必要的损失，增加实验成本。
发明内容
为了避免现有技术存在的不足，克服烧结过程中温度控制不准的问题,本发明提出一种用于放电等离子烧结的校温模具；该模具由高纯石墨材料加工成形的零件和高强碳化钨合金加工成形的零件组合而成，模具设有红外测温的光路通道和热电偶测温的测温孔。采用红外线测温来校准热电偶测温，保证烧结式样在烧结过程中处在同一烧结温度，保证式样的顺利制备，提高实验精度，降低设备的运行风险。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括外模、内模、下外压头、上外压头、下内压头、上内压头、下垫块、上垫块，所述外模为上下两端开口的中空腔体，外模内侧壁上沿周向设有凸出的挡块，内膜嵌入在外模内位于侧壁挡块上面，上内压头、上垫块和上外压头位于内膜的上面，且上垫块和上外压头中间设有轴向通孔与上内压头上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道，下内压头、下垫块和下外压头位于内膜的下面，且下垫块和下外压头中间设有轴向通孔与下内压头上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道，外模壁上设有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度；
所述下内压头与所述上内压头为两个结构相同的小圆柱形部件，下内压头与上内压头相对的一端为平面紧靠烧结试件，另一端面中间部位设有凹槽，凹槽直径与下垫块、下外压头和上垫块、上外压头的轴向通孔内径相同；
所述下垫块与所述上垫块为两个结构相同的部件，下垫块与上垫块一端为平面分别紧靠下外压头和上外压头，另一端面设有圆盘状凸起，上垫块、下垫块分别与下内压头、上内压头配合对称安装。
外模、内模、下外压头和上外压头采用高纯石墨材料。
下内压头、上内压头、下垫块和上垫块采用高强碳化钨材料。
烧结前在内模的内壁，下内压头与上内压头相对的端面喷涂氮化硼。
有益效果
本发明提出的一种用于放电等离子烧结的校温模具，由高纯石墨材料加工成形的零部件和高强碳化钨合金加工成形的零部件组合而成；模具设有红外测温的光路通道和热电偶测温的测温孔。其中，外模为上下两端开口的中空腔体，内膜嵌入在外模内位于侧壁挡块上面。上内压头、上垫块和上外压头位于内膜的上面，且上垫块和上外压头中间有轴向通孔与上内压头上的中间凹槽相通；下内压头、下垫块和下外压头位于内膜的下面，且下垫块和下外压头中间有轴向通孔与下内压头上的中间凹槽相通，上、下轴向通孔用来作为红外测温的光路通道；外模壁上设有盲孔，用来安装热电偶实时监测温度。采用红外线测温来对热电偶的测温进行校准，确保式样在烧结过程中处在同一烧结温度，保证烧结式样的顺利制备，提高实验精度，降低设备的运行风险。
本发明用于放电等离子烧结的校温模具，在不需要改变放电等离子设备的情况下，通过对模具设计，在正式烧结式样之前，先用校温模具进行校温工作，用红外线测温来校准热电偶的测温精度，解决烧结过程中温度控制不准的问题。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种用于放电等离子烧结的校温模具作进一步详细说明。
图1为本发明用于放电等离子烧结的校温模具结构示意图。
图2为本发明用于放电等离子烧结的校温模具剖视图。
图中
1.外模 2.内膜 3.下内压头 4.上内压头 5.下垫块 6.上垫块7.下外压头 8.上外压头
具体实施方式
本实施例是一种用于放电等离子烧结的校温模具。先将制备好的纳米晶粉末放置于由内模、上内压头和下内压头形成的烧结区内，确保粉末在烧结区内紧密填充。工作时，将整套模具放置在放电等离子烧结设备内，同时打开热电偶测温和红外线测温，通电使得模具整体均匀受热升温，与此同时压力作用于外压头上。推动垫块向模具内部移动，通过阶梯传力，最终将压力施加到粉末试样上，使得粉末试样在受压条件下进行烧结。烧结过程中观察红外线与热电偶测量的温度，当红外线测量的温度达到我们所需要的烧结温度时，观察此时热电偶显示的温度，下次的烧结实验，当热电偶距离式样的距离与该模具相同时，便可只用热电偶测温时就按此温度进行实验。
参阅图1、图2，本实施例用于放电等离子烧结的校温模具，由外模1、内模2、下内压头3、上内压头4、下垫块5、上垫块6和下外压头7、上外压头8组成；其中，外模1为上下两端开口的中空腔体，外模1内侧壁上沿周向设有凸出的挡块，内膜2嵌入在外模1内位于侧壁挡块上面。上内压头4、上垫块6和上外压头8依次放置在内膜2的上面，且上垫块6和上外压头8中间设有轴向通孔与上内压头4上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道。下内压头3、下垫块5和下外压头7依次放置在内膜2的下面，且下垫块5和下外压头7中间设有轴向通孔与下内压头3上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道，确保红外测温接近式样的真实温度。外模1壁上加工有直径为1.1mm的盲孔，用来安装热电偶实时监测温度。实验时，同时打开红外线与热电偶测温，热电偶相距式样的距离稍远，测温存在误差，因此，通过使用红外线来对热电偶的测温进行校准；之后的实验时，当式样相距热电偶的距离与此时模具相同时，便可用热电偶显示的温度进行实验，而不需要牺牲压力来进行烧结实验。
本实施例中，下内压头3与上内压头4为两个结构相同的小圆柱形部件，下内压头3与上内压头4相对的一端为平面并紧靠烧结试件，下内压头3与上内压头4的另一端面中间部位加工有凹槽，凹槽直径与下垫块5、下外压头7和上垫块6、上外压头8的轴向通孔内径相同。下垫块5与上垫块6为两个结构相同的部件，下垫块5与上垫块6一端为平面分别紧靠下外压头7和上外压头8，下垫块5与上垫块6的另一端面设有圆盘状凸起，下垫块5、上垫块6分别与下内压头3、上内压头4配合对称安装。
本实施例中，外模1、内模2、下外压头7和上外压头8均采用高纯石墨材料加工成型。下内压头3、上内压头4、下垫块5和上垫块6均采用高强碳化钨材料加工。烧结前,在内模2的内壁，下内压头3与上内压头4相对的端面喷涂氮化硼。
实验过程:
在进行烧结装样之前先检查模具是否有开裂损坏的情况，如有，需立即更换新模具，以免在烧结过程中出现意外，损坏放电等离子烧结设备；
在装入纳米晶铁粉之前，在内模2的内壁，下内压头3和上内压头4的两端面喷涂氮化硼，方便烧结完成后的脱模取样工作；
将下内压头3与内模2组装后，向两者形成的腔体中装入纳米晶粉末，并使用上内压头4配合一台小型压力机将装入的粉末压严实，确保装入的粉末烧结出符合实验要求的式样；
粉末装入之后，按结构组合模具，放入放电等离子烧结室内，将热电偶插入在外模壁的孔中，关上放电等离子烧结室炉门，抽真空，同时在计算机上编写控温和控压程序，当真空度低于10-2Pa时，进行烧结实验；
烧结开始时，同时打开热电偶测温和红外线测温装置，观察两者测温数据随时间的变化关系，当红外线显示达到烧结温度时，记录下热电偶显示的温度，作为下次式样的烧结温度；
烧结过程中，实时观察放电等离子烧结设备显示的电压与电流数值，并注意观察模具的工作情况，若模具发生开裂情况应立即停止实验；
烧结完毕后，烧结试样随炉冷却，当温度低于150℃时，打开炉门，取出试样，校温实验结束。
Claims (4)
1.一种用于放电等离子烧结的校温模具，其特征在于:包括外模、内模、下外压头、上外压头、下内压头、上内压头、下垫块、上垫块，所述外模为上下两端开口的中空腔体，外模内侧壁上沿周向设有凸出的挡块，内膜嵌入在外模内位于侧壁挡块上面，上内压头、上垫块和上外压头位于内膜的上面，且上垫块和上外压头中间设有轴向通孔与上内压头上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道，下内压头、下垫块和下外压头位于内膜的下面，且下垫块和下外压头中间设有轴向通孔与下内压头上的中间凹槽相通，用来作为红外测温的光路通道，外模壁上设有径向盲孔，用于安装热电偶实时监测温度；
所述下内压头与所述上内压头为两个结构相同的小圆柱形部件，下内压头与上内压头相对的一端为平面紧靠烧结试件，另一端面中间部位设有凹槽，凹槽直径与下垫块、下外压头和上垫块、上外压头的轴向通孔内径相同；
所述下垫块与所述上垫块为两个结构相同的部件，下垫块与上垫块一端为平面分别紧靠下外压头和上外压头，另一端面设有圆盘状凸起，上垫块、下垫块分别与下内压头、上内压头配合对称安装。
2.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的校温模具，其特征在于:外模、内模、下外压头和上外压头采用高纯石墨材料。
3.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的校温模具，其特征在于:下内压头、上内压头、下垫块和上垫块采用高强碳化钨材料。
4.根据权利要求1所述的用于放电等离子烧结的校温模具，其特征在于:烧结前在内模的内壁，下内压头与上内压头相对的端面喷涂氮化硼。
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