CN108556135B - 一种旋转靶材的等静压成型模具 - Google Patents

Abstract

一种旋转靶材的等静压成型模具，包括弹性外模、刚性内模和端塞，刚性内模设置在弹性外模内腔中，弹性外模与刚性内模之间管形模腔的两端分别设有端塞，端塞朝向管形模腔的一侧与待成型粉料之间设有能够随弹性外模收缩形变而与待成型粉料一起被径向压缩的塑性过渡层，塑性过渡层与端塞相接的一面为圆锥形凹面，端塞上设有与圆锥形凹面配合相接的锥形凸起。通过塑性过渡层解决了喇叭状形变和密度不均问题；刚性支撑套和定位装置使粉料填充更均匀，圆弧状金属夹板和柔性层相结合使弹性夹持装置始终紧紧包裹管状素坯，使管状素坯形状规则、壁厚均匀、尺寸精度高，不仅利于烧结得到高性能靶材，同时减少了后期车削量，增加材料利用率，降低生产成本。

Description

一种旋转靶材的等静压成型模具

技术领域

本发明涉及一种旋转靶成型模具，具体地说是一种旋转靶材的等静压成型模具。

背景技术

近年来，平板显示行业快速发展，手机触摸屏、大型平板电视的市场越来越大。随着市场的发展，对平板显示器制备技术的要求也越来越高。尤其是，用于在玻璃基板上制备金属薄膜或氧化金属薄膜的磁控溅射装置中，正在逐渐用旋转靶来取代以往的平面靶，由此也带动了ITO旋转靶的飞速发展。

目前ITO旋转靶坯体的成型方法，主要有挤出法、注浆成型和冷等静压成型。挤出法和注浆成型都可近净尺寸成型，在制作异形件方面有一定的优势。但是，挤出法得到的坯体中含有大量的有机物和水，难以烧结致密；注浆成型对料浆的要求比较苛刻，成型后素坯脱模比较困难，素坯的干燥也需要比较复杂的工艺，因此，技术难度较大。

冷等静压成型工艺简单，得到的素坯密度高且均匀，利于后续烧结得到高性能的旋转靶材。但是，管状素坯成型模具在装填原料后都需要在模腔两端用端塞密封，为了保证密封效果，端塞要求有一定的硬度，冷等静压成型管状素坯时，在端塞处，弹性包套的变形和位移会受到端塞的阻碍，产生端头效应，使素坯两端呈喇叭状且密度偏低。另外，管状素坯的成型模具在填充原料前，需要先定位内模和外模使其同心，现有技术中通常在模具两端设置定位环等部件进行定位。虽然在模具两端保持了同心定位，但是，由于柔性模具材料易变形，在填充原料的过程中可能导致模具局部变形，在局部产生不同心的情况，会导致填充不均匀，成型的管状素坯产生壁厚不均，表面不规则的现象。因此，冷等静压成型的管状素坯往往需要将其外表面和两端加工掉很大一部分，才能获得规则的形状（例如CN102277558A和US5，435，965）。这种加工不仅增加了工序，而且导致材料相当大的损失，这也是冷等静压法制备ITO旋转靶的过程中材料利用率低的一个重要原因。由于ITO旋转靶的制备原料比较昂贵，材料利用率的问题得不到有效解决，就会增加生产成本，降低利润空间，影响企业竞争力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服模具端头效应导致素坯两端产生喇叭状形变的问题，提供一种旋转靶材的等静压成型模具。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种旋转靶材的等静压成型模具，包括弹性外模、刚性内模和端塞，刚性内模设置在弹性外模的内腔中，在弹性外模与刚性内模之间形成用于填充待成型粉料的管形模腔，管形模腔的两端分别设有端塞，所述端塞朝向管形模腔的一侧与管形模腔内填充的待成型粉料之间设有能够随弹性外模收缩形变而与待成型粉料一起被径向压缩的塑性过渡层，塑性过渡层与端塞相接的一面为圆锥形凹面，端塞上设有与该圆锥形凹面配合相接的锥形凸起。

所述的塑性过渡层为圆环形的泡沫橡胶，其厚度大于30mm。

所述的等静压成型模具还设有一个用于在装填待成型粉料时套在所述弹性外模外侧的刚性支撑套，刚性支撑套的内径与弹性外模的外径相当。

所述刚性支撑套的轴向长度大于管形模腔填充待成型粉料部分的轴向长度。

在解决上述技术问题的基础上，进一步的，所述的等静压成型模具还设有一个用于在装填待成型粉料时放置在管形模腔中的定位装置，该定位装置包括两个同心设置的圆筒，其中，内侧圆筒的内侧面与刚性内模的外侧面滑动配合，外侧圆筒的外侧面与弹性外模的内侧面滑动配合，外侧圆筒和内侧圆筒之间通过与其轴向平行的连接片固定连接。

所述的定位装置上设有用于将其拉出管形模腔的提升手柄。

在解决上述技术问题的基础上，进一步的，所述的等静压成型模具还设有一个用于在等静压时包围在弹性外模外侧的弹性夹持装置，所述的弹性夹持装置设有至少两块围绕弹性外模外侧壁设置的圆弧状金属夹板，圆弧状金属夹板用于夹持弹性外模的内壁上设有能够在等静压过程中受压收缩的柔性层，柔性层的内壁为圆弧面，且该圆弧面的直径大于圆弧状金属夹板内壁的圆弧直径，并与弹性外模的外壁直径相当。

所述圆弧状金属夹板内壁的圆弧直径与等静压后管状素坯的外径相当。

相邻的圆弧状金属夹板之间通过弹性拉紧元件连接，或者在设置的多个圆弧状金属夹板的外侧套设有用于将多个圆弧状金属夹板固定在弹性外模外壁上的弹性拉紧环。

所述的圆弧状金属夹板上设有供等静压介质通过的通孔。

本发明的有益效果是：塑性过渡层能够随弹性外模收缩形变而与待成型粉料一起被径向压缩，保证与待成型粉料接触部分的弹性外模的形变和位移不受端塞影响，从而使弹性外模装粉部位各个地方所受压力相同，均匀收缩，得到形状规则均匀的管状素坯，由此解决两端喇叭状形变及密度不均匀的问题。而且，在等静压时，从端塞到待成型粉料，塑性过渡层的径向压缩量逐渐增加，弹性外模的形变也将是一个渐变的过程，通过对塑性过渡层的压缩量进行梯度设计，这不仅改善了弹性外模在端塞肩角处急剧变形的情况，避免弹性外模被撕裂，延长了弹性外模的使用寿命，也使压力通过弹性外模传递时，不会受到端塞的影响。

进一步的，在解决端头效应问题的基础上，刚性支撑套能够从外侧支撑弹性外模，在装料过程中防止弹性外模向外形变。定位装置则能够从内部支承弹性外模，保证弹性外模内壁的圆度，防止弹性外模向内产生形变。定位装置在装料过程中逐步提升，起到对弹性外模和刚性内模间隔定位的作用，保证弹性外模与刚性内模在装料部位始终同心，从而保证管形模腔内各个部位的填料厚度一致，进而保证等静压后管状素坯的壁厚均匀。

进一步的，弹性夹持装置的圆弧状金属夹板在弹性拉紧元件或弹性拉紧环的作用下随弹性外模的收缩而向中心聚集收缩，始终保持对弹性外模的夹持。圆弧状金属夹板内壁与柔性层内壁弧面直径的差异使柔性层具有厚度自中心向两侧逐步减小的特殊结构。柔性层在等静压过程中受压力作用逐步收缩，其压缩量自两侧向中心逐步增大，使其内壁弧度随着弹性外模的收缩而变化，保证圆弧状金属夹板始终紧紧包裹在弹性外模的外表面，进一步保证管状素坯的外表面在等静压过程中保持规则的形状。由此得到的管状素坯形状规则、壁厚均匀、尺寸精度高、密度均匀，这不仅有利于后续烧结得到高性能的ITO旋转靶材，同时大大减少了后期车削加工量，增加材料利用率，降低生产成本，提升利润空间。

附图说明

图1是塑性过渡层及刚性支撑套的设置方式示意图。

图2是定位装置的轴向剖面示意图。

图3是图2所示定位装置的俯视图。

图4是弹性夹持装置一种实施例的示意图。

图中标记：1、刚性内模，2、弹性外模，3、刚性支撑套，4、端塞，5、塑性过渡层，6、待成型粉料，7、把手，8、内侧圆筒，9、外侧圆筒，10、连接片，11、提升手柄，12、圆弧状金属夹板，13、柔性层，14、通孔，15、弹性拉紧环。

具体实施方式

以下结合附图具体说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明的旋转靶材等静压成型模具包括弹性外模2、刚性内模1和端塞4。刚性内模1设置在弹性外模2的内腔中，在弹性外模2与刚性内模1之间形成用于填充待成型粉料6的管形模腔。刚性内模1用于形成管状旋转靶材的中心孔，其材质较硬，通常为金属材质。弹性外模2是模具的包套，在等静压过程中收缩以压实粉料，其材质通常为氯丁橡胶、聚氨酯、硅橡胶、聚氯乙烯中的任意一种。端塞4用于将待成型粉料封闭在管形模腔中，通常采用两个端塞4分别设置在管形模腔的两端。为保证密封效果，端塞的邵氏硬度应大于50度，其材质通常为氯丁橡胶、聚氨酯、硅橡胶、聚氯乙烯中的任意一种。

由于端塞硬度较高，在等静压过程中会影响弹性外模2与其相接部位的变形和位移。在端塞4的内侧端，也就是朝向管形模腔的一侧与管形模腔内填充的待成型粉料6之间设置一个塑性过渡层5，塑性过渡层5在等静压时与待成型粉料6具有相近或相当的径向压缩量，能够随弹性外模2收缩形变而与待成型粉料6一起被径向压缩。与待成型粉料接触部分的弹性外模的形变和位移不受端塞影响，能够均匀收缩，可得到形状规则均匀的管状素坯，由此解决两端喇叭状形变及密度不均匀的问题。

所述的塑性过渡层可采用泡沫橡胶，形状为圆环形，以便可以整体装配至管形模腔内。泡沫橡胶的种类、密度、组分配比等参数根据待成型粉料的性能来选取，以保证塑性过渡层底部，也就是与待成型粉料6接触一侧其在等静压时具有与待成型粉料6相近或相当的径向压缩量。

如图1所示，塑性过渡层5与待成型粉料6接触的一面为平面，与端塞4相接的一面为圆锥形凹面。端塞4上设有与该圆锥形凹面配合相接的锥形凸起。在这种结构下，塑性过渡层5断面的径向厚度从靠近端塞一侧到待成型粉料一侧逐渐增大，等静压时的径向压缩量也逐渐增加，使弹性外模的形变呈一个渐变的过程，不仅改善了弹性外模在端塞肩角处急剧变形的情况，避免弹性外模被撕裂，也使压力通过弹性外模传递时，不会受到端塞的影响。塑性过渡层的厚度根据靶材尺寸、端塞大小等因素确定，一般轴向最厚部位的厚度大于30mm，使塑性过渡层具有足够的轴向尺寸来设置锥形凹面，保证与待成型粉料接触的部分具有与填充的待成型粉料相同的径向尺寸，以便使塑性过渡层5能够更好的与待成型粉料一起被径向压缩。

如图1所示，刚性支撑套3在装填待成型粉料6时套在所述弹性外模2外侧，刚性支撑套3的内径与弹性外模2的外径相当，从外侧支撑弹性外模2，防止弹性外模向外产生形变。为方便装卸，刚性支撑套3上端设有把手7。刚性支撑套也可做成半开式，由2个半圆筒通过螺丝或卡箍进行固定。刚性支撑套3的轴向长度大于管形模腔填充待成型粉料部分的轴向长度，使刚性支撑套3的两端可以延伸至塑性过渡层5或者端塞4的外围，以便更好的从外侧支撑弹性外模。

为了提高装料的均匀度，本发明的等静压成型模具还包括一个在装料时使用的定位装置。如图2和3所示，该定位装置包括两个同心设置的圆筒，材质可以采用金属。两个圆筒中，内侧圆筒8的内径与刚性内模1的外径相当，内侧圆筒8内侧面与刚性内模1的外侧面滑动配合。外侧圆筒9的外径与弹性外模2的内径相当，外侧圆筒9的外侧面与弹性外模2的内侧面滑动配合。外侧圆筒9和内侧圆筒8之间通过若干个与其轴向平行的连接片10固定连接。连接片10也可选用金属材质。定位装置在装填待成型粉料时放置在管形模腔中，内侧圆筒8套于刚性内模1上，外侧圆筒9紧贴弹性外模2的内壁，从内部支撑弹性外模2。在连接片10的支撑定位下，内侧圆筒8和外侧圆筒9始终是同心布置的，在其配合支撑下，弹性外模2和刚性内模1也保持同心。两个圆筒的轴向长度不需要太大，具体长度可以根据模具大小及操作的方便程度进行调整，一般大于30mm即可。圆筒的轴向长度相对于管形模腔的长度来说仅仅是一小段。装入的粉料填充至相邻连接片10之间的空隙，并随着粉料的装填堆积逐步提升定位装置。提升过程中，在径向方向上已经装填充实的粉料从相邻连接片10之间的空隙脱出并均匀填充至弹性外模2与刚性内模1之间，而内侧圆筒8和外侧圆筒9则在向上移动的过程中对弹性外模2和刚性内模1形成由下至上的逐步支撑及同心定位。该定位装置采用由下至上逐步定位、逐步装填的方式，利用较短长度的圆筒即可对整个模具定位，保证管形模腔内各个部位的填料厚度一致，从而保证等静压后管状素坯的壁厚均匀。

为了便于提升定位装置，并将其拉出管形模腔，可以在定位装置上设置提升手柄11。提升手柄11可以设置在内侧圆筒8上，也可以设置在外侧圆筒9上，或者连接在内侧圆筒8和外侧圆筒9之间。

如图4所示，本发明的等静压成型模具还包括一个弹性夹持装置，该弹性夹持装置在等静压时包围在弹性外模2的外侧。图4所示实施例中弹性夹持装置具有4块圆弧状金属夹板12，具体数量可以根据所制备管状素坯的大小进行调整，但至少应设置两块。设置的多个圆弧状金属夹板12的外侧套设有弹簧圈或橡皮绳形式的弹性拉紧环15，弹性拉紧环15的拉紧收缩作用将多个圆弧状金属夹板捆绑固定在弹性外模2外壁的上。除弹性拉紧环15的方式外，也可以将相邻的圆弧状金属夹板通过弹性拉紧元件连接，利用弹性拉紧元件使多个圆弧状金属夹板向中心聚集并固定包围在弹性外模2的外壁上。在圆弧状金属夹板12的内壁面，也就是用于夹持弹性外模2的一面上设有柔性层13。柔性层13可以采用泡沫橡胶材料，其能够在等静压过程中受压收缩。柔性层13的内壁面，也就是接触弹性外模2的一面为圆弧面，柔性层13内壁圆弧面的直径与弹性外模2的外壁直径相当，能够贴合在弹性外模2的外壁上。并且柔性层13内壁圆弧面的直径要大于圆弧状金属夹板12内壁的圆弧直径。柔性层3内壁圆弧面与圆弧状金属夹板2内壁圆弧面的直径差异，使柔性层3沿圆周方向并非均匀布置的，其厚度自两侧向中心逐渐增大。由于厚度越大，在同等压力下可压缩的空间也越大，因此，柔性层在等静压过程中受压力作用逐步收缩，其压缩量也自两侧向中心逐步增大，使其内壁弧度随着弹性外模的收缩而变化，保证圆弧状金属夹板始终紧紧包裹在弹性外模的外表面，进一步保证管状素坯的外表面在等静压过程中保持规则的形状。

考虑到柔性层13在受压缩后会变得很薄，但仍具有一定厚度，其内壁的弧面直径略大于圆弧状金属夹板12的弧面直径。而弹性外模2也有一定厚度，导致弹性夹持装置最终要夹持的直径略大于成型后管状素坯的直径，因此，可将圆弧状金属夹板12内壁的圆弧直径设置为与等静压后管状素坯的外径相当，弹性外模2的厚度与柔性层2受压后的厚度对弧面直径的影响相抵消，保证弹性夹持装置对弹性外模2及管状素坯的良好夹持。

所述的圆弧状金属夹板12上设置有若干通孔14，使等静压介质能够通过通孔14作用在弹性外模2上，以保证冷等静压的效果。在使用时，可先将圆弧状金属夹板12夹持在刚性支撑套外表面，再将刚性支撑套取出，以此保证成型前，弹性外模不发生变形。

以制备ITO旋转靶材为例，利用本发明的等静压成型模具可采用如下形式：

由金属材质的刚性内模1和聚氨酯材质的弹性外模2构建成管形模腔，采用邵氏硬度大于50度的硅橡胶做成端塞4，将管形模腔的下端密封，并用铁丝或管箍或橡皮绳捆紧。端塞4朝向模腔的一端为圆锥形的凸面。由圆环形的泡沫橡胶做成塑性过渡层5，厚度大于30mm，装在端塞4之上，朝向端塞4的一端为圆锥形的凹面，并与端塞4的圆锥形凸面相结合（如图1所示）。在弹性外模2的外壁配上刚性支撑套3，刚性支撑套3有两个金属半圆筒组成，之间通过螺栓固定，刚性支撑套3的内径与弹性外模2的外径相当。刚性支撑套3上设置有把手7，以方便装卸。

装料前，将定位装置（参见图2和图3）放入模腔。定位装置由两个金属圆筒及其连接金属连接片组成，内侧圆筒8的内径与刚性内模1的外径相当，外侧圆筒9的外径与弹性外模2的内径相当，两个金属圆筒的长度均大于30mm，内侧圆筒和外侧圆筒的具体长度可根据模具大小及操作的方便程度进行调整。

内侧圆筒和外侧圆筒之间通过平行于轴向的金属连接片片10进行连接，以保证两个金属圆筒的同心度。定位装置的内侧圆筒8套于刚性内模1上，外侧圆筒9紧贴聚氨酯弹性外模2内壁，内侧圆筒8上设置有提升手柄11，用以提升定位装置。

将ITO粉（氧化铟和氧化锡的质量比为In2O3:SnO2=90: 10）6通过金属连接片10之间的缝隙填充到模腔中，边填充边对ITO粉进行机械振动，同时提升定位装置，直至装料完成，取出定位装置。将泡沫橡胶制作的塑性过渡层5装入模腔，压在ITO粉之上，用硅橡胶端塞4将模腔密封，并用铁丝或管箍或橡皮绳捆紧。塑性过渡层5和硅橡胶端塞4仍然采用圆锥形凹面和凸面的结合方式（如图1所示）。

将弹性夹持装置的圆弧状金属夹板12（参见图4）固定在刚性支撑套3外壁，打开刚性支撑套3的固定螺栓，用把手7将刚性支撑套3取出。弹性夹持装置由四块圆弧状金属夹板12组成，通过弹簧或橡皮绳捆绑在弹性外模的外壁。圆弧状金属夹板12的内壁直径与等静压后管状素坯的外径相当，圆弧状金属夹板12的内壁有一层泡沫橡胶构成的柔性层13，柔性层13内壁的直径与聚氨酯弹性外模2的外径相当。这样在等静压过程中，圆弧状金属夹板可以始终紧紧包裹在弹性外模的外表面，使管状素坯的外表面始终保持规则的形状。圆弧状金属夹板上设置有若干通孔14，以保证冷等静压的效果。

模具组装好之后，置入等静压机中进行冷等静压。

等静压后得到的ITO旋转靶素坯，密度为4.66g/cm³，将其在1600℃、氧气氛中烧结后，得到密度为7.139 g/cm³的ITO旋转靶材。

通过塑性过渡层解决了喇叭状形变和密度不均匀的问题；通过刚性支撑套和定位装置的使用，使得粉料填充更均匀，解决了管状素坯壁厚不均匀的问题；通过圆弧状金属夹板和柔性层相结合的方法，使弹性夹持装置始终紧紧包裹管状素坯的外表面，使管状素坯的外表面始终保持规则的形状。由此得到的管状素坯形状规则、壁厚均匀、尺寸精度高、密度均匀，这不仅有利于后续烧结得到高性能的ITO旋转靶材，同时大大减少了后期车削加工量，增加材料利用率，降低生产成本，提升利润空间。

Claims (9)

1.一种旋转靶材的等静压成型模具，包括弹性外模（2）、刚性内模（1）和端塞（4），刚性内模（1）设置在弹性外模（2）的内腔中，在弹性外模（2）与刚性内模（1）之间形成用于填充待成型粉料（6）的管形模腔，管形模腔的两端分别设有端塞（4），其特征在于：所述端塞（4）朝向管形模腔的一侧与管形模腔内填充的待成型粉料（6）之间设有能够随弹性外模（2）收缩形变而与待成型粉料（6）一起被径向压缩的塑性过渡层（5），塑性过渡层（5）与端塞（4）相接的一面为圆锥形凹面，端塞（4）上设有与该圆锥形凹面配合相接的锥形凸起；等静压成型模具还设有一个用于在装填待成型粉料时放置在管形模腔中的定位装置，该定位装置包括两个同心设置的圆筒，其中，内侧圆筒（8）的内侧面与刚性内模（1）的外侧面滑动配合，外侧圆筒（9）的外侧面与弹性外模（2）的内侧面滑动配合，外侧圆筒（9）和内侧圆筒（8）之间通过与其轴向平行的连接片（10）固定连接。

2.如权利要求1所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：所述的塑性过渡层（5）为圆环形的泡沫橡胶，其厚度大于30mm。

3.如权利要求1所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：还设有一个用于在装填待成型粉料（6）时套在所述弹性外模（2）外侧的刚性支撑套（3），刚性支撑套（3）的内径与弹性外模（2）的外径相当。

4.如权利要求3所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：所述刚性支撑套（3）的轴向长度大于管形模腔填充待成型粉料部分的轴向长度。

5.如权利要求1所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：所述的定位装置上设有用于将其拉出管形模腔的提升手柄（11）。

6.如权利要求1所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：还设有一个用于在等静压时包围在弹性外模（2）外侧的弹性夹持装置，所述的弹性夹持装置设有至少两块围绕弹性外模（2）外侧壁设置的圆弧状金属夹板（12），圆弧状金属夹板（12）内壁上设有能够在等静压过程中受压收缩的柔性层（13），柔性层（13）的内壁为圆弧面，且该圆弧面的直径大于圆弧状金属夹板（12）内壁的圆弧直径，并与弹性外模（2）的外壁直径相当。

7.如权利要求6所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：所述圆弧状金属夹板（12）内壁的圆弧直径与等静压后管状素坯的外径相当。

8.如权利要求6所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：相邻的圆弧状金属夹板之间通过弹性拉紧元件连接，或者在设置的多个圆弧状金属夹板（12）的外侧套设有用于将多个圆弧状金属夹板固定在弹性外模（2）外壁上的弹性拉紧环（15）。

9.如权利要求6所述的一种旋转靶材的等静压成型模具，其特征在于：所述的圆弧状金属夹板（12）上设有供等静压介质通过的通孔（14）。

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