CN108627383A - Gleeble热模拟试验机热压烧结模具及其使用方法 - Google Patents

Gleeble热模拟试验机热压烧结模具及其使用方法 Download PDF

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张伟
赵永庆
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Abstract

本发明公开了一种Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，包括模芯及其两端的左模和右模，左模的左端与机械传动压头连接，右模的右端与承力压头连接，左模和右模上分别设置有左模凸块和右模凸块，模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面围成了装填粉料的型腔，模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面上均铺设有石墨纸。本发明的左模上连接机械传动压头，实现了热压烧结粉料的流动传质和致密化过程，达到了利用Gleeble热模拟试验机快速探明粉料热压烧结工艺的目的。本发明还公开了一种Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的使用方法。本发明的使用方法简单，降低了成本和工业能耗，缩短了粉料的试验周期。

Description

Gleeble热模拟试验机热压烧结模具及其使用方法
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，具体涉及一种Gleeble热模拟试验机热压烧结模具及其使用方法。
背景技术
复合材料是由金属材料、陶瓷材料或高分子材料等两种或两种以上的材料经过复合工艺而制备的多相结构材料，由于各类材料在性能上互相取长补短而产生协同效应，复合材料的综合性能往往优于原组成材料，因此广泛地应用于航空航天、石油化工、机械制造等尖端技术领域。当前，复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度结构复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料(具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料)、仿生复合材料、隐身复合材料等。因此，复合材料对现代科学技术的发展具有十分重要的意义，其研究的深度、应用的广度以及生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。
热压烧结是复合材料制备技术中的一个重要环节，由于热压烧结过程中加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散和流动传质等过程，因而热压烧结的成型压力仅为冷压的1/10，并且烧结温度低，烧结时间短，从而晶粒长大受限，得到晶粒细小、致密度高和机械、电学等性能优异的块体复合材料。与传统熔铸方法相比，热压烧结技术可以直接制成多孔、半致密或全致密复合材料，是一种少无切削工艺。但传统热压烧结炉存在试验周期长、运行成本高，浪费试验材料等缺点。特别对于新型复合材料的制备，需要大量的试验进行工艺参数的探索，极大的延误了试验进程。如何快速的掌握复合材料的热压烧结工艺参数，提高科研人员的试验效率，避免大量试验资源的重复浪费，是当前复合材料热压烧结工艺技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种Gleeble热模拟试验机热压烧结模具。该模具的模芯两端分别设置有与机械传动压头连接的左模和与承力压头连接的右模，左模和右模上分别设置有左模凸块和右模凸块，模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面围成了装填粉料的型腔，通过Gleeble热模拟试验机的温控系统和机械传动压头同时对粉料进行热压烧结，快速实现了热压烧结粉料的流动传质和致密化过程，从而达到了利用Gleeble热模拟试验机快速探明粉料的热压烧结工艺的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，包括圆筒形的模芯和分别配合连接在模芯两端的左模和右模，所述左模的左端与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头连接，所述左模的左端的尺寸与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头的尺寸相同，所述右模的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头连接，所述右模的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头的尺寸相同，所述左模的右侧设置有圆柱形的左模凸块，所述右模的左侧设置有圆柱形的右模凸块，所述模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面围成了装填粉料的型腔，所述模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面上均铺设有石墨纸，所述左模凸块的右端面直径、右模凸块的左端面直径与型腔的直径相同。
上述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述型腔的直径为10mm，长度为10mm。
上述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述模芯上开设有定位孔，所述右模凸块上开设有通孔，所述定位孔和通孔中穿装有定位销，所述定位销的长度大于模芯的直径。
上述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，还包括对热压烧结后形成的块状材料进行脱模的脱模杆和脱模套筒。
上述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的材料为热作模具钢、钼合金或镍合金，所述热作模具钢的牌号为H13、4Cr3Mo3Vsi或SKD61，所述钼合金为TZM合金或Mo-W合金，所述镍合金为718镍合金或617镍合金。
另外，本发明还提供了一种Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将右模凸块装入模芯中，然后将定位销穿装入定位孔和通孔中，再在模芯的内表面和右模凸块的左端面上铺设石墨纸；
步骤二、将粉料装填入型腔中，并在粉料顶部铺设石墨纸，然后将左模凸块装入模芯中，使左模凸块的右端面与粉料顶部的石墨纸接触，得到装填粉料的热压烧结模具，再将装填粉料的热压烧结模具装入Gleeble热模拟试验机中，并通过应力进行加持固定；
步骤三、根据粉料的特性设定加热温度和加持压力，然后对粉料进行热压烧结，形成块状材料；
步骤四、将热压烧结模具快速冷却，然后拔出定位销并拆除左模和右模，再将脱模杆插入模芯中后垂直放在脱模套筒上，通过对脱模杆施力使块状材料从模芯中挤出并落入脱模套筒中。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的模芯两端分别设置有与机械传动压头连接的左模和与承力压头连接的右模，左模和右模上分别设置有左模凸块和右模凸块，模芯的内表面、左模凸块的右端面和右模凸块的左端面围成了装填粉料的型腔，通过Gleeble热模拟试验机的温控系统和机械传动压头控制粉料热压烧结的温度和压力，快速实现了热压烧结粉料的流动传质和致密化过程，从而达到了利用Gleeble热模拟试验机快速探明粉料的热压烧结工艺的目的。
2、本发明的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具通过与Gleeble热模拟试验机机械传动压头连接的左模对粉料加压，并同时进行加热，粉料承受的压力较为均匀，粉料的流动传质过程也较为均匀，可根据实际需要调节温度和压力制备得到多孔、半致密或全致密材料，并提高了材料的组织均匀性和细致性，进而提高了材料的性能。
3、本发明的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具结构简单，运行成本低，且使用方法简单，弥补了传统热压烧结炉需要大量的热压烧结试验才能确定粉料烧结工艺的缺点，从而有效的降低了试验成本和工业能耗，缩短了粉料的试验周期。
4、本发明的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具制备的烧结块料，通过利用石墨纸润滑以及脱模杆和脱模套筒配合即可实现脱模，无需其它辅助脱模工具，方便快捷，安全高效。
5、本发明的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具使用过程中的温度和压力均可调控，实现了对烧结工艺参数定量化的研究，有效的提高科研人员的试验效率，避免大量试验资源的重复浪费。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的纵剖面图。
图2是本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的模芯的纵剖面图。
图3是本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的右模的纵剖面图。
图4是本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的脱模杆和脱模套筒的工作状态示意图。
附图标记说明
1—左模； 1-1—左模凸块； 2—模芯；
2-1—定位孔； 3—右模； 3-1—右模凸块；
3-2—通孔； 4—定位销； 5—型腔；
6—脱模杆； 7—脱模套筒。
具体实施方式
本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具通过实施例1进行详细描述。
实施例1
如图1所示，本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具包括圆筒形的模芯2和分别配合连接在模芯2两端的左模1和右模3，所述左模1的左端与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头连接，所述左模1的左端的尺寸与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头的尺寸相同，所述右模3的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头连接，所述右模3的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头的尺寸相同，所述左模1的右侧设置有圆柱形的左模凸块1-1，所述右模3的左侧设置有圆柱形的右模凸块3-1，所述模芯2的内表面、左模凸块1-1的右端面和右模凸块3-1的左端面围成了装填粉料的型腔5，所述模芯2的内表面、左模凸块1-1的右端面和右模凸块3-1的左端面上均铺设有石墨纸，所述左模凸块1-1的右端面直径、右模凸块3-1的左端面直径与型腔5的直径相同。
本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具在圆筒形的模芯2两端分别设置有与机械传动压头连接的左模1和与承力压头连接的右模3，左模1的右侧设置有圆柱形的左模凸块1-1，所述右模3的左侧设置有圆柱形的右模凸块3-1，模芯2的内表面、左模凸块1-1的右端面和右模凸块3-1的左端面围成了装填粉料的型腔5，粉料装入型腔5后，通过与Gleeble热模拟试验机机械传动压头连接的左模5对粉料加压，使粉料向与Gleeble热模拟试验机的承力压头连接的右模处收缩，并同时通过Gleeble热模拟试验机的温控系统对热压烧结模具及其中的粉料进行控温加热，快速实现了热压烧结粉料的流动传质和致密化过程，达到了利用Gleeble热模拟试验机快速探明粉料的热压烧结工艺的目的，而热压烧结模具使用过程中的温度和压力均可调控，从而实现了对烧结工艺参数定量化的研究，有效提高了科研人员的试验效率，避免大量试验资源的重复浪费；由于左模1的左端的尺寸与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头的尺寸相同，右模3的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头的尺寸相同，且左模凸块1-1的右端面直径、右模凸块3-1的左端面直径与型腔5的直径相同，粉料承受的压力较为均匀，粉料的流动传质过程也较为均匀，可根据实际需要调节温度和压力制备得到多孔、半致密或全致密材料，并提高了材料的组织均匀性和细致性，进而提高了材料的性能；所述模芯2的内表面、左模凸块1-1的右端面和右模凸块3-1的左端面上均铺设有石墨纸，利用石墨纸的润滑特性，方便了热压烧结形成的块状材料的快速脱模。
本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，所述型腔5的直径为10mm，长度为10mm，尺寸适宜，适用范围广，最大程度地保证热压烧结过程中型腔5中装填粉料的均温区域，提高了热压烧结形成的块状材料的尺寸。
如图2和图3所示，本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的模芯2上开设有定位孔2-1，所述右模3上开设有通孔3-2，所述定位孔2-1和通孔3-2中穿装有定位销4，从而将模芯2和右模3固定连接，保证了型腔5的稳定性，热压烧结的过程中，与Gleeble热模拟试验机机械传动压头连接的左模1通过左模凸块1-1对粉料加压，由于与Gleeble热模拟试验机的承力压头连接的右模3位置固定，粉料沿着加压方向通过右模凸块3-1向右模3处收缩，粉料的受力较为均匀，且压缩参数容易定量，方便了粉料烧结工艺的探索，所述定位销4的长度大于模芯2的直径，方便了定位销4的拆装，提高了粉料烧结的效率。
如图4所示，本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具还包括对热压烧结后形成的块状材料进行脱模的脱模杆6和脱模套筒7，待粉料热压烧结完成后，将脱模杆6插入模芯2中后垂直放在脱模套筒7上，沿着图4中箭头方向，对脱模杆6施力使热压烧结形成的块状材料从模芯2中挤出并落入脱模套筒7中，通过脱模杆6和脱模套筒7的配合即可实现热压烧结后形成的块状材料的脱模，无需其它辅助脱模工具，方便快捷，安全高效。
本实施例的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的材料为热作模具钢、钼合金或镍合金，所述热作模具钢的牌号为H13、4Cr3Mo3Vsi或SKD61，所述钼合金为TZM合金或Mo-W合金，所述镍合金为718镍合金或617镍合金，上述材料的导热性好，硬度较高，能承受较大的压力，不易变形，提高了粉体的传质和传热速率，满足了热压烧结模具的高温加压使用要求。
本发明Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的使用方法通过实施例2～实施例4进行详细描述。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将右模凸块3-1装入模芯2中，然后将定位销4穿装入定位孔2-1和通孔3-2中，再在模芯2的内表面和右模凸块3-1的左端面上铺设石墨纸；
步骤二、将钛粉和TiB2颗粒的混合粉料装填入型腔5中，并在混合粉料顶部铺设石墨纸，然后将左模凸块1-1装入模芯2中，使左模凸块1-1的右端面与混合粉料顶部的石墨纸接触，得到装填混合粉料的热压烧结模具，再将装填混合粉料的热压烧结模具装入Gleeble-3800热模拟试验机中，并通过应力进行加持固定；所述型腔6的直径为10mm，长度为10mm；
步骤三、设定加热温度为850℃，待热压烧结模具加热到850℃后，对混合粉料同时进行热挤压和保温，完成热压烧结过程，使混合粉料形成块状钛材料；所述挤压过程中传动压头的挤压速度为0.1mm/s，挤压力为500kN，挤压行程为装填混合物料高度的25％；所述保温的时间为5min；
步骤四、将热压烧结模具快速冷却，然后拔出定位销4并拆除左模1和右模3，再将脱模杆6插入模芯2中后垂直放在脱模套筒7上，通过对脱模杆6施力使块状钛材料从模芯2中挤出并落入脱模套筒7中。
本实施例得到的块状钛材料的直径为10mm，长度为7.5mm，块状钛材料的表面光滑，内部显微组织致密均匀，整体尺寸规整。
实施例3
步骤一、将右模凸块3-1装入模芯2中，然后将定位销4穿装入定位孔2-1和通孔3-2中，再在模芯2的内表面和右模凸块3-1的左端面上铺设石墨纸；
步骤二、将镁粉和石墨烯粉的混合粉料装填入型腔5中，并在混合粉料顶部铺设石墨纸，然后将左模凸块1-1装入模芯2中，使左模凸块1-1的右端面与混合粉料顶部的石墨纸接触，得到装填混合粉料的热压烧结模具，再将装填混合粉料的热压烧结模具装入Gleeble-3800热模拟试验机中，并通过应力进行加持固定；所述型腔6的直径为10mm，长度为10mm；
步骤三、设定加热温度为550℃，待热压烧结模具加热到550℃后，对混合粉料同时进行热挤压和保温，完成热压烧结过程，使混合粉料形成块状镁基复合材料；所述挤压过程中传动压头的挤压速度为0.1mm/s，挤压力为400kN，挤压行程为装填混合粉料高度的30％；所述保温的时间为3min；
步骤四、将热压烧结模具快速冷却，然后拔出定位销4并拆除左模1和右模3，再将脱模杆6插入模芯2中后垂直放在脱模套筒7上，通过对脱模杆6施力使块状镁基复合材料从模芯2中挤出并落入脱模套筒7中。
本实施例得到的块状镁基复合材料的直径为10mm，长度为7mm，块状镁基复合材料的表面光滑，内部显微组织致密均匀，整体尺寸规整。
实施例4
步骤一、将右模凸块3-1装入模芯2中，然后将定位销4穿装入定位孔2-1和通孔3-2中，再在模芯2的内表面和右模凸块3-1的左端面上铺设石墨纸；
步骤二、将铝粉和石墨烯粉的混合粉料装填入型腔5中，并在混合粉料顶部铺设石墨纸，然后将左模凸块1-1装入模芯2中，使左模凸块1-1的右端面与混合粉料顶部的石墨纸接触，得到装填混合粉料的热压烧结模具，再将装填混合粉料的热压烧结模具装入Gleeble-3800热模拟试验机中，并通过应力进行加持固定；所述型腔6的直径为10mm，长度为10mm；
步骤三、设定加热温度为520℃，待热压烧结模具加热到520℃后，对混合物料同时进行热挤压和保温，完成热压烧结过程，使混合粉料形成块状铝基复合材料；所述挤压过程中传动压头的挤压速度为0.1mm/s，挤压力为500kN，挤压行程为装填混合粉料高度的35％；所述保温的时间为3min；
步骤四、将热压烧结模具快速冷却，然后拔出定位销4并拆除左模1和右模3，再将脱模杆6插入模芯2中后垂直放在脱模套筒7上，通过对脱模杆6施力使块状铝基复合材料从模芯2中挤出并落入脱模套筒7中。
本实施例得到的块状铝基复合材料的直径为10mm，长度为7mm，块状铝基复合材料的表面光滑，内部显微组织致密均匀，整体尺寸规整。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，包括圆筒形的模芯(2)和分别配合连接在模芯(2)两端的左模(1)和右模(3)，所述左模(1)的左端与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头连接，所述左模(1)的左端的尺寸与Gleeble热模拟试验机的机械传动压头的尺寸相同，所述右模(3)的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头连接，所述右模(3)的右端与Gleeble热模拟试验机的承力压头的尺寸相同，所述左模(1)的右侧设置有圆柱形的左模凸块(1-1)，所述右模(3)的左侧设置有圆柱形的右模凸块(3-1)，所述模芯(2)的内表面、左模凸块(1-1)的右端面和右模凸块(3-1)的左端面围成了装填粉料的型腔(5)，所述模芯(2)的内表面、左模凸块(1-1)的右端面和右模凸块(3-1)的左端面上均铺设有石墨纸，所述左模凸块(1-1)的右端面直径、右模凸块(3-1)的左端面直径与型腔(5)的直径相同。
2.根据权利要求1所述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述型腔(5)的直径为10mm，长度为10mm。
3.根据权利要求1所述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述模芯(2)上开设有定位孔(2-1)，所述右模凸块(3-1)上开设有通孔(3-2)，所述定位孔(2-1)和通孔(3-2)中穿装有定位销(4)，所述定位销(4)的长度大于模芯(2)的直径。
4.根据权利要求1所述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，还包括对热压烧结后形成的块状材料进行脱模的脱模杆(6)和脱模套筒(7)。
5.根据权利要求1所述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具，其特征在于，所述Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的材料为热作模具钢、钼合金或镍合金，所述热作模具钢的牌号为H13、4Cr3Mo3Vsi或SKD61，所述钼合金为TZM合金或Mo-W合金，所述镍合金为718镍合金或617镍合金。
6.一种如权利要求1～5中任一权利要求所述的Gleeble热模拟试验机热压烧结模具的使用方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将右模凸块(3-1)装入模芯(2)中，然后将定位销(4)穿装入定位孔(2-1)和通孔(3-2)中，再在模芯(2)的内表面和右模凸块(3-1)的左端面上铺设石墨纸；
步骤二、将粉料装填入型腔(5)中，并在粉料顶部铺设石墨纸，然后将左模凸块(1-1)装入模芯(2)中，使左模凸块(1-1)的右端面与粉料顶部的石墨纸接触，得到装填粉料的热压烧结模具，再将装填粉料的热压烧结模具装入Gleeble热模拟试验机中，并通过应力进行加持固定；
步骤三、根据粉料的特性设定加热温度和加持压力，然后对粉料进行热压烧结，形成块状材料；
步骤四、将热压烧结模具快速冷却，然后拔出定位销(4)并拆除左模(1)和右模(3)，再将脱模杆(6)插入模芯(2)中后垂直放在脱模套筒(7)上，通过对脱模杆(6)施力使块状材料从模芯(2)中挤出并落入脱模套筒(7)中。
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