CN109357531B - 一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备及其烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，包括炉体，炉体内通过支架安装有烧舟；烧舟内设置有半球形容纳腔，半球形容纳腔内壁上固定有若干个同心设置的环形挡板，环形挡板上均匀设置有若干个贯通的第一狭缝，炉体外侧设置有气缸，气缸通过石墨杆连接有搅拌头，搅拌头包括若干个同心设置的锥形插片，锥形插片的底边直径大于顶边直径，锥形插片的外侧壁固定有若干个侧板，侧板上设置有贯通的第二狭缝；烧舟内安装有第一电热丝，环形挡板内安装有第二电热丝，锥形插片内安装有第三电热丝，烧舟内安装有冷却盘管。本发明能够改进现有技术的不足，提高了烧结原料的受热均匀性，提高了立方氮化硼烧结体的产率。

Description

一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备及其烧结方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其是一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备及其烧结方法。

背景技术

立方氮化硼（cBN）是硬度仅次于金刚石的高硬度物质，由于其具有对铁系材料亲和性较低的特性，被广泛应用在各类切削加工中。现有技术中，通常是通过高温高压的烧结工艺制备立方氮化硼。但是，现有的烧结炉在加热烧结过程中，由于烧舟内的热场不均匀，导致原料受热不均，影响了立方氮化硼烧结体的产率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备及其烧结方法，提高了烧结原料的受热均匀性，提高了立方氮化硼烧结体的产率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，包括炉体，炉体内通过支架安装有烧舟，所述炉体上设置有进气口、排气口和真空抽气口；烧舟内设置有半球形容纳腔，半球形容纳腔内壁上固定有若干个同心设置的环形挡板，环形挡板上均匀设置有若干个贯通的第一狭缝，炉体外侧设置有气缸，气缸通过石墨杆连接有搅拌头，搅拌头包括若干个同心设置的锥形插片，锥形插片的底边直径大于顶边直径，锥形插片的外侧壁固定有若干个侧板，侧板上设置有贯通的第二狭缝，锥形插片与环形挡板一一对应；烧舟内安装有第一电热丝，环形挡板内安装有第二电热丝，锥形插片内安装有第三电热丝，烧舟内安装有冷却盘管，冷却盘管位于第一电热丝的外侧。

作为优选，所述环形挡板底面为朝向内侧倾斜向下设置的斜面，斜面上固定有分隔网板，第一狭缝开设于斜面的底端，锥形插片活动插接在分隔网板和半球形容纳腔内壁之间；第二电热丝安装在斜面内，分隔网板内安装有与第二电热丝相连接的第一导热丝。

作为优选，所述锥形插片的底面固定有隔热网板，第二狭缝内安装有T型折流板，T型折流板顶面设置有若干个导流槽，导流槽底部固定有第二导热丝，第二导热丝与第三电热丝连接。

作为优选，所述进气口内安装有第四电热丝。

作为优选，所述排气口外串联连接有若干个缓冲罐。

作为优选，所述炉体与石墨杆之间安装有密封机构，密封机构包括上下对称设置的隔热封头，两个隔热封头之间夹持有密封垫，隔热封头上设置有卡槽，卡槽内对称固定有两个相向倾斜的弹片，密封垫外侧设置有与卡槽相配合的凸缘，凸缘上设置有与弹片相互插接的插槽，密封垫内侧设置有环形凹槽，环形凹槽的顶部和底部分别固定有限位环，限位环上固定有环形翅片，两个环形翅片相互搭接接触。

作为优选，所述密封垫内安装有同心设置的刚性加强环。

一种上述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备的烧结方法，包括以下步骤：

A、将烧结体原料粉末放入烧舟；

B、通过空抽气口对炉体内抽真空，使炉内气压小于5×10^-4Pa，保持10～20min；

C、通过进气口通入氩气，使炉内气压保持在1～5kPa，然后开启第一电热丝和第二电热丝进行加热，使炉内温度达到500～550℃，保持3～5min；

D、重复步骤B和步骤C8～10次；

E、通过进气口通入氩气，使炉内气压保持在3.5～4.5GPa，然后开启第一电热丝、第二电热丝和第三电热丝，将炉内温度在15～20min内提升至1950℃，在温度提升过程中，通过气缸带动搅拌头上下运动，使锥形插片对烧结体原料粉末进行搅拌；

F、制得立方氮化硼烧结体后，关闭第一电热丝、第二电热丝和第三电热丝，通过排气口降低炉内气压，在炉内降至标准大气压后，通过进气口通入氩气，并同时通过排气口排气，使炉内压力保持稳定，实现对炉内进行降温；

G、当炉内温度降至350℃时，开启冷却盘管，对烧舟和烧结体进行快速冷却，冷却至室温后取出烧结体。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明通过改进烧舟结构，并配合搅拌头的插接搅拌，实现原料粉末在烧舟内的充分搅动，从而避免了原料粉末在烧舟内受热不均而影响产率的问题。烧结部位设置的三组电热丝，可以形成立体加热环境，在加热过程中随着锥形插片的上下运动，半球形容纳腔内的原料粉末逐渐从第一狭缝向下流出，与此同时部分原料粉末随着侧板向上移动，然后逐渐从第二狭缝向外侧流出，借助向外侧流动的惯性下落到上层的环形挡板上，从而形成原料粉末的循环搅动趋势，保证原料粉末的均匀受热。环形挡板的倾斜底面可以促进原料粉末向下的流动，分隔网板不仅可以对原料粉末起到分散均流的作用，更重要的是通过第一导热丝对流经的原料粉末进行加热处理，从而进一步提高原料粉末加热的均匀性。锥形插片在下压过程中，可以有效对环形挡板内的原料粉末进行推压，为了避免推压过程中对原料过度加热，专门在锥形插片的底面设置隔热网板，T型折流板可以有效提高原料粉末在经过第二狭缝时的分散度和加热均匀度，从而实现在整个循环流动过程中，对于原料粉末的充分搅拌。第四电热丝可以对进气温度进行有效调节，从而避免烧结完毕后进气降温过程中炉内局部温度的骤然变化。缓冲罐用于在炉内泄压时减少炉内气压的剧烈波动。

由于本装置长期工作在高温高压下，普通的密封装置寿命较短，为此本发明专门设计了一套适用于石墨杆伸缩的密封机构。本机构通过安装隔热封头，用来有效减少密封垫的受热，同时利用隔热封头对密封垫的夹持作用，提高了密封垫的轴向支撑强度。刚性加强环用于提高密封垫的径向支撑强度。密封垫内侧环形翅片的支撑结构，可在石墨杆与密封垫产生摩擦时，对摩擦产生的作用力进行缓冲，进一步减小密封垫受力后的形变程度。

附图说明

图1是本发明中一个具体实施方式的结构图。

图2是本发明中一个具体实施方式中烧舟的剖视图。

图3是本发明中一个具体实施方式中环形挡板和锥形插片配合的结构图。

图4是本发明中一个具体实施方式中第二狭缝的结构图。

图5是本发明中一个具体实施方式中密封机构的结构图。

图6是本发明中一个具体实施方式中密封垫的轴向剖视图。

图中：1、炉体；2、支架；3、烧舟；4、进气口；5、排气口；6、真空抽气口；7、半球形容纳腔；8、环形挡板；9、第一狭缝；10、气缸；11、石墨杆；12、搅拌头；13、锥形插片；14、第一电热丝；15、第二电热丝；16、第三电热丝；17、冷却盘管；18、侧板；19、第二狭缝；20、分隔网板；21、斜面；22、第一导热丝；23、隔热网板；24、T型折流板；25、导流槽；26、第二导热丝；27、第四电热丝；28、缓冲罐；29、密封机构；30、隔热封头；31、密封垫；32、卡槽；33、弹片；34、插槽；35、环形凹槽；36、限位环；37、环形翅片；38、刚性加强环；39、限位槽；40、阻尼片；41、容纳槽；42、凸起部；43、凸缘。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

参照图1-6，本发明一个具体实施方式包括炉体1，炉体1内通过支架2安装有烧舟3，所述炉体1上设置有进气口4、排气口5和真空抽气口6；烧舟3内设置有半球形容纳腔7，半球形容纳腔7内壁上固定有若干个同心设置的环形挡板8，环形挡板8上均匀设置有若干个贯通的第一狭缝9，炉体1外侧设置有气缸10，气缸10通过石墨杆11连接有搅拌头12，搅拌头12包括若干个同心设置的锥形插片13，锥形插片13的底边直径大于顶边直径，锥形插片13的外侧壁固定有若干个侧板18，侧板18上设置有贯通的第二狭缝19，锥形插片13与环形挡板8一一对应；烧舟3内安装有第一电热丝14，环形挡板8内安装有第二电热丝15，锥形插片13内安装有第三电热丝16，烧舟3内安装有冷却盘管17，冷却盘管17位于第一电热丝14的外侧。环形挡板8底面为朝向内侧倾斜向下设置的斜面21，斜面21上固定有分隔网板20，第一狭缝9开设于斜面21的底端，锥形插片13活动插接在分隔网板20和半球形容纳腔7内壁之间；第二电热丝15安装在斜面21内，分隔网板20内安装有与第二电热丝15相连接的第一导热丝22。锥形插片13的底面固定有隔热网板23，第二狭缝19内安装有T型折流板24，T型折流板24顶面设置有若干个导流槽25，导流槽25底部固定有第二导热丝26，第二导热丝26与第三电热丝16连接。进气口4内安装有第四电热丝27。排气口5外串联连接有若干个缓冲罐28。炉体1与石墨杆11之间安装有密封机构29，密封机构29包括上下对称设置的隔热封头30，两个隔热封头30之间夹持有密封垫31，隔热封头30上设置有卡槽32，卡槽32内对称固定有两个相向倾斜的弹片33，密封垫31外侧设置有与卡槽32相配合的凸缘43，凸缘43上设置有与弹片33相互插接的插槽34，密封垫31内侧设置有环形凹槽35，环形凹槽35的顶部和底部分别固定有限位环36，限位环36上固定有环形翅片37，两个环形翅片37相互搭接接触。密封垫31内安装有同心设置的刚性加强环38。

另外，在密封垫31内侧设置有限位槽39，，限位槽39位于环形凹槽35的两侧，限位槽39的一端连接有阻尼片40，阻尼片40与限位槽39过盈配合。阻尼片40与石墨杆11相接触，当石墨杆11上下移动时，阻尼片40在限位槽39内发生弹性形变。由于阻尼片40与限位槽39具有更大的摩擦阻力，所以在阻尼片40受力后会首先发生压缩形变，而后随着压缩形变克服摩擦力，使得阻尼片40逐渐在限位槽39内回复原形。这一过程就可以实现在石墨杆11运动时阻尼片40对石墨杆11的加压密封，而石墨杆11静止后，阻尼片40的挤压力降低，从而实现阻尼片40对密封垫31的保护。限位槽39内设置有容纳槽41，阻尼片40上设置有与容纳槽41间隙配合的凸起部42。容纳槽41和凸起部42可以在阻尼片40发生压缩形变时，随着形变的增大提供一个额外的限位阻力，从而保证阻尼片40可以对石墨杆11提供充足的加压密封力。

一种上述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备的烧结方法，包括以下步骤：

A、将烧结体原料粉末放入烧舟3；

B、通过空抽气口6对炉体1内抽真空，使炉内气压保持在1×10^-4～3×10^-4Pa，保持10min；

C、通过进气口4通入氩气，使炉内气压保持在5kPa，然后开启第一电热丝14和第二电热丝15进行加热，使炉内温度达到550℃，保持3min；

D、重复步骤B和步骤C8次；

E、通过进气口4通入氩气，使炉内气压保持在4.0GPa，然后开启第一电热丝14、第二电热丝15和第三电热丝16，将炉内温度在20min内提升至1950℃，在温度提升过程中，通过气缸带动搅拌头12上下运动，使锥形插片13对烧结体原料粉末进行搅拌；

F、制得立方氮化硼烧结体后，关闭第一电热丝14、第二电热丝15和第三电热丝16，通过排气口5降低炉内气压，在炉内降至标准大气压后，通过进气口4通入氩气，并同时通过排气口5排气，使炉内压力保持稳定，实现对炉内进行降温；

在此过程中，开启第四电热丝27，对进入炉体1的氩气进行预热。保持进入炉体1的氩气温度低于炉体内温度40℃，直至炉体温度降至80℃，关闭第四电热丝27，改为通入常温氩气。

G、当炉内温度降至350℃时，开启冷却盘管17，对烧舟3和烧结体进行快速冷却，冷却至室温后取出烧结体。

本发明可以在原料种类和品质不变的基础上，将立方氮化硼的产率由现有的约60%提高至65%以上。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，包括炉体（1），炉体（1）内通过支架（2）安装有烧舟（3），其特征在于：所述炉体（1）上设置有进气口（4）、排气口（5）和真空抽气口（6）；烧舟（3）内设置有半球形容纳腔（7），半球形容纳腔（7）内壁上固定有若干个同心设置的环形挡板（8），环形挡板（8）上均匀设置有若干个贯通的第一狭缝（9），炉体（1）外侧设置有气缸（10），气缸（10）通过石墨杆（11）连接有搅拌头（12），搅拌头（12）包括若干个同心设置的锥形插片（13），锥形插片（13）的底边直径大于顶边直径，锥形插片（13）的外侧壁固定有若干个侧板（18），侧板（18）上设置有贯通的第二狭缝（19），锥形插片（13）与环形挡板（8）一一对应；烧舟（3）内安装有第一电热丝（14），环形挡板（8）内安装有第二电热丝（15），锥形插片（13）内安装有第三电热丝（16），烧舟（3）内安装有冷却盘管（17），冷却盘管（17）位于第一电热丝（14）的外侧。

2.根据权利要求1所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述环形挡板（8）底面为朝向内侧倾斜向下设置的斜面（21），斜面（21）上固定有分隔网板（20），第一狭缝（9）开设于斜面（21）的底端，锥形插片（13）活动插接在分隔网板（20）和半球形容纳腔（7）内壁之间；第二电热丝（15）安装在斜面（21）内，分隔网板（20）内安装有与第二电热丝（15）相连接的第一导热丝（22）。

3.根据权利要求2所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述锥形插片（13）的底面固定有隔热网板（23），第二狭缝（19）内安装有T型折流板（24），T型折流板（24）顶面设置有若干个导流槽（25），导流槽（25）底部固定有第二导热丝（26），第二导热丝（26）与第三电热丝（16）连接。

4.根据权利要求1所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述进气口（4）内安装有第四电热丝（27）。

5.根据权利要求1所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述排气口（5）外串联连接有若干个缓冲罐（28）。

6.根据权利要求1所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述炉体（1）与石墨杆（11）之间安装有密封机构（29），密封机构（29）包括上下对称设置的隔热封头（30），两个隔热封头（30）之间夹持有密封垫（31），隔热封头（30）上设置有卡槽（32），卡槽（32）内对称固定有两个相向倾斜的弹片（33），密封垫（31）外侧设置有与卡槽（32）相配合的凸缘（43），凸缘（43）上设置有与弹片（33）相互插接的插槽（34），密封垫（31）内侧设置有环形凹槽（35），环形凹槽（35）的顶部和底部分别固定有限位环（36），限位环（36）上固定有环形翅片（37），两个环形翅片（37）相互搭接接触。

7.根据权利要求6所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备，其特征在于：所述密封垫（31）内安装有同心设置的刚性加强环（38）。

8.一种权利要求1-7任意一项所述的用于立方氮化硼烧结体的烧结设备的烧结方法，其特征在于包括以下步骤：

A、将烧结体原料粉末放入烧舟（3）；

B、通过真空抽气口（6）对炉体（1）内抽真空，使炉内气压小于5×10^-4Pa，保持10～20min；

C、通过进气口（4）通入氩气，使炉内气压保持在1～5kPa，然后开启第一电热丝（14）和第二电热丝（15）进行加热，使炉内温度达到500～550℃，保持3～5min；

D、重复步骤B和步骤C8～10次；

E、通过进气口（4）通入氩气，使炉内气压保持在3.5～4.5GPa，然后开启第一电热丝（14）、第二电热丝（15）和第三电热丝（16），将炉内温度在15～20min内提升至1950℃，在温度提升过程中，通过气缸带动搅拌头（12）上下运动，使锥形插片（13）对烧结体原料粉末进行搅拌；

F、制得立方氮化硼烧结体后，关闭第一电热丝（14）、第二电热丝（15）和第三电热丝（16），通过排气口（5）降低炉内气压，在炉内降至标准大气压后，通过进气口（4）通入氩气，并同时通过排气口（5）排气，使炉内压力保持稳定，实现对炉内进行降温；

G、当炉内温度降至350℃时，开启冷却盘管（17），对烧舟（3）和烧结体进行快速冷却，冷却至室温后取出烧结体。