CN110116206A - 一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备以及烧结方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备以及烧结方法，所述设备至少包括支架、模具、炉膛、液压机构、抽气装置以及充气装置，炉膛固定于支架内，液压机构包括液压缸、连接油管、活塞杆、上电极、上压头、下压头以及下电极；交流电源装置上设有电源输出端与电源输入端，输出端与输入端通过交流变压器相连接，输入端为三相交流电源输入，输出端为两相交流电源输出，输出端通过铜带与电极连接。本发明采用交流电流直接通电烧结技术，可以有效抵消帕尔帖效应，具有升温快，效率高，能耗低等优势，专用于热电材料的烧结。
Description
技术领域
本发明属于热压烧结设备技术领域。具体涉及一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备及其使用方法。
背景技术
热压烧结是一种边加热边加压的烧结工艺。在烧结过程中，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，因而成型压力仅为冷压的1/10，烧结温度仅为无压烧结的3/5。另外，还可以大幅缩短烧结时间，从而抑制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和综合性能良好的产品。
目前常用的热压烧结设备主要分为两类：一类为传统的外场加热热压烧结炉。该设备主要由加热炉、加压装置和测温测压装置组成。加热炉的加热元件有碳化硅、硅钼棒或镍铬丝、钼丝等。加压装置要求速度平缓，模具和工件仅通过加热元件的热辐射或热传导等间接方式受热。随着材料制备技术的不断提高，该设备升温速率慢，能量利用率低，生产效率低，成本高等缺点日益突出；另一类为放电等离子体烧结炉。放电等离子体烧结是一种利用通-断直流脉冲电流直接通电烧结的工艺。在烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒自发的产生焦耳热并使其表面活化。然而，热电材料在进行放电等离子体烧结的过程中，由于帕尔帖效应，样品上下两端会产生很大的温度梯度，造成产品质量不稳定，性能不均匀等问题。同时由于塞贝克效应，样品上下两端也会产生与上下电极相反的电场，降低该设备的效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备及其烧结方法，所述设备采用交流电流直接通电烧结技术，可以有效抵消帕尔帖效应，具有升温快，效率高，能耗低等优势，专用于热电材料的烧结。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备，至少包括支架、模具、炉膛、液压机构、抽气装置以及充气装置，所述炉膛固定于支架内，炉膛前侧设有活动炉门，活动炉门的中下部设有透明观察窗，活动炉门与炉膛通过密封圈密封连接；所述炉膛后侧设有与抽气装置和充气装置相连接的通气孔；所述炉膛左、右侧分别设有红外测温仪和热电偶；所述炉膛顶面和底面的中心部分别开圆孔；
所述液压机构包括液压缸、连接油管、活塞杆、上电极、上压头、下压头以及下电极，液压缸固定于支架的顶部，活塞杆、上电极以及上压头由上至下依次连接，上电极穿过炉膛顶面中心部的圆孔进入炉膛内部，下电极固定于支架的底部，下压头与下电极连接且下压头穿过炉膛底面中心部的圆孔进入炉膛内部，模具位于下压头上；所述上电极以及上下电极上分别连接有水冷管道；
还设置有交流电源装置，交流电源装置上设有电源输出端与电源输入端，输出端与输入端通过交流变压器相连接，输入端为三相交流电源输入，输出端为两相交流电源输出，输出端的上下两极分别通过铜带与上电极和下电极连接。
上压头与炉膛顶面中心部的圆孔之间设置有活动密封圈进行绝缘，下压头与炉膛底面中心部的圆孔之间设置有电木板进行绝缘。
所述支架包括上横梁、下横梁以及四根支撑柱，上横梁与下横梁通过四根支撑柱连接固定，液压缸安装于上横梁上，下电极安装于下横梁上，下横梁与下电极之间通过电木板绝缘。
交流电源装置的机箱上设有散热孔。
还设置有箱体，所述支架、炉膛、液压机构、交流电源装置、抽气装置以及充气装置均封装于箱体内，箱体前侧板上与活动炉门对应的区域设置有开口，前侧板上还设置有操作面板，操作面板上设置有总电源开关、排真空开关、抽气开关、充气开关、冷却水开关、温度控制切换开关、热电偶温度控制器以及红外温度控制器，温度控制切换开关用于切换红外温度控制器以及热电偶温度控制器监控样品温度，前侧板上还设置有真空压力表和液压压力表。
本发明还提供了基于上述的交流工频放电烧结设备的热电材料烧结方法，包括以下步骤：
1)打开设备总电源，将原料装入模具中，打开活动炉门，将模具放在下压头上，插入热电偶并同时保证红外测温仪对准模具中部以监控样品温度，然后关闭活动炉门；
2)打开抽气装置对炉膛抽真空，待压力为-0.1MPa，关闭抽气装置，然后打开充气装置向炉膛内通入惰性气体；再通过水冷管道接通冷却水；接着开启液压缸，上压头自动缓慢下降压紧模具，同时开启交流电源对上下电极通电，根据设定的温度及压力参数自动开始升温升压烧结；
3)烧结完成后停止加热，上压头自动缓慢升起，停止通入冷却水，打开排真空开关，关闭设备总电源，打开活动炉门，取出模具即可。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明采用通交流电流，利用粉末颗粒自身的焦耳热进行加热，升温速率最高可达250℃/min，大幅提高了升温速率和加热效率。
2、本发明采用两相交流电源替代传统脉冲直流电源，利用工频和高频放电的原理，与常规的放电等离子体烧结炉相比，节约了50～70％的设备制造成本，减少了20～30％的能源消耗。
3、本发明成功地消除了热电材料两端的温度梯度，解决了热电材料制品性能不均匀的问题，有效的提高了热电材料产品的烧结质量。
4、本发明专用于热电材料的制备和生产，自动化程度高，结构简单，操作方便，成本低，效率高，具有很高的应用推广性。
附图说明
图1是本发明的工作区间前视图；
图2是本发明的工作区间左视图；
图3是本发明的整体结构及操作面板轴测图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。
本发明提供的一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备，其结构如图1/2/3所示，包括支架、模具37、炉膛6、液压机构、抽气装置、充气装置、交流电源装置以及箱体，所述支架、炉膛6、液压机构、抽气装置、充气装置和交流电源装置20均封装于箱体内。
所述支架包括上横梁17、下横梁1以及四根支撑柱5，上横梁17与下横梁1通过四根支撑柱5连接固定。所述炉膛6固定于支架内，炉膛6前侧设有活动炉门34，箱体前侧板上与活动炉门34对应的区域设置有开口，所述活动炉门34的中下部设有透明观察窗8，活动炉门34与炉膛6通过密封圈12密封；所述炉膛6后侧设有与抽气装置和充气装置相连接的通气孔35；所述炉膛6左、右侧分别设有红外测温仪9和热电偶10；所述炉膛6顶面和底面的中心部分别开圆孔。
所述液压机构包括液压缸18、连接油管19、活塞杆16、上电极13、上压头11、下压头7以及下电极3，液压缸18固定于支架的顶部，安装于上横梁17上，活塞杆16、上电极13以及上压头11由上至下依次连接，上电极13穿过炉膛6顶面中心部的圆孔进入炉膛内部，上电极13与炉膛6顶面中心部的圆孔之间设置有活动密封圈36进行绝缘。下电极3固定于支架的底部，安装于下横梁1上，下横梁1与下电极3之间通过电木板2绝缘。下压头7与下电极3连接且下压头7穿过炉膛6底面中心部的圆孔进入炉膛内部，下压头7与炉膛6底面中心部的圆孔之间设置有电木板2进行绝缘。模具37位于下压头7上。
交流电源装置20的机箱上设有散热孔21，交流电源装置20上设有电源输出端与电源输入端，输出端与输入端通过交流变压器相连接，输入端为三相交流电源输入，输出端为两相交流电源输出，输出端的上下两极分别通过铜带15与上电极13和下电极3连接。所述上电极13以及上下电极3上分别连接有水冷管道4。
箱体前侧板上还设置有操作面板，操作面板上设置有总电源开关22、排真空开关23、抽气开关24、充气开关25、冷却水开关26、温度控制切换开关27、热电偶温度控制器28以及红外温度控制器29，温度控制切换开关27用于切换红外温度控制器29以及热电偶温度控制器28监控样品温度，前侧板上还设置有真空压力表30和液压压力表31。
本实施例中提供的交流工频放电烧结设备的使用方法如下：
1、打开设备总电源开关22，将原料装入模具37中，打开活动炉门34，将模具37放在下压头7上，插入热电偶10并同时保证红外测温仪9对准模具37中部；通过温度控制切换开关27切换红外温度控制器29或热电偶温度控制器28监控样品温度；关闭活动炉门34。
2、打开抽气开关24，待真空压力表30显示-0.1MPa，关闭抽气开关24，打开充气开关25通入惰性气体；打开冷却水开关26；开启液压缸18，上压头11自动缓慢下降压紧模具37，同时开启交流电源20对上下电极13,3通电，设备安装设定的程序自动开始升温升压烧结，烧结的压力通过液压压力表31显示。
3、烧结完成后，设备自动停止加热，上压头11自动缓慢升起，关闭冷却水开关26，打开排真空开关23，关闭设备总电源开关22，打开活动炉门34，取出模具37。
Claims (6)
1.一种热电材料专用的交流工频放电烧结设备，至少包括支架、模具(37)、炉膛(6)、液压机构、抽气装置以及充气装置，其特征在于：所述炉膛(6)固定于支架内，炉膛(6)前侧设有活动炉门(34)，所述活动炉门(34)的中下部设有透明观察窗(8)，活动炉门(34)与炉膛(6)通过密封圈(12)密封连接；所述炉膛(6)后侧设有与抽气装置和充气装置相连接的通气孔(35)；所述炉膛(6)左、右侧分别设有红外测温仪(9)和热电偶(10)；所述炉膛(6)顶面和底面的中心部分别开圆孔；
所述液压机构包括液压缸(18)、连接油管(19)、活塞杆(16)、上电极(13)、上压头(11)、下压头(7)以及下电极(3)，液压缸(18)固定于支架的顶部，活塞杆(16)、上电极(13)以及上压头(11)由上至下依次连接，上电极(13)穿过炉膛(6)顶面中心部的圆孔进入炉膛内部，下电极(3)固定于支架的底部，下压头(7)与下电极(3)连接且下压头(7)穿过炉膛(6)底面中心部的圆孔进入炉膛内部，模具(37)位于下压头(7)上；所述上电极(13)以及上下电极(3)上分别连接有水冷管道(4)；
还设置有交流电源装置(20)，交流电源装置(20)上设有电源输出端与电源输入端，输出端与输入端通过交流变压器相连接，输入端为三相交流电源输入，输出端为两相交流电源输出，输出端的上下两极分别通过铜带(15)与上电极(13)和下电极(3)连接。
2.根据权利要求1所述的交流工频放电烧结设备，其特征在于：上压头(11)与炉膛(6)顶面中心部的圆孔之间设置有活动密封圈(36)进行绝缘，下压头(7)与炉膛(6)底面中心部的圆孔之间设置有电木板(2)进行绝缘。
3.根据权利要求1所述的交流工频放电烧结设备，其特征在于：所述支架包括上横梁(17)、下横梁(1)以及四根支撑柱(5)，上横梁(17)与下横梁(1)通过四根支撑柱(5)连接固定，液压缸(18)安装于上横梁(17)上，下电极(3)安装于下横梁(1)上，下横梁(1)与下电极(3)之间通过电木板(2)绝缘。
4.根据权利要求1所述的交流工频放电烧结设备，其特征在于：交流电源装置(20)的机箱上设有散热孔(21)。
5.根据权利要求1所述的交流工频放电烧结设备，其特征在于：还设置有箱体，所述支架、炉膛(6)、液压机构、交流电源装置(20)、抽气装置以及充气装置均封装于箱体内，箱体前侧板上与活动炉门(34)对应的区域设置有开口，前侧板上还设置有操作面板，操作面板上设置有总电源开关(22)、排真空开关(23)、抽气开关(24)、充气开关(25)、冷却水开关(26)、温度控制切换开关(27)、热电偶温度控制器(28)以及红外温度控制器(29)，温度控制切换开关(27)用于切换红外温度控制器(29)以及热电偶温度控制器(28)监控样品温度，前侧板上还设置有真空压力表(30)和液压压力表(31)。
6.基于权利要求1～5项任一所述的交流工频放电烧结设备的热电材料烧结方法，其特征在于包括以下步骤：
1)打开设备总电源，将原料装入模具(37)中，打开活动炉门(34)，将模具(37)放在下压头(7)上，插入热电偶(10)并同时保证红外测温仪(9)对准模具(37)中部以监控样品温度，然后关闭活动炉门(34)；
2)打开抽气装置对炉膛(6)抽真空，待压力为-0.1MPa，关闭抽气装置，然后打开充气装置向炉膛(6)内通入惰性气体；再通过水冷管道(4)接通冷却水；接着开启液压缸(18)，上压头(11)自动缓慢下降压紧模具(37)，同时开启交流电源对上下电极通电，根据设定的温度及压力参数自动开始升温升压烧结；
3)烧结完成后停止加热，上压头(11)自动缓慢升起，停止通入冷却水，打开排真空开关，关闭设备总电源，打开活动炉门(34)，取出模具(37)即可。
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