CN110508817B - 金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种真空环境下或气氛保护下金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，主要包括液压机的本体结构和炉体两部分。本体结构为三梁四柱型，中间横梁为固定横梁并与下横梁连接。炉体由固定炉腔和炉门组成，固定炉腔固定在中间横梁上，上、下冲头分别穿过炉体与各自的活塞相连且保证同轴配合，并由对应的液压系统控制加载和回程，炉门与可移动工作台为一体结构，可以在工作台移出液压缸的作用下在中间横梁上的导轨上移出和移入，用于烧结和累积反复挤压的组合凹模固定在可移动工作台上。本发明的操作方便，在保护气氛下进行，将金属粉末烧结和多道次累积反复挤压成形工艺一体化集成，避免了传统工艺粉末烧结和后续大塑性变形多次加热和冷却。

Description

金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机及成形方法

技术领域

本发明涉及一种气氛保护下金属粉末烧结和原位累积挤压成形液压机及成形方法，特别是气氛保护环境下易氧化金属粉末热压烧结和烧结坯料多道次累积反复挤压成形一体化液压机。

背景技术

粉末冶金是以金属粉末、非金属粉末或金属粉末与非金属粉末的混合物作为原料，采用烧结和成形工艺制备金属材料、非金属材料和复合材料以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金技术具备显著节能、省材等优点，产品精度高、性能优异且稳定性好，适合大批量生产。此外，粉末冶金技术可以用来制备传统工艺方法无法制备的新材料和零件。粉末冶金一般要经过生产粉末、压制成型、烧结、后续大塑性变形等工序。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于各行各业，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。

金属粉末烧结成型后，为进一步提高烧结合金的致密度和改善烧结合金的组织性能，烧结合金往往要进行多道次大塑性变形成形。作为一种可显著细化材料微观组织及改善制品机械性能的大塑性变形工艺，累积反复成形工艺对于进一步发掘合金潜力、降低生产成本、提高产品综合力学性能和生产效率等均有着重要的意义。

对于传统工艺，粉末冶金制件的烧结过程和后续的大塑性变形过程是在两个设备上依次进行的。首先，金属粉末热压烧结成坯后冷却至室温取出，随后烧结坯料转移到大塑性变形模具中，再次加热到变形温度后进行单次或多道次大塑性变形，冷却后取出制件。传统工艺过程需多次加热、冷却，费时费力，能耗显著增加，生产成本大幅提高，尤其对于易氧化金属粉末在烧结和后续变形过程中易发生氧化，导致产品性能和质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种将金属粉末烧结和后续多道次大塑性变形工艺有机结合，防止易氧化金属粉末在烧结和多道次大塑性变形过程中多次加热和冷却而发生氧化和燃烧，发明提供一种用于易氧化金属粉末烧结和后续多道次累积大变形工艺集成的一种气氛保护金属粉末烧结-累积反复挤压成形液压机。

具体地，本发明提供一种真空环境下或气氛保护下金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其包括液压机本体和炉体，所述液压机本体包括框架结构、上冲头、下冲头、组合凹模、上工作台、下工作板、可移动工作台、上工作缸、下工作缸以及工作台移出液压缸；

所述框架结构包括上横梁、下横梁、中间固定横梁以及四根空心立柱，上横梁的四角分别与立柱的第一端连接，中间固定横梁的四角分别与立柱的第二端连接，中间固定横梁直接与下横梁连接，上横梁、下横梁和中间固定横梁在立柱的作用下形成框架结构；

所述上工作缸和下工作缸的活塞分别设置有导向法兰，所述上工作缸的导向法兰与所述上横梁连接，所述下工作缸的导向法兰与所述下横梁连接；

所述上工作台通过螺栓将活塞和上冲头连接，上冲头在上工作缸的带动下进行运动；

所述上工作缸的活塞和上冲头分别与上工作台固定连接，上冲头在上工作缸的带动下进行运动，所述下冲头分别与下工作板固定连接，下工作缸的活塞和下工作板相抵触，下冲头在下工作缸的带动下进行运动，组合凹模固定在可移动工作台上进行随动；

所述中间固定横梁上方设置有T形导轨，可移动工作台的两侧分别对称连接有一个工作台移出液压缸，可移动工作台能够在两个工作台移出液压缸的作用下在滑轨上实现移出，两个工作台移出液压缸分别通过连接件固定在中间固定横梁右上方。

优选地，所述下冲头上方设置有下冲头垫块，下冲头垫块与粉末和制件接触并与凹模内孔配合，所述组合凹模和下冲头垫块之间形成用于容纳金属粉末的空间，所述上工作台的内部设置有冷却水道。

优选地，所述中间固定横梁的右下方设置有承重箱。下横梁的底部设有地脚螺栓。

优选地，所述上工作台的下表面与上冲头借助于螺栓进行连接，所述上工作台的上表面与上工作缸的活塞借助于螺栓进行连接。

优选地，所述下工作板的上表面与下冲头借助于螺栓进行连接，所述下工作板的下表面与下工作缸的活塞的活塞杆的一个端部接触，下工作板的四周设置有导向柱。

优选地，所述炉体包括固定炉腔和炉门，所述固定炉腔的上部和下部分别与导向法兰和中间固定横梁固连。

优选地，所述炉体上方设置有供活塞通过的开口，所述炉体下方设置有供下冲头通过的开口，所述炉体的右壁上设置有插板式炉门，所述炉门与可移动工作台固定连接，所述炉体的一个侧壁的下方设有通气孔，供气体进出的导气管的第一端与通气孔连接，所述导气管的第二端与真空泵连接。

优选地，所述上横梁和下横梁的端部设置有用于进行预紧的预紧螺栓，四根立柱分别与上横梁、下横梁和中间固定横梁借助于设在立柱内部的拉杆通过拉杆预紧的方式形成框架结构。

优选地，所述炉体与炉体间通过密封条进行密封。

优选地，本发明还提供一种金属粉末烧结挤压成形方法，其包括以下步骤：

S1、下工作缸驱动其活塞使下冲头处于最下端的位置，上工作缸驱动其活塞使上冲头处于最上端的位置，通过工作台移出液压缸将可移动工作台移出使炉门打开，将金属粉末定量加入组合凹模和下冲头垫块组成的空间，随后通过工作台移出液压缸将可移动工作台移入使炉门关闭；

S2、上工作缸驱动其活塞使上冲头向下运动，下工作缸驱动其活塞使下冲头和下冲头垫块向上运动，进行坯料预压实，并同时将上工作缸和下工作缸的工作压力升至设定压力值；

S3、使炉体处于真空环境下或通入保护气体，整个炉腔处于保护气体氛围下，打开冷却装置和加热装置的开关，将温度升至指定的烧结温度进行烧结；

S4、烧结完成后，下工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，上工作缸调至挤压压力后继续工作，上冲头随上工作缸活塞杆同步向下运动完成烧结坯料向下正挤压，之后，上工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，下工作缸压力增至变形成形压力，下冲头垫块随下冲头和下工作缸活塞杆同步向上运动完成烧结坯料的向上正挤压，从而完成1次反复挤压成形；

S5、循环步骤S4中的挤压工艺，进行多道次累积反复挤压工艺，待金属粉末烧结-累积反复挤压变形完成预定次数后，完成挤压过程，获取变形试样，关闭加热装置，下工作缸向下复位并卸载，上工作缸向上复位并卸载；待变形试样冷却至设定温度后，停止通入保护气体，工作台移出液压缸驱动可移动工作台移出使炉门打开，取出变形试样，待炉体内温度降至室温时，关闭冷却装置。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明在保护气氛下进行，将金属粉末烧结和多道次累积反复挤压成形工艺一体化集成，避免了传统工艺粉末烧结和后续大塑性变形多次加热和冷却，可有效地防止易氧化金属粉末和烧结合金的氧化和燃烧，有效地降低能源消耗和生产成本，提高制品的综合力学性能。

附图说明

图1是本发明主视全剖示意图；

图2是本发明俯视半剖示意图；

图3是本发明左视半剖示意图；以及

图4是本发明粉末烧结累积反复挤压的模具。

图中部分附图标记如下：

1-下工作缸、2-水箱、3-下横梁、4-中间固定横梁、5-下工作板、6-出气口、7-进气口、8-下冲头、9-组合凹模、10-上冲头、11-上工作台、12-空心立柱、13-上横梁、14-上工作缸、15-预紧拉杆、16-上法兰、17-下冲头垫块、18-可移动工作台、19-限位板、20-工作台移出液压缸、21-承重箱、22-下法兰、23-固定炉腔、24-炉门、25-地脚螺栓。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

具体地，本发明提供一种真空环境下或气氛保护下金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，原位累积挤压成形指不需要再经过烧结试样冷却转移到压力机后再变形，而是直接烧结后进行累积挤压成形。

具体地，其包括液压机本体和炉体，液压机本体包括框架结构、上冲头10、下冲头8、组合凹模9、上工作台11、下工作板5、可移动工作台18、上工作缸14、下工作缸1以及工作台移出液压缸20。

在图1-图4所示的气氛保护金属粉末冶金烧结-累积反复挤压成形液压机示意图中，上横梁13的四周分别与空心立柱12的上端接触，中间固定横梁4的四周与空心立柱的下端接触。下横梁3与中间固定横梁4直接接触。

四根立柱分别与上横梁、下横梁和中间固定横梁通过设置在立柱内部的预紧拉杆15进行预紧从而形成稳定的框架结构。上横梁和下横梁的端部设有预紧螺栓来进行预紧。

上工作缸14和下工作缸1分别设置有对其活塞进行导向的导向法兰，上工作缸14和用于其活塞导向用的上法兰16通过螺栓进行连接。上工作台11通过螺栓将活塞和上冲头连接，活塞和上冲头分别设置在上工作台11的上下两侧。

上冲头在上工作缸的带动下进行运动。上工作台的下表面与上冲头借助于螺栓进行连接，上工作台的上表面与上工作缸的活塞借助于螺栓进行连接。

在上工作台的内部设有冷却水道，冷却水道的设置便于对上活塞和上冲头通入循环水进行冷却。框架结构的一侧设置有水箱2。

组合凹模9通过螺栓直接固定在可移动工作台18上，并且组合凹模9能够随可移动工作台移动。可移动工作台18连接有限位板19，用于对可移动工作台18的最大移动位置进行限位。

中间固定横梁4上设置有T形导轨，可移动工作台在固定在中间固定横梁右上方的工作台移出液压缸20的作用下沿导轨移动。为了保证中间固定横梁的稳定性，在其右下方设有承重箱21。

下工作缸1和下法兰22通过螺栓固定在下横梁上。下工作板5的上端与下冲头8直接通过螺栓连接，下端与活塞杆一端接触。

下冲头的上方设置下冲头垫块17，下冲头垫块与粉末和制件接触并与凹模内孔配合。工作时活塞推动工作板进而推动下冲头向上移动，从而实现下冲头垫块的向上移动。为保证工作板运动的准确性，在工作板的四周设有导柱。整个设备通过地脚螺栓25与地面进行固定。

炉体由固定炉腔23和炉门24组成。固定炉腔的上端、下端通过螺栓分别与法兰和中间固定横梁连接。炉体的右壁上设有插板式炉门，炉门与可移动工作台连接，与炉体间通过密封条进行密封。

固定炉腔23的上端和下端分别设有开口，炉体上端的开口用于活塞通过，炉体下端的开口用于下冲头通过，工作时依靠上法兰、下法兰实现密封。在炉体左侧壁下方设有通气孔，通气孔包括进气孔7和出气孔6，抽真空的导气管的一端与出气孔连接，其另一端与真空泵连接，可将密封的炉体抽成真空，充入保护气体的导气管的一端与进气孔7连接，另一端与保护气体罐连接，用于充入保护气体。炉体上设置有观察镜和测温装置，观察镜用来观察炉内工作状况，测温装置用来测量炉内温度。

优选地，本发明还提供一种金属粉末烧结挤压成形方法，其包括以下步骤：

S1、下工作缸驱动其活塞使下冲头处于最下端的位置，上工作缸驱动其活塞使上冲头处于最上端的位置，通过工作台移出液压缸将可移动工作台移出使炉门打开，将金属粉末定量加入组合凹模和下冲头垫块组成的空间，随后通过工作台移出液压缸将可移动工作台移入使炉门关闭；

S2、上工作缸驱动其活塞使上冲头向下运动，下工作缸驱动其活塞使下冲头和下冲头垫块向上运动，进行坯料预压实，并同时将上工作缸和下工作缸的工作压力升至设定压力值；

S3、使炉体处于真空环境下或通入保护气体，整个炉腔处于保护气体氛围下，打开冷却装置和加热装置的开关，将温度升至指定的烧结温度进行烧结；

S4、烧结完成后，下工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，上工作缸调至挤压压力后继续工作，上冲头随上工作缸活塞杆同步向下运动完成烧结坯料向下正挤压，之后，上工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，下工作缸压力增至变形成形压力，下冲头垫块随下冲头和下工作缸活塞杆同步向上运动完成烧结坯料的向上正挤压，从而完成1次反复挤压成形；

S5、循环步骤S4中的挤压工艺，进行多道次累积反复挤压工艺，待金属粉末烧结-累积反复挤压变形完成预定次数后，完成挤压过程，获取变形试样，关闭加热装置，下工作缸向下复位并卸载，上工作缸向上复位并卸载；待变形试样冷却至设定温度后，停止通入保护气体，工作台移出液压缸驱动可移动工作台移出使炉门打开，取出变形试样，待炉体内温度降至室温时，关闭冷却装置。

下面结合具体实施例对本发明的工作原理进行进一步描述：

本发明的工作过程如下：

下工作缸驱动活塞使下冲头处于最下位置，上工作缸驱动活塞使上冲头处于最上位置，通过工作台移出液压缸将可移动工作台移出和炉门打开，将金属粉末定量加入组合凹模和下冲头垫块组成的空间，随后通过工作台移出液压缸将可移动工作台移入和炉门关闭，此时上冲头、组合凹模、下冲头垫块、下冲头为同轴配合。

在本实施例中，金属粉末选用AZ31镁合金、AZ91镁合金以及AZ61镁合金中的一种，在其余实施例中，也可以选用别的金属粉末，选用的金属粉末不同，则压力、烧结温度等参数均不相同。具体参数可以根据选用的金属粉末进行确定。

上工作缸驱动活塞使上冲头向下运动，下工作缸驱动活塞使下冲头和下冲头垫块向上运动，进行坯料预压实，并将上下压力升至设定值，在本实施例中，设定的压力为30-80MPa，在其余实施例中，可以根据需要进行设定。

将进、出气阀打开，通入惰性的保护气体。确保气体已经充满整个炉腔后，打开冷却装置和加热装置的开关，将温度升至指定的烧结温度进行烧结。AZ31镁合金的烧结温度为350-550摄氏度，AZ91镁合金的烧结温度为350-600摄氏度，AZ61镁合金的烧结温度为300-550摄氏度。

烧结完成后，下工作缸进行压力调节减小至预定背压压力，预定背压压力可以根据工件尺寸等实际要求进行设定。上工作缸继续加载工作，上冲头随上工作缸活塞杆同步向下运动完成烧结坯料向下正挤压；上工作缸进行压力调节减小至预定背压压力，下工作缸压力增至变形成形压力，下冲头垫块随下冲头和下工作缸活塞杆同步向上运动完成烧结坯料的向上正挤压，此时完成1次反复挤压成形；循环上述反复挤压工艺，进行多道次累积反复挤压工艺，待金属粉末烧结-累积反复挤压变形完成预定次数后；完成挤压过程后，关闭加热装置，下工作缸向下复位并卸载，上工作缸向上复位并卸载；待变形试样冷却至设定温度后，对上述三种金属粉末来说，其该设定温度为20-160摄氏度。在其余实施例中，可以根据金属粉末的种类进行设定。停止通入气体，工作台移出液压缸驱动可移动工作台移出和炉门打开，取出试样，待炉体内温度降至室温时，关闭冷却装置。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：其包括液压机本体和炉体，所述液压机本体包括框架结构、上冲头、下冲头、组合凹模、上工作台、下工作板、可移动工作台、上工作缸、下工作缸以及工作台移出液压缸；

所述框架结构包括上横梁、下横梁、中间固定横梁以及四根空心立柱，上横梁的四角分别与立柱的第一端连接，中间固定横梁的四角分别与立柱的第二端连接，中间固定横梁直接与下横梁连接，上横梁、下横梁和中间固定横梁在立柱的作用下形成框架结构；

所述上工作缸和下工作缸的活塞分别设置有导向法兰，所述上工作缸的导向法兰与所述上横梁连接，所述下工作缸的导向法兰与所述下横梁连接；

所述上工作台通过螺栓将活塞和上冲头连接；

所述上工作缸的活塞和上冲头分别与上工作台固定连接，上冲头在上工作缸的带动下进行运动，所述下冲头与下工作板固定连接，下工作缸的活塞和下工作板相抵触，下冲头在下工作缸的带动下进行运动，组合凹模固定在可移动工作台上进行随动；

所述中间固定横梁上方设置有T形导轨，可移动工作台的两侧分别对称连接有一个工作台移出液压缸，可移动工作台能够在两个工作台移出液压缸的作用下在滑轨上实现移出，两个工作台移出液压缸分别通过连接件固定在中间固定横梁右上方。

2.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述下冲头上方设置有下冲头垫块，下冲头垫块与粉末和制件接触并与凹模内孔配合，所述组合凹模和下冲头垫块之间形成用于容纳金属粉末的空间，所述上工作台的内部设置有冷却水道。

3.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述中间固定横梁的右下方设置有承重箱，下横梁的底部设有地脚螺栓。

4.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述上工作台的下表面与上冲头借助于螺栓进行连接，所述上工作台的上表面与上工作缸的活塞借助于螺栓进行连接。

5.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述下工作板的上表面与下冲头借助于螺栓进行连接，所述下工作板的下表面与下工作缸的活塞的活塞杆的一个端部接触，下工作板的四周设置有导向柱。

6.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述炉体包括固定炉腔和炉门，所述固定炉腔的上部和下部分别与导向法兰和中间固定横梁固连。

7.根据权利要求6所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述炉体上方设置有供活塞通过的开口，所述炉体下方设置有供下冲头通过的开口，所述炉体的右壁上设置有插板式炉门，所述炉门与可移动工作台固定连接，所述炉体的一个侧壁的下方设有通气孔，供气体进出的导气管的第一端与通气孔连接，所述导气管的第二端与真空泵连接。

8.根据权利要求1所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述上横梁和下横梁的端部设置有用于进行预紧的预紧螺栓，四根立柱分别与上横梁、下横梁和中间固定横梁借助于设在立柱内部的拉杆通过拉杆预紧的方式形成框架结构。

9.根据权利要求7所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机，其特征在于：所述炉门与炉体间通过密封条进行密封。

10.一种利用权利要求7所述的金属粉末烧结和原位累积挤压成形用液压机进行金属粉末烧结挤压成形的方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、下工作缸驱动其活塞使下冲头处于最下端的位置，上工作缸驱动其活塞使上冲头处于最上端的位置，通过工作台移出液压缸将可移动工作台移出使炉门打开，将金属粉末定量加入组合凹模和下冲头垫块组成的空间，随后通过工作台移出液压缸将可移动工作台移入使炉门关闭；

S2、上工作缸驱动其活塞使上冲头向下运动，下工作缸驱动其活塞使下冲头和下冲头垫块向上运动，进行坯料预压实，并同时将上工作缸和下工作缸的工作压力升至设定压力值；

S3、使炉体处于真空环境下或通入保护气体，整个炉腔处于保护气体氛围下，打开冷却装置和加热装置的开关，将温度升至指定的烧结温度进行烧结；

S4、烧结完成后，下工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，上工作缸调至挤压压力后继续工作，上冲头随上工作缸活塞杆同步向下运动完成烧结坯料向下正挤压，之后，上工作缸进行压力调节将工作压力减小至预定背压压力，下工作缸压力增至变形成形压力，下冲头垫块随下冲头和下工作缸活塞杆同步向上运动完成烧结坯料的向上正挤压，从而完成1次反复挤压成形；

S5、循环步骤S4中的挤压工艺，进行多道次累积反复挤压工艺，待金属粉末烧结-累积反复挤压变形完成预定次数后，完成挤压过程，获取变形试样，关闭加热装置，下工作缸向下复位并卸载，上工作缸向上复位并卸载；待变形试样冷却至设定温度后，停止通入保护气体，工作台移出液压缸驱动可移动工作台移出使炉门打开，取出变形试样，待炉体内温度降至室温时，关闭冷却装置。

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