CN111014852B - 粉末冶金复合材料电极及其制备方法 - Google Patents

粉末冶金复合材料电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于电极加工技术领域，尤其涉及一种粉末冶金复合材料电极及其制备方法，粉末冶金复合材料电极的制备方法包括以下步骤：S1：将各电极块依序叠加，形成微结构骨架；S2：将微结构骨架固定于压制模具内；S3：将各基体粉末混合均匀，以形成电极基体粉末；S4：将电极基体粉末填充于压制模具内，并和微结构骨架形成电极压制坯料；S5：将电极压制坯料置于烧结炉内形成电极烧结坯料；S6：将电极烧结坯料在待加工工件上进行试加工；S7：重复步骤S6，直至电极烧结坯料形成的微结构稳定。如此可将电极的损耗现象由劣势转变为优势，保证粉末冶金复合电极在待加工工件表面成型出的表面微结构的形状和尺寸精度始终能够满足要求。

Description

粉末冶金复合材料电极及其制备方法
技术领域
本申请属于电极加工技术领域，尤其涉及一种粉末冶金复合材料电极及其制备方法。
背景技术
近年来，随着能源危机和环境污染等问题日趋严重，对材料表面功能改性的相关研究已逐渐成为研究热点。其中表面功能结构是研究的重点之一，表面功能结构是在物体表面加工制造具有各种不同形貌、尺度、维数和功能的微结构，包括表面附着脱附功能结构、表面热功能结构、表面反应功能结构、表面光功能结构和表面减阻功能结构等，例如，微翅片可实现高效的传热结构；太阳能电池表面陷光微结构可提高光电转换效率；微坑和微槽阵列结构有助于在接触表面建立动压润滑薄膜。
现有技术中，运用电极，通过电火花放电来加工工件表面的微结构是主流技术之一，然而，在电火花加工过程中，电极上的微结构损耗较快，这样会导致微结构的工作表面失去原有的加工形状，进而会严重影响成型后的工件表面微结构的形状和尺寸精度。
发明内容
本申请的目的在于提供一种粉末冶金复合材料电极及其制备方法，旨在解决现有技术中的电火花加工过程中，由于电极的微结构在加工过程中存在有损耗，进而导致成型后的工件表面微结构的形状和尺寸精度受到严重影响的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：一种粉末冶金复合材料电极的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供若干材料各不相同的电极块，将各所述电极块依照预设的顺序相叠加，以形成微结构骨架；
S2：提供压制模具，将所述微结构骨架固定于所述压制模具内；
S3：提供若干份材料各不相同的基体粉末，各所述基体粉末的材料分别和各所述电极块的材料相同，将各所述基体粉末混合均匀，以形成电极基体粉末；
S4：将所述电极基体粉末填充于所述压制模具内的相邻于所述微结构骨架的预设位置处，并和所述微结构骨架共同压制形成电极压制坯料；
S5：将所述电极压制坯料置于烧结炉内进行烧结，以形成电极烧结坯料；
S6：将所述电极烧结坯料在待加工工件表面上进行电火花试加工；
S7：重复步骤S6，直至所述电极烧结坯料的工作面上形成的微结构的构型保持稳定。
可选地，所述压制模具的其中一个内侧面开设有第一安装孔，所述压制模具的另一个相对的内侧面开设有和所述第一安装孔相对应的第二安装孔，所述微结构骨架的其中一端固定于所述第一安装孔内，所述微结构骨架的相对另一端固定于所述第二安装孔内。
可选地，所述步骤S5包括：
S51：将所述电极压制坯料置于所述烧结炉内，并随炉升温至预设的烧结温度；
S52：在所述烧结炉内的温度达到预设的烧结温度后，保温预设时长；
S53：在保温预设时长后，所述电极压制坯料随炉冷却至室温或空气冷却至室温。
可选地，所述电极烧结坯料的烧结温度为300℃～450℃。
可选地，所述电极烧结坯料的烧结温度为300℃
可选地，所述电极烧结坯料在所述烧结炉内的保温时长为3hour～5hour。
可选地，所述电极烧结坯料在所述烧结炉内的保温时长为5hour。
可选地，所述电极块的材料种类为两个，且分别为铜材料和锡材料。
可选地，所述基体粉末的材料种类为两个，且分别为铜材料和锡材料。
本申请的有益效果：本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极的制备方法，通过利用不同材料的电极块叠加制备微结构骨架，再利用微结构骨架和电极基体粉末共同经过压制形成电极压制坯料，电极压制坯料经过烧结炉的烧结热处理后，会形成电极烧结坯料。而各电极块和基体粉末在电火花加工过程中的损耗率各不相同，由各电极块叠加而成的微结构骨架，具有不同损耗率的工作表面，同时，通过增减微结构骨架的数量，以及调整微结构骨架和基体粉末的相对位置关系等，如此即可使得最终形成的电极烧结坯料的工作面上的各预设位置处具有不同的损耗率，这样在电火花加工过程中，随着工作面各位置的损耗率不同，各预设位置处可逐渐形成高度差，进而使得工作面上通过电火花加工产生的损耗而形成立体的微结构构型，在多次的试加工过程中，工作面上各位置处的损耗率会趋于一致，进而使得微结构构型趋于稳定。如此即可将电极的损耗现象由劣势转变为优势，保证粉末冶金复合电极在长期使用过程中，在待加工工件表面成型出的表面微结构的形状和尺寸精度始终能够满足要求。
本申请采用的另一种技术方案是：一种粉末冶金复合材料电极，由上述的粉末冶金复合材料电极的制备方法制得。
本申请实施例提供的粉末冶金复合电极，通过由上述的制备方法制得，这样既可保证其在长期使用过程中，其工作表面的微结构不因电火花加工过程中产生的损耗而失去原有的加工形状，进而保证了粉末冶金复合电极在待加工工件表面成型出的表面微结构的形状和尺寸精度始终能够满足要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极的制备方法的工艺流程图；
图2为图1中步骤S5的进一步工艺流程图；
图3为本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极的制备方法的压制模具、微结构骨架和基体粉末的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极和待加工工件的配合示意图。
其中，图中各附图标记：
10—微结构骨架 11—铜电极块 12—锡电极块
20—压制模具 30—电极基体粉末 31—锡粉颗粒
32—铜粉颗粒 40—待加工工件 41—表面微结构
42—蚀坑显微结构。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图1～4描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1～3所示，本申请实施例提供了一种粉末冶金复合材料电极的制备方法，包括以下步骤：
S1：提供若干材料各不相同的电极块，将各电极块依照预设的顺序相叠加，以形成微结构骨架10；具体地，微结构骨架10的数量可以是一个也可以是多个，具体根据最终在复合材料电极的工作面所形成的微结构的具体构型而定。
S2：提供压制模具20，将微结构骨架10固定于压制模具20内；具体地，压制模具20内形成有压料腔，微结构骨架10固定于压料腔内。
S3：提供若干份材料各不相同的基体粉末，各基体粉末的材料分别和各电极块的材料相同，将各基体粉末混合均匀，以形成电极基体粉末30；
S4：将电极基体粉末30填充于压制模具20内的相邻于微结构骨架10的预设位置处，并和微结构骨架10共同压制形成电极压制坯料；
S5：将电极压制坯料置于烧结炉内进行烧结，以形成电极烧结坯料；
S6：将电极烧结坯料在待加工工件40表面上进行电火花试加工；具体地，每次试加工时，加工的待加工工件40的材料应当相同，且加工深度也须保持一致。
S7：重复步骤S6，直至电极烧结坯料的工作面上形成的微结构的构型保持稳定。
以下对本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极的制备方法作进一步说明：本申请实施例提供的粉末冶金复合材料电极的制备方法，通过利用不同材料的电极块叠加制备微结构骨架10，再利用微结构骨架10和电极基体粉末30共同经过压制形成电极压制坯料，电极压制坯料经过烧结炉的烧结热处理后，会形成电极烧结坯料。而各电极块和基体粉末在电火花加工过程中的损耗率各不相同，由各电极块叠加而成的微结构骨架10，具有不同损耗率的工作表面，同时，通过增减微结构骨架10的数量，以及调整微结构骨架10和基体粉末的相对位置关系等，如此即可使得最终形成的电极烧结坯料的工作面上的各预设位置处具有不同的损耗率，这样在电火花加工过程中，随着工作面各位置的损耗率不同，各预设位置处可逐渐形成高度差，进而使得工作面上通过电火花加工产生的损耗而形成立体的微结构构型，在多次的试加工过程中，工作面上各位置处的损耗率会趋于一致，进而使得微结构构型趋于稳定。如此即可将电极的损耗现象由劣势转变为优势，保证粉末冶金复合电极在长期使用过程中，在待加工工件40表面成型出的表面微结构41的形状和尺寸精度始终能够满足要求，同时粉末冶金复合电极的基体粉末部分则会在待加工工件40表面形成极为微小的蚀坑显微结构42。
在本申请的另一些实施例中，压制模具20的上端面开设有第一安装孔(图未示)，压制模具20的下端面开设有和第一安装孔相对应的第二安装孔(图未示)，微结构骨架10的上端固定于第一安装孔内，微结构骨架10的下端固定于第二安装孔内。具体地，通过在压制模具20的上下端面分别开设第一安装孔和第二安装孔，这样通过将微结构骨架10的上下端分别固定于第一安装孔和第二安装孔内，便实现了对微结构骨架10在压制模具20内的有效固定。可选地，第一安装孔和第二安装孔也可为安装槽。
在本申请的另一些实施例中，如图2所示，步骤S5包括：
S51：将电极压制坯料置于烧结炉内，并随炉升温至预设的烧结温度；
S52：在烧结炉内的温度达到预设的烧结温度后，保温预设时长；
S53：在保温预设时长后，电极压制坯料随炉冷却至室温或空气冷却至室温。
具体地，通过将电极压制坯料随炉升温、保温和随炉冷却或空气冷却，如此可使得电极压制坯料的升温和降温过程尽可能较为平缓地进行，以消除电极压制坯料内部的残余应力。避免电极压制坯料因应力集中而产生裂纹。
在本申请的另一些实施例中，如图所示，电极烧结坯料的烧结温度为300℃～450℃。具体地，电极压制坯料的烧结温度可为300℃、305℃、310℃、315℃、320℃、325℃、330℃、335℃、340℃、345℃、350℃、355℃、360℃、365℃、370℃、375℃、380℃、385℃、390℃、395℃、400℃、405℃、410℃、415℃、420℃、425℃、430℃、435℃、440℃、445℃或450℃。通过将电极压制坯料的烧结温度限定为300℃～450℃。如此可保证电极压制坯料的至少一种或几种材料(比如锡材料)呈熔融状态，进而使得不同材料的电极块和粉末基体之间的结合力更强。进而提升电极烧结坯料的整体强度。
在本申请的另一些实施例中，电极烧结坯料的烧结温度为300℃。具体地，通过将电极烧结坯料的烧结温度设定为300℃，如此一方面使得电极压制坯料的至少一种或几种材料(比如锡材料)达到其熔点温度，呈熔融状态。另一方面也避免了低熔点的材料发生严重氧化。
可选地，为进一步避免电极烧结坯料的各组成材料在烧结过程中被严重氧化，烧结炉可为真空烧结炉。这样真空烧结炉在工作时能够在其腔体内形成负压环境，使得氧气量大大减少。同时，在电极烧结坯料的烧结过程中，还可通入诸如氩气等惰性气体形成保护气氛，避免电极烧结坯料在烧结过程中和氧气相接触。
在本申请的另一些实施例中，电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长为3hour～5hour。具体地，电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长可为3.0hour、3.1hour、3.2hour、3.3hour、3.4hour、3.5hour、3.6hour、3.7hour、3.8hour、3.9hour、4.0hour、4.1hour、4.2hour、4.3hour、4.4hour、4.5hour、4.6hour、4.7hour、4.8hour、4.9hour或5.0hour。通过将电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长限定为3hour～5hour。这样电极烧结坯料的各部分均可被完全加热，进而使得低熔点的材料能够被完全熔融进而和高熔点的材料的结合牢固性更佳。
在本申请的另一些实施例中，电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长为5hour。具体地，电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长优选为5hour，这样一方面可实现电极烧结坯料在烧结炉内的完全加热，另一方面也能够避免电极烧结坯料在烧结炉内的保温时长过长而产生过多的氧化物。
在本申请的另一些实施例中，如图3和图4所示，电极块的材料种类为两个，且分别为铜材料和锡材料。具体地，作为高熔点材料和低熔点材料的典型搭配，电极块和基体粉末的材料种类均可为铜材料和锡材料。这样锡电极块12在熔化后即可实现对铜电极块11的紧密贴合，同时，基体粉末的材料种类也为两个，且分别为铜材料和锡材料，这样锡粉颗粒31在完全熔化后也可实现对铜粉颗粒32的有效包覆。
本申请实施例还提供了一种粉末冶金复合材料电极，由上述的粉末冶金复合材料电极的制备方法制得。
如图3和图4所示，本申请实施例提供的粉末冶金复合电极，通过由上述的制备方法制得，这样既可保证其在长期使用过程中，其工作表面的微结构不因电火花加工过程中产生的损耗而失去原有的加工形状，进而保证了粉末冶金复合电极在待加工工件40表面成型出的表面微结构41的形状和尺寸精度始终能够满足要求。
以上仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：提供若干材料各不相同的电极块，将各所述电极块依照预设的顺序相叠加，以形成微结构骨架；
S2：提供压制模具，将所述微结构骨架固定于所述压制模具内；
S3：提供若干份材料各不相同的基体粉末，各所述基体粉末的材料分别和各所述电极块的材料相同，将各所述基体粉末混合均匀，以形成电极基体粉末；
S4：将所述电极基体粉末填充于所述压制模具内的相邻于所述微结构骨架的预设位置处，并和所述微结构骨架共同压制形成电极压制坯料；
S5：将所述电极压制坯料置于烧结炉内进行烧结，以形成电极烧结坯料；
S6：将所述电极烧结坯料在待加工工件表面上进行电火花试加工；
S7：重复步骤S6，直至所述电极烧结坯料的工作面上形成的微结构的构型保持稳定。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述压制模具的其中一个内侧面开设有第一安装孔，所述压制模具的另一个相对的内侧面开设有和所述第一安装孔相对应的第二安装孔，所述微结构骨架的其中一端固定于所述第一安装孔内，所述微结构骨架的相对另一端固定于所述第二安装孔内。
3.根据权利要求1所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述步骤S5包括：
S51：将所述电极压制坯料置于所述烧结炉内，并随炉升温至预设的烧结温度；
S52：在所述烧结炉内的温度达到预设的烧结温度后，保温预设时长；
S53：在保温预设时长后，所述电极压制坯料随炉冷却至室温或空气冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述电极烧结坯料的烧结温度为300℃～450℃。
5.根据权利要求4所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述电极烧结坯料的烧结温度为300℃。
6.根据权利要求1～5任一项所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述电极烧结坯料在所述烧结炉内的保温时长为3hour～5hour。
7.根据权利要求6所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述电极烧结坯料在所述烧结炉内的保温时长为5hour。
8.根据权利要求1～5任一项所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述电极块的材料种类为两个，且分别为铜材料和锡材料。
9.根据权利要求1～5任一项所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法，其特征在于：所述基体粉末的材料种类为两个，且分别为铜材料和锡材料。
10.一种粉末冶金复合材料电极，其特征在于：由权利要求1～9任一项所述的粉末冶金复合材料电极的制备方法制得。
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