CN211614310U - 一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石墨‑低温合金‑钢耦合传热模式的高温模具，属于模具制作领域，该模具包括零件制作系统和保温系统，零件制作系统包括石墨模具、低熔点合金、钢模套及底模，低熔点合金填充在石墨模具和钢模套之间的环空间隙内；低熔点合金包裹石墨模具的外表面，使其隔绝氧气提高石墨模具的高温抗氧化性，降低石墨模具的氧化速度，增加了石墨模具的使用寿命；加热后液态的低熔点合金为钢模套和石墨模具膨胀和变形提供了可变空间，冷却收缩过程在低熔点合金凝固前也如加热过程一样。保温系统套装在零件制作系统的外部，对零件制作系统进行保温，降低热量的损失，提高能量利用率，降低用电消耗，降低零件加工成本。
Description
技术领域
本实用新型属于模具制作领域，具体涉及一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具。
背景技术
随着现代工业技术的发展，模具在机件加工中有着不可替代的作用，尤其在各种加工成型技术中，如：热压成型、压铸成型、挤压成型等都需要模具的辅助成型。石墨因为其良好的导电、导热、自润及较高的机械强度在工业中广泛应用，已经成为了特殊工业材料。但是石墨在高温的情况下极易氧化，从450℃开始氧化，750℃氧化加剧，氧化腐蚀极具加快。制作金刚石钻头烧结温度在 950℃-1100℃之间，所以制作钻头的石墨模具极易氧化，石墨模具在氧化后各方面的机械性能都减弱，且寿命大大降低。
目前，通过提高石墨模具抗氧化能力来提高其寿命，在业界被广泛研究。如：张佳奎等提出通过改变石墨的含量以及加入其他元素以提高其抗氧化能力。所述的模具材料含量以重量百分含量计，所述模具材料包括沥青15-25％、氮化硅3-5％、氮化钛0.3-0.8％、钇0.1-0.5％、铒0.1-0.5％；余量为石墨。将其在混捏机中混捏，最后再成型，此种方法是通过改变原有石墨结构进而提高其抗氧化性。此外还有一种通过物理方法增加石墨使用寿命，一种长寿命空心石墨模具，包括底座、外膜、内膜，内膜套接在外膜内部，且内膜和外膜的下方均连接与一体成型的底座上方，内膜与外膜上方均安装盖板，外膜外侧分别包裹有第一、第二防护板，第一、第二防护板均固定连接有防护装置，防护装置有套杆、套筒以及弹簧等。其模具主要分为内膜和外膜，内膜外侧及外膜内侧镀有碳化硅薄膜，利用碳化硅薄膜的抗高温耐氧化的性能增加模具的使用寿命。
上述两种方法的实质是高温下阻断石墨材料与空气中氧气的接触，分别采用了复杂的制作工艺，且制作成本也相对较高。为此，如何采用简单的制作工艺实现石墨模具在高温下与氧气的隔离，是亟需解决的问题。
实用新型内容
针对石墨模具高温下易氧化，寿命短的问题，本实用新型的目的是提供一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，阻断石墨外径表面与空气中氧气的接触，降低了石墨模具外表面石墨层的氧化速度，甚至不发生石墨层的脱落，使石墨模具能够循环利用，降低模具的生产成本。
本实用新型为实现上述目的采用的技术方案是：一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，其特征在于，包括：零件制作系统和保温系统，零件制作系统包括石墨模具、低熔点合金、钢模套及底模，石墨模具设置在钢模套的内部并与其同轴，石墨模具的外壁与钢模套的内壁之间具有环空间隙，且石墨模具的外壁上部和钢模套的内壁上部均为从下到上逐渐向外倾斜的倾斜面，形成上宽下窄的燕尾槽型容纳空间；其中钢模套的内壁下部沿径向向内凸出形成环形凸起，石墨模具外壁下部为阶梯形结构，且阶梯形结构的阶梯面抵靠在环形凸起上；底模的内壁与石墨模具外壁下部螺纹连接，底模的外壁与钢模套的环形凸起螺纹连接，在底模上设置有底模拧卸孔；低熔点合金填充在石墨模具和钢模套之间的环空间隙内；保温系统套装在零件制作系统的外部，保温系统包括耐高温保温盖、耐高温保温套及耐高温保温垫板，耐高温保温套为上下两端敞口的中空结构，耐高温保温套的侧壁上开设有红外线测温孔，红外线测温孔为贯穿孔，耐高温保温套的上部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温盖，耐高温保温套的下部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温垫板，耐高温保温盖和耐高温保温垫板均与耐高温保温套密封连接。
进一步，所述倾斜面的倾斜角为30°-60°，高度为3mm-30mm。
作为本实用新型的一种优选技术方案，所述倾斜面的倾斜角为45°，高度为 10mm。
进一步，所述底模的直径小于石墨模具的直径至少3mm。
通过上述设计方案，本实用新型可以带来如下有益效果：本实用新型提出了一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，对原有石墨模具进行改进，增加了低熔点合金、钢模套和保温系统，使石墨模具外表面不与空气中的氧气接触，增加了石墨模具的抗氧化性，降低石墨模具的氧化速度，保温系统减少了零件制作系统的热量损失，提高能量利用率，降低了零件制作成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型示意性实施例及其说明用于理解本实用新型，并不构成本实用新型的不当限定，在附图中：
图1是本实用新型实施例中所述石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具的轴向剖面示意图；
图2是本实用新型实施例中所述石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具沿红外线测温孔轴向剖面示意图。
图中各标记如下：1-石墨模具；2-低熔点合金；3-钢模套；4-底模；5-耐高温保温盖；6-耐高温保温套；7-耐高温保温垫板；8-红外线测温孔；9-底模拧卸孔。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
如图1及图2所示，本实用新型所提供的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具采用物理方法提高石墨模具1的抗高温氧化性，降低石墨模具1的高温氧化速度，所述模具包括零件制作系统和保温系统，零件制作系统负责高温制作零件，保温系统负责保温，防止热量损失，减少加热时间，减少用电消耗，降低零件加工成本。零件制作系统包括石墨模具1、低熔点合金2、钢模套 3及底模4，石墨模具1同轴设置在钢模套3的内部，石墨模具1的外壁与钢模套3的内壁之间具有环空间隙，且石墨模具1的外壁上部和钢模套3的内壁上部均为从下到上逐渐向外倾斜的倾斜面，形成上宽下窄的燕尾槽型容纳空间，倾斜面的倾斜角为30°-60°之间，高度为3mm-30mm之间，优选地，倾斜面的倾斜角为45°，高度为10mm，其中钢模套3的内壁下部沿径向向内凸出形成环形凸起，石墨模具1外壁下部为阶梯形结构，且阶梯形结构的阶梯面抵靠在环形凸起上；底模4的内壁与石墨模具1外壁下部螺纹连接，底模4的外壁与钢模套3的环形凸起螺纹连接，在底模4上设置有底模拧卸孔9，用于方便拧卸底模4；低熔点合金2填充在石墨模具1和钢模套3之间的环空间隙内。保温系统套装在零件制作系统的外部，保温系统包括耐高温保温盖5、耐高温保温套6及耐高温保温垫板7，耐高温保温套6为上下两端敞口的中空结构，耐高温保温套6的侧壁上开设有红外线测温孔8，红外线测温孔8为贯穿孔，耐高温保温套6的上部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温盖5，耐高温保温套6的下部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温垫板7，耐高温保温盖5和耐高温保温垫板7均与耐高温保温套 6密封连接，耐高温保温盖5和耐高温保温垫板7将耐高温保耐高温保温套6上下封闭。
其中，低熔点合金2的材料和体积根据待烧结样品的加热温度，钢模套3 和石墨模具1的膨胀系数，钢模套3和石墨模具1之间的环空间隙共同确定，如伍德合金、锡等。所述低熔点合金2填充在石墨模具1和钢模套3之间，低熔点合金2为熔点低，沸点高，导热性好，热膨胀系数小的材料。在石墨模具1 和钢模套3之间的环空间隙内填充低熔点合金2的作用如下：第一，石墨的热膨胀系数为1.6×10-6℃，钢的热膨胀系数为1.2×10-5℃，石墨和钢材的热膨胀系数差距较大，如果石墨模具1和钢模套3直接嵌套配合无缝连接，那么在制作零部件加热的时候，钢材和石墨同时膨胀，同时冷却后收缩，由于膨胀系数差异较大，冷却收缩速度不同，受热变形不同最后钢材将石墨挤压破裂。所以在石墨模具1和钢模套3之间预留有一个收缩间隙，有间隙就会产生空气，只要石墨与空气接触就会被氧化，所以在收缩间隙中填充低熔点合金2。在温度较低(200℃左右)时低熔点合金2先熔化，在这个温度下石墨和钢材的膨胀速度小，膨胀量小，低熔点合金2融化后变成液态给石墨和钢材的膨胀及冷却收缩及变形提供了可变空间；第二，低熔点合金2具备良好的导热性，因此可以将加热的热量传递给石墨模具1，降低在传热过程中的热量损失；第三，钢模套3 和低熔点合金2可以增加石墨模具1的使用寿命，但是石墨模具1的寿命终有结束的时候，在石墨模具不能再继续使用的时候，可以将低熔点合金2加热熔化后取出石墨模具1，低熔点合金2的存在使得更换石墨模具1变得容易；第四，底膜4与钢模套3采用螺纹连接，同时底膜4位于石墨模具1下方，底膜4与石墨模具1采用螺纹连接，螺纹连接使得石墨模具1、钢模套3及底模4同心度较差，低熔点合金2的存在，弥补了同心度较差的缺点。
其中，钢模套3的材料根据待烧结样品的温度确定，钢模套3的尺寸根据石墨模具1的尺寸确定。钢模套3的耐温至少高于待烧结样品所需温度100℃。
其中，底模4要根据石墨模具1的尺寸而定，底模4的直径要小于石墨模具1的直径至少3mm，使石墨模具1与钢模套3完全接触达到密封程度，使液态的低熔点合金2不能从底模4与钢模套3之间的螺纹流出。底模4的厚度根据具体情况而定。
其中，耐高温保温盖5、耐高温保温套6及耐高温保温垫板7采用耐高温绝缘隔热材料制成，如石棉，耐高温隔热棉等，具有极好的保温性、耐高温性、绝缘性和可塑性。保温系统套装在零件制作系统的外部，将零件制作系统很好的包裹上，使其在加热的时候防止热量的散失，提高热量利用率，降低热量的损耗，减少加热及保温时间。耐高温保温套6上的红外线测温孔8，通过红外线测温孔8红外测温仪可以直接测量零件制作系统的温度，精确的控制零件制作系统的温度，增加零件制作的成功率。保温系统大大减少了零件制作系统的热量散失，提高能量利用率，降低加热成本，减小零件制作成本。
所述石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具采用高频炉(加热工具) 加热，在零件制作系统中的石墨模具1中装料后，直接用保温系统将零件制作系统包裹，放入高频炉中的线圈里，线圈起振，保温系统的绝缘性使得其不参与零件制作系统的加热，只起到保温的作用。
石墨模具1外部有低熔点合金2包裹，加热后低熔点合金2呈现出液态，比如制作金刚石钻头加热到950℃-1100℃时低熔点合金2没有达到沸点，不会沸腾就不会产生气泡，没有气泡就不会产生氧气，没有氧气与石墨的直接接触，高温下石墨模具1就不会被氧化或者即便被氧化也会大大降低石墨的氧化速度。低熔点合金2在加热高温熔化后会膨胀，但是膨胀的体积较小，钢模套3与石墨模具1上部形成的上宽下窄的燕尾槽型容纳空间，会容纳膨胀出来的低熔点合金2，当然在零件加热制作完成后会进行冷却成型，冷却后低熔点合金2冷却收缩，冷却收缩时膨胀出留在燕尾槽型容纳空间中的低熔点合金2也会回缩填充石墨模具1的内壁与钢模套3的外壁之间的环空间隙。整个加热、保温及冷却的过程低熔点合金2的变化是一个动态的变化过程。当然具体情况具体分析比如：选择锡作为低熔点合金2时，根据锡的热膨胀系数、钢模套3和石墨模具1之间的环空间隙以及钢模套3和石墨模具1的热膨胀系数共同确定锡的体积，使其受热膨胀后刚好填充满整个燕尾槽型容纳空间，众所周知石墨在高温下氧化速度极快，所以在加热后锡刚好填充满整个燕尾槽型容纳空间会使石墨模具1外表面完全被锡包裹，完全隔绝氧气，降低石墨的高温氧化速度，温度降低后虽然锡体积会收缩但是由于燕尾槽型容纳空间的存在，液态锡的高度会降低很小，而且温度降低后石墨模具1的氧化速度也在降低。综上所述低熔点合金2的存在隔绝了氧气，降低了石墨的氧化速度，提高石墨外表面使用寿命。石墨模具1的内表面与待烧结样品接触，原理与石墨模具1的外表面与低熔点合金2的保护机制一致。
工作原理：
本实用新型提出的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具有三个工作原理：一是采用低熔点合金2隔绝石墨模具1与氧气的接触，增加石墨高温抗氧化性，降低石墨的氧化速度，提高石墨模具1的使用寿命。二是低熔点合金2 解决了钢模套3与石墨模具1直接接触导致钢模套3冷却收缩压裂石墨模具1 的问题。低熔点合金2的存在，给钢模套3和石墨模具1的热膨胀提供了可变空间，即便是热膨胀系数差距较大，由于钢模套3和石墨模具1只有在高温后才会受热膨胀，高温后低熔点合金2呈现液态，液态的低熔点合金2具有流动性，使钢模套3和石墨模具1有缓冲空间，解决了石墨模具1在钢模套3的收缩力下的压裂问题。三是保温系统采用耐高温绝缘隔热材料制成，如石棉，耐高温隔热棉等，保温性好，耐高温，绝缘性好，可塑性强，可以根据零件制作系统的形状而随意变化，减少热量损失，增加能量利用率，降低零件制作成本。
参照图1和图2，本实用新型提出的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具。
工作过程可分为三个阶段，第一阶段为加热过程，加热过程中钢模套3和石墨模具1同时膨胀，此时低熔点合金2在加热过程中熔化，液态的低熔点合金2 的可流动性为钢模套3和石墨模具1的膨胀提供了可变空间，钢模套3的膨胀系数大，石墨模具1的膨胀系数小，低熔点合金2固态变为液态体积变大，在三者的共同作用下，液态的低熔点合金2的液面高度在燕尾槽型容纳空间中上升或者下降，根据低熔点合金2材料的不同，液面高度变化不同根据具体情况而定。燕尾槽形状的上宽下窄使得液态的低熔点合金2的液面高度变化不大。在整个加热过程中液态的低熔点合金2能够很好的包裹石墨模具1的外表面，能够起到很好的隔绝氧气的作用，使得石墨在高温下不易被氧化或者说氧化速度降低；第二阶段为保温阶段，制作零件如金刚石钻头等加工过程中需要一段时间的保温过程，此过程就是第一阶段即加热过程的极点，此时钢模套3，石墨模具1，低熔点合金2等状态均不变化，保持稳定状态；第三阶段为冷却阶段，冷却阶段为加热阶段的逆过程，钢模套3及石墨模具1在温度降低的过程中开始收缩，但是收缩速度不同此时钢模套3产生很大的收缩力，但是因为低熔点合金2此时依然为液态，让然会为钢模套3和石墨模具1提供缓冲空间，所以不会出现石墨被压裂的可能。当温度下降到200℃左右时，低熔点合金2开始有液态转变为固态，但是此时钢模套3和石墨模具1的冷却收缩及变形基本保持不变，所以对整体结构基本没有影响。综上所述三个阶段低熔点合金2都会包裹石墨模具1，使其不与氧气接触，降低氧化速度，提高高温抗氧化性，增加石墨模具1的使用寿命。
传统的金刚石钻头石墨模具制作一个钻头后由于石墨模具的外表面在高温下被严重氧化就报废了，本实用新型使石墨模具1的外表面隔绝氧气，增加高温抗氧化性，降低高温下的氧化速度，使其能够在制作完成一个金刚石钻头后继续使用，模具的外形基本不变。当石墨模具1的内表面被氧化到不能应用或者其尺寸不够精确时，可以通过拧卸底模4破坏石墨模具1将其拆下，钢模套3 和低熔点合金2继续使用，换上新的石墨模具1即可。
以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书及附图内容所做的同等结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，其特征在于，包括：零件制作系统和保温系统，零件制作系统包括石墨模具(1)、低熔点合金(2)、钢模套(3)及底模(4)，石墨模具(1)设置在钢模套(3)的内部并与其同轴，石墨模具(1)的外壁与钢模套(3)的内壁之间具有环空间隙，且石墨模具(1)的外壁上部和钢模套(3)的内壁上部均为从下到上逐渐向外倾斜的倾斜面，形成上宽下窄的燕尾槽型容纳空间；其中钢模套(3)的内壁下部沿径向向内凸出形成环形凸起，石墨模具(1)外壁下部为阶梯形结构，且阶梯形结构的阶梯面抵靠在环形凸起上；底模(4)的内壁与石墨模具(1)外壁下部螺纹连接，底模(4)的外壁与钢模套(3)的环形凸起螺纹连接，在底模(4)上设置有底模拧卸孔(9)；低熔点合金(2)填充在石墨模具(1)和钢模套(3)之间的环空间隙内；保温系统套装在零件制作系统的外部，保温系统包括耐高温保温盖(5)、耐高温保温套(6)及耐高温保温垫板(7)，耐高温保温套(6)为上下两端敞口的中空结构，耐高温保温套(6)的侧壁上开设有红外线测温孔(8)，红外线测温孔(8)为贯穿孔，耐高温保温套(6)的上部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温盖(5)，耐高温保温套(6)的下部敞口处可拆卸地设置有耐高温保温垫板(7)，耐高温保温盖(5)和耐高温保温垫板(7)均与耐高温保温套(6)密封连接。
2.根据权利要求1所述的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，其特征在于：所述倾斜面的倾斜角为30°-60°，高度为3mm-30mm。
3.根据权利要求1所述的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，其特征在于：所述倾斜面的倾斜角为45°，高度为10mm。
4.根据权利要求1所述的石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具，其特征在于：所述底模(4)的直径小于石墨模具(1)的直径至少3mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020203533.0U CN211614310U (zh) | 2020-02-25 | 2020-02-25 | 一种石墨-低温合金-钢耦合传热模式的高温模具 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN211614310U true CN211614310U (zh) | 2020-10-02 |
Family
ID=72618530
Family Applications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2020
- 2020-02-25 CN CN202020203533.0U patent/CN211614310U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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