RU211727U1

RU211727U1 - Apparatus for sintering ceramic products with the application of external pressure

Info

Publication number: RU211727U1
Application number: RU2021139916U
Authority: RU
Inventors: Елена Игоревна Яровая; Игорь Олегович Леушин; Маргарита Михайловна Спасская; Александр Юрьевич Гусев; Глеб Александрович Гусев
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-06-21

Abstract

Полезная модель относится к области производства многослойных керамических материалов. Предложено устройство для спекания керамических изделий, содержащее нагревную камеру, пресс-форму, внутри которой располагается изделие, давление на которое передается посредством стержня от пресса, расположенного вне нагревной камеры. Верхняя формообразующая часть пресс-формы выполнена клиновым стержнем со съёмником и подвижными формообразующими элементами и прессующим пуансоном вертикального нагружения. Нижняя часть пресс-формы выполнена в виде плиты с подвижной и неподвижной частями для формирования боковых поверхностей спекаемого изделия. Неподвижная часть зафиксирована на плите, при этом подвижная часть соединена с неподвижной с помощью штока гидроцилиндра горизонтального нагружения на спекаемое изделие. На штоке гидроцилиндра вертикального нагружения и штоке гидроцилиндра горизонтального нагружения смонтированы фотодиодные системы для синхронизации движения втулки съёмника и штоков указанных гидроцилиндров. Достигаемый результат – повышение физико-механических свойств изделия, сохранение структуры керамики, возможность снижения температуры и времени спекания. 2 ил.

The utility model relates to the production of multilayer ceramic materials. A device for sintering ceramic products is proposed, containing a heating chamber, a mold, inside which the product is located, the pressure on which is transmitted by means of a rod from a press located outside the heating chamber. The upper shaping part of the mold is made with a wedge rod with a puller and movable shaping elements and a vertical loading pressing punch. The lower part of the mold is made in the form of a plate with movable and fixed parts for forming the side surfaces of the sintered product. The fixed part is fixed on the plate, while the movable part is connected to the fixed part by means of a hydraulic cylinder rod of horizontal loading on the sintered product. Photodiode systems are mounted on the rod of the vertical loading hydraulic cylinder and the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder to synchronize the movement of the puller sleeve and the rods of these hydraulic cylinders. The achieved result is an increase in the physical and mechanical properties of the product, the preservation of the ceramic structure, the possibility of reducing the temperature and sintering time. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к производству керамических изделий из наноматериалов спеканием многослойной «сырой» керамики при высоких температурах и давлении.The utility model relates to the production of ceramic products from nanomaterials by sintering multilayer "raw" ceramics at high temperatures and pressure.

Керамические изделия используются в приборах, микросхемах и устройствах в военной, космической и электронной областях промышленности.Ceramic products are used in instruments, microcircuits and devices in the military, space and electronic industries.

К этим изделиям, как правило, предъявляются высокие требования по механической прочности, эксплуатационной надежности и герметичности. As a rule, high demands are placed on these products in terms of mechanical strength, operational reliability and tightness.

Известно, что получение изделий из наноструктурных керамических материалов высокой механической прочности, плотности, герметичности и эксплуатационной надежности, возможно лишь при спекании керамики при высоких температурах и давлении. Для создания внешнего давления на спекаемое изделие в пресс-форму, в нагревные камеры вводят дополнительные элементы.It is known that obtaining products from nanostructured ceramic materials of high mechanical strength, density, tightness and operational reliability is possible only when ceramics are sintered at high temperatures and pressures. To create an external pressure on the sintered product in the mold, additional elements are introduced into the heating chambers.

Например, известна пресс-форма для прессования керамических изделий, которая содержит пуансон, матрицу и эластичную вставку, выполненную полой, полость которой заполнена жидкостью, с внутренней мембранной формообразующей стенкой (см. RU №2420397, МПК B30B 5/02, B28B 7/06, 2008 г.). Давление на заготовку передается жидкостью от внешнего источника через промежуточную мембрану. Внешняя стенка пресс-формы при сжатии передает давление внутренней стенке и играет роль уплотнения, предотвращая утечку жидкости.For example, a mold for pressing ceramic products is known, which contains a punch, a matrix and an elastic insert made hollow, the cavity of which is filled with liquid, with an internal membrane shaping wall (see RU No. 2420397, IPC B30B 5/02, B28B 7/06 , 2008). The pressure on the workpiece is transmitted by liquid from an external source through the intermediate membrane. The outer wall of the mold, when compressed, transfers pressure to the inner wall and plays the role of a seal, preventing fluid leakage.

Недостаток данного решения: неуправляемость процессом деформации эластичной вставки, передающей давление при усадке, неравномерная передача давления на весь объем изделия, ненадежность обеспечения равномерной плотности, герметичности многослойных изделий и геометрической точности.The disadvantage of this solution: the uncontrollability of the process of deformation of the elastic insert that transmits pressure during shrinkage, uneven pressure transfer to the entire volume of the product, the unreliability of ensuring uniform density, tightness of multilayer products and geometric accuracy.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство, содержащее нагревную камеру, пресс-форму, элементы передачи внешнего давления на спекаемую заготовку, выполненные в виде стержней от одноосного пресса, расположенного вне нагревной камеры (см. RU №2352540, МПК C04B 35/00, 2007 г.).The closest to the proposed device in terms of technical essence is a device containing a heating chamber, a mold, elements for transmitting external pressure to a sintered workpiece, made in the form of rods from a uniaxial press located outside the heating chamber (see RU No. 2352540, IPC C04B 35 / 00, 2007).

Управление процессом спекания керамики осуществляется в автоматическом режиме, в качестве управляющего параметра используется скорость усадки. Материал спекаемого изделия – нанодисперсный. The ceramics sintering process is controlled in automatic mode, the shrinkage rate is used as a control parameter. The material of the sintered product is nanodispersed.

Стержни, передающие давление на заготовку, проходят через пресс-форму, выполняют функцию диэлектрических волноводов, канализирующих падающее на них микроволновое излучение. The rods that transmit pressure to the workpiece pass through the mold and act as dielectric waveguides channeling the microwave radiation incident on them.

Недостаток данного решения: под давлением находится не весь объём спекаемого материала. Одноосное усилие обжатия приводит к деформации заготовки в направлении перпендикулярном оси пресса, отсюда неравномерная плотность, образование трещин, нарушение герметизации, геометрическая неточность и формирование участков с резко изменяющимися размерами наноструктурных составляющих при спекании, что влияет на эксплуатационную надёжность готового изделия. Независимо от контроля за процессом спекания, одноосное наложение давления эти недостатки не устраняет.The disadvantage of this solution is that not the entire volume of the sintered material is under pressure. The uniaxial compression force leads to deformation of the workpiece in the direction perpendicular to the axis of the press, hence uneven density, cracking, seal failure, geometric inaccuracy and the formation of areas with sharply changing sizes of nanostructural components during sintering, which affects the operational reliability of the finished product. Regardless of the control of the sintering process, uniaxial pressure application does not eliminate these disadvantages.

Эти недостатки можно устранить предлагаемым решением.These shortcomings can be eliminated by the proposed solution.

Ставится задача обеспечения всестороннего наложения давления на многослойное керамическое изделие при высокотемпературном спекании.The task is to provide a comprehensive application of pressure on a multilayer ceramic product during high-temperature sintering.

Технический результат – повышение механической прочности, надежности и герметичности спекаемого изделия за счет всестороннего объемного сжатия с одновременной компенсацией усадки и предотвращением формирования дефектов при спекании.The technical result is an increase in the mechanical strength, reliability and tightness of the sintered product due to all-round volumetric compression with simultaneous compensation for shrinkage and prevention of the formation of defects during sintering.

Этот результат достигается тем, что в устройстве для спекания керамическких изделий, содержащем нагревную камеру, пресс-форму, установленную на направляющей, внутри которой располагается изделие, давление на которое передается посредством стержней от пресса, расположенного вне нагревной камеры, используется пресс-форма, верхняя часть которой выполнена клиновым стержнем со съемником и подвижными формообразующими элементами и прессующим пуансоном вертикального нагружения. Нижняя часть пресс-формы выполнена неподвижной и подвижной частями, подвижная связана со штоком пневмоцилиндра горизонтального нагружения.This result is achieved by the fact that in the device for sintering ceramic products, containing a heating chamber, a mold mounted on a guide, inside which the product is located, the pressure on which is transmitted by means of rods from a press located outside the heating chamber, a mold is used, the upper part of which is made with a wedge rod with a puller and movable shaping elements and a vertical loading pressing punch. The lower part of the mold is made with fixed and movable parts, the movable part is connected with the horizontal loading pneumatic cylinder rod.

Предлагаемое устройство для спекания керамики приведено на фиг. 1 (Пресс-форма для спекания) и фиг. 2 (Формообразующие элементы прессующего пуансона).The proposed device for sintering ceramics is shown in Fig. 1 (Sinter mold) and FIG. 2 (Shaping elements of the pressing punch).

Устройство содержит плиту 1, расположенную в нагревной камере (на чертеже не приводится), подвижную 2 и неподвижную 3 части пресс-формы горизонтального нагружения, формирующие боковые поверхности керамического материала 4. Начальную фиксацию неподвижной части пресс-формы 3 горизонтального нагружения осуществляют нивелировочный болт 5, установленный на стойке 6, и шток гидроцилиндра горизонтального нагружения 7, на котором установлена фотодиодная система 8 контроля горизонтальной скорости перемещения штока гидроцилиндра горизонтального нагружения 7.The device contains a plate 1 located in the heating chamber (not shown in the drawing), movable 2 and fixed 3 parts of the horizontal loading mold, forming side surfaces of the ceramic material 4. The initial fixation of the fixed part of the horizontal loading mold 3 is carried out by the leveling bolt 5 mounted on the stand 6 and the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder 7, on which the photodiode system 8 is installed to control the horizontal speed of movement of the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder 7.

Прессующий пуансон вертикального нагружения 9 выполнен сборным из подвижных формообразующих элементов 10, установленных в направляющей обойме 11 и контактирующих с клиновым стержнем 12. Формообразующие элементы 10 выполнены со скосами, геометрически подобными клиновому стержню 12. На штоке гидроцилиндра вертикального нагружения 13 смонтирована втулка съемника 14, контактирующая с клиновым стержнем 12 и устройством вертикального перемещения 15, выполненного зубчатым колесом, связанным с электромотором. Вертикальное перемещение штока гидроцилиндра вертикального нагружения 13 контролируется фотодиодной системой 16, смонтированной на нем, при этом шток гидроцилиндра вертикального нагружения 13 не ограничивает ход втулки съемника 14.The pressing punch of vertical loading 9 is assembled from movable forming elements 10 installed in the guide cage 11 and in contact with the wedge rod 12. The forming elements 10 are made with bevels geometrically similar to wedge rod 12. On the rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13, a puller bushing 14 is mounted, which is in contact with the wedge rod 12 and the vertical movement device 15, made by a gear wheel connected to an electric motor. The vertical movement of the rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13 is controlled by the photodiode system 16 mounted on it, while the rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13 does not limit the stroke of the puller sleeve 14.

Подвижные формообразующие элементы 10 образуют зазор 17 с клиновым стержнем 12, регулируемый величиной его подъема или опускания. На дне плиты 1 и поверх керамического материала 4 размещен жертвенный материал 18. На штоке гидроцилиндра горизонтального нагружения 7 располагается упорная гайка 19, контактирующая с подвижной частью пресс-формы 2 и фиксирующая начальное положение листового керамического материала 4 в горизонтальной плоскости.Movable forming elements 10 form a gap 17 with the wedge rod 12, adjustable by the amount of its rise or fall. At the bottom of the plate 1 and on top of the ceramic material 4, a sacrificial material 18 is placed. On the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder 7, there is a stop nut 19, which contacts with the movable part of the mold 2 and fixes the initial position of the sheet ceramic material 4 in the horizontal plane.

Устройство для спекания керамических изделий работает следующим образом.Device for sintering ceramic products works as follows.

На плите 1 фиксируется неподвижная часть пресс-формы 3 нивелировочным болтом 5 и стойкой 6. На плиту 1 наносят жертвенный материал 18 и укладывают слои керамического материала 4. Подвижная часть пресс-формы 2 соединяется с неподвижной частью пресс-формы 3 с помощью штока гидроцилиндра горизонтального нагружения 7 и фиксируется начальное положение керамического материала 4 подвижной частью пресс-формы 2 и упорной гайкой 19. На керамический материал 4 спускается направляющая обойма 11 с вмонтированным в нее подвижными формообразующими элементами 10, разделенными клиновым стержнем 12, каждый элемент которого занимает нижнее положение, зазоры 17 перекрыты. Втулка съемника 14 давит на прессующий пуансон вертикального нагружения 9. Шток гидроцилиндра вертикального нагружения 13 через пуансон вертикального нагружения 9, соединенный с подвижными формообразующими элементами 10, осуществляет вертикальное нагружение керамического материала 4 в процессе спекания. В процессе нагрева керамический материал 4 изменяет размеры по горизонтали и вертикали. Подъем втулки съемника 14 уменьшает зазор 17 между подвижными формообразующими элементами 10 пропорционально изменению усадки. Давление от штока гидроцилиндра вертикального нагружения 13 через прессующий пуансон вертикального нагружения 9 на керамический материал сохраняется. The fixed part of the mold 3 is fixed on the plate 1 with a leveling bolt 5 and a stand 6. The sacrificial material 18 is applied to the plate 1 and layers of ceramic material 4 are laid. The movable part of the mold 2 is connected to the fixed part of the mold 3 using a horizontal hydraulic loading 7 and the initial position of the ceramic material 4 is fixed by the movable part of the mold 2 and the thrust a nut 19. A guide cage 11 is lowered onto the ceramic material 4 with movable forming elements 10 built into it, separated by a wedge rod 12, each element of which occupies a lower position, the gaps 17 are blocked. The puller bushing 14 presses on the pressing vertical loading punch 9. The rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13 through the vertical loading punch 9, connected to the movable shaping elements 10, performs vertical loading of the ceramic material 4 during the sintering process. During the heating process, the ceramic material 4 changes its dimensions horizontally and vertically. Lifting the sleeve of the stripper 14 reduces the gap 17 between the movable forming elements 10 in proportion to the change in shrinkage. The pressure from the rod of the hydraulic cylinder of vertical loading 13 through the pressing punch of vertical loading 9 on the ceramic material is maintained.

Одновременно с вертикальным перемещением пуансона вертикального нагружения 9 перемещается подвижная часть пресс-формы 2 за счет штока гидроцилиндра горизонтального нагружения 7. Simultaneously with the vertical movement of the vertical loading punch 9, the movable part of the mold 2 moves due to the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder 7.

В процессе спекания давление на керамический материал 4 осуществляет пуансон вертикального нагружения 9. Втулка съемника 14 поднимается вместе с клиновым стержнем 12, подвижные формообразующие элементы 10 сближаются, зазор 17 уменьшается. Процесс спекания осуществляется в условиях всестороннего сжатия. In the process of sintering, the pressure on the ceramic material 4 is carried out by the vertical loading punch 9. The puller sleeve 14 rises together with the wedge rod 12, the movable forming elements 10 approach each other, the gap 17 decreases. The sintering process is carried out under conditions of all-round compression.

Скорости перемещения втулки съемника 14, штока гидроцилиндра вертикального нагружения 13 и штока гидроцилиндра горизонтального нагружения 7 синхронизируются фотодиодными системами 8 и 16 и устройством вертикального перемещения 15 через втулку съемника 14. Скорости перемещения согласуются со скоростями усадки во всех направлениях согласно конструкции изделия. The displacement speeds of the puller sleeve 14, the vertical loading hydraulic cylinder rod 13 and the horizontal loading hydraulic cylinder rod 7 are synchronized by photodiode systems 8 and 16 and the vertical movement device 15 through the puller sleeve 14. The travel speeds are consistent with the shrinkage speeds in all directions according to the product design.

После окончания процесса спекания разгрузка пресс-формы протекает последовательно. Шток гидроцилиндра вертикального нагружения 13 поднимается, втулка съемника 14 вместе с клиновым стержнем 12 занимает крайнее верхнее положение. Шток гидроцилиндра вертикального нагружения 13 совместно с пуансоном вертикального нагружения 9, направляющей обоймой 11 и подвижными формообразующими элементами 10 занимают исходное положение.After the end of the sintering process, the unloading of the mold proceeds sequentially. The rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13 rises, the puller sleeve 14, together with the wedge rod 12, occupies the highest position. The rod of the vertical loading hydraulic cylinder 13 together with the vertical loading punch 9, the guide clip 11 and the movable shaping elements 10 occupy the initial position.

Горизонтальная разгрузка включает отвод штока гидроцилиндра горизонтального нагружения 7 в исходное состояние, подвижная часть пресс-формы 2 перемещается, освобождая готовое изделие.Horizontal unloading includes the removal of the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder 7 to its original state, the movable part of the mold 2 moves, releasing the finished product.

Предлагаемая конструкция позволяет получить спеченные изделия из сырой керамики с размером зерна, близким к размеру частиц исходного материала, обеспечивает высокую плотность, герметичность и точность готового изделия.The proposed design makes it possible to obtain sintered products from raw ceramics with a grain size close to the particle size of the source material, provides high density, tightness and accuracy of the finished product.

Claims

A device for sintering ceramic products, containing a heating chamber, a mold, inside which the product is located, the pressure on which is transmitted by means of a rod from a press located outside the heating chamber, characterized in that the upper shaping part of the mold is made by a wedge rod with a puller, contains a vertical loading pressing punch made as a prefabricated set of movable forming elements installed in a guide cage and in contact with a wedge rod with a puller, while the movable forming elements have bevels geometrically similar to a wedge rod, and a puller sleeve with a vertical movement device is mounted on the rod of the vertical loading hydraulic cylinder in contact with the wedge rod; the lower part of the mold is made in the form of a plate with fixed and movable parts to form the side surfaces of the ceramic material of the sintered product, while the fixed part of the mold is fixed on the plate, and the movable part is connected to the fixed part of the mold using a horizontal loading hydraulic cylinder rod on the sintered product; On the rod of the vertical loading hydraulic cylinder and the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder, photodiode systems are mounted to synchronize the speed of movement of the puller sleeve, the rod of the vertical loading hydraulic cylinder and the rod of the horizontal loading hydraulic cylinder.