專利名稱：控制粉末冶金材料及制品燒結(jié)膨脹缺陷的燒結(jié)方法及模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制粉末冶金材料及其制品燒結(jié)膨脹缺陷的約 束燒結(jié)方法及模具。
背景技術(shù)：
粉末冶金材料及其制品在燒結(jié)制備過(guò)程中，由于坯體的物理或化 學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹而出現(xiàn)孔隙/空洞、變形甚至裂紋等缺陷，特別 是在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自蔓燃反應(yīng)等化學(xué)反應(yīng)的粉末冶金材料[黃培
云.粉末冶金原理.北京冶金工業(yè)出版社，2004:1-6],這些缺陷會(huì) 嚴(yán)重影響燒結(jié)坯體的質(zhì)量、降低后續(xù)加工的成品率。例如，采用元素 粉末冶金法制備金屬間化合物的過(guò)程中，粉末之間會(huì)發(fā)生自蔓燃反應(yīng) 造成熱爆效應(yīng)，從而使反應(yīng)坯體產(chǎn)生體積膨脹、變形、開裂，其中元 素粉末冶金法制備的鈦鋁的體積膨脹可高達(dá)30 50%[張永剛，韓雅 芳，陳國(guó)良，郭建亭等.金屬間化合物材料.北京國(guó)防工業(yè)出版社， 2001:312-318],從而使燒結(jié)坯體難以達(dá)到全致密化。
對(duì)于粉末冶金材料及其制品的燒結(jié)膨脹缺陷一般采取加壓燒結(jié) 的方法來(lái)消除，如熱壓、熱等靜壓、氣氛加壓燒結(jié)等。但這些方法存 在以下主要問(wèn)題
(1) 采用的設(shè)備都是大型設(shè)備，需要龐大的電流控制裝置、真 空系統(tǒng)及氣氛加壓裝置；
(2) 設(shè)備造價(jià)昂貴，操作復(fù)雜，運(yùn)行、維護(hù)修理成本高；
(3) 不同的設(shè)備需要不同的專用模具；
(4) 制品尺寸受到設(shè)備能力的制約，難以制備大尺寸的制品；
(5) 材料的制備成本高，不利于規(guī)?；a(chǎn)。 本發(fā)明提出了一種約束燒結(jié)原理與方法，利用這一原理與方法設(shè)
計(jì)的具有摩擦自鎖功能的約束燒結(jié)模具，可有效控制燒結(jié)坯體的膨 脹，消除孔隙/空洞、變形、裂紋等燒結(jié)缺陷，提高粉末冶金材料及 其制品燒結(jié)密度和燒結(jié)質(zhì)量。
有關(guān)采用約束燒結(jié)原理及具有摩擦自鎖功能的粉末冶金模具來(lái) 控制粉末冶金材料及其制品燒結(jié)質(zhì)量的方法，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)相關(guān)研 究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以有效控制粉末冶金材料及其制品在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹、變形、開裂和孔隙/ 空洞等缺陷，提高燒結(jié)體密度和質(zhì)量的約束燒結(jié)方法。
本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種可以有效控制粉 末冶金材料及其制品在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹、變形、開裂和孔隙/ 空洞等缺陷，提高燒結(jié)體密度和質(zhì)量的模具。
為了解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的控制粉末冶金材料 及其制品燒結(jié)膨脹缺陷的約束燒結(jié)方法，在粉末冶金坯體的燒結(jié)過(guò)程 中，對(duì)坯體施加三向約束壓應(yīng)力，對(duì)坯體產(chǎn)生約束作用，限制其產(chǎn)生 燒結(jié)膨脹，實(shí)現(xiàn)約束燒結(jié)，控制燒結(jié)體的致密化過(guò)程，保證得到預(yù)期 的形狀、致密度和性能。
為了解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的控制粉末冶金材料 及其制品燒結(jié)膨脹缺陷的模具，在約束模內(nèi)設(shè)有右外模和左外模，所 述的右外模和左外模是由一個(gè)梯形帶底圓筒整體軸向分割而成，所述
的約束模i與所述的右外模和左外模之間的配合錐度為5。 <e<i5° ， 在所述的右外模和左外模內(nèi)設(shè)有左內(nèi)模和右內(nèi)模，所述的左內(nèi)模和右
內(nèi)模由一個(gè)帶底圓筒整體軸向分割而成；在所述的左內(nèi)模和右內(nèi)模與 燒結(jié)坯體之間設(shè)有防止坯體與模具發(fā)生反應(yīng)的隔離片。
本模具的制造材料為不銹鋼、耐熱不銹鋼、鎳基高溫合金或石墨。 本發(fā)明提供的控制粉末冶金材料及其制品燒結(jié)膨脹缺陷模具的 使用方法將模壓成形的燒結(jié)坯體用隔離片進(jìn)行包裝后，將其放入由右 外模和左外模組成的腔體中，然后將左內(nèi)模和右內(nèi)模插入到右外模和 左外模與隔離片包裝的燒結(jié)坯體之間，再將由右外模、左外模、左內(nèi) 模、右內(nèi)模和用隔離片包裝的燒結(jié)坯體組成的整體放入約束模中，在 軸向施加100MPa 200MPa的壓力使其壓緊配合，然后放入燒結(jié)爐中 進(jìn)行燒結(jié)。
采用上述技術(shù)方案的控制粉末冶金材料及其制品燒結(jié)膨脹缺陷 的約束燒結(jié)方法、模具及其使用方法，在粉末冶金坯體的燒結(jié)過(guò)程中， 對(duì)坯體施加三向約束壓應(yīng)力，對(duì)坯體產(chǎn)生約束作用，限制其產(chǎn)生燒結(jié) 膨脹，實(shí)現(xiàn)約束燒結(jié)，控制其燒結(jié)致密化。約束模與右外模和左外模 之間設(shè)計(jì)了 5° <e<15°配合錐度，在完成組裝、給右外模和左外模 施加軸向(A向)裝配力后，右外模和左外模會(huì)產(chǎn)生徑向(B向)作 用力，消除左內(nèi)模、右內(nèi)模、隔離片和燒結(jié)坯體之間的間隙，并使它 們相互之間產(chǎn)生壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)徑向(B向)約束。由于右外模、左外 模與左內(nèi)模、右內(nèi)模、隔離片和燒結(jié)坯體之間具有壓應(yīng)力作用，右外 模、左外模與左內(nèi)模、右內(nèi)模之間會(huì)產(chǎn)生軸向(A向)摩擦力，限制 左內(nèi)模、右內(nèi)模產(chǎn)生軸向位移，從而限制燒結(jié)坯體燒結(jié)過(guò)程中的軸向 膨脹，實(shí)現(xiàn)軸向約束。通過(guò)上述徑向(B向)約束和軸向(A向)約束的共同作用，實(shí)現(xiàn)三維約束作用。根據(jù)粉末冶金制品物理化學(xué)性能 和燒結(jié)溫度要求，本模具可選用不同的材料制造，如不銹鋼、耐熱不 銹鋼、鎳基高溫合金、石墨等。
粉末冶金材料及其制品的燒結(jié)膨脹缺陷，如孔隙/空洞、變形甚 至裂紋等，主要是由于燒結(jié)過(guò)程中坯體的物理或化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生體積 膨脹作用的結(jié)果。對(duì)于致密體材料，由于熱作用產(chǎn)生的膨脹具有可逆 性，不會(huì)造成缺陷。對(duì)于粉末冶金材料，燒結(jié)是消除粉末界面、實(shí)現(xiàn) 粉末的冶金結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)致密化的關(guān)鍵方法。粉末冶金坯體在燒結(jié)過(guò) 程中由于熱作用產(chǎn)生的膨脹，會(huì)使其中的孔隙/空洞膨脹，孔隙率增 加，影響粉末的冶金結(jié)合；粉末冶金坯體在燒結(jié)過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、 化學(xué)反應(yīng)等物理、化學(xué)過(guò)程，擴(kuò)散的結(jié)果將導(dǎo)致原子的大量遷移和空 位、空洞的聚集，化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果將形成新的物相，改變體積，從而 產(chǎn)生新的孔隙。因此，粉末冶金材料燒結(jié)過(guò)程中的這種膨脹具有不可 逆性，是產(chǎn)生燒結(jié)缺陷的主要原因。例如，元素粉末冶金法制備鈦鋁 合金，燒結(jié)時(shí)坯體體積膨脹高達(dá)30 50%。為了控制粉末冶金坯體的 燒結(jié)膨脹率，對(duì)坯體施加三向約束作用力，限制其產(chǎn)生燒結(jié)膨脹，實(shí) 現(xiàn)約束燒結(jié)。這就是本發(fā)明的基本原理。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果
(1) 本發(fā)明提出的約束燒結(jié)原理及方法，簡(jiǎn)單易行，具有普適性。
(2) 本發(fā)明可以采用常規(guī)燒結(jié)設(shè)備制備直徑較大的粉末冶金坯 體，從而避免使用熱等靜壓，熱壓，加壓氣氛燒結(jié)等高成本工藝和大 型復(fù)雜設(shè)備，所制備的坯體的尺寸大于這些高成本工藝、大型復(fù)雜設(shè) 備所制備的制品。
(3) 利用本發(fā)明提出的約束燒結(jié)原理與方法制成的模具，可有 效控制燒結(jié)坯體的燒結(jié)膨脹缺陷，提高制品的致密度，同時(shí)使材料的 致密化過(guò)程與燒結(jié)過(guò)程可以同步進(jìn)行。與現(xiàn)有技術(shù)中燒結(jié)與致密化分 步進(jìn)行相比，可有效縮短工藝流程，降低材料的制備成本。
(4) 本發(fā)明所設(shè)計(jì)的模具，可采用常用材料，模具可以多次重 復(fù)使用，模具的尺寸可以根據(jù)粉末冶金制品尺寸調(diào)整。
(5) 本發(fā)明采用了分離式內(nèi)、外模，無(wú)緊固件，便于燒結(jié)后坯 體脫模。
(6) 本發(fā)明的模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，成本低廉，有利于規(guī) ?；a(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。
綜上所述，本發(fā)明是一種可以有效控制粉末冶金坯體在燒結(jié)過(guò)程 中產(chǎn)生的膨脹、變形、開裂和孔隙/空洞等缺陷，控制粉末冶金材料 及其制品燒結(jié)致密化、提高其燒結(jié)密度和質(zhì)量的約束燒結(jié)方法及模具，該模具的使用方法簡(jiǎn)單易行。


圖1是本發(fā)明所采用的模具結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖1和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
參見圖1，在約束模1內(nèi)設(shè)有右外模2和左外模3,右外模2和 左外模3是由一個(gè)梯形帶底圓筒整體軸向分割而成，分割切除尺寸約 1 3mm，約束模1與右外模2和左外模3之間的配合錐度為5° 〈 9 〈15 ° ，在右外模2和左外模3內(nèi)設(shè)有左內(nèi)模4和右內(nèi)模5，左內(nèi)模4和 右內(nèi)模5由一個(gè)帶底圓筒整體軸向分割而成，分割切除尺寸約l 3mm;在左內(nèi)模4和右內(nèi)模5與燒結(jié)坯體之間設(shè)有防止坯體與模具發(fā) 生反應(yīng)的隔離片6。
參見圖l，本發(fā)明的使用方法將模壓成形的燒結(jié)坯體7用隔離 片6進(jìn)行包裝后，將其放入由右外模2和左外模3組成的腔體中，然 后將左內(nèi)模4、右內(nèi)模5插入右外模2和左外模3與隔離片6包裝的 燒結(jié)坯體7之間，再將由右外模2、左外模3、左內(nèi)模4、右內(nèi)模5 和用隔離片6包裝的燒結(jié)坯體7組成的整體放入約束模1中，在軸向 (A向)施加100MPa 200MPa的壓力使其壓緊配合，然后放入燒結(jié)爐 中進(jìn)行燒結(jié)。
實(shí)施例1: TiAl金屬間化合物的燒結(jié)
采用粒徑小于43Wn的Ti粉、粒徑為10 100陶的Al粉，按Ti: Al原子比為l: l進(jìn)行配料混合，在500MPa的壓力下模壓成形，制成 尺寸為4) 100mmX15mm的坯體。隨后將其放入圖1所示的模具中組裝 后放入燒結(jié)爐中，按照TiAl合金的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，獲得的燒結(jié) 坯體的體積膨脹率小于1.77%，無(wú)變形、裂紋等缺陷。
實(shí)施例2: NiAl金屬間化合的燒結(jié)
采用粒徑為1 10Pm的Ni粉、粒徑為10 100Wn的Al粉，按Ni: Al原子比為1: 1進(jìn)行配料混合，在500MPa的壓力下模壓成形，制成 尺寸為(!) 100mmX15mm的冷坯體，隨后將其中一個(gè)放入圖1所示的模 具中組裝后放入燒結(jié)爐中，按照NiAl合金的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，獲 得的燒結(jié)坯體的體積膨脹率小于1. 15%，無(wú)變形、裂紋等缺陷。
實(shí)施例3: FeAl金屬間化合物的燒結(jié)
采用粒徑小于147陶的Fe粉、粒徑為10 100m的Al粉，按Fe: Al原子比為1: 1進(jìn)行配料混合，在500MPa的壓力下模壓成形，制成 尺寸為4> 100mmX15mm的冷坯體，隨后將其中一個(gè)放入圖1所示的模 具中組裝后放入燒結(jié)爐中，按照FeAl合金的燒結(jié)工藝進(jìn)行燒結(jié)，獲 得的燒結(jié)坯體的體積膨脹率小于1.02%，無(wú)變形、裂紋等缺陷。
權(quán)利要求
1、一種控制粉末冶金材料及制品燒結(jié)膨脹缺陷的燒結(jié)方法，其特征是在粉末冶金坯體的燒結(jié)過(guò)程中，對(duì)坯體施加三向約束壓應(yīng)力，對(duì)坯體產(chǎn)生約束作用，限制燒結(jié)過(guò)程中坯體的物理或化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的體積膨脹，實(shí)現(xiàn)約束燒結(jié)，控制燒結(jié)體的致密化過(guò)程，保證得到預(yù)期的形狀、致密度和性能。
2、 實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的控制粉末冶金材料及制品燒結(jié)膨脹缺 陷的燒結(jié)方法的模具，其特征是在約束模(1)內(nèi)設(shè)有右外模(2)和左外模(3)，所述的右外模(2)和左外模(3)是由一個(gè)梯形帶底圓筒整體 軸向分割而成，所述的約束模(1)與所述的右外模(2)和左外模(3)之 間的配合錐度為5° 〈0〈15° ，在所述的右外模(2)和左外模(3)內(nèi)設(shè) 有左內(nèi)模(4)和右內(nèi)模(5)，所述的左內(nèi)模(4)和右內(nèi)模(5)由一個(gè)帶底 圓筒整體軸向分割而成；在所述的左內(nèi)模(4)和右內(nèi)模(5)與燒結(jié)坯體 之間設(shè)有防止坯體與模具發(fā)生反應(yīng)的隔離片(6)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制粉末冶金材料及制品燒結(jié)膨脹缺 陷的燒結(jié)方法的模具，其特征是所述的模具的制造材料為不銹鋼、 耐熱不銹鋼、鎳基高溫合金或石墨。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制粉末冶金材料及制品燒結(jié)膨脹缺陷的燒結(jié)方法及模具。在粉末坯體的燒結(jié)過(guò)程中，對(duì)坯體施加三向約束壓應(yīng)力，對(duì)坯體產(chǎn)生約束作用，限制燒結(jié)過(guò)程中坯體的物理或化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的體積膨脹，實(shí)現(xiàn)約束燒結(jié)，控制其燒結(jié)致密化，消除燒結(jié)膨脹缺陷。在約束模(1)內(nèi)設(shè)有外模，約束模(1)與外模之間的配合錐度為5°＜θ＜15°，在外模內(nèi)設(shè)有內(nèi)模，在內(nèi)模與燒結(jié)坯體之間設(shè)有防止坯體與模具發(fā)生反應(yīng)的隔離片(6)。本發(fā)明是一種可以有效控制粉末冶金材料及其制品在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹、變形、開裂和孔隙/空洞等缺陷，提高其燒結(jié)密度和質(zhì)量的約束燒結(jié)方法及模具，該模具的使用方法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)B22F3/12GK101530916SQ20091004311
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者何曉宇, 詠 劉, 劉祖銘, 黃伯云 申請(qǐng)人:中南大學(xué)