一种粉末材料成型与完全密实的固实方法

专利名称：一种粉末材料成型与完全密实的固实方法
技术领域：
本发明涉及一种新的热等静压方法，用来制造零件。此种零件是由金属，金属间化合物或陶瓷粉末材料制成并可带有不同材料热粘接结构或表面涂层。本发明适用于制造简单及复杂形状；无加工或少加工；密实或接近完全密实的零件。
铸造或粉末冶金方法可以制造出复杂形状的零件。具体采用那一种方法取决于零件的材料。在铸造生产中，首先需要造一个带有形腔的砂型(此形腔与零件形状相同)，把金属熔化，注入形腔，等其凝固，与砂型分离即可得到金属零件。金属铸造的优点，是成本低，并能够生产各种形状和尺寸的零件，并适用于小批量及大批量生产。金属铸造方法局限于低熔点和有良好铸造性能的材料。
粉末冶金是一种用粉末材料制造零件的方法。粉末冶金最初之所以得到发展是因为无法熔化高熔点材料。现代粉末冶金方法具有许多其它金属加工工艺不能提供的优点，这些优点包括(a)精确生产控制；(b)适于制造各种复合材料，(c)特殊的物理和机械性能；(d)减少机械加工及表面处理；(e)高的材料利用率；(f)良好的重复性。既然粉末冶金零件是由粉末材料制造而成，在许多情况下自然希望在固实化过程中消除颗粒之间的孔洞，特别是对生产高级和对孔洞敏感的材料。例如，陶瓷、金属间化合物以及它们的复合材料，这点是很重要的。使用热等静压技术是获得完全密实或接近完全密实的粉末冶金零件方法之一。
以前的各种热等静压技术有些问题和缺点，其中固体粒子已经被用作压力传递介质。在这种方法中，用一个普通压力机和固体粒子对零件加压，这种方法很难获得良好的等静压效果。另外采用普通固体粒子作压力传递介质也很难将零件与固体粒子分离，这种分离对陶瓷材料是非常关键的，因为陶瓷材料很脆，不能受到振动和冲击。
本发明的目的之一是利用粒子与粘结剂的混合物，作为压力传递介质，同时也用作造型材料。按照本发明的作法，先制备一个模型，然后将粒子与粘结剂的混合物覆盖这个模型，等粘结剂硬化，即可得到带有形腔的砂型。将粉末材料充入该砂型的形腔，获得零件几何形状，在粉末固实化过程中砂型作为压力传递介质。
砂型可以放入一个容器中，待粉末充入形腔后，将粘结剂烧掉，便砂型失去强度，但砂型形状仍然得以保持。含有粉末材料的砂型，可以由感应、电阻、气体、油、微波、音频或电压选择或均匀加热，可以控制炉内气氛，包括有机与无机挥发物，使不同粉末受热反应在砂型内，形成新的材料。砂加热完毕后，很快传送到一个特殊模具内，此模具最好带有绝热和润滑涂层。
本发明提供了几种砂型外形，压模内腔和压力机组成系统，以获得“准”等静压效果。
按照本发明，将带零件毛坯的砂型送入压模，砂型可作为保温体，或者产生放热反应作为加热体。粉末材料周围气氛可以通过在砂型中加入添加剂控制。砂型和砂蕊可以作为压力传递介质，蓄热体，热传递介质，液体吸收体，可以含有或不含有固体或液体添加剂。
本发明通过使用特殊造型介质，解决了陶瓷零件与压力传递介质分离问题，这种介质经过简单处理很容易溃散。
本发明通过使用湿法粉末材料充填，解决了粉末充入复杂形腔的问题，粉末可以被充入到形腔的任一部分，多孔砂型可以吸收液体，加速干燥。
本发明的主要优点包括(1)高度的灵活性；(2)优良的产品质量；(3)高的生产率；(4)富有竞争性的生产成本；(5)可以在很高的温度(＞3000℃)和压力下(＞1.5GPa)固实化粉末材料。
附图的简要描述参见下列附图可以较好地理解本发明。


图1(a)-(z)图示了本发明的一套典型步骤。
图2图示由上下箱组成的砂型，粉末充入方法。
图3(a)-(c)图示了带有涂层零件的生产方法。
图4图示了一种干粉充入砂型方法。
图5(a)-(c)图示了各种压力传递砂型。
图6(a-(b)图示了一种砂型加压前后的压力矢量。
图7(a)-(b)图示了各种加压过程，以及压力矢量。
图8(a)图示了一种“准”等静压系统。
图8(b)图示了沿图8(a)中A-A线剖开的横断面。
图8(c)图示了另外一种“准”等静压系统。
图9(a)-(c)图示了一种具有装载卸载功能的6向加压系统结构。
图10(a)-(b)图示了一种带有6个短臂的6向加压系统结构。
图11(a)-(c)图示了一种感应加热装置。
图12是自动生产线的流程图。
图1显示了本发明的典型步骤，如图1(a)所示，先有一个粉末零件001的图纸。图1(b)显示了一个带有定位销102和芯头103，用于制造如图1(k)所示上箱406的模具101。图1(c)显示了一个带有定位销105和芯头106，用于制造如图1(1)所示下箱410的模具104。形板101与104是按照图纸001制造。图1(d)显示了用于制造如图1(i)所示半芯502的芯盒501，砂芯构成了砂型的一部分。
图1(e)示意砂型是由粒子201和液体粘结剂202组成。图1(f)展示了一台混合粒子201和液体粘结剂202的碾轮式混砂机。
图1(g)与(h)分别显示了用振动挤压造型机401与408生产上箱406与下箱410的方法。图1(g)所示振动挤压造型机401包括压头407、用于生产上箱406的压模或砂箱405、用于支撑模具101与造型材料以及砂箱的铁砧403、驱动铁砧的振动压力机活塞402以及用于分离砂型406与模具101的顶杆气缸404。模具101上的定位销102插入压模或砂箱405底部的辅助孔中，固定模具与压模的相互位置。造型时，把浇口棒412′和通气孔棒413′放在模型101希望形成浇口与通气孔的位置上。
与图1(g)类似，图1(h)显示的一台振动挤压造型机包括压头411、用于生产下箱410的压模或砂箱409、支撑模具104与造型材料以及砂箱的铁砧403、驱动铁砧的振动压力机活塞402以及用手分离砂型410与模具104的顶杆气缸404。模具104上的定销105插入压模或砂箱409底部的辅助孔中，固定模具与压模的相互位置。压头407与411分别对造型材料加压，就形成了上下砂型。模具101与104上的孔(没有标号)用来接受气缸404顶嘴。
图1(i)显示了一个含有待取出的半砂芯502的芯盒的横断面。砂芯由与砂型相同或不同的造型材料制成。一种情况是使用不易压缩材料造芯。造型时，砂与粘结剂的混合物填入半芯盒501中捣实、刮平，然后用振动或其它方法将半芯与芯盒分离，再用粘结剂将两个半芯粘成一个整体。图1(j)显示了两个半芯粘成的一个整体芯503。
图1(k)和1(1)分别显示了与压模405与409分离后的上箱406与下箱410砂型，模具101和104已与上下箱砂型分离，形成内腔414和415，上箱砂型通道412和413用于粉末充填与放气。通道412与413，以及图4中浇口416是在图1(g)和1(h)所示的造型过程中形成的。浇口棒和通气孔棒置于适当位置用做形成通道的模具。砂型形成以后，棒412′与413′从上箱砂型中抽掉，形成浇口412与通气孔413。用喷枪602将内腔414与415喷上涂料601。
图1(m)表示了砂芯表面也喷上了涂料。图1(n)显示了一个由上下砂型组合而成的砂型。这个砂型内含一个与轮001形状相同但尺寸稍大的内腔702，以补偿固实化收缩，上下砂型可由在接触面701上涂上粘结剂或机械方法组成一体，在粉末充填过程中，上下砂型必须紧密合并在一起，粉末充填完毕就不需要很大的保持力了。作为一种临时合并方法，可以在上箱上放一块压铁或将上下砂型砸在一起。
图1(0)表示用于制造轮001的粉末801和一种选择的液体载体。液体便利了粉末801充填。图1(n)所示的空腔702，粉末可以干法或湿法充填。图1(p)表示用搅拌器803将粉末801与液体802混合。图1(9)表示一个装有粉末与液体混合物的挤压器804。图1(r)表示用挤压器804将粉末与液体的混合物通过通道412充入形腔702，当固液进入形腔时，气体通过气孔413逸出，由于砂型的多孔性质，液体可以被周围的造型材料吸收，促进粉末干燥。
图1(s)表示加热步骤。对砂型加热，去气及除掉粘结剂，可以用感应或电阻炉加热，加热炉1201带有感应圈或加热元件1202，根据需要，加热室可能是真空，惰性气体或空气气氛。
如果形腔702中是金属粉末，则可用感应圈1202选择性加热。如果砂型整体或部分是由石墨或金属制成，砂型可由感应加热。否则砂型用其它加热炉加热。
将已加热好的砂型从炉(图1(s)1201)中取出送入内壁带有润滑和绝热涂层的单锥形压模(图1(t)1207)，用上压头1206对砂型420加压。特别设计底压头1204的外形以使留有一个环形空间1205让砂型压力传递介质流入其间。留有环形空间的目的是让整体砂型可以向下移动，引发侧表面1209对砂型材料加压，固实砂型形腔内粉末材料。
在高温下，砂型准等静压地传递压力到其中的粉末材料上，制成完全密实的零件。
图1(u)表示压缩完毕后，底压头1204将砂型顶出压模。图1(v)表示粉末固实化以后，将砂型放在一个振动机1301上以分离零件与砂粒。图1(w)表示用火焰1302代表的燃烧法分离。如果砂型含有可燃性材料，可以使用燃烧法分离，燃烧只需进行到容易溃散砂型的程度。
图1(x)表示将砂型浸入水中1304的分离方法。砂型最初由CaCO3组成，在约900℃时分解成为CaO，CaO砂型与水反应，形成CaOH1305，失去了强度。
图1(y)表示用室内1403喷砂的表面清理方法。可以使用砂粒或钢粒1402，通过喷嘴或离心轮1401喷射。图1(z)表示用筛网1502尺寸分级回收利用造型材料1501。筛过的造型材料1503已经通过筛网1502。
图2表示本发明的另外一种情况。用纤维毛坯704生产纤维强化的零件。先将纤维毛坯704放入砂型形腔中，将含有基体材料粉末的浆液707通过孔洞412灌入形腔，具有合适粘度的浆液可以在纤维之间自由流动，充满纤维空间。待干燥和固实化后就可以得到纤维强化的零件。如图2所示，其它的固体粉末毛坯705，可以通过扩散粘结到毛坯704上。为了促进粘结，对毛坯705的粘结面706事先进行清理。另外一个或多个插入件703可以放入砂型中，与砂型一起使制成的零件具有良好的表面光洁度与尺寸精度。插入件最好由不可压缩的固体构成。例如，如果想要制造一个带有确定直径的孔洞的零件，可将外直径等于孔洞直径的插入件，放入砂型中，形成孔洞和防止孔洞尺寸受压缩小。
在另外一种情况下，插入件703与本体704由相同的粉末材料制成。于是插入件与粉末本体具有相同的收缩率，防止了固实过程中潜在的开裂。毛坯703上涂有隔离层603，防止毛坯与插入件直接接触。
图3(a)-(c)表示了一种生产带涂层材料604的零件。涂层材料由粉末、粘结剂和液体混合而成。涂层浆液浇入(图3(a)，倒出(图3(b))，在砂型形腔表面形成涂层605。也可重复多次形成相同材料或不同材料的涂层，然后将粉末材料充入形腔，待脱气与除掉粘结剂后，在高温高压下对粉末固实化，使粉末材料与涂层材料粘结在一起。
图4表示将干粉902充入砂型。浇口412与416作为粉末充入及排气的通道。可用工具挖出或用浇口模具形成浇口开口端的漏斗形状。在粉末充填过程中，可用振动器901，振动砂型促使粉末流动和紧密堆积。
图5(a)-(b)表示由压力传递介质与有机粘结剂混合制造的砂型。粉末1104已被充入形腔。砂型由上下砂型组成，砂型已被放入一个由石墨、陶瓷或金属制成的罐中1101。罐1101包括一个带有通气孔1103的盖，经过脱气及去除粘结剂后，砂型变成颗粒1105的松散堆积，但砂型形状及其内的粉末毛坯形状仍然保持不变。然后以适当方式固实粉末材料。
图5(a)和(b)中的粉末可由高温高压固实，也可以由无压烧结固实。可以用机械或气体对其加压。有机粘结剂在高温下分解后，图5(a)的砂型材料变成图5(b)的松散颗粒堆积。将内含粉末材料，已被加热的罐，迅速送入压模加压，其方式类似图1(s)、1(t)与1(u)。在加压过程中，盖1102与罐1101被压力损毁。在某些情况下，盖1102可以不要，有没有盖，罐1101都可以防止颗粒移动，保持砂型形状。
如果使用气体压力，将图5(a)所示的已装载的罐放入普通热等静压炉中在真空下加热。当炉内温度足够高，及保温时间足够长，砂型中粉末毛坯可以被烧结到接近完全密实，即残余孔洞已经互不连通，此时引入高压气体，气体作用在粉末毛坯表面，于是将砂型中的粉末毛坯固实到更高的密度，而罐没有被破坏掉。
图5(c)表示由上砂型418和下砂型417组合而成，内装有粉末419的永久模。永久模可以由石墨、陶瓷或金属颗粒与无机粘结剂制成。将永久模在炉中加热固实化其中的粉末，模子可以重复使用许多次。
机械力不能加到永久模上，模中粉末由无压烧结或用普通热等静压机以与图5(a)和(b)相同的气体加压烧结方法固实。在用无压或气体加压法对永久模内粉末烧结时，两个永久模417和418可以用有机粘结剂粘为一起或将上半模放在下半模上靠自重闭合。无压可以烧结粉末是因为细粉具有高的表面能，自发倾向减少表面能，形成较大颗粒。
图6(a)与(b)表示使用单锥压模1207对砂型420均匀加压，在加压过程中，上压头向下移动Trp，随着上压头下移，砂型的一部分进入压模底部的空间1205，引起整个砂型420在垂直方向下移Trv，滑移Trs。单锥压模内表面1208涂有润滑和绝热材料。底压头1204在加压过程中静止不动，从顶部到中心的收缩为Ct-c，从底部到中心Cb-c，从左面到中心Cls-c，从右面到中心Crs-c。可按照下面的公式计算垂直收缩率。
Cv％＝(Ct－c＋Cb－c)/h按下面的公式计算横向收缩率。
Cti％＝2×Cls-c/Di＝2×Trv×sinα/Di其中h砂模的起始高度
α半锥角Di横断面i处的半径适当的砂型与压模设计可以使垂直与横向收缩率相等或相近。
图7(a)表示一种使用双向加压的准等静压技术。将一个特殊形状的砂型421放入压模1212，用上压头1210对砂型上部加压。下压头1209的形状与上压头相同，用于对砂型底部加压，在压力下砂型的一部分进入隧道1211，结果产生砂型与特殊形状的压头之间的相对运动，于是引发对砂型的侧压。
图7(b)表示了另外一种双向加压技术，此技术由压模1217，上柱形压头1215，上管形压头1216，下栓形压头1213及下管形压头1214组成。在对砂型422加压过程中，两个柱形压头1213及1215以相同速度相向运动，两个管形压头1214及1216也以相同速度相向运动，但管形压头快于柱形压头，由此而产生的各个方向的速度Trtrn、Trt、Trtln、Trbln、Trb及Trbrn相同或相近。图7(c)表示砂型422压缩前形状，及各个运动变量的标号。图7(d)表示了砂型422压缩后的形状，最终相对运行速度以及压力的方向。侧表面在其法线方向的运行速度等于Trtrn＝Trtr×Sinα其中Trtrn上右表面在其法线方向的运行速度Trtr上右表面在垂直方向的运行速度α图7(c)所示角度设计原理是使上下表面运动速度Trt和Trb等于上左、上右、下左、下右表面在其法线方向的运行速度。
图8(a)表示了一种准等静压系统1218。此系统包括一个顶盖1220，压模1219以及对称排列的六个压头1221-1226，压头1224相对压头1223排列，在图中未能显示出来，顶盖1220及上压头1222可以从压模上移开，以便砂型可以放入压力室。
图8(b)是图8(a)系统沿A-A切开的横断面。在对砂型1227加压时，6个压头，1221-1226以相同速度等静或准等静施压。
图8(c)表示另外一种6头压力系统。砂型1228制成立方体，带有6个短臂，对6个短臂施压，获得等静或准等静压。
图9(a)-(c)表示一个带有装卸砂型功能的典型6向压力机结构。此压力机由压力缸901、902、903、904和2个垂直纸面排列的压力缸组成，图中没有显示，一个在前面，一个在后面。压力缸可由液压驱动，或气压驱动，获得冲击锻造效果。螺栓907将压力缸902固定到一个单压力模908上，连杆910起相同的作用。压柱909带有一个方形头与压力缸902相连。图9(a)表示砂型920已经从炉中由传送带或压力缸送到压模口，压力缸904驱动压头905将砂型送入压模待压位置，如图9(b)所示。加压完毕后，压力缸904收缩，压力缸902前进，将砂型推出压模处于等待传送带或推杆将其运走位置，如图9(c)所示。
图10(a)和(b)表示用于压缩带有6个短臂的砂型1020的6向压力压力机。此压力机由6个主压力缸1001、1002、1003、1004和另两个图中末显示出来的压力缸组成，用以压缩砂型。辅助压力缸1007用来开闭压模。4根连杆1008，图中只显示了两根，同时也用做压力缸1004的滑动导杆。压力杆1004与1007连为一体。图10(a)表示砂型1020处于待送入压模位置。图10(b)表示砂型1020处于待压位置。
图11(a)-(c)表示本发明用的一种感应加热炉，它克服了普通感应炉的缺点。含有金属零件或金属粉末的砂型不能有效地被普通感应炉加热，因为零件受到砂型包围，零件与铜感应圈之间的间隙很大。图11(a)-(c)所示的感应炉克服了此缺点。
图11(a)是一种新型感应炉。图11(b)是图11(a)沿A-A线切开的剖面图。图11(b)显示了一个含有金属粉末或固体1712的砂型。将此砂型放入一个C型磁导体1706的上下极之间，由非导电体制成的底板1714支撑。可以用手或气缸将砂型放入感应加热室。如图11(c)所示，铜感应圈1715环绕磁导体1706。此图为图11(b)沿B-B线切开的剖面图。磁力线被聚集在C型磁导体和砂型中。
磁导体可由硅钢片或铁氧粉复合材料制成。加热室1705装有顶玻璃窗1713和由非导电材料制成的底板1714，以及两个气动门1702与1703组成的。加热室1705与真空系统1707和充气系统1709连接，可获得真空，还原气氛或惰性气体。感应加热炉装有一个上料平台1701、一个气动卸料气缸1708、和一个卸料平台1704。用光学高温计1710通过孔1711测量温度。光线贯穿孔1711、磁导体1706、玻璃窗1713、到达金属材料1712的浇口1716。
图12是利用本发明建立的一个示范性的自动生产线流程图。这种生产线可以以超过每小时180件的速度生产复杂形状的高质量粉末冶金零件。
此方法由图1(a)-1(z)所示范，由15个基本步骤组成。另外也提供其它的造型和固实化方法，以适应生产各种零件。取决于实际采用的方法，上述15个步骤中有些可以舍去，有时需要添上附加步骤。下列15个步骤代表了本发明的一种具体应用，本发明并不局限于这15个步骤。
1.模型制造；2.造型/压力传递介质及粘结剂的选择；3.混砂；4.造型；5.造芯；6.上涂层；7.植入和闭合砂型；8.粉末制备；9.粉末充填；10.脱气/去粘结剂；11.封装；12.固实化；13.零件分离；14.清理和其它处理；
15.造型/压力传递介质回收利用。
下面给出每一个步骤的详细说明。
1.模型制造模型是用来形成砂型/压力传递介质的形腔。模型由造型材料包围，造型材料获得模型的反形状。模型可以由木材、金属、塑料或复合材料制成。模型材料的选择，取决于许多因素。例如，要生产零件的数量、尺寸和形状、造型和固实化方法、以及所需要的尺寸精度。
有时需一个或多个芯盒制造插入件或芯，将这些插入件或芯放入砂型内，可以形成零件的内腔。
模型制造先由确定零件的尺寸开始。模型尺寸应该稍大，以补偿零件在固实化和冷却过程中的收缩，以及零件表面加工掉的余量。
2.造型/压力传递介质和粘结剂体系的选择陶瓷、金属、金属间化合物、石墨以及它们的混合物，不论有无添加剂，都可以用作造型介质。适用的陶瓷粒子包括氧化硅、氧化铝、锆砂、橄榄石、铝硅化合物、氧化锆、氧化镁、氧化铬、碳酸钙、碳化硅、氮化硅、氮化硼和其它许多氧化物、碳化物，氮化物以及它们的混合物。Castrite碳砂是一种典型的适合用作造型/压力传递介质的石墨粒子。发电厂粉尘由于其球形、细小、和陶瓷本质对某些应用来说是另外一种造型/压力传递介质候选材料。金属粒子包括耐高温金属和各种钢及合金。其它金属粒子可能在某些特殊情况下有用。不同材料的混合物，用作造型/压力传递介质，可能提供一些特殊的性能便利粉末冶金零件的生产。一种造型/压力传递介质的选择，取决于许多因素。例如，零件材料、形状、尺寸、表面光洁度、造型方法、气氛、固实化方法。可以加入有机或无机固体或液体添加剂，用以调整砂型的机械、物理、电和化学性能，或者可以产生特殊功能。例如，控制气氛。举例，细碳分和氨添加剂受热能与空气反应或分解在砂型中粉末材料周围产生希望的气氛。
一个整体砂型可以由造型/压力传递介质与粘结剂形成。也可由真空和磁作用力形成。粘结剂可以是有机或无机，带有或不带有添加剂。例如，增塑剂和稳定剂。目前在铸造中常用的有机与无机粘结剂是用来制造压力传递介质砂型的优选粘结剂，将在第4节中详细叙述。硅胶及其它具有良好弹性的粘结剂，因为其好的压力传递性能，也是很好的选择对象。在某些情况下，目前在陶瓷和金属注塑成形中使用的粘结剂及添加剂。例如，聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚醋酸乙稀酯、聚甲基丙烯酸甲酯、琼脂、甲基纤维素和蜡。铝酸盐、磷酸盐以及硅酸盐基的粘结剂也可以使用。
作为本发明的一个具体应用，最好使用石英砂、碳砂、锆砂、铬砂、碳酸钙砂或者橄榄石砂，因为它们比较便宜以及经常在铸造中使用。优选粘结剂包括钠硅酸盐、呋喃以及氨基甲酸乙脂。粘结剂加入量最好为粒子重量的2％至20％。对造型/压力传递介质的要求在本发明中，粒子既用作造型材料，也用作压力传递介质。粒子还提供其它功能，用作绝热体、蓄热体、加热体、热传递介质、气氛控制剂，或者吸附液体的海绵体，可以加速干燥。
作为造型/压力传递介质所希望考虑的性质包括a)粒子形状，尺寸及尺寸分布；b)高耐火度；c)低挥发性；d)与粘结剂相容；e)导热性；f)热膨胀系数；g)电性能；h)室温及高温的机械性质；i)化学性质；j)售价；k)货源；l)回收利用性；m)对环境无害。
造型材料的颗粒尺寸、尺寸分布决定了粉末零件的表面光洁度。这是因为颗粒在高压下直接与粉末接触，或者被薄涂层隔离。自然希望避免造型材料与粉末材料互相渗透。互相渗透会造成零件表面粗糙或机械粘砂。细颗粒可以改善表面光洁度。但是细颗粒通常导致差的流动性。从造型角度来说是不希望的。在高温高压固实化过程中，细颗粒也导致高的强度，不利于零件与造型材料的分离。合适的颗粒尺寸和尺寸分布，可以将潜在的分离和表面粗糙问题减少到最低程度。
为了减少颗粒间摩擦系数，最好使用球形颗粒。为了进行高温固实化，容易将零件与颗粒分离和重复使用造型材料，希望使用高熔点颗粒。但是有时也希望在固实化温度下造型材料中出现软的玻璃体，起润滑作用以获得好的等静压效果。
希望使用低挥发物的材料作造型/压力传递介质。这是因为(1)从低温到高温它们具有稳定的体积；(2)可以快速加热和短的脱气时间；(3)对加热设备和粉末材料污染少；(4)环保问题少。如果使用封装法，在密封前除去挥发物非常重要。另外，控制挥发气体与粉末间的反应也很重要。例如，在高温下造型介质中释放出来的结晶水很容易氧化砂型中的金属粉。在这种情况下，或者使用熔化法生产的造型介质或加入碳粉与水蒸汽反应形成还原气氛。
按照本发明，在多数情况下造型/压力传递介质是与粘洁剂混合制成无箱砂型。其强度是以支撑砂型重量，防止划痕，经受如图1(r)所示的湿法充填和图4所示的干法充填过程中的冲刷和振动。造型介质应与粘结剂相容，以获得好的强度。
在本发明中，除了使用感应、微波、音频、电压选择性加热以外(见12.1.1节)，整个砂型被加热到高温度。热通过砂型传到其中的粉末。如果砂型的导热性能差，就需要较长的时间加热粉末到固实化温度。在这种情况下，希望使用导热性好的材料。在砂型从炉中输送到压模过程中，热会散到空气中，或传到压模而损失掉。为了在加压过程中将粉末材料保持在固实化温度较长时间，希望使用低传热系数材料。选择具有低或高的导热性能的造型介质，取决于加热和固实化方法、零件材料、尺寸和其它考虑。在某些情况下，碳或其它能与空气反应产生热量的材料，可以加入砂型中，以补偿砂型输送过程中热的损失。
通常希望使用低热膨胀系数的造型材料。因为它们可保证在加热过程，砂型的形状和尺寸稳定。但在某些情况下，希望使用与粉末材料热膨胀系数相近的造型材料，以减少热应力。
在多数情况下，造型材料的导电性不是主要问题。但是在使用造型介质做加热源的情况下，例如，用感应或电压直接加热石墨或金属，微波或音频加热，则造型材料的电性质就很重要了。
在许多情况下，希望使用在室温和高温下具有高硬度和良好韧性的材料，在高压下不会或仅有少量破裂，但也有些例外。在单向或双向加压过程中，由于固体粒子大的相对移动摩擦力，这些粒子不能自行调整位置，导致差的等静压效果。也许在高温下具有良好塑性的造型材料是一种更好的选择。具体选哪种材料取决于对零件的要求和固实化方法。
造型/压力传递介质应该与粉末和封装材料不起反应。否则的话，在砂型形腔表面需要刷上一层厚涂层。造型介质应该在高温下稳定。但是在某些情况下，希望利用化学不稳定性。CaCO3是一种丰富和便宜的材料。它在约900℃的空气中按下列公式分解
产生的CaO具有2614℃的高熔点。固实化以后，CaO砂型很容易在水中，甚至在空气中溃散，形成CaOH或者CaCO3。由于室温稳定性，高耐火度以及容易溃散的性质，使CaCO3颗粒成为一种固实陶瓷粉末用的。很有吸引力的候选造型材料。整体固体压力传递介质整体固体可以用作压力传递介质。一般讲，固体材料可以分为弹性、脆性、韧性和塑性材料。弹性材料在断裂前可以有很大弹性变形。脆性材料在断裂前只有很小的弹性变形，设有成极少的塑性变形。韧性材料先出现弹性变形，然后出现带有应变强化的塑性变形。塑性材料在压力或拉力超过屈服点后能够产生很大的塑性变形而没有应变硬化。
由固体和粘结剂制成的整体压力传递介质可以人为做成3类在高温下，低强度脆性砂型；韧性砂型和塑性砂型。这些砂型有可能在室温下都是脆性的。低强度脆性砂型在高压下解体成为松散粒子传递压力。可以选择颗粒与粘结剂体系，使其在固实化温度下成为韧性或塑性体。它们的屈服强度足够支撑自身重量，但比所施压力低得多。设计这种颗粒与粘结剂的体系是可行的。因为很容易找到在室温是脆性，在高温由无机粘结剂和其它添加剂辅助变成韧性或塑性的陶瓷材料。本发明的优点之一，是可以施加很高的压力。高压很容易克服砂型的屈服强度。使砂型塑性变形。良好的塑性有助于建立等静压环境。3.混砂造型原材料包括颗粒，粘结剂和附加剂，以一定比例和顺序送入混匀设备。混匀程序由混匀机类型、选用的颗粒和粘结剂体系所决定。最好采用连续式或间歇式碾轮混砂机。
对某些颗粒与粘结剂体系，从混匀地点到造型地点的输送时间，以及混好后到使用前的保存时间很重要。所以应该仔细控制。4.造型砂型可以由适当的手工或机器造型。最好利用目前铸造行业采用的造型机和技术。
本发明采用的造型工艺，根据使用次数，分为一次性和永久模造型。适用于本发明的造型工艺包括热固树脂粘结剂；冷芯盒树脂粘结剂；无焙烧树脂粘结剂；硅酸盐和磷酸盐粘结剂；石膏粘结剂，失发泡模反模，陶瓷模及注塑工艺。每种一次性造型工艺，可以有几个子工艺。本发明所用的永久模与铸造用永久模有很大的不同。
在本发明中，砂型的形腔表面区与后面的支撑区，可以使用不同的颗粒。其优点是容易满足不同区域的需要，节省费用。压力传递介质砂型-形状与尺寸压力传递介质砂型的外形与尺寸需要特别设计与控制，以便当压力单向、双向、6向或更多方向使用在砂型上时形成等静压环境。第12节作了详细解释。造型设备可以利用商业造型机，单件或批量生产小或大砂型。这类设备可以分为振动式，振动挤压式，抛砂式，高压和注塑造型机。主要的调整包括设计和制造新的工装卡具，以方便制造和搬运无砂箱特殊外形的砂型。金属和陶瓷容器如果使用有机粘结剂，有可能需要用特殊或普通形状的容器来保持粘结剂分解以后的砂型的形状。如果使用第11和第12.4节所述的封装固实法，容器可用金属制成。如果使用第12.1，12.3和12.4节所述的其它固实方法，容器可用陶瓷或高熔点金属制成。按照第12节所述的各种固实化方法确定容器的形状与尺寸，容器的壁厚应该能够在高温下支撑压力传递介质砂型的重量，而不发生严重变形，但在压模中，机械施加的高压可以很容易使其变形。热固树脂粘结剂造型工艺壳型、热芯盒、温芯盒及炉培烧造型工艺属于此类。在壳型造型工艺中，压力传递介质裹上酚醛树脂和六甲撑四胺。带有树脂涂层，干的和自由流动的粒子覆盖被加热到150℃到315℃的金属模具上保持10到30秒。树脂硬化造成颗粒互相粘结，形成了一个结实的壳。待型壳固化，与模型剥离开，放入必要的芯，上下砂型就可以牢固闭合了。将整体壳型放入一个容器中，周围加上填料，此砂型就可以装粉末材料了。
在热和温芯盒工艺中，液体呋喃或者酚醛粘结剂，潜酸性催化剂和造型介质混合装入已被加热的芯盒中。由于受热，催化剂释放出酸引发快速硬化。在10到30秒内砂型或芯可以拿走。在砂型或芯与模型分离后，由于放热化学反应和砂型或芯吸收了热，硬化继续进行直到完毕。
炉焙烧造型工艺用来生产具有一定湿强度的潮模砂型。湿强度允许潮模砂在室温喷射，手捣实，或者压实。在砂型与模具分离后，能保持形状。未硬化的砂型放在底板上送入炉内干燥硬化。亚麻和菜油是这类的主要粘结剂。也使用甲醛与酚醛树脂粘结剂。造型介质混合物通常含有1％或更少的谷物，和少量的膨润土以改善湿强度。冷芯盒树脂粘结剂造型工艺在此工艺中，是用蒸汽或气体催化剂来硬化造型介质与粘结剂的混合物。此工艺常用的粘结剂与催化剂体系包括，酚醛氨基甲酸乙脂与三乙基胺或者二甲基乙胺，呋喃和聚丙烯环氧树脂与二氧化硫，酯固碱性酚醛与甲基酸盐，以及硅酸盐与二氧化碳。无焙烧树脂粘结剂造型工艺在此工艺中，用两种或更多的粘结剂成份与造型粒子混合。取决于使用的粘结剂，硬化剂和用量，粒子种类以及温度，混合物在几分钟至几小时内硬化。此工艺常用的粘结剂体系包括酸催化呋喃树脂，酸催化酚醛树脂，酯固碱性酚醛树脂，酯催化硅酸盐，油氨基甲酸乙酯，酚醛氨基甲酸乙脂，多元醇异氰，和铝磷酸盐。硅酸盐与磷酸盐粘结剂此类包括粘土与水粘结剂，胶体二氧化硅粘结剂，硅酸乙酯，水玻璃，液体磷酸盐，ShawTM以及UnicastTM造型工艺。石膏粘结剂石膏模可以用来生产低温固实粉末零件。此类有4种选择普通石膏模；型板不膏模；ANTIOCHTM工艺以及发泡石膏工艺。模型的主要成份是硫酸钙。其它用来调整干湿强度与透气性的材料包括水泥、云母、玻璃纤维、砂子、粘土、硅灰石、球光体以及烟囱粉尘。失泡与REPLICAST造型如果进行某些修改，失泡或者REPLICAST一造型技术也可以用来获得粉末零件形状。在本发明中，将膨胀了的聚苯乙烯发泡模型涂上涂料，埋入粒子与粘结剂混合物的砂型中。将砂型放入炉中烧掉聚苯乙烯发泡模，强化由涂层形成的陶瓷壳，留下了待粉末充填的形腔。发泡模应在空气炉中烧掉。粘结剂可以在发泡模烧掉以后保持形腔形状。真空造型真空造型是一种独特的生产压力传递介质砂型的方法。在这种造型工艺中，造型/压力传递介质由薄塑料膜包裹，并对其内腔抽真空形成砂型。在砂型与模型分离以后，其强度和形状是由真空引起的压力，作用在塑料膜的外表面上获得和保持的。砂型形腔的形状是通过将一张塑料膜覆盖在一个特别设计的模型表面，然后开始抽真空得到的。砂型的外表面形状是通过使用一个内形状等同于砂型外形状的框式砂箱获得的。陶瓷模造型在本发明中使用的陶瓷模造型工艺可以至少分为ShawTM工艺与UnicastTM工艺。在ShawTM工艺中又分为ShawTM整体陶瓷模工艺与ShawTM复合模工艺。
在ShawTM整体陶瓷模工艺中，陶瓷粉，硅酸盐粘结剂与胶凝剂混合在一起制成奶油状稀浆。将稀浆浇到一个模型上几分钟以后就胶凝化。然后将这个带有反模的胶凝陶瓷模与模型分离。用燃烧或焙烧烘干。在ShawTM复合模工艺中需要一个毛坯模具和一个制成品模具。毛坯模具与制成品模具形状相同，只是各处尺寸稍大几个毫米。用造型介质与粘结剂的混合物覆盖毛坯模以制造带有尺寸稍大形腔的上下砂型。取决于实际应用，粒子与粘结剂的体系几乎可以是第2节及本节前面所述的任何一种。待造型混合物固化以后，毛坯模具就可以与制成的砂型分离。将制成品模具取代毛坯模具的位置及将砂型放回原处。形腔与制成品模具间应该有几个毫米的间隙。将陶瓷浆液灌入这个间隙，形成陶瓷面层。将制成品模具分离，用燃烧方法干燥带有陶瓷面层的砂型。
UnicastTM工艺与ShawTM工艺相似，仅有两个区别。第一，在UnicastTM工艺中使用液体，而不是燃烧处理胶凝的陶瓷型。第二，陶瓷面浆液先涂在模具上然后覆盖造型介质与粘结剂的混合物。待粘结剂硬化以后，这个复合砂型就可以与模具分离。永久模造型永久模可以重复使用以生产同种形状和尺寸的零件，所以比较经济。在生产如图5(C)419所示无限制收缩的零件时，可以采用永久模并使用下面第12.3与12.4节所述的固实化方法。这些永久模不同于目前铸造行业所用的永久模。在本发明中，永久模是由陶瓷或金属造型材料与无机粘结剂制成。在固实化过程中，将这种装有粉末材料的永久模在炉中加热，永久模必须能够经受高温和热疲劳。5.造芯冷芯盒，热固和无焙烧工艺都可以用来造芯。注塑是另一种造芯工艺。其特点是尺寸精度高。在某些情况下，使用与造型材料相同的材料造芯以获得相同的收缩率。6.涂层在多数情况下，需要在砂型形腔与砂芯表面涂上各种涂料以防止粉末与周围造型和造芯材料之间的反应。另一目的是防止细粉末渗入造型或造芯颗粒之间造成粘砂。
通常使用5种组份制备涂料涂层材料、载体、悬浮体、粘结剂和化学调整剂。涂层材料可以是碳、氮化硼、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铁、锆砂、氧化铬、碳化硅、氮化硅和其它氧化物、碳化物及氮化物。耐高温金属也可以用作涂层材料。
可以采用喷、刷、沾和浇的方法上涂层。如果需要也可以施加同种或不同种材料的多层涂层。
在本发明中，也可以采用一种独特的方式制造带有特殊功能涂层的零件。在许多实际应用中要求一个零件的表面与本体性能不同。这些应用促进了各种涂层技术的发展。例如。热喷涂、寻离子体喷涂、物理蒸镀、化学蒸镀等。每种涂层方法各有优缺点。例如热喷涂与等离子体喷涂产生的涂层含有高的孔隙率，而化学蒸镀速度很慢。在本发明中，可以将涂层材料的浆液涂到压力传递介质砂型内表面和砂芯的外表面。在高温高压下，充入砂型形腔的粉末可以与涂层材料粘结在一起，这样制成的涂层结实和密实。涂层可以薄或厚，整体或局部，单一成份或多种成份，单层或多层。使用多层涂层的目的一之一是引入中间层以协调本体材料与最外层材料之间大的性能差别，或者制造梯度材料。为了减少潜在的功能涂层与造型介质之间的粘结及增强零件本体与功能涂层的结合，应该在砂型腔表面与功能涂层之间加入一层隔离涂层。其它的施加涂层(或镀层)的方法包括通过零件表面与选择的涂层间的反应，在零件表面渗氮、渗碳或碳氮共渗。
由其它成型工艺生产的毛坯也可以用本发明施加功能涂层。将含有涂层材料与粘结剂的浆液涂到毛坯表面。将粒子或粒子与粘结剂的混合物覆盖毛坯。按照下面第12节的方法施加热等静压，使涂层材料与毛坯粘结在一起。7.植入与砂型闭合在闭合由几个部分砂型组成的砂型时，如果需要插入砂芯与其它植入物，应将它们放入砂型并固定好。其它植入物包括任何固体或粉末的金属、不墨或陶瓷件，用以控制表面光结度和尺寸，均匀收缩，和选择性加热。其它植入物中包括金属与陶瓷毛坯，用于扩散粘结和制造混合材料零件，以及纤维毛坯用于制造纤维强化复合材料零件。
粉末零件的表面光结度与尺寸精度依赖于砂型和砂芯的表面光滑度和尺寸精度。因为在固实化过程中粉末在压力下与它们相靠。在本发明中，砂型在固实化过程会收缩引起粉末零件尺寸的变化。为了改善局部表面光洁度和尺寸精度，带有良好表面光洁度和尺寸精度的金属或陶瓷件可以放入砂型中的指定位置。在固实化过程中，植入固体件的尺寸及表面光洁度基本保持不变。所以零件的局部表面光洁度与尺寸精度就可以改善。
扩散粘结是一种将相同材料粘结在一起生产特殊结构零件，或不同材料粘结在一起生产特殊混合材料零件的常用技术。扩散粘结需要高温与高压。本发明不仅提供了所需要的高温与高压，同时也便利了将固体与固体，固体与粉末，粉末与粉末，两个或更多不同部件同时粘结在一起的条件。本发明也提供了一种简易的方法以几乎任一位置和角度粘结各种形状和尺寸的组件。其它的各种粘结技术几乎都不能或很困难做到这一点。
可以使用粘结剂或机械方法组装砂型使其紧密闭合及足够结实，可以经受粉末充填过程中的振动和固实化过程中其它的处理。8.粉末及其制备理论上讲，当前用粉末作原料生产金属、复合材料和陶瓷零件用的各种粉末都适用于本发明。本发明中粉末充填形腔的方式，以及不同粘结剂或机械自馈以保持粉末体形状的能力使本发明对各种粉末有很强的适用性。也可以选择一种粉末或粉末的混合物，通过加热使粉末之间或与可控气氛起反应，在砂型内制成特殊材料。
通常粉末冶金需要使用细粉。这不仅是因为想获得细的显微组织结构，更至要是为了获得可烧结性，及高的干湿强度便于搬运。例如，金属粉末注塑成型需要使用小于15μm的粉末而不是常用的50μm。细粉总是比较贵。
在本发明中粉末堆积体的形状与重量在整个成型与固实化过程中是由周围造型介质保持与支撑，直到粉末变成结实的整体零件。在本发明中，粗粉和细粉都可以使用。
为了减少烧结收缩缺陷和获得准确的尺寸和形状，高的粉末堆积密度和良好的流动性很重要。对于干法充填希望使用球形粉末，因其流动性好和堆积密度高。单一尺寸的最高堆积密度为64％。直径比大于7，由60-65％粗粉及35-40％细粉组成的双尺寸球形粉的堆积密度可达75％。控制多尺寸颗粒的尺寸分布可使堆积密度超过80％。为了得到高的堆积密度应该使用双尺寸或多尺寸粉末。
如果使用非单一尺寸或多相粉末，例如粉末中含有用于强化的纤维，在充填之前应使用合适的混匀机充分混匀。
金属，陶瓷或者它们的混合物也可以与液体混合，用以湿法充填。液体可以加入其它添加剂，例如粘度调解剂、粘结剂、增塑剂、偶合剂、脱絮剂、絮凝剂、发泡剂、去发泡剂以及润滑剂。液体可以是水、矿物油、蔬菜油或者有机溶剂，例如煤油、气油或酒精。浆液的流变性能很重要。一般希望获得高的固体颗粒浓度但是粘度又比较低。加入粘结剂、增塑剂和偶合剂的目的是增加强度和塑性，以克服液体蒸发后引起的内应力。粘度调解剂可以用来控制浆液粘度以及颗粒的沉淀。脱絮剂与絮凝剂可以用来控制粘度，增加固体加入量以及减少粉末堆积缺陷。发泡与去发泡剂可以用来除去浆液中的气泡或者形成海绵体。润滑剂可以用来改善流动性。
与金属粉末相比，陶瓷粉末比较轻比较细。这些特征使陶瓷粉末很难以干法充填获得高的堆积密度。如果需要干法充填陶瓷粉，那么用喷式干燥机先将粉末造成丸就是一种比较理想的方法。这些丸有良好的流动性，其内部堆积紧密。9.粉末充填在本发明中，粉末可以干法或湿法充入砂型形腔中。如果干法充填，根据形腔结构，粉末可以从一个或多个浇口倒入或吹入形腔。需要一个机械振动器帮助粉末流动和增加堆积密度。如果湿法充填，先将粉膏或粉浆装入一个挤压装置或挤压机。粉末在压力下通过顶部、底部或其它适当位置的开口挤入形腔，形腔内空气通过一个或多个细排气孔排出。应该仔细设计开口位置、形状与尺寸。应该控制挤压压力、速度，保持压力与时间以便获得最佳效果。冷或热压缩空气可以用来脱水与干燥。10.脱气与去粘结剂内含粉末的压力传递介质砂型可能含有人为加入的挥发物。这样的挥发物包括有机粘结剂、无机粘结剂、水、有机溶剂、油和其它添加物。也可能含有天然挥发物。例如碳酸物分解释放出的CO2结晶水和粒子表面吸附的气体。在砂型被封装前，这些挥发物应该除去，以免砂型加热到固实化温度时引起爆炸。有些挥发物可以在低湿空气中干燥除去。水及低熔点溶剂可以用这种方法。但是大多数挥发物靠高于室温的加热除去。
按照脱气/去粘结剂后的强度，有两类粘结剂低强度不能支撑自重，与高强度能支撑自重没有或只有少量变形。在第一种情况下，例如使用某些有机粘结剂，在脱气/去粘结剂过程中需要用一个容器盛装砂型。尽管加热除去了有机粘结剂使砂型失去了强度变成松散粒子堆积，砂型及形腔形状仍然保持不变，粉末体的形状没有被破坏。
如果挥发物的含量很高，为了防止由快速挥发造成沸腾和突然收缩，在一些临界温度，加热速度应该很慢。沸腾与突然收缩可能降低砂型强度，损坏尺寸与形状，造成砂型与零件开裂以及污染粉末。
脱气与去粘结剂可以在气、油、电阻、微波、音频或电压炉中，在空气中，真空下或惰性气体中合适的温度与压力下进行。11.封装取决于第12节描述的固实方法。装有粉末的压力传递介质砂型可能需要封装。罐的作用是当气体、液体或固体压力传递介质作用在其外表时，将压力等静压传递到砂型及其内的粉末体。在较低温度下固实可以使用金属罐。在较高温度下固实可以使用石英罐。应该控制罐的形状、壁厚、气密、机械和其它的性能。12.固实化本发明给出了5种粒子固实化方法，以适应用不同的材料和设备制造各种零件以满足各种要求。12.1.用压力机或气锤模压在这种方法中，将含有粉末的压力传递介质砂型在炉中加热，侍加热温度与保温时间足够以后，将砂型很快从炉中转移到压力机或气锤下的压模内。驱动压力机压头或气锤冲头对砂型加压。压头保持一定时间后，或者足够次数的冲击后，砂型从压模中顶出以得到无孔洞或近似无孔洞的零件。
具有特殊外形，及内装由其它工艺生产的毛坯的砂型，也可以用压力机或气锤在压模中固实。12.1.1.加热炉取决于粉末材料以及最高加热温度，可以用真空、惰性气氛、还原气氛或空气炉，加热内含粉末的砂型。可以向炉内充满或输入连续流动的还原气体，注入液体，放入固体材料或用固体材料覆盖砂型以获得还原气氛。这些液体或固体材料很容易在适当的温度下分解或与氧气反应形成还原气氛。许多碳氢化合物适合此用途。氨是一种适合此用途的常用液体。
加热炉可由气体、油、电阻、感应、微波、音频或电压单独或组合加热。使用哪一种加热方法，取决于粉末材料、零件尺寸、数量、温度、气氛及加热速度和现有炉子。
感应加热具有特殊的用途，可以对金属粉末进行选择性加热。在这种情况下，经过处理的金属粉末可以被很快地加热到固实化温度，而砂型仍然保持低温并可以起保温作用。选择性加热的优点包括节省能源，加热快，对压模压头要求低，对造型介质要求低以及易于操作。局部加热也可以通过感应加热预先放入砂型内指定位置的金属块或石墨块来实现。这种加热方式有些特殊应用。例如扩散粘结。可以利用微波或音频对金属和非金属进行选择性加热。可以直接对导电材料制成的砂型或砂型内的金属粉末材料加电压来加热粉末到指定的温度。12.1.2特殊压模与加压在利用整体砂型作为压力传递介质的情况下，需要特殊压模以得到准等静压效果。可以使用下列3种压模来达到目的。12.1.2.1.单锥压模与加压图1(t)、图1(u)以及图6给出了单锥压模的典型结构。对压力传递介质砂型可以有2种加压方式单向加压与双向加压。两种压模的基本结构是一样的。
压模带有一个由3部分组成的压力腔(图1(t)与图6)。压力腔上部的大孔用来接受压力传递介质砂型和引导上压杆。当压力作用在砂型顶部时，中部锥形段可以产生侧压力。底部的小孔用来容纳特殊形状的砂垫和引导下压杆。
图6表示获得均匀收缩的原理。当砂型压力传递介质受顶压而下移时，就引发了对砂型的侧压与底压。假设压模的锥形侧表面与砂型之间有理想的润滑以及垂直方向的均匀收缩，那么，垂直方向收缩率就可以表示为Cv％＝Ct-b/h其中Cv％垂直收缩率；Ct-b压力传递介质砂型从顶部到底部的收缩；h砂型原始高度。砂型整体或者砂型中心应该能够下移Trv这个距离的大小取决于砂型强度、砂型尺寸、砂型可压缩性以及零件1205(图6)的形状与尺寸。砂型的横向收缩可以根据下移距离与锥角计算。
Cls-c＝Trv×sinαCrs-c＝Trv×sinαCti-Cti％＝2Cls-c/Di＝2×Trv×sinα/Di其中Cls-c砂型左侧面到中心的收缩；Crs-c砂型右侧面到中心的收缩；Cti％在直径等于Di处的横向收缩；Trv垂直移动距离；α半锥角Di锥形孔i处横断面直径。可以设计压力腔的尺寸与形状以使横向和垂直方向的收缩率相等。在某些情况下，曲线形压力腔轮廓比直线形轮廓更好。
压模压力腔形状的正确设计应该包括考虑了砂型尺寸和可压缩性、零件尺寸与收缩率的影响。12.1.2.1.1.单向加压在单向加压过程中，为得到砂型的准等静压效果，底部气垫扮演了很重要的角色。这个气垫的空间是设计成允许一部份砂型在压力下流入以便比较均匀地压缩压力传递介质砂型。没有这个空间，砂型只能垂直收缩。如果这个空间太大，零件的形状就不能保证。12.1.2.1.2.双向加压获得均匀等静压的另外一种方式是对砂型双向加压。上顶杆下移迫使压力传递介质砂型下移。下顶杆也同时下移以支撑砂型底部和为砂型下移提供空间。下顶杆下移速度低于上顶杆下移速度以产生对砂型底部的压缩。砂型收缩是由上顶杆、压模侧壁、下顶杆决定的。控制底部的压缩速度使之近似等于顶部压缩速度。上下顶杆双向加压最好使用考虑了砂型几何形状、尺寸和可压缩性的计算机程序控制。12.1.2.2双锥压模与加压双向加压压力模也可设计成图7所示的样子。砂型外形可以分成3部份2个锥台，一个在上部，一个倒放在下部，一个短圆柱在中部。上下顶杆的压头部份像是一个带有沟槽的碗。这个沟槽允许砂型材料流入。碗的轮廓曲线是按照能产生比较好的均匀压缩设计的。在压缩过程中，上下顶杆分别以相同速度相对运动。砂型上下部份以与单向加压单锥压模类似的方式收缩。砂型中部收缩是通过上下顶杆压头曲线的运动造成的。
可以通过使用图7(b)、7(c)和7(d)所示的压力系统得到较好的准等静压效果。12.1.2.3多向加压，砂型与压模压力传递介质砂型可以制成特殊的形状和用一个特殊的压力系统多向加压以得到较好的准等静压效果。图8(a)和8(b)展示了一种典型的6向加压系统。
6向加压系统的6个压杆可以对称或非对称排列。压力传递介质砂型可以是立方、正方和矩形、带有或不带有6个短臂。短臂的横断面可以是正方、矩形、圆形、椭圆形和多边形。正方形或者矩形砂型用于制造长形零件，例如棒和板。取决于砂型形状，6个压杆或3对压杆可以以相同速度运动，也可以以不同速度运动，以得到各向压缩率相等。这种系统可以带有任一方向的装料和卸料口。12.1.2.4.加热压模可以设计与制造带有加热源的压模以便在高压下可以保温一段时间。感应加热是一种加热方式。这种压模带有不同材料的组合结构一个水冷金属壳与一个陶瓷衬里。感应圈埋在陶瓷衬里之中，感应圈中的交变电流加热砂型中的金属材料。12.1.2.5压模涂层/润滑最好对压模内表面和压杆压头表面涂上润滑涂层起润滑和绝热作用。涂层对于得到准等静压和减少固实化之前砂型的热损失以及延长压模与压头的使用寿命都很重要。氮化硼、石墨、云母、滑石粉、白垩粉、粘土、金属氧化物、硅藻土、皂石和蛭石是较常用的涂层材料。涂层浆液可由上述一种或多种材料的粉末加上液体与粘结剂制成。涂层可以喷或刷上。12.2封装固实法压力传递介质砂型可以用金属或石英材料在砂型除去粘结剂和脱气后真空封装。内部装有砂型和粉末的罐可以用普通热等静压(气体做压力传递介质，高压)设备固实，或者用低压烧结炉(气体做压力传递介质)固实，或用ROC(高速全向压缩，用液体作压力传递介质)设备固实，以及用CeraconTM(用固体颗粒作压力传递介质)设备固实。12.3.无封装固实法在此方法中，无封装砂型可以使用真空/压力烧结炉、普通热等静压炉、ROC设备、CeraconTM设备、真空炉、惰性气体保护炉以及空气炉。
真空/压力烧结炉以及许多热等静压设备即可以对其加热室抽真空也可以对其加热室充气加压，并且在一次运转中互相转换。
使用真空/压力烧结炉或者热等静压设备时，先将含有粉末的砂型在真空中烧结直到粉末体中已不含有连通孔洞(约为95％理论密度，即由理论完全密实密度除测量密度)，然后施加气体压力。因为零件的孔洞已被封闭，虽然没有完全密实，气体压力仍然能够加到零件的表面将其在高温高压下进一步固实。
如果使用ROC设备以及粘性液体不能渗透细小的孔隙，那么就没有必要先将粉末零件烧结到孔洞封闭的程度。砂型只要加热到指定温度和保温一段时间，然后传送到ROC设备的厚壁金属筒中。将预先加热好的粘性液体压力传递介质浇入金属筒中，通过压头向下移动对液体上表面加压，液体将压力传递到粉末体上。
如果使用CeraconTM设备，没有必要先将零件烧结到孔洞封闭后加压。先将砂型在炉内加热到指定温度并保温一段时间，然后送入CeraconTM设备的厚壁金属筒中。将预先加热好的粒子倒入其中，驱动液压机压头向下加压，固体粒子将压力传递到砂型上以及其中的粉末体上。
如果使用真空炉、惰性气体保持炉或者空气炉，含有粉末材料的砂型只需加热到指定温度和保温一定时间。因为有砂型的支撑，粉末零件的烧结温度可以比较高而不出现大的烧结变形。高的烧结温度有助于获得无孔洞或极少孔洞的零件。
金属材料也可以在砂型中熔化及凝固以生产零件。在这种选择中，含有金属粉末或金属大颗粒的砂型被加热到超过其中金属的熔点的温度，然后让金属凝固形成零件。金属粉末或金属大颗粒可以是，含有指定成份的单一材料也可以是混合材料以熔化形成指定成份的材料。按照这种方法，真空或者惰性气体保护炉可以用来生产零件。如果使用压力烧结炉，可以在金属凝固过程中施加压力以减少铸造疏松缩孔。12.4用石墨、氮化硼和高温金属压模及热压机固实化热压机是这样一种设备，其水冷工作室顶部装有一个液压顶杆，或者顶、底部各装有一个液压顶杆。工作室可以抽真空或由惰性气体保护。通常使用一个石墨柱形压模，其中心有一个孔洞用来装粉末。孔的两端各用一个石墨棒堵住。在高温下用顶部液压顶杆或顶底部液压顶杆迫使两根石墨棒相对运动，就压缩了粉末。石墨压模是由感应或电阻加热。可以加到粉末零件上的最大的压力受到石墨材料强度的限制，通常不超过5000psi。
按照本发明在这种情况下的应用方法，先生产一个带有特定外形和形腔的砂型，形腔内充满粉末材料。将砂型放入石墨、氮化硼或耐高温金属压模中在热压机中压缩。砂型外形与压模的孔洞形状应按第12.1.2.1.1，12.1.2.1.2与12.1.2.2节中描述的形状设计以获得准等静压效果。砂型可以由陶瓷，金属或石墨颗粒制成。应对压模内表层涂上润滑剂或隔离层。12.5毛坯固实化由金属铸造，金属或陶瓷注塑成型，或其他粉末成型工艺生产的不完全密实的毛坯零件，可以用准等静压方法压缩以提高密度。毛坯可以由粒子与粘结剂包裹，制成具有第12.1.2.1，12.1.2.2和12.1.2.3节中所描述的外形的砂型。将砂型在炉中预先加热到指定温度和保温足够长的时间，然后将砂型快速送入一个特殊压模，用第12.1.2.1，12.1.2.2和12.1.2.3节所述的单向、双向或多向加压系统准等静加压。
毛坯也可以用图7(b)、7(c)、7(d)和图8所示的特殊加压系统加压。将预热后的毛坯放入特殊压模中，周围填满预热好的粒子，然后加压系统准等静施加压力。
也可以对金属铸件在液态金属浇入砂型后不久施加准等静压力。将一个6向加压系统放在铸造厂浇注工序的尾端。当金属铸件凝固到适当程度以后，也许已经完全凝固，或许只是部分凝固，将含有金属铸件的砂型送入6向加压系统加压，然后退出。砂型应该具有所要求的外形以及在加压前不带有砂箱。13.零件分离固实化以后，零件需要与砂型分离。在用金属或石英封装的情况下，罐可以通过切、敲打或其它适当的方法打开或破碎。根据零件与砂型材料来选择分离方法。
如果零件是由韧性材料制成，例如金属或其合金，可以用去芯机、喷丸和振动设备分离。
如果零件是由脆性材料制成，例如陶瓷，砂型应由石墨、氮化硼、碳酸钙粒子或者它们的混合物制造。固实化后，它们中间有些比较软，可用机械方法去除，有些可通过简单方式溃散。例如，如果石墨砂型没有自行溃解的话，可将其在空气中燃烧直到它失去强度。氧化钙砂型(由碳酸钙高温分解而成)可在水中或空气中通过第二节所述的反应溃散掉。14.清理和其它处理零件与砂型分离以后，浇口与飞边毛刺应该用撞击、切割、打磨或其它合适的方法除去。按照对零件的要求，可以随后进行热处理、机加工、检验和其它处理。15.造型/压力传递介质回收利用取决于使用的造型介质、粘结剂和固实化方法。不同造型介质的回收利用可能有很大的不同或很困难。使用有机粘结剂的造型介质可以通过除去已经破碎的细粒子和压散高温高压下形成的团块的方法回收利用。使用无机粘结剂的造型介质可以通过破碎团块及尺寸分级回收利用。金属造型介质可以重新熔化。不能回收利用的造型介质可以用于其它目的。例如作路基石，取代混凝土中的石块，石墨则可作燃料。
本发明已经按照优选的应用方法描述完毕。在具体应用时，对本发明进行的附加、修饰、替换和删除并不改变本发明的实质内容与专利范围。
权利要求
1.一种粉末材料成形与完全密实的固实方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤将粒子材料与粘结剂混合制成造型材料；将所述造型材料制成具有外表面和形腔的砂型，砂型的强度足以保持形状，并可以压缩；将要固实的粉末材料充入所述形腔；将含有所述粉末材料的所述砂型加热；对所述砂型的外表面施加足够高的压力压缩所述砂型，砂型将压力传递到其内的所述粉末材料上，将所述粉末材料固实形成零件；将零件从所述砂型中除去。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的粒子材料包含可燃性碳材料。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述的造型材料包含碳酸钙与氧化钙。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括将已除去所述零件的砂型进行分解的步骤。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述对砂型外表面施加压力包括对所述砂型外表面施加等静压力。
6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，它进一步包括在所述粉末充入所述砂型形腔前，对所述砂型形腔表面涂上涂料的步骤。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述涂料中含有有机粘结剂。
8.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，其中所述分解砂型的步骤包括将砂型与水接触。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述造型材料包含可燃性材料，所述方法进一步包括至少部份燃烧所述砂型的步骤。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述粒子材料包含石墨。
11.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述加热砂型的步骤包括外热式加热砂型。
12.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括在所述粉末材料充入所述砂型形腔的所述步骤之前，将所述粉末材料与液体混合的步骤。
13.一种粉末材料成形与完全密实的固实方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤将粒子材料构成的造型材料，借助“产生的力”固定所述粒子材料，制成砂型，所述砂型具有外表面和形腔，在所述“产生的力”作用下具有足够的强度可以保持形状，并可以压缩；将要固实的粉末材料充入所述形腔；将含有所述粉末材料的所述砂型加热；对所述砂型外表面施加足够高的压力压缩所述砂型，所述砂型将压力传递到其内的所述粉末材料上，将粉末材料固实形成零件；将零件从所述砂型中除去。
14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的粒子材料包含可燃性碳材料。
15.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，它进一步包括将已除去所述零件的砂型进行分解的步骤。
16.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述对砂型外表面施加压力包括对所述砂型外表面施加等静压力。
17.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，它进一步包括在所述粉末材料充入所述砂型形腔前，对所述砂型形腔表面涂上涂料的步骤。
18.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述涂料中包含有机粘结剂。
19.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述粒子材料包含石墨。
20.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述造型材料含有碳酸钙与氧化钙。
21.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述加热砂型的步骤包括外热式加热砂型。
22.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，它进一步包括在所述粉末材料充入所述砂型形腔前，将所述粉末材料与液体混合的步骤。
23.按照权利要求13所述的方法，其特征在于，其中所述的“产生的力”是一种由真空引起的力。
24.一种感应加热炉，其特征在于，它包括，一个供容纳一个砂型的封闭加热炉腔，所述砂型内有要进行固实的导电粉末；一个与电源相连的感应线圈；一个通常的C形磁铁，所述C形磁铁相对的两极设置在所述炉腔的相对两侧，所述感应线圈设置成围绕着所述磁铁的一部分；所述炉腔有一个供向所述炉腔送入加热物件的第一炉门，所述炉腔有一个供从所述炉腔移去加热物件的第二炉门，有供控制所述炉腔内气氛的装置，以及有供测量所述炉腔内加热物件温度的装置。
25.一种6向压力机，其特征在于，它包括一压模，其中心有一个空穴，用于接受压力传递介质砂型，所述压模上带有5个与所述空穴相通的通道，每个所述通道上装有一个可以对着空穴前后运动的压杆，一个可移动的盖也装在所述压模上，所述的盖有一个通道与所述空穴相通，一个可前后运动的压杆装在所述盖的通道内。
26.按照权利要求25所述的6向压力机，其特征在于，其中所述的压杆包括第一对压杆互成直线对准，可沿相反的方向向所述压模空穴运动，第二对压杆互成直线对准，可沿相反的方向向所述压模空穴运动，所述第一对压杆运动方向与所述第二对压杆运动方向互相垂直。
27.按照权利要求25所述的6向压力机，其特征在于，其中所述装在盖上的压杆与第5根所述压杆互成直线对准构成第3对压杆，这对压杆可以沿相反的方向向所述压模空穴运动。
28.一种6向压力机，其特征在于，它包括一压模，其中心有一个空穴，用于接受压力传递介质砂型，所述压模上带有6个与所述空穴相通的通道，每个通道上装有一个可对着空穴前后运动的压杆，所述压杆端部带有压头，每个所述压杆各与一个缸体连接，所述缸体的作用是驱动所述压杆前后运动，其中一个所述压杆可以运动到这样的位置，其压头离开所述压模以留出一定空间，压力传递介质砂型可以放在此压头与相应通道口之间，压头向前运动将所述压力传递介质砂型推入所述压模空穴。
29.按照权利要求28所述的6向压力机，其特征在于，其中所述缸体固定在所述压模上，有一个与所述压杆相连的缸体排列在离开所述压模一定距离的位置上。
30.一种6向压力机，其特征在于，它包括一压模，其中心有一个空穴，用于接受压力传递介质砂型，所述压模上带有6个与所述空穴相通的通道，每个所述通道上装有一个可以对着所述空穴前后运动的压杆，所述压杆端部带有压头，每个所述压杆各与一个缸体连接，所述缸体的作用是驱动所述压杆前后运动，其中一个所述缸体可以对着所述压模滑动以使其压头离开所述压模一定距离，所述压力传递介质砂型可以放在此压头与相应通道口之间，一个辅助缸体与所述滑动缸体连接，当所述辅助缸体向前推动所述滑动缸体时，所述压力传递介质砂型通过所述通道被送入所述压模空穴。
全文摘要
本发明提供了一种粉末材料成型与完全密实的固实化方法。这种方法由下列步骤组成将粒子材料与有机或无机粘结剂混合制成造型材料；将造型材料制成具有外表面和形腔的砂型，砂型的强度足以保持形状，并可以压缩；将要固实的粉末材料充入形腔；将含有粉末材料的砂型加热；对砂型的外表面施加足够高的压力压缩砂型，砂型将压力传递到其内的粉末材料上，将粉末材料固实形成零件；将零件从砂型中除去。作为一种派生的方法，造型材料由粒子组成，砂型的形状由真空保持。
文档编号C04B35/645GK1154884SQ9610923
公开日1997年7月23日 申请日期1996年8月6日 优先权日1995年8月7日
发明者黄小弟 申请人:黄小弟