专利名称：一种控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具。
背景技术：
烧结是粉末冶金的关键工序，但是粉末冶金坯体在烧结过程中，由于坯体的物理 或化学反应产生体积膨胀而出现孔隙/空洞、变形甚至裂纹等缺陷，特别是在烧结过程中 会产生自蔓燃反应等化学反应的粉末冶金材料；或者坯体在烧结过程中，由于初始密度较 低，液相的出现会产生液相流动或粉末的移动，坯体收缩，导致因坯体收缩而产生变形[黄 培云.粉末冶金原理.北京冶金工业出版社，2004]。这些缺陷会严重影响烧结坯体的质 量和性能、降低成品率。对于粉末冶金坯体的烧结膨胀缺陷，一般采取加压烧结的方法来消除。但加压 烧结方法采用的设备都是大型设备，需要庞大的电流控制装置、真空系统及加压装置；设 备造价昂贵，操作复杂，运行、维护修理成本高；不同的设备需要不同的专用模具；制品 尺寸受到设备能力的制约，难以制备大尺寸的制品；材料的制备成本高。中国专利，CN 101530916A，控制粉末冶金材料及制品烧结膨胀缺陷的烧结方法及模具，公开了一种约束 烧结方法及实施模具，该模具由约束模、锥形外模、锥形内模和隔离片组成，但是该模具只 能控制烧结膨胀，不能解决烧结收缩变形问题。中国专利，CN 100537802C，一种高致密TiAl 基合金制备方法，公开了一种约束模具，但约束作用有限，且只能实现径向约束，设计的轴 向压盖对径向的约束还具有破坏作用，无法实现对烧结膨胀的控制。对于烧结收缩变形，除了采用加压烧结外，还没有更好的解决方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可以有效控制粉末冶金坯体在烧结过程 中产生膨胀或收缩，提高烧结体质量和性能的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结 模具。为了解决上述技术问题，本发明提供的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧 结模具，在约束模内设有右锥形外模和左锥形外模，所述的右锥形外模和左锥形外模是由 一个带底锥形筒整体轴向分割而成，分割部分尺寸根据模具用途进行设计，当用于控制膨 胀时，尺寸为1 3mm，目的是为了调整模具内腔尺寸与坯体尺寸偏差；当用于控制收缩变 形时，要根据收缩量来设计具体尺寸，目的是防止收缩量与可控的收缩空间不匹配；在右锥 形外模和左锥形外模底部设计了一个凹槽，要根据收缩量来设计具体尺寸，目的也是为了 调节收缩空间，防止收缩量与可控的收缩空间不匹配，以及控制膨胀时调整模具内腔尺寸 与坯体尺寸偏差。所述的约束模与所述的右锥形外模和左锥形外模之间的配合锥度为15° < θ <30°，在所述的右锥形外模和左锥形外模内设有右倒锥形内模和左倒锥形内模，右 倒锥形内模和左倒锥形内模与右锥形外模和左锥形外模的配合锥度为10° < θ <20°， 所述的右倒锥形内模和左倒锥形内模是由一个带底倒锥形筒整体轴向分割而成，分割部分
3尺寸根据模具用途进行设计，当用于控制膨胀时，尺寸为1 3mm，目的是为了调整模具内 腔尺寸与坯体尺寸偏差；当用于控制收缩变形时，要根据收缩量来设计具体尺寸，目的是防 止收缩量与可控的收缩空间不匹配；模具与烧结坯体接触的接触面涂刷一层与坯体和模具 不发生反应的耐热涂层，防止坯体与模具发生反应，方便脱模。所述的约束模、右锥形外模、左锥形外模、右倒锥形内模和左倒锥形内模的制造材 料为不锈钢、镍基高温合金或石墨。本发明提供的控制粉末冶金坯体烧结缺陷模具的使用方法，在与烧结坯体接触的 模具内壁涂刷一层与坯体和模具不发生反应的耐热涂层，将模压成形的烧结坯体放入由右 倒锥形内模和左倒锥形内模组成的腔体中，将右锥形外模和左锥形外模扣在右倒锥形内 模、左倒锥形内模和烧结坯体组成的整体结构上，将由右锥形外模、左锥形外模、左倒锥形 内模、右倒锥形内模和烧结坯体组成的整体放入约束模中，在轴向施加50MPa 200MPa的 压力使其压紧配合，然后放入烧结炉中按照确定的烧结工艺进行烧结。采用上述技术方案的控制粉末冶金坯体烧结缺陷的约束烧结模具及其使用方法， 在粉末冶金坯体的烧结过程中，对坯体施加三向约束压应力，对坯体产生约束作用，限制其 产生烧结膨胀，控制其烧结膨胀变形。约束模与右锥形外模和左锥形外模之间设计了 15° < θ <30°配合锥度，在完成组装、给右锥形外模和左锥形外模施加轴向(Α向)装配力 后，右锥形外模和左锥形外模会产生径向(B向)作用力，消除左倒锥形内模、右倒锥形内 模、隔离片和烧结坯体之间的间隙，并使它们相互之间产生压应力，实现径向(B向)约束。 由于右锥形外模、左锥形外模与左倒锥形内模、右倒锥形内模和烧结坯体之间具有压应力 作用，右锥形外模、左锥形外模与左倒锥形内模、右倒锥形内模之间会产生轴向(Α向)摩擦 力，加上与锥形外模的配合锥度为15° < θ <20°，可有效限制左倒锥形内模、右倒锥形 内模产生轴向位移，从而限制烧结坯体烧结过程中的轴向膨胀，实现轴向约束。通过上述径 向(B向)约束和轴向(Α向)约束的共同作用，实现三维约束作用。当坯体在烧结过程中 产生收缩时，施加在径向(B向)的压应力消失，右锥形外模、左锥形外模与左倒锥形内模、 右倒锥形内模之间的轴向(Α向)摩擦力消失，在模具重力作用下，左倒锥形内模和右倒锥 形内模、右锥形外模和左锥形外模将会下移，使腔体尺寸减小并保持腔体形状不变，从而使 烧结坯体均勻收缩而保持形状不变。根据粉末冶金制品物理化学性能和烧结温度要求，本 模具可选用不同的材料制造，如不锈钢、镍基高温合金、石墨等。粉末冶金坯体的烧结膨胀缺陷，如孔隙/空洞、变形甚至裂纹等，主要是由于烧结 过程中坯体的物理或化学反应而产生体积膨胀作用的结果。粉末冶金坯体的烧结收缩，主 要是由于烧结过程中原始孔隙消除的结果。对于粉末冶金材料，烧结是消除粉末界面、实现 粉末的冶金结合从而实现致密化的关键方法。粉末冶金坯体在烧结过程中由于热作用产生 的膨胀，会使其中的孔隙/空洞膨胀，孔隙率增加，影响粉末的冶金结合；粉末冶金坯体在 烧结过程中，会产生扩散、化学反应等物理、化学过程，扩散的结果将导致原子的大量迁移 和空位、空洞的聚集，化学反应的结果将形成新的物相，改变体积，从而产生新的孔隙。当出 现烧结液相时，由于液相流动将导致粉末移动，出现局部坍塌、坯体收缩等现象，坯体将因 烧结收缩而产生变形。因此，粉末冶金材料烧结过程中的这种膨胀或收缩具有不可逆性，是 产生烧结缺陷的主要原因。为了控制粉末冶金坯体的烧结膨胀率，对坯体施加三向约束作 用力，限制其产生烧结膨胀，实现约束烧结。当产生烧结收缩时，模具腔体尺寸减小并保持腔体形状不变，从而使烧结坯体的形状保持不变而防止发生烧结变形。这就是本发明的基 本原理。本发明的优点和积极效果(1)利用本发明提出的约束烧结模具，可有效控制烧结坯体的烧结变形缺陷，使材 料的致密化过程与烧结过程可以同步进行。与现有技术相比，可有效缩短工艺流程，降低材 料的制备成本。(2)本发明可以采用常规烧结设备制备直径较大的粉末冶金坯体，从而避免使用 热等静压，热压，加压烧结等高成本工艺和大型复杂设备，可制备大尺寸制品。(3)本发明所设计的模具，可采用常用材料，模具可以多次重复使用，模具的尺寸 可以根据粉末冶金制品尺寸调整。(4)本发明采用了分离式锥形内模和外模，无紧固件，便于烧结后坯体脱模。(5)本发明的模具结构简单，易于加工，成本低廉，有利于规模化生产，具有较好的 应用前景。综上所述，本发明是一种可以有效控制粉末冶金坯体在烧结过程中产生的膨胀、 收缩变形等缺陷，提高烧结体质量和性能的约束烧结模具，该模具的使用方法简单可靠。
图1是本发明的模具结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图1和具体实施方式
对本发明作进一步说明。参见图1，在约束模1内设有右锥形外模2和左锥形外模3，右锥形外模2和左锥 形外模3是由一个带底锥形筒整体轴向分割而成，分割部分尺寸根据模具用途进行设计， 当用于控制膨胀时，尺寸为1 3mm，目的是为了调整模具内腔尺寸与坯体尺寸偏差；当用 于控制收缩变形时，要根据收缩量来设计具体尺寸，目的是防止收缩量与可控的收缩空间 不匹配；在右锥形外模2和左锥形外模3底部设计了一个凹槽8，要根据收缩量来设计具体 尺寸，目的也是为了调节收缩空间，防止收缩量与可控的收缩空间不匹配，以及控制膨胀时 调整模具内腔尺寸与坯体尺寸偏差。约束模1与右锥形外模2和左锥形外模3之间的配合 锥度为15° θ < 30°，在右锥形外模2和左锥形外模3内设有右倒锥形内模5和左倒锥 形内模4，右倒锥形内模5和左倒锥形内模4与右锥形外模2和左锥形外模3的配合锥度 为10° θ < 20°，右倒锥形内模5和左倒锥形内模4由一个带底倒锥形筒整体轴向分割 而成，分割部分尺寸根据模具用途进行设计，当用于控制膨胀时，尺寸为1 3mm，目的是为 了调整模具内腔尺寸与坯体尺寸偏差；当用于控制收缩变形时，要根据收缩量来设计具体 尺寸，目的是防止收缩量与可控的收缩空间不匹配；右倒锥形内模5、左倒锥形内模4、右锥 形外模2和左锥形外模3与烧结坯体7接触的接触面涂刷一层与坯体和模具不发生反应的 耐热涂层6，防止坯体与模具发生反应，方便脱模。约束模1、右锥形外模2、左锥形外模3、 左倒锥形内模4和右倒锥形内模5的制造材料为不锈钢、镍基高温合金或石墨。参见图1，本发明的使用方法在与烧结坯体7接触的右锥形外模2、左锥形外模 3、左倒锥形内模4和右倒锥形内模5的模壁，涂刷一层与坯体和模具不发生反应的耐热涂层6，然后将模压成形的烧结坯体7放入由右倒锥形内模5和左倒锥形内模4组成的腔体 中，将右锥形外模2和左锥形外模3扣在由右倒锥形内模5、左倒锥形内模4和烧结坯体6 组成的整体结构上，将由右锥形外模2、左锥形外模3、右倒锥形内模5、左倒锥形内模4和烧 结坯体6组成的整体放入约束模1中，在轴向施加50MPa 200MPa的压力使其压紧配合， 放入烧结炉中进行烧结。实施例1 :TiAl金属间化合物的烧结一烧结膨胀实例采用平均粒径43μπι的Ti粉、粒径小于IOOym的Al粉，按Ti Al原子比为 1 1进行配料混合，在400MPa 700MPa的压力下模压成形，制成尺寸为Φ IOOmmX 15mm 的坯体。然后按照上述方法将其放入图1所示的模具组装后放入烧结炉中，按照TiAl合金 的烧结工艺进行烧结，获得的烧结坯体的体积膨胀率小于1. 77%，无变形、裂纹等缺陷。实施例2 :YG8合金的烧结-—烧结收缩实例采用平均粒径为5 μ m的WC粉、平均粒径为2 3 μ m的Co粉，对YG8合金而言， 按照92wt. % WC、8wt. % Co进行配料，用200MPa 500MPa压力进行压制成形，制备出所需 尺寸的坯体。然后按照上述方法将其放入图1所示的模具组装后放入烧结炉中，按照YG8 合金的烧结工艺进行烧结，获得的烧结坯体的收缩率为体积16% 20%，无变形、裂纹和 孔洞等缺陷。
权利要求
1.一种控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，包括约束模(1)，其特征是: 在所述的约束模⑴内设有右锥形外模⑵和左锥形外模(3)，在所述的右锥形外模⑵和 左锥形外模(3)内设有右倒锥形内模( 和左倒锥形内模G)。
2.根据权利要求1所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其特征 是所述的约束模(1)与所述的右锥形外模( 和左锥形外模C3)之间的配合锥度为15° < θ <30°，所述的右倒锥形内模( 和左倒锥形内模(4)与所述的右锥形外模( 和左 锥形外模(3)之间的配合锥度为10° < θ < 20°。
3.根据权利要求1或2所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其特 征是所述的右锥形外模( 和左锥形外模C3)是由一个带底锥形筒整体轴向分割而成，当 用于控制膨胀时，分割部分尺寸为1 3mm。
4.根据权利要求1或2所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其特 征是在所述的右锥形外模( 和左锥形外模( 底部设有一个凹槽(8)。
5.根据权利要求1或2所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其特 征是所述的右倒锥形内模( 和左倒锥形内模(4)是由一个带底倒锥形筒整体轴向分割 而成，当用于控制膨胀时，分割部分尺寸为1 3mm。
6.根据权利要求1或2所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其 特征是模具与烧结坯体(7)接触的接触面涂刷一层与坯体和模具不发生反应的耐热涂层 (6)。
7.根据权利要求1或2所述的控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具，其特 征是所述的约束模(1)、右锥形外模O)、左锥形外模(3)、右倒锥形内模( 和左倒锥形 内模(4)的制造材料为不锈钢、镍基高温合金或石墨。
全文摘要
本发明公开了一种控制粉末冶金坯体烧结变形缺陷的约束烧结模具。在所述的约束模(1)内设有右锥形外模(2)和左锥形外模(3)，在所述的右锥形外模(2)和左锥形外模(3)内设有右倒锥形内模(5)和左倒锥形内模(4)。约束模(1)与右锥形外模(2)和左锥形外模(3)之间的配合锥度为15°＜θ＜30°，右锥形外模(2)和左锥形外模(3)与右倒锥形内模(5)和左倒锥形内模(4)的配合锥度为10°＜θ＜20°。本发明是一种可以有效控制粉末冶金坯体在烧结过程中产生的膨胀或收缩变形，提高烧结体质量和性能的约束烧结模具，该模具的使用方法简单可靠。
文档编号B22F3/00GK102126022SQ20111004020
公开日2011年7月20日 申请日期2011年2月18日 优先权日2011年2月18日
发明者何晓宇, 刘咏, 刘祖铭, 赵慕岳 申请人:中南大学