粉末烧结成型方法及成型模具与流程

本发明涉及电加热金属粉末烧结技术领域，特别是涉及到了一种粉末烧结成型方法及成型模具。

背景技术：

粉末冶金是粉末烧结成型技术的一种，其是用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，制造金属材料、复合材料以及各类型制品的工艺技术，具有独特的化学组成和机械、物理性能，有着十分广阔的发展前景。

放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering,简称SPS）是粉末冶金技术的一种，其是通过将特殊电源控制装置发生的ON-OFF直流脉冲电压加到粉体坯料上, 利用放电加工(放电冲击压力和焦尔加热)对坯料进行烧结, 同时还有效利用了脉冲放电初期粉体间产生的火花放电现象(瞬间产生高温等离子体)对烧结起促进作用, 具有许多常规放电加工无法达到的效果,已成为合成加工技术的重要一环。与常规烧结方式相比，SPS法具有操作简单、高速烧结、再现性高、安全可靠、节省空间、节省能源及成本低等特点。

与自身加热反应合成法（SHS）和微波烧结法类似，SPS是有效利用粉末内部的自身发热作用而进行烧结的。在SPS烧结过程中，电极通入直流脉冲电流时瞬间产生的放电等离子体，使烧结体内部各个颗粒均匀的自身产生焦耳热并使颗粒表面活化。故SPS烧结过程可以看作是颗粒放电、导电加热和加压综合作用的结果。除加热和加压这两个促进烧结的因素外，在SPS技术中，颗粒间的有效放电可产生局部高温，使表面局部熔化、表面物质剥落；高温等离子的溅射和放电冲击可清除粉末颗粒表面杂质（如表面氧化物等）和吸附的气体。

SPS依靠使脉冲电流通过石墨模具和试样而加热。现有的SPS烧结成型模具包括凹模和上、下压头。其中上、下压头可以将电流导入粉末试样中，以实现烧结。同时，上、下压头与凹模接触，使凹模导电而加热。虽然石墨凹模加热可从外部对试样加热，但是石墨凹模对上、下压头传递的脉冲电流进行了分流，减少了试样的电流密度，增加了电源负荷。由于凹模的体积远大于试样体积，其分流作用是非常明显的，会在很大程度上降低试样的加热效果。

另一方面，在粉末冶金时，也常采用温压制坯，与冷压制坯相比，具有成型压力小，坯料致密度高等优点。但是，常规的温压制坯是通过模具向模腔中的粉末材料传递热量来实现粉料加热的，加热效率低，且温度不均匀，影响产品质量。采用电阻加热方式可以实现粉料的均匀快速加热，即通过压头将电流导入到粉末坯料中，使坯料自身产生焦耳热而实现加热。由于成型时需要较大的压力，模具凹模一般采用金属材料，且尺寸较大。如果加热时凹模会产生分流，则分流电流将非常大，直接影响加热效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种粉末烧结成型方法，以降低电加热金属粉末烧结成型的电源负荷，提高加热效率，优化其加热效果。

同时，本发明的目的还在于提供可用于实施上述方法的粉末烧结成型模具。

为实现上述目的，本发明的粉末烧结成型方法采用以下技术方案：粉末烧结成型方法，该方法是将粉末材料装在凹模中并通入加热电流，在避免凹模分流加热电流的条件下将粉末材料烧结成型。

该成型方法为SPS成型方法，避免凹模分流加热电流是通过采用复合凹模来实现的，所述复合凹模包括外层和设在外层内壁面的绝缘层。

当所述方法为SPS成型方法时，所述外层为石墨外层，所述绝缘层为陶瓷层。

该成型方法为粉末温压成型方法，避免凹模分流加热电流是通过采用复合凹模来实现的，所述复合凹模包括外层和设在外层内壁面的绝缘层。

当所述方法为粉末温压成型方法时，所述外层为钢制层。

粉末烧结成型模具采用以下技术方案：粉末烧结成型模具，包括凸模和与凸模匹配的凹模，所述凹模为复合凹模，所述复合凹模包括外层和设于外层内壁上的绝缘层。

所述外层材料为石墨。

所述绝缘层为陶瓷层或者钢制层。

所述绝缘层由过盈装配在外层内的陶瓷管形成，或者是通过在外层内壁上以热喷涂或自蔓延方式得到的涂层形成。

本发明的有益效果是：由于向粉末材料通入加热电流，是在避免凹模分流加热电流的条件下进行的，因此可以增加粉末材料的电流密度，降低了电源负荷，加之凹模的体积远大于粉末材料体积，其分流作用被杜绝以后，可以在很大程度上提高加热效率，优化粉末材料的加热效果。

附图说明

图1是粉末烧结成型模具的实施例1的结构示意图；

图2是粉末烧结成型模具的实施例2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的粉末烧结成型方法的具体实施例。

实施例1

本实施例中，此处所采用方法具体是SPS成型方法。

该方法是将粉末材料装在凹模中并通入加热电流，在避免凹模分流加热电流的条件下对粉末材料进行放电等离子加热，使粉末材料在压力下烧结成型。其中烧结成型是在真空条件下进行的，避免凹模分流加热电流具体是通过采用复合凹模或者将凹模设为绝缘凹模来实现的，所述复合凹模包括外层和设在外层内壁面的绝缘层。复合凹模的外层为石墨外层，绝缘层材料采用绝缘陶瓷，其中绝缘陶瓷材料为含量大于95%的Al₂O₃陶瓷（或热压纯SiC陶瓷）。绝缘层具体可以由过盈装配在外层内的陶瓷管形成，或者是通过在外层内壁上以热喷涂或自蔓延方式得到的涂层形成。

在实施该方法时，可按照以下具体步骤进行：1）将定量的待烧结的粉末材料放入模具的凹模模腔，而后将模具的上压头放入模腔；2）将模具放入SPS设备的试验腔中，将试验腔关闭设备密封后抽真空；3）SPS设备压头下行，压触模具的上、下压头，使其产生一定压力，并使模具的上凸模、材料粉末和下凸模与SPS加热电源构成导电回路；4）开启SPS加热电源，使粉末材料快速加热到要求温度，并在压力下成型；5）关闭电源去除压力，使模具和烧结得到的产品（坯料）冷却后将试验腔恢复到常压；6）打开设备试验腔，取出模具，打开模具取出烧结得到的产品。

实施例2

本实施例中，此处所采用方法具体是粉末温压成型方法。

该方法适用于900℃以下压制成型，在具有加热电源的压力机上进行粉末冶金成型。该方法是将粉末材料装在凹模中并通入加热电流，在避免凹模分流加热电流的条件下对粉末材料进行电阻加热，使粉末材料在压力下烧结成型。避免凹模分流加热电流具体是通过采用复合凹模来实现的，所述复合凹模包括外层和设在外层内壁面的绝缘层。复合凹模的外层为金属外层，绝缘层材料采用绝缘陶瓷，其中绝缘陶瓷材料为含量大于95%的Al₂O₃陶瓷（或热压纯SiC陶瓷）。绝缘层具体可以由过盈装配在外层内的陶瓷管形成，或者是通过在外层内壁上以热喷涂或自蔓延方式得到的涂层形成。

该实施该方法的具体操作步骤：

1）将模具安装在具有加热电源的压力机上，上下凸模分别接加热电源的正负极；

2）将待烧结的粉末材料放入模具的凹模模腔；

3）压力机下行，上凸模进入凹模模腔，对粉末施加一定压力，并使模具的上凸模、材料粉末和下凸模与加热电源构成导电回路；

4）开启加热电源，使粉末材料快速加热到要求温度，并在压力下成型；

5）关闭加热电源，压力机回程，带动上凸模上行；

6）压力机顶出机构带动下凸模上行，将烧结得到的产品脱模；

7）重复步骤2）～6）进行粉末冶金产品的压制烧结成型。

上述两实施例中，所述粉末均为金属粉末，但是在其它实施例中，粉末的材质不仅限于金属，例如其还可以是金属与非金属的混合物，或者仅为非金属，如陶瓷等可烧结压制成型的材料。

本发明的粉末烧结成型模具的实施例1，如图1所示，本实施例的装置由互相匹配的凸模、垫块和凹模构成。其中凸模分为上凸模11和下凸模12，垫块分为上垫块13和下垫块14，在本实施例中，凹模为复合凹模，包括外层15和设在外层15的内壁上的绝缘层16。

上凸模11、下凸模12、上垫块13以及下垫块14的结构均为现有技术，此处不予赘述。但是需要特别强调的是，上凸模11、下凸模12、上垫块13以及下垫块14均为导体材料，本实施例中具体为石墨材料（其它实施例中还可以采用紫铜等材料），以便在使用的时候能够与要烧结的粉末材料17一起构成电流通路。

复合凹模的外层15主要起承载的作用，在本实施例中，复合凹模的外层15为石墨外层，可以很好的保证强度和耐热性，当然，在其它实施例中，外层15还可以采用钢材料制成。绝缘层16主要起绝缘作用，此处采用的是绝缘陶瓷层。陶瓷层的材料为含量大于95%的Al₂O₃陶瓷（或热压纯SiC陶瓷或其他的绝缘陶瓷材料）。此处，复合凹模的绝缘层16由过盈装配在外层内的陶瓷管形成。

在使用的时候，上凸模、下凸模、上垫块以及下垫块与要烧结的粉末材料一起形成电流通路，此时由于绝缘层的隔绝作用，体积相对较大的凹模不参与分流，由此可降低SPS成型的电源负荷，提高加热效率，优化其加热效果。

本发明的粉末烧结成型模具的实施例2，如图2所示，本实施例的装置包括凹模和与凹模匹配的上凸模21和下凸模24。所述凹模为复合凹模，由外层25和设在外层25的内壁上的绝缘层23。绝缘层23主要起绝缘作用，同时具有耐热性和较高的硬度，此处采用的是绝缘陶瓷层。外层25为模具钢，具有较好的强度和耐热性。

本发明的粉末烧结成型模具的实施例3，该装置与上述粉末烧结成型模具的实施例1、2的区别仅在于，所述的绝缘层是通过在外层内壁上以热喷涂方式得到的涂层形成。

本发明的粉末烧结成型模具的实施例4，该装置与上述粉末烧结成型模具的实施例1、2的区别仅在于，所述的绝缘层是通过在外层内壁上以自蔓延方式得到的涂层形成。

在本发明的粉末烧结成型模具的其它实施例中，凹模也可采用全绝缘的整体式凹模。

本发明的粉末烧结成型模具的凹模的实施例，该凹模可以为上述本发明的粉末烧结成型模具的实施例1、2、3、4中任意一个的凹模，此处不予赘述。当然，凹模也可采用全绝缘的一体是凹模。