專利名稱：燒結熱等靜壓裝置及其冷卻方法
技術領域：
本發(fā)明屬于用金屬粉末制造工件或制品的專用設備及其方法，主要涉及熱等靜壓裝置及其方法。
熱等靜壓裝置是在高溫(≥1000℃)和高壓(≥100MPa)下利用帕斯卡定律使金屬粉末制品成型及致密化的一種設備。一般制品經(jīng)過此工藝后，其密度接近理論密度，且各向力學性能大幅度上升。但對于某些制品，特別是硬質合金類制品(如WC＋Co)或高溫陶瓷類制品(如Si3N4)等，在熱等靜壓燒結工藝過程中出現(xiàn)液相，冷卻后，導致在制品中形成孔洞。
針對現(xiàn)有熱等靜壓裝置的上述缺點，近年來開發(fā)了一種燒結熱等靜壓裝置。其特點是裝置中設有真空燒結設備，先將金屬粉末進行真空燒結，去除粉末間的氣體和揮發(fā)物，再進行熱等靜壓燒結，使制品達到成型化及致密化。真空燒結溫度一般1150～1500℃，工作壓力為3～10MPPa，其工作壓力遠小于常規(guī)熱等靜壓裝置中制品的成型壓力。即使工作壓力在3～10MPa如此小的條件下，對于硬質合金類制品或高溫陶瓷類制品，其制品性能不但達到熱等靜工藝的制品水平，而且完全消除孔洞，使制品的密度接近理論密度。
目前，已有美國、日本、德國和瑞典等國家開發(fā)了燒結熱等靜壓裝置。在這些現(xiàn)有的燒結熱等靜壓裝置中，其結構形式都是在承壓容器內放置加熱爐、隔熱測溫裝置和恒溫裝置，另有氣體系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。氣體系統(tǒng)完成抽真空及供氣；冷卻系統(tǒng)完成各冷卻點的冷卻。這樣就完成了在一臺裝置中真空燒結和熱等靜壓燒結工藝(R.Bauer，Degussa AG，Overpressure Sintering-AnInvestment in Qua1ity and Costs上述現(xiàn)有的燒結熱等靜壓裝置的一個共同主要缺點是由于結構所限，沒有考慮快速冷卻措施，冷卻時間很長，一般從1200℃降至100℃約需15小時，這就帶來了兩大弊病一方面由于冷卻時間過長，長時間占用昂貴的核心設備，生產率低；另一方面，由于在冷卻過程中爐溫降溫緩慢，長時間爐溫降不下來，使制品在燒結后期的緩慢冷卻過程中，晶粒長大，硬度下降，制品質量下降。
本發(fā)明的目的在于提供一種具有快速冷卻功能的燒結熱等靜壓裝置及其冷方法。
針對上述目的，本發(fā)明采用的主要技術方案是在燒結熱等靜壓裝置的承壓容器內裝配一套快速冷卻機構，該機構由氣體入口、導流孔、開啟塞、提升裝置、氣體出口及供氣系統(tǒng)組成。供氣系統(tǒng)由氣體庫、高壓截止閥、進氣管路、進氣管組成。進氣口和出氣口均設在加熱爐的爐壁上。通過對氣體入口、導流孔、開啟塞、氣體出口選擇合適的位置及一定的供氣參數(shù)，則能使冷卻氣體對加熱爐外壁等形成自然對流通道，實現(xiàn)快速冷卻功能。
本發(fā)明燒結熱等靜壓制取制品的方法的流程如下
真空燒結→充壓→保溫保壓→快速冷卻→卸壓出爐現(xiàn)將各工藝流程分述如下(1)真空燒結將金屬粉末制坯料放入加熱爐中后，關閉爐門，抽真空，當真空度達到一定范圍時，加熱體通電，實施真空燒結，燒結溫度為1200～1800℃，時間為0.5～4小時，真空度≤1Pa。
(2)充壓當金屬粉末坯料在真空和一定溫度下燒結一定時間后，向加熱爐內通入氬氣或氮氣，其氣體壓力為3～10MPa。
(3)保溫保壓當加熱爐達到所需的溫度和惰性氣體壓力時，保持一定的時間，進行保溫保壓。保溫溫度為1200～1800℃，保壓壓力為3～10MPa，保溫保壓時間0.5～3小時(4)快速冷卻保溫保壓后，開啟快速冷卻機構和供氣系統(tǒng)，實施快速冷卻。冷卻氣體為Ar或N2，冷卻速度為15～30℃/min，從1200℃以上冷卻至100℃以下，只需120分鐘以下(5)卸壓出爐加熱爐內的溫度冷卻至100℃以下時，打開排氣口，進行卸壓，并隨后出爐。
本發(fā)明所述的快速冷卻是利用傳熱學中的對流換熱原理，采用了自然對流冷卻方式.即通過面積為A的加熱爐爐壁面的對流換熱Q量為Q＝Δ1/Ra(W)式中，Ra＝āA，為對流換熱電阻，單位為℃/W；ā是所研究的整個換熱面上換熱系數(shù)的平均值，α‾=1AαdA]]>W/m2.℃式中，α為局部換熱系數(shù) 在燒結熱等靜壓的換熱過程中，由于氣體(Ar或N2)在高壓作用下流動，氣體的密度相近于水的密度，所以ā值的范圍可參考水在自然對流狀態(tài)下的局部換熱系數(shù)，即?。?00～1000W/m2℃。在燒結熱等靜壓冷卻過程中自然對流換熱的熱量被承壓容器外壁的冷卻水帶走，從而實現(xiàn)整機的熱量平衡。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)在滿足真空燒結與熱等靜壓成形的同時，能實現(xiàn)快速冷卻，大大提高了制品的性能。
(2)縮短了生產周期，提高了生產效率。
現(xiàn)結合附圖
和實施例，對本發(fā)明作進一步說明。
附圖為本發(fā)明燒結熱等靜壓裝置的結構示意圖。
圖中，1、14為電極，2、13、11、26為加熱體，3為加熱爐，4為恒溫箱，5為隔熱屏，6為氣體出口、7為提升柱塞，8為提升裝置，9、23為密封圈，10為開啟塞，12、24為導流孔，15為真空機組，16為真空管路，17為真空計，18、20、35為截止閥，19為高壓管路，21為后門，25、28為卡箍，25為氣體入口，27為支承體，29為前門，30為前爐門，31為爐膛，32為進氣管，33為進氣管路，34為壓力表，36為氣體庫，37為供電及控制系統(tǒng)，38為承壓容器外壁。
加熱體2、13、11、26分布在爐膛的外壁四周，且加熱體2和13分別與電極1和14相連；爐膛31、加熱體2、13、1、26、均裝配在加熱爐3內；加熱爐3和隔熱屏5均在承壓容器內。
其中，由氣體入口25、數(shù)個導流孔12和24、開啟塞10、提升裝置8和氣體出口6組成快速冷卻機構。由氣體庫36、截止閥20和35、進氣管路33、進氣管32組成供氣系統(tǒng)。氣體入口25、數(shù)個導流孔12、24分布在加熱爐爐壁的不同部位上，排氣管6穿過承壓容器。
氣體入口25與氣體出口6的位置沿徑向相隔180°，這樣，在進行氣體熱交換時，冷氣體從導流孔24進入，經(jīng)過加熱爐3內，將熱氣帶走，從導流孔12排出，然后再經(jīng)排氣孔6排放到大氣中，形成合理的對流流動通道。
由于提升裝置8的提升量是可以控制的，因此，冷卻速度可以控制。截止閥35的開啟大小，可以控制冷氣體的流量。
本發(fā)明燒結熱等靜壓裝置的工作過程如下打開前門29，開啟前爐門30，將金屬粉末制品坯料置于爐膛31中，然后關閉前爐門30和前門29，隨即啟動控制系統(tǒng)37，啟動真空機組15，對承壓容器內抽真空，當真空度達到一定值時，加熱體2、13、11、26通電、升溫，當溫度升到設定值后，實施真空燒結，燒結一定時間期滿，停止抽真空，隨即由供氣系統(tǒng)向承壓容器內充氣，當充氣壓力達到設定值時，進行保溫保壓。燒結、充壓結束后，實施快速冷卻，首先控制提升裝置8的提升量，打開開啟塞10至一定高度，使導流孔12和24與加熱爐3外相通相連，此時，由于爐外平均溫度約80°，爐內溫度處于1200℃以上，氣體自然從爐內向爐外流動。冷氣體穿過氣體入口25，進入導流孔24，再經(jīng)導流孔的分配，均勻至開啟塞10，借助爐內外氣體對流，將其熱量被承壓容器外壁的冷卻水帶走，快速冷卻制品，通過控制冷卻氣體的流量及冷卻速度，則可控制預期的冷卻效果。
為了保證在加熱、保溫過程中氣體不形成任何對流，將熱損失降到最低限度，對氣體入口25、開啟塞10及導流孔12、24的開孔位置作了選擇。這樣就能達到在加熱和保溫過程中爐內溫度均勻及熱損失小的目的。
實施例在本發(fā)明所述的燒結熱等靜壓裝置上，采用燒結熱等靜壓工藝方法，制備了三批制品。三批制品的材質牌號及制備過程中的工藝參數(shù)如表1所示。并對三批制品進行性能測試，測試結果如表2所示。真空燒結時，真空度為1Pa
表1實施例制品制備過程的工藝參數(shù)
表2實施例制品性能
權利要求
1.一種燒結熱等靜壓裝置，包括承壓容器外壁(38)、加熱爐(3)、恒溫箱(4)、加熱體(2、13、11、28)、電極(1、14)、隔熱屏(5)、前門(29)、后門(21)、前爐門(30)、密封圈(9、23)、真空機組(15)、真空管路(16)、真空計(17)、進氣管(32)、進氣管路(33)、氣體庫(36)和供電及控制系統(tǒng)(37)，其特征在于由氣體入口(25)、導流孔(12、24)、開啟塞(10)、提升裝置(8)和氣體出口(6)組成快速冷卻機構。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于氣體入口(25)與氣體出口(6)的位置沿徑向相隔180°。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于數(shù)個導流孔分別在加熱爐(3)爐壁的不同部位。
4.一種燒結熱等靜壓制品的冷卻方法，其特征在于以氬氣或氮氣為冷卻介質，冷卻速度為15～30℃/min。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種燒結熱等靜壓裝置及其冷卻方法，屬于用金屬粉末制造工件或制品的專用設備領域。其特征是在承壓容器內裝配一套快速冷卻機構。該機構由氣體入口、導流孔、開啟塞、提升裝置和氣體出口組成。數(shù)個導流孔分布在加熱爐爐壁的不同部位上。其冷卻方法以氬氣或氮氣為冷卻介質，采用自然對流冷卻方式，將其熱量被承壓容器外壁的冷卻水帶走，快速冷卻制品。采用本發(fā)明，制品從1200℃以上冷至100℃以下只需120分鐘。
文檔編號B22F3/14GK1114248SQ94106368
公開日1996年1月3日 申請日期1994年6月15日 優(yōu)先權日1994年6月15日
發(fā)明者陳宏霞, 周俊麒, 周仲甫, 朱復榴, 張德明, 王偉民 申請人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院