專利名稱：一種納米氧化鋁等離子體活化燒結(jié)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種粉末冶金材料制備，加工工藝。
背景技術(shù)：
燒結(jié)是粉末冶金生產(chǎn)過程中最基本的工序之一。燒結(jié)是高溫作用，一般要經(jīng)過較長的時間，還要有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)氣氛。因此，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，燒結(jié)工序的消耗是構(gòu)成產(chǎn)品成本的重要部分，改進(jìn)操作與燒結(jié)設(shè)備，減少物質(zhì)與能量的消耗，如降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時間等，在經(jīng)濟(jì)上的意義是很大的。
公知的燒結(jié)方法有傳統(tǒng)無壓燒結(jié)法、熱壓燒結(jié)法、微波燒結(jié)法、等離子體燒結(jié)法(如微波等離子體、直流等離子體)但均有其不足之外。傳統(tǒng)無壓燒結(jié)法工藝時間長、產(chǎn)品性能差、能耗高，無論采用燃料加熱還是采用電加熱，都使成本增高，因此逐漸被一些新型的燒結(jié)方法所取代。熱壓燒結(jié)法雖采用了壓力，但燒結(jié)過程中對樣品的活化程度(即動力學(xué)過程)尚需進(jìn)一步提高，而且設(shè)備昂貴和加工周期長。而微波燒結(jié)法和等離子體燒結(jié)法在活化方面做了改進(jìn)，縮短了燒結(jié)時間，降低了燒結(jié)溫度，抑制了粉末材料顆粒的長大，但燒結(jié)過程中溫度等試驗條件難以控制，特別是微波燒結(jié)過程中容易造成熱失控效應(yīng)，對粉末材料產(chǎn)生不均勻加熱，從而影響了燒結(jié)產(chǎn)品的各種性能，因而在粉末材料的制備與加工過程中尚需一種能改善上述燒結(jié)法缺點的新方法。
等離子體活化燒結(jié)粉末材料工藝，國外從90年代開始起步，由于它融等離子體活化、熱壓、電阻加熱為一體，具有燒結(jié)時間短、溫度控制準(zhǔn)確等優(yōu)點，僅在幾分鐘之內(nèi)就使粉末材料的相對理論密度接近100％，而且能有效提高材料的各種性能，因而等離子體活化燒結(jié)的研究和應(yīng)用在國外已迅速崛起，成為粉末材料研究的新熱點。
那么等離子體活化燒結(jié)與等離子體燒結(jié)有些什么本質(zhì)區(qū)別呢？等離子體燒結(jié)是將材料放在等離子體氣氛中進(jìn)行的，目前主要有直流陰極空腔放電、高頻感應(yīng)、微波激發(fā)三種產(chǎn)生高溫等離子體的方法。這三種方法采用的裝置都有一套保持真空及控制氣體壓力和流量的系統(tǒng)，不同的主要是產(chǎn)生等離子體的電源方式。此工藝的本質(zhì)是利用生產(chǎn)的高溫等離子體對材料加熱，通過材料和高溫等離子體的熱交換來實現(xiàn)燒結(jié)，即把等離子體作為熱源，對材料進(jìn)行燒結(jié)。但缺點是樣品容易產(chǎn)生開裂，隨著溫度的升高，物質(zhì)的揮發(fā)也加劇，并且技術(shù)和理論都不成熟。
而等離子體活化燒結(jié)法是利用粉末顆粒間的間隙所產(chǎn)生的微放電現(xiàn)象，由放電所產(chǎn)生的等離子體撞擊和加熱粉末顆粒間的接觸部分，能使接觸部分的物質(zhì)產(chǎn)生蒸發(fā)作用，從而達(dá)到凈化和活化粉末顆粒的目的，具有燒結(jié)時間短、溫度控制準(zhǔn)確、易工業(yè)化等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是在需要燒結(jié)的粉末材料上施以脈沖電壓，產(chǎn)生等離子體以活化粉末材料顆粒表面，通過直流電對粉末材料快速加熱升溫，再施加壓力以燒結(jié)和固化粉末材料，達(dá)到燒結(jié)時間短、溫度控制準(zhǔn)確被燒結(jié)材料顆粒均勻，提高材料性能的目的。
圖1是本發(fā)明等離子體活化燒結(jié)的裝置圖，圖中1是脈沖電源裝置，2是電阻加熱裝置，3、4、5、6、11、12是軸向加壓裝置，10是燒結(jié)模，9和13是上、下沖頭。將需要燒結(jié)的粉末材料置于燒結(jié)模中并施以同軸向的壓力，用脈沖電壓在粉末材料中產(chǎn)生等離子體以活化材料的顆粒表面，然后用電阻加熱裝置施以直流電，對材料進(jìn)行快速加熱，以完成對粉末材料的活化燒結(jié)。(等離子體活化燒結(jié)裝置，在本申請人2001年1月13日提出的實用新型專利申請中已描述)。
圖2是上述燒結(jié)過程四個階段的溫度、壓力示意圖。燒結(jié)分四個階段進(jìn)行第一階段，對被燒結(jié)的粉末材料略施同軸向的壓力；第二階段保持恒定壓力，并加脈沖電壓，產(chǎn)生等離子體，對顆粒表面進(jìn)行活化，伴隨產(chǎn)生少量的熱；第三階段，關(guān)閉脈沖電源電路，繼續(xù)提高壓力，在恒壓作用下，用直流電對材料進(jìn)行加熱至所需溫度和時間；第四階段停止直流電阻加熱、消除壓力。施加的壓力、溫度和脈沖電壓需根據(jù)被燒結(jié)的粉末材料及燒結(jié)產(chǎn)品性能而定。
圖3是脈沖電源裝置和電阻加熱裝置電路原理圖由三相正弦交流電經(jīng)三相橋式整流成為脈動直流電、由電容濾波后得到高壓直流，將此高壓直流電送入功率開關(guān)逆變器，變成矩形波交變電流，經(jīng)中頻變壓器調(diào)隆至所需電壓后，再經(jīng)開關(guān)整流、電感濾波后，即可獲得工作直流。其是一種逆變式外特性為電壓陡降，恒流型電流。
為保證電阻加熱裝置輸出的直流電恒定在工藝要求的給定值，在電路系統(tǒng)中，設(shè)有電流調(diào)節(jié)控制電路和電流反饋控制電路；為保證脈沖電源裝置輸出的脈沖直流電滿足工藝要求，特別設(shè)有脈頻調(diào)制與脈寬調(diào)制電路構(gòu)成的調(diào)制回路，用以將低頻直流脈沖電壓調(diào)制在輸出的直流電上。
脈沖電源裝置，電阻加熱裝置，軸向加壓裝置工作時所需參數(shù)要根據(jù)對燒結(jié)材料及燒結(jié)產(chǎn)品性能要求的不同來加以設(shè)定，一般可控制在(1)脈沖電壓5～100V、脈沖電流100～250A、脈沖接通時間10～90ms、脈沖斷路時間10～80ms、總脈沖時間20～100s；(2)電阻加熱電壓5～120V、電流100～1200A、電源效率大于80％，功率因素大于0.9；(3)溫度范圍200～1600℃。
與公知技術(shù)相比本發(fā)明具有的優(yōu)點及積極效果(1)對粉末材料加壓精確，平穩(wěn)可控；(2)脈沖電源裝置和電阻加熱裝置穩(wěn)定性高、連續(xù)性好，可調(diào)節(jié)范圍大，動態(tài)響應(yīng)快；(3)由于等離子體的活化作用，新工藝可以實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，這樣就抑制了晶粒的長大，從本質(zhì)上提高了燒結(jié)體的性能。
(4)燒結(jié)時間短，與傳統(tǒng)燒結(jié)的幾個小時相比，節(jié)約了能源，減少了設(shè)備的損耗。
本工藝也可與中頻感應(yīng)或交流電阻爐分別組合配置，還可進(jìn)行等離子體活化-中頻感應(yīng)燒結(jié)，等離子體活化-間接電阻加熱燒結(jié)等。
本工藝也可用于探索不同種類的粉末材料的活化燒結(jié)或優(yōu)選同種粉末材料的不同工藝過程，還可采用先活化、后加壓、再燒結(jié)等工藝過程。
四

圖1是本發(fā)明的裝置圖，圖中1是脈沖電源裝置，2是電阻加熱裝置，3、4、5、6、11、12是軸向加壓裝置，10是燒結(jié)模，9和1 3是上、下沖頭。圖2是燒結(jié)過程四階段的溫度、壓力示意圖。圖3是脈沖電源裝置和電阻加熱裝置電路原理圖。
五具體實施例方式實施例1納米級氧化鋁的等離子體活化燒結(jié)將納米級氧化鋁粉末裝入燒結(jié)模中，首先用脈沖電流對粉末進(jìn)行活化，隨后快速升溫并對粉末施加壓力進(jìn)行燒結(jié)，其中脈沖電流850A，脈沖接通時間60ms，斷路時間30ms，等離子體活化時間90s，壓力40Mpa，加熱溫度1250～1300℃。
實施例2硬質(zhì)合金材料WC+Co的等離子體活化燒結(jié)將純度為99.9％的WC粉末和純度為99.8％的Co粉末按比例均勻混合后裝入燒結(jié)模中，首先用脈沖電流對粉末進(jìn)行活化，隨后快速升溫并對粉末施加壓力進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的工藝條件需跟據(jù)合金中Co粉末的百分含量加以設(shè)定。
(a)、對WC-6％Co粉末材料燒結(jié)的最佳工藝條件脈沖電流600A，脈沖接通時間40ms，等離子體活化時間30s，壓力為30.5Mpa，在1350℃下燒結(jié)5分鐘，硬度達(dá)到HRA92，相對理論密度值為99.83％。
(b)、對WC-10％Co粉末材料燒結(jié)的最佳工藝條件脈沖電流500A，脈沖接通時間為40ms，斷路時間為60ms，等離子體活化時間為25s，壓力為26.3Mpa，加熱溫度300-1350℃，燒結(jié)時間為4分鐘，相對理論密度達(dá)到99.65％，洛氏硬度達(dá)到91。
(c)、對WC-15％Co粉末材料燒結(jié)的最佳工藝條件脈沖電流450A，脈沖接通時間為40ms，斷路時間為60ms，等離子體活化時間為20s，壓力為21.6MPa，在1300℃下燒結(jié)5分鐘，硬度達(dá)到HRA90，相對理論密度值為99.90％。
(d)、對WC-20％Co粉末材料燒結(jié)的最佳工藝條件脈沖電流400A，脈沖接通時間為20ms，斷路時間為80ms，等離子體活化時間為30s，加熱溫度1250-1300℃，壓力為17.6Mpa，在1300℃下燒結(jié)5分鐘，硬度達(dá)到HRA89，相對理論密度值為99.93％。
實施例3納米級ZrO2的高等離子體活化燒結(jié)將納米級ZrO2粉末裝入燒結(jié)模中，首先用脈沖電流對粉末進(jìn)行活化，隨后快速升溫并對粉末施加壓力進(jìn)行燒結(jié)，最佳工藝條件為脈沖電流700A，脈沖接通時間45ms，斷路時間30ms，等離子體活化時間60s，壓力30Mpa，加熱溫度1300-1400℃，燒結(jié)時間為7分鐘，維氏硬度達(dá)15.4Gpa，相對理論密度接近100％。
實施例4Cu粉的等離子體活化燒結(jié)工藝參數(shù)為脈沖電流2500A、脈沖接通時間為40ms、斷路時間為60ms，再采用直流電阻加熱燒結(jié)至600℃，總活化燒結(jié)時間為15s，隨后降至室溫，過程中所施加的壓力為5MPa，在活化燒結(jié)后，樣品的理論密度達(dá)到99.6％，而工藝時間僅為15s。
權(quán)利要求
1.一種納米氧化鋁等離子體活化燒結(jié)的方法，燒結(jié)分四個階段進(jìn)行，第一階段，對納米氧化鋁材料顆粒施加與其同軸向的壓力；第二階段，保持恒定壓力，并加脈沖電壓，產(chǎn)生等離子體，對納米氧化鋁材料顆粒表面進(jìn)行活化；第三階段，關(guān)閉脈沖電源電路，在恒壓作用下，用直流電對納米氧化鋁加熱至所需溫度和時間；第四階段，停止直流電阻加熱，消除壓力，得到成品，其特征是控制脈沖電流850A，脈沖接通時間60ms，斷路時間30ms，用直流電對納米氧化鋁加熱至1250～1300℃，總活化時間90s，壓力40Mpa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米氧化鋁等離子體活化燒結(jié)的方法，屬粉末冶金制備領(lǐng)域。燒結(jié)分四個階段進(jìn)行，第一階段，對納米氧化鋁材料顆粒施加與其同軸向的壓力；第二階段，保持恒定壓力，并加脈沖電壓，產(chǎn)生等離子體，對納米氧化鋁材料顆粒表面進(jìn)行活化；第三階段，關(guān)閉脈沖電源電路，在恒壓作用下，用直流電對納米氧化鋁加熱至所需溫度和時間；第四階段，停止直流電阻加熱，消除壓力，得到成品。控制脈沖電流850A，脈沖接通時間60ms，斷路時間30ms，加熱時間1250～1300℃，總活化時間90s，壓力40MPa?？梢詫崿F(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，抑制了晶粒的長大，從本質(zhì)上提高了燒結(jié)納米氧化鋁粉體的性能。
文檔編號B22F9/02GK1676251SQ20051005209
公開日2005年10月5日 申請日期2001年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月20日
發(fā)明者彭金輝, 張世敏, 馬駿騎, 張利波, 楊顯萬, 華一新, 朱祖澤, 何藹平, 王 華, 李榮興 申請人:昆明理工大學(xué)