电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统及生产方法

权利要求

1.电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统，其特征在于，所述生产系统包括：上电极、下电极、模具、传送平台、传动单元、辅助单元和供电单元； 其中，所述上电极和下电极对称设置在所述传动单元上，所述传送平台设置在所述传动单元的下端，所述供电单元分别与所述上电极和下电极连接； 所述模具固定在所述传送平台上，且所述模具上设有通孔成型腔，且所述通孔成型腔位于所述上电极和下电极之间，且所述通孔成型腔内壁上设有绝缘层； 所述辅助单元设置在所述传送平台的一侧。

2.根据权利要求1所述的连续生产系统，其特征在于，所述通孔成型腔的直径是所述上电极和下电极的直径的1-1.2倍。 

3.根据权利要求1所述的连续生产系统，其特征在于，所述供电单元为直流电源、交流电源或脉冲直流电源。 

4.根据权利要求1所述的连续生产系统，其特征在于，所述上电极、下电极和模具材料均为耐高温高强合金； 所述绝缘层为氮化硅、碳化硅、氮化铝、或氧化锆中一种。 

5.根据权利要求4所述的连续生产系统，其特征在于，所述耐高温高强合金为碳化钨钴硬质合金、钨基合金或镍基高温合金。 

6.采用如权利要求1-5任意一项所述的连续生产系统的生产方法，其特征在于，所述生产方法具体包括以下步骤： S1）启动辅助装置通过料斗将原料粉末注入模具的通孔成型腔中； S2）启动传动单元带动上电极和下电极运动，插入所述通孔成型腔内，并对粉末原料进行预压制，得到粉末生坯； S3）启动供电单元，电流通过上电极和下电极对粉末生坯进行进一步电流辅助压制成型和烧结； S4）电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，再通传动单元带动上电极和下电极向上运动，对得到烧结体进行脱模； S5）启动传送平台将脱模后烧结体运离，同时通过传动单元带动下电极进行复位，重复S1）-S4），实现粉末冶金零部件的连续生产。 

7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述S1）的原料粉末为铝基、铜基、钛基、铁基或硬质合金粉末。 

8.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述S2）的预压制压力为：100-1500MPa。 9.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述S3）的电流辅助成型和烧结的工艺参数：电流100-10000A，电压3-50V，频率1-50kHz，烧结时间5-600s。 10.一种粉末冶金零部件，其特征在于，所述粉末冶金零部件通过如权利要求6-9任意一项所述的生产方法制备得到。

说明书

电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统及生产方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及适用于粉末冶金零部件成型的电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统及生产方法。

技术背景

传统粉末冶金零部件生产系统主要包括粉末制备、压制成型、烧结等过程，而烧结过程能耗最大。如今国内外各大粉末冶金企业中采用的烧结方法和几千年前的陶器烧结的烧结方法没有本质区别。近100年出现了外场辅助烧结技术，可以将传统的数小时的烧结时间缩短到数分钟甚至是数秒以内。其中研究和应用最为广泛的便是电场辅助烧结技术，例如目前商业化较为成功的放电等离子烧结技术（SPS），但其应用主要还是局限于实验室样品制备，SPS在工业应用上鲜有报道，这主要是由于SPS依赖于复杂、精密设备模块，如温度控制模块、压力控制模块的等，其昂贵的设备成本以及无法连续生产的技术特点限制了SPS的工业应用。

在传统粉末冶金生产系统中成型和烧结过程是分开的。粉末原料在压力装置中连续成型得到大批量零部件生坯以后，再统一放入炉子中进行长时间烧结，这导致了传统粉末冶金生产工艺存在流程长、能耗高、污染大、效率低、产品精度低、性能差等问题。而电场辅助烧结技术可以缩短单个产品制备的时间，显著提升产品性能，但又难以实现和传统粉末冶金零部件生产系统一样的大规模的样品制备。

因此，需要设计一种将电场辅助烧结技术与传统粉末冶金生产系统进行有机结合的，集成型、烧结过程为一体的连续生产系统，其可以在避免对传统粉末冶金生产系统进行大规模改动的同时，充分发挥电场辅助烧结的技术优势，克服传统粉末冶金零部件生产系统中存在的流程长、能耗高、污染大、效率低、产品精度低、性能差等问题，实现高性能粉末冶金零部件的大规模、高通量生产。

现有技术中常用的是外场辅助烧结的，其共同特点是利用电流流过粉末坯体或模具产生的焦耳热来实现样品的烧结，其存在的问题是难以实现大规模连续生产，仅能用于单一实验室样品的制备。

发明内容

本发明目的是针对现有的技术不足，设计的一种粉末冶金零部件的电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统，用于解决传统粉末冶金零部件生产系统中存在的流程长、能耗高、污染大、效率低、产品精度低、性能差，以及电场辅助烧结技术无法实现大规模连续化生产，且生产成本高等问题。

本发明技术方案：一种粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统，包括：上电极、下电极、模具、料斗、传送平台、供电单元、传动单元、绝缘层和通孔成型腔；所述上电极和下电极与电源8和传动单元连接；所述模具通过通孔成型腔内壁上的绝缘层与上电极1和下电极绝缘，嵌套并固定于传送平台上；所述料斗内放置有粉末原料，通过机械臂控制，用于连续成型过程中模具内粉末原料的注入。一种粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统实施步骤包括：

（1）所述料斗为模具注入粉末原料。

（2）所述传动单元带动上电供电极运动，对粉末生坯进行压制。在此过程中，上电极、下电极、粉末生坯和供电单元形成闭合回路；然后，打开所述供电单元，电流通过粉末生坯，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，该过程中保持预压压力。

（3）电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元带动上电极和下电极向上运动，对烧结体进行脱模。

（4）所述传送平台将烧结体运离，传动单元带动下电极进行复位。

（5）重复步骤（1）~（4），实现粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产。

进一步地，所述上电极和下电极材料包括碳化钨钴硬质合金、钨基合金、镍基高温合金，用于将粉末生坯连接到供电单元的回路中，并在压制过程中将电能和压力注入到粉末生坯中。

进一步地，所述模具外层材料包括碳化钨钴硬质合金、钨基合金、镍基高温合金，内部绝缘层材料包括氮化硅、碳化硅、氮化铝、氧化锆。

进一步地，所述料斗由机械臂控制，用于在下电极2复位后模具3的加料。

进一步地，所述传送平台，用于烧结体脱模后的运输。

进一步地，所述供电单元包括直流电源、交流电源或脉冲直流电源。

进一步地，所述传动单元包括伺服电动缸、液压传动单元。传动单元9带动上电极和下电极，为粉末生坯、烧结体的连续成型、烧结及脱模提供动力。

进一步地，所述生产系统用于各类金属基粉末冶金零部件的大规模连续生产，包括铝基、铜基、钛基、铁基、硬质合金等金属基粉末冶金零部件。

进一步地，所述生产系统的成型、烧结一体化过程的环境气氛是可选的，包括空气、真空、惰性气体。

本发明的有益效果是：由于采用本发明的生产系统，其上电极、下电极、带成型孔的模具与传送平台相互配合，将粉体进行预压制，再在电流辅助下压制，可实现传统粉末冶金生产系统中成型和烧结过程的一体化，成功将电场辅助烧结技术与传统粉末冶金生产系统有机结合，且具备大规模连续生产的能力。粉末坯体在电流辅助压制后，致密度相比于预压生坯提高20%~40%。此外由于本发明中特殊的模具和电极的组合，在电流辅助压制过程中，粉末坯体处于低氧分压环境，成型、烧结一体化过程在绝大多数情况下在空气中便可以进行，无需气氛保护，可进一步提高生产效率，降低生产成本。因此，本发明可在避免对传统粉末冶金生产系统进行大规模改动的同时，充分发挥电场辅助烧结的技术优势，降低电场辅助烧结的成本，克服传统粉末冶金零部件生产系统中存在的流程长、能耗高、污染大、效率低、产品精度低、性能差，以及电场辅助烧结技术难以实现大规模连续化生产，且生产成本高等问题。

附图说明

图1为本发明电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统的结构示意图。

图2为本发明的生产系统中所使用的模具的剖面示意图。

图中：

1.上电极、2.下电极、3.模具、4.料斗、5.传送平台、6.粉末生坯、7.烧结体、8.供电单元、9.传动单元、10.绝缘层，11. 通孔成型腔；其中a、b、c、d分别对应本发明中的装料，电流辅助成型及烧结，脱模，烧结体运离、电极复位及重新装料等四个主要步骤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-图2所示，本发明一种粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统，所述生产系统包括：上电极1、下电极2、模具3、传送平台5、传动单元9、辅助单元和供电单元8；

其中，所述上电极1和下电极2对称设置在所述传动单元9上，所述传送平台5设置在所述传动单元9的下端，所述供电单元8分别与所述上电极1和下电极2连接；

所述模具3固定在所述传送平台5上，且所述模具3上设有通孔成型腔11，且所述通孔成型腔11位于所述上电极1和下电极2之间，且所述通孔成型腔11内壁上设有绝缘层10；

所述辅助单元设置在所述传送平台5的一侧。

所述通孔成型腔的直径是所述上电极和下电极的直径的1-1.2倍,且所述通孔通孔成型腔11与所述上电极1和下电极2的横截面相同。

所述供电单元8为直流电源、交流电源或脉冲直流电源。

所述上电极1、下电极2和模具3材料均为耐高温高强合金；

所述绝缘层10为氮化硅、碳化硅、氮化铝、或氧化锆中一种。

所述耐高温高强合金为碳化钨钴硬质合金、钨基合金或镍基高温合金。

发明还提供一种采用上述的连续生产系统的生产方法，所述生产方法具体包括以下步骤：

S1）启动辅助装置通过料斗将粉末原料注入模具的通孔成型腔中；

S2）启动传动单元带动上电极和下电极运动，插入所述通孔成型腔内，并对粉末原料进行预压制，得到粉末生坯；

S3）启动供电单元，电流通过上电极和下电极对粉末生坯进行进一步电流辅助压制成型和烧结，该过程中保持预压压力；

S4）电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，再通传动单元带动上电极和下电极向上运动，对得到烧结体进行脱模；

S5）启动传送平台将脱模后烧结体运离，同时通过传动单元带动下电极进行复位，重复S1）-S4），实现粉末冶金零部件的连续生产。

所述S1）的原料粉末为铝基、铜基、钛基、铁基、硬质合金或其他金属基粉末。

所述S2）的预压制压力为：100-1500MPa

所述S3）的电流辅助成型和烧结的工艺参数：电流100-10000A，电压3-50V，频率1-50kHz，烧结时间5-600s。

一种粉末冶金零部件，述粉末冶金零部件通过上述的生产方法制备得到。

实施例1：

一种粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统，包括：上电极1、下电极2、模具3、料斗4、传送平台5、粉末生坯6、烧结体7、电源8、传动单元9、绝缘层10和通孔成型腔11；所述上电极1和下电极2与电源8和传动单元9连接；所述模具3通过通孔成型腔11内壁上的绝缘层10与上电极1和下电极2绝缘，嵌套并固定于传送平台5上；所述料斗4内放置有粉末原料，通过机械臂控制，用于连续成型过程中模具内粉末原料的注入。

一种粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统实施步骤包括：

（1）所述料斗4将粉末原料注入模具3的通孔成型腔内11（该步骤对应图1中的a）。

（2）所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，上下电极的压力相等。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和电源8形成闭合回路；然后，打开所述电源8，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程（该步骤对应图1中的b），该过程中保持预压压力。

（3）电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对烧结体7进行脱模（该步骤对应图1中的c）。

（4）所述传送平台5将烧结体7运离，传动单元9带动下电极2进行复位（该步骤对应图1中的d）。

（5）重复步骤（1）~（4），实现粉末冶金零部件电流辅助成型、烧结一体化的连续生产。

进一步地，所述上电极1、下电极2以及模具3外层材料包括碳化钨钴硬质合金、钨基合金、镍基高温合金，其中电极用于将粉末生坯6连接到电源8的回路中，并在压制过程中将电能和压力注入到粉末生坯6中。

进一步地，模具内部绝缘层材料包括氮化硅、碳化硅、氮化铝、氧化锆。

进一步地，所述料斗4由机械臂控制，用于在下电极2复位后模具3的加料。

进一步地，所述传送平台5，用于烧结体7脱模后的运输。

进一步地，所述电源8包括直流电源、交流电源、脉冲直流电源。

进一步地，所述传动单元9包括伺服电动缸、液压传动单元。传动单元9带动上电极1和下电极2，为粉末生坯6、烧结体7的连续成型、烧结及脱模提供动力。

进一步地，所述生产系统用于各类金属基粉末冶金零部件的大规模连续生产，包括铝基、铜基、钛基、铁基、硬质合金等金属基粉末冶金零部件。

进一步地，所述生产系统的成型、烧结一体化过程的环境气氛是可选的，包括空气、真空、惰性气体。

本发明还可以将上述多组电极和模具按阵列放置，并与一台或多台电源及传动单元并联，从而实现高通量制备的目的。

实施例2：

本发明适用于各种材质的高性能粉末冶金零部件的连续生产，本实施例以一种铝基金属材料，即Al-12Si合金为模型材料，连续生产直径为10mm的Al-12Si圆柱形零部件，成型、烧结一体化过程在空气中进行。所述料斗4为模具3注入Al-12Si合金粉末原料；所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，压制压力为100MPa。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和脉冲直流电源8形成闭合回路；然后，打开所述脉冲直流电源8，设置电源输出参数为：电流1500A，电压3V，频率31kHz，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，持续10s；电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对Al-12Si粉末冶金零部件7进行脱模；所述传送平台5将Al-12Si粉末冶金零部件7运离，传动单元9带动下电极2进行复位，并冷却30s；重复上述步骤，可进行平均致密度为99.6%的Al-12Si粉末冶金零部件的连续生产。

实施例3：

本发明适用于各种材质的高性能粉末冶金零部件的连续生产，本实施例以一种钛基金属材料，即Ti-6Al-4V合金为模型材料，连续生产齿顶圆直径为10.5mm，齿数为15的Ti-6Al-4V齿轮零部件，成型、烧结一体化过程在氩气的惰性气氛中进行。所述料斗4为模具3注入Ti-6Al-4V合金粉末原料；所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，压制压力为600MPa。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和脉冲直流电源8形成闭合回路；然后，打开所述脉冲直流电源8，设置电源输出参数为：电流600A，电压10V，频率50kHz，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，持续60s；电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对Ti-6Al-4V粉末冶金零部件7进行脱模；所述传送平台5将Ti-6Al-4V粉末冶金零部件7运离，传动单元9带动下电极2进行复位，并冷却65s；重复上述步骤，可进行平均致密度为98.1%的Ti-6Al-4V粉末冶金零部件的连续生产。

实施例4：

本发明适用于各种材质的高性能粉末冶金零部件的连续生产，本实施例以一种硬质合金，即WC-10%Co为模型材料，连续生产直径为25mm的圆柱形零部件，成型、烧结一体化过程在真空中进行。所述料斗4为模具3注入WC-10%Co合金粉末原料；所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，压制压力为1000MPa。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和交流电源8形成闭合回路；然后，打开所述交流电源8，设置电源输出参数为：电流5000A，电压20V，频率1kHz，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，持续180s；电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对WC-10%Co粉末冶金零部件7进行脱模；所述传送平台5将WC-10%Co粉末冶金零部件7运离，传动单元9带动下电极2进行复位，并冷却50s；重复上述步骤，可进行平均致密度为99.4%的WC-10%Co粉末冶金零部件的连续生产。

实施例5：

本发明适用于各种材质的高性能粉末冶金零部件的连续生产，本实施例以一种铁基金属材料，即碳化钛增强的高速钢复合材料（碳化钛含量40wt.%）为模型材料，连续生产直径为6mm的圆柱形零部件，成型、烧结一体化过程在空气中进行。所述料斗4为模具3注入碳化钛增强的高速钢复合材料粉末原料；所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，压制压力为1500MPa。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和直流电源8形成闭合回路；然后，打开所述直流电源8，设置电源输出参数为：电流275A，电压50V，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，持续420s；电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对碳化钛增强的高速钢复合材料粉末冶金零部件7进行脱模；所述传送平台5将碳化钛增强的高速钢复合材料粉末冶金零部件7运离，传动单元9带动下电极2进行复位，并冷却50s；重复上述步骤，可进行平均致密度为99.7%的碳化钛增强的高速钢复合材料粉末冶金零部件的连续生产。

实施例6：

本发明适用于各种材质的高性能粉末冶金零部件的连续生产，本实施例以一种铜基粉末冶金摩擦材料为模型材料，其主要合金元素为锡、锌、铁、镍、磷等，连续生产直径为35mm的圆柱形零部件，成型、烧结一体化过程在空气中进行。所述料斗4为模具3注入铜基粉末冶金摩擦材料粉末原料；所述传动单元9带动上电极1运动，对粉末生坯6进行压制，压制压力为760MPa。在此过程中，上电极1、下电极2、粉末生坯6和脉冲直流电源8形成闭合回路；然后，打开所述脉冲直流电源8，设置电源输出参数为：电流8600A，电压3.7V，频率20kHz，电流通过粉末生坯6，进行电流辅助成型和烧结一体化过程，持续300s；电流辅助成型和烧结一体化过程完成后，关闭电源，所述传动单元9带动上电极1和下电极2向上运动，对铜基粉末冶金摩擦材料零部件7进行脱模；所述传送平台5将铜基粉末冶金摩擦材料零部件7运离，传动单元9带动下电极2进行复位，并冷却64s；重复上述步骤，可进行平均致密度为99.5%的铜基粉末冶金摩擦材料零部件的连续生产。

以上对本申请实施例所提供的一种电流辅助成型、烧结一体化的连续生产系统及生产方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。