一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法

2023-10-28 11:32:52

專利名稱：一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法
技術領域：
本發明屬於粉末冶金及陶瓷生產用熱壓模具技術領域，具體涉及一種真空熱壓爐 用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法。
背景技術：
熱壓工藝是一種將模壓與燒結相結合的材料成型方法，將單向或三向壓力作用於 裝在石墨或其它剛性模具中的粉末壓坯或鬆散粉末，在高溫下使粉末產生塑性變形或蠕變 的粉末冶金緻密化方法，常用於製備陶瓷材料如氮化矽、碳化硼等，以及難於燒結的金屬和 合金材料如Ti-Al基合金等。真空熱壓爐可在真空條件下或保護氣氛下運行，以真空條件居多。由於熱壓所需 要的壓力較小，產品緻密，尺寸精確，因此常用於生產硬質合金軋輥、頂錘等大型零部件及 燒結性很差的金屬陶瓷製品。因工作溫度較高，一般在1000°C以上，因此熱壓工藝要求模具材料耐高溫、高溫下 較高強度，目前常用的模具為石墨材料。石墨的壓縮強度一般大於60MPa，缺點為抗折強度、 拉伸強度低，抗折強度約為35MPa，拉伸強度約為20MPa，因此石墨模具設計厚度較厚，佔用 熱壓爐內較大的空間，影響了產品的生產效率，且容易發生脆性斷裂。中國專利CN1778490公開了一種大型炭/炭熱壓模具陰模製造方法，它是在電極 石墨圓柱上以單向炭帶浸樹脂後均勻纏繞固化、炭化處理，然後全部挖去或留少量原石墨 柱，形成厚度為20 50mm厚的圓筒，製成熱壓模具陰模。該方法優點為工藝簡單，成本低， 其不足之處是(1)密度較低，小於1. 5g/cm3，承受壓力較小為30MPa ； (2)環向纏繞但無徑 向針刺纖維，屬二維結構，因此在製造過程及使用過程中容易發生分層、破裂。

發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種真空熱壓 爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，該方法製備的炭/炭熱壓模具強度高、使用壽命 長、性能優異，與石墨材料模具相比，使炭/炭熱壓模具厚度減小三分之二。為解決上述技術問題，本發明的技術方案是一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱 壓模具的製備方法，其特徵在於，製備過程為(1)採用炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向採用針刺 工藝引入增強纖維，製成圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體，圓筒狀準三向結構熱壓模具
預製體的密度為0. 30g/cm3 0. 70g/cm3，所述針刺工藝中的針刺密度為20針/cm2 45針
/ 2 /cm ；(2)化學氣相滲透緻密工藝以丙烯或天然氣為原料，在850°C 1200°C高溫下裂 解後對步驟(1)中的圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體進行化學氣相滲透緻密處理，製得 圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理工藝當步驟(2)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度> l.Og/cm3後，對其進行糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理，浸漬壓力為l.OMPa 3. OMPa,固化溫度為160°C 220°C，炭化溫度為800°C 1000°C ；(4)高溫處理工藝步驟(3)中經糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度> 1. 4g/cm3時，對其進行1800°C 2500°C高溫處理；(5)對步驟(4)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行糠酮樹脂 浸漬固化及炭化處理，使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度> 1. 70g/cm3 ；浸漬壓力為 1. OMPa 3. OMPa,固化溫度為160°C 220°C，炭化溫度為800°C 1000°C ；(6)對步驟(5)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行1800°C 2500°C高溫處理， 使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的拉伸強度彡150MPa ；(7)機械加工工藝對步驟(6)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進 行車加工，製得拉伸強度> 150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具。上述步驟(1)中所述炭布為3K 12K平紋炭布或斜紋炭布，其中K代表絲束千根數。上述步驟(7)中所述圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具的表面粗糙度值不超過 6. 4 μ m0上述步驟(7)中所述圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具的直徑為200mm 1300mm，壁 厚 15mm 100mm，高度彡 IOOOmm0本發明與現有技術相比具有以下優點(1)採用針刺3 12K炭布與短炭纖維網胎鋪層，環向連續纏繞製得三向結構預製 體，由於炭布的環向連續性，提高了環向拉伸強度；短炭纖維網胎提供了針刺垂直纖維的絲 源，增加了垂直纖維的含量，提高了預製體緻密工藝過程及製品使用過程抗分層的能力；(2)採用高於使用溫度的高溫處理，在不降低炭/炭熱壓模具強度的前提下，又能 提高抗熱震性及結構穩定性。(3)與石墨模具相比，炭/炭熱壓模具厚度減小近三分之二，在爐腔尺寸一定的情 況下，使用炭/炭熱壓模具裝爐量大大提高，提高了生產效率，降低成本。(4)炭/炭熱壓模具密度大，強度及抗熱震性較高，使用過程中不易損壞，能顯著 延長熱壓模具的使用壽命。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發明的工藝流程圖。
具體實施例方式如圖1所示的一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，製備過程 為(1)採用炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向採用針刺 工藝引入增強纖維，製成圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體，圓筒狀準三向結構熱壓模具 預製體的密度為0. 30g/cm3 0. 70g/cm3，所述針刺工藝中的針刺密度為20針/cm2 45針 /cm2，所述炭布為3K 12K平紋炭布或斜紋炭布，其中K代表絲束千根數；
(2)化學氣相滲透緻密工藝在化學氣相沉積爐中，以丙烯或天然氣為原料，在 850°C 1200°C高溫下裂解後對步驟(1)中的圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體進行化學 氣相滲透緻密處理，製得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理工藝當步驟(2)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具 坯體的密度> l.Og/cm3後，在浸漬罐中對其進行糠酮樹脂浸漬固化，在炭化爐中對其進行 炭化處理，浸漬壓力為1. OMPa 3. OMPa,固化溫度為160°C 220°C，炭化溫度為800°C IOOO0C ；(4)高溫處理工藝步驟(3)中經糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理後的圓筒狀炭/ 炭熱壓模具坯體的密度> 1. 4g/cm3時，在石墨化高溫爐中對其進行1800°C 2500°C高溫 處理；(5)對步驟(4)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行糠酮樹脂 浸漬固化及炭化處理，使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度> 1. 70g/cm3 ；浸漬壓力為 1. OMPa 3. OMPa,固化溫度為160°C 220°C，炭化溫度為800°C 1000°C ；(6)對步驟(5)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體在石墨化高溫爐中進行1800°C 2500°C高溫處理，使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的拉伸強度彡150MPa ；(7)機械加工工藝對步驟(6)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進 行車加工，製得拉伸強度> 150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具，其表面粗糙度值不超 過 6. 4 μ m，直徑為 200mm 1300mm，壁厚 15mm 100mm，高度≥ 1000mm。實施例1(1)採用3K斜紋炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向 採用針刺工藝引入增強纖維，製成圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體，其密度為0. 30g/ cm3，針刺工藝中的針刺密度為20針 30針/cm2 ；在垂直炭布方向採用針刺工藝引入增強 纖維，防止製造過程、使過程中分層和開裂；(2)化學氣相滲透工藝在化學氣相沉積爐中，以丙烯為原料，在850°C溫度下裂 解後，對圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體進行氣相滲透緻密處理兩周期，製得圓筒狀炭/ 炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理炭/炭熱壓模具坯體密度> 1. Og/cm3時，在浸 漬罐中進行糠酮樹脂浸漬處理，浸漬壓力1. OMPa，浸漬4h後進行160°C固化，在炭化爐中進 行800°C炭化處理；(4)高溫處理當炭/炭熱壓模具坯體密度≥1. 4g/cm3時，在石墨化高溫爐中進行 2300°C高溫處理，目的對材料進行開孔，利於後期緻密；(5)重複步驟(3)至圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度≥1. 70g/cm3 ；(6)重複步驟(4)進行高溫處理，高溫處理溫度為2300°C ；(7)機械加工對步驟(6)中經過高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體用車床加工，製得拉伸強度> 150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具，其表面粗糙度值不超過 6. 4 μ m0上述步驟(7)中的真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的尺寸為直徑200mm，高度 500mm,厚度 15mm。實施例2
(1)採用6K平紋炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向 採用針刺工藝引入增強纖維，製成圓筒狀三向結構熱壓模具預製體，其密度為0. 50g/cm3, 針刺工藝中的針刺密度為30針 40針/cm2 ；在垂直炭布方向採用針刺工藝引入增強纖維， 防止製造過程、使用過程中分層和開裂；(2)化學氣相滲透工藝在化學氣相沉積爐中，以丙烯為原料，在940°C溫度下裂解後，對圓筒狀三向結構熱壓模具預製體進行氣相滲透緻密處理兩周期，製得圓筒狀炭/ 炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體密度> 1. Og/cm3 時，在浸漬罐中進行糠酮樹脂浸漬處理，浸漬壓力2. OMPa，浸漬4h後進行190°C固化，在炭 化爐中進行900°C炭化處理；(4)高溫處理重複步驟(3)，當其密度彡1.4g/cm3時，在石墨化高溫爐中進行 2500°C高溫處理，目的對材料進行開孔，利於後期緻密；(5)重複步驟(3)至圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度彡1. 70g/cm3 ；(6)重複步驟(4)進行高溫處理，高溫處理溫度為2300°C ；(7)機械加工對步驟(6)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體用車床 加工，製得拉伸強度> 150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具，其表面粗糙度值不超過 6. 4 μ m0上述步驟(7)中的真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的尺寸為直徑500mm，高度 800mm，厚度 50mm。實施例3(1)採用12K平紋炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向 採用針刺工藝引入增強纖維，製成圓筒狀三向結構熱壓模具預製體，其密度為0. 70g/cm3, 針刺工藝中的針刺密度為40-45針/cm2 ；在垂直炭布方向採用針刺工藝引入增強纖維，防 止製造過程、使用過程中分層和開裂；(2)化學氣相滲透工藝在化學氣相沉積爐中，以天然氣為原料，在1200°C溫度下 裂解後，對圓筒狀三向結構熱壓模具預製體進行氣相滲透緻密處理兩周期，製得圓筒狀炭/ 炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體密度> 1. Og/cm3 時，在浸漬罐中進行糠酮樹脂浸漬處理，浸漬壓力3. OMPa,浸漬4h後進行220°C固化，在炭 化爐中進行1000°C炭化處理；(4)高溫處理重複步驟(3)，當圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體密度彡1. 4g/cm3時， 在石墨化高溫爐中進行2000°C高溫處理，目的對材料進行開孔，利於後期緻密；(5)重複步驟(3)至圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度彡1. 70g/cm3 ；(6)重複步驟⑷進行高溫處理，高溫處理溫度為1800°C ；(7)機械加工對步驟(6)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體用車床 加工，製得拉伸強度> 150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具，其表面粗糙度值不超過 6. 4 μ m0上述步驟(7)中的真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的尺寸為直徑1300mm，高 度 1000mm，厚度 100mm。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制，凡是根據本發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。
權利要求
一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，其特徵在於，製備過程為(1)採用炭布與短炭纖維網胎交替鋪層，環向連續纏繞，在垂直炭布方向採用針刺工藝引入增強纖維，製成圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體，圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體的密度為0.30g/cm3～0.70g/cm3，所述針刺工藝中的針刺密度為20針/cm2～45針/cm2；(2)化學氣相滲透緻密工藝以丙烯或天然氣為原料，在850℃～1200℃高溫下裂解後對步驟(1)中的圓筒狀準三向結構熱壓模具預製體進行化學氣相滲透緻密處理，製得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體；(3)糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理工藝當步驟(2)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度≥1.0g/cm3後，對其進行糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理，浸漬壓力為1.0MPa～3.0MPa，固化溫度為160℃～220℃，炭化溫度為800℃～1000℃；(4)高溫處理工藝步驟(3)中經糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度≥1.4g/cm3時，對其進行1800℃～2500℃高溫處理；(5)對步驟(4)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行糠酮樹脂浸漬固化及炭化處理，使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的密度≥1.70g/cm3；浸漬壓力為1.0MPa～3.0MPa，固化溫度為160℃～220℃，炭化溫度為800℃～1000℃；(6)對步驟(5)中的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行1800℃～2500℃高溫處理，使得圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體的拉伸強度≥150MPa；(7)機械加工工藝對步驟(6)中經高溫處理後的圓筒狀炭/炭熱壓模具坯體進行車加工，製得拉伸強度≥150MPa的圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具。
2.按照權利要求1所述的一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，其特 徵在於，步驟(1)中所述炭布為3K 12K平紋炭布或斜紋炭布，其中K代表絲束千根數。
3.按照權利要求1所述的一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，其特 徵在於，步驟(7)中所述圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具的表面粗糙度值不超過6.4 μ m。
4.按照權利要求1所述的一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，其 特徵在於，步驟(7)中所述圓筒狀高強度炭/炭熱壓模具的直徑為200mm 1300mm，壁厚 15mm 100mm，高度彡 IOOOmm0
全文摘要
本發明公開了一種真空熱壓爐用高強度炭/炭熱壓模具的製備方法，採用炭布環向連續纏繞，徑向針刺製成準三向結構預製體；通過化學氣相滲透與樹脂壓力浸漬炭化緻密預製體，緻密工藝結束後進行高溫處理並機械加工即可製得炭/炭熱壓模具。本發明採用炭布連續纏繞針刺預製體，化學氣相滲透與樹脂壓力浸漬炭化相結合的工藝方法緻密製成炭/炭熱壓模具，在用於粉末冶金、陶瓷熱壓用模具方面，替代石墨模具，模具厚度大大減小，可有效的提高產品裝爐量，降低生產成本；且製備的模具拉伸強度高，抗熱震能力強，使用壽命大幅延長。
文檔編號B22F3/12GK101797646SQ201010132698
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月25日 優先權日2010年3月25日
發明者侯衛權, 李樹芳, 李永軍, 肖志超, 蘇君明 申請人:西安超碼科技有限公司