一種脈沖放電銅型材生產裝置及方法與流程

本發明涉及一種放電等離子體銅型材生產裝置及方法，屬于金屬型材制備技術領域。

背景技術：

隨著科技的發展，人們對材料和能源的需求越來越大，一方面需要我們開發新能源和開采原材料，從可持續發展的角度，更需要從如何節約能源，和如何更充分利用原材料的角度來尋求新的解決辦法。試想如果能夠將用過的材料，例如鋁做的可樂罐，加工后殘留的切削屑，能夠回收再利用，則能夠有效應對以上問題。

傳統的金屬型材通常是由鋼廠或各種型材專業廠家利用專業的冷軋或熱軋設備進行制造，如各類型鋼、鋁型材等，這些型材的形狀、規格等都是按照一定的國際標準、國家標準或行業標準進行制造的，對于實際生產需要而言，現有的金屬型材制造設備和制造方法存在如下不足：第一，型材軋制方式成本高，薄壁型材加工技術難度大；第二，型材的形狀、規格標準化，對于一些有特殊需求的截面形狀、規格的金屬型材，難以滿足要求；第三，型材產品的供貨長度一般不超過12m，無法在生產線上連續應用。

脈沖放電過程除具有熱壓燒結的焦耳熱和塑性變形促進燒結過程外，還在粉末顆粒間產生直流脈沖電壓，并有效利用了粉體顆粒間放電產生的自發熱作用。因而產生了一些脈沖放電過程所特有的有利于加熱的現象。第一，由于脈沖放電產生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動，可使粉末吸附的氣體逸散。粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被擊穿，使粉末得以凈化、活化 ；第二，由于脈沖是瞬間、斷續、高頻率發生，在粉末顆粒未接觸部位產生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產生的焦耳熱，都大大促進了粉末顆粒原子的擴散，其擴散系數比通常熱壓條件下的要大得多，從而達到粉末的快速熔化 ；第三，On-Off 快速脈沖的加入，使粉末內的放電部位及焦耳發熱部件，都會快速移動，使粉末的加熱能夠均勻化。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有金屬型材生產技術材料利用率低、生產過程中產生大量廢料，所制備的材料致密度低等問題問題，本發明提供了一種脈沖放電銅型材生產裝置及方法。

一種脈沖放電銅型材生產裝置，它包括石墨噴嘴(1)、陶瓷墊圈(2)、石墨套頭(3)、石墨套筒(4)、金屬外殼(5)、抽氣口(6)、料斗蓋(7)、料斗(8)、電機(9)，陽極（10）、主軸（11）、螺栓孔（12）、陰極（13）；所述的料斗蓋 (7) 與料斗(8) 為軸連接，所述陶瓷墊圈(2)位于金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1) 之間，金屬外殼(5)內部設有主軸（11），該主軸（11）外表面有螺紋，左段為三角形，套在石墨套頭(3)內部，根部與電機（9）相連和陽極(10)相接，金屬外殼(5)內壁上嵌入固定有圓筒形的石墨套筒(4)，該石墨套筒(4)右端與陶瓷墊圈(2)右端之間的距離為L1，金屬外殼(5)的側壁上固定有料斗(8)，且料斗(8) 的底部與金屬外殼(5) 的內腔連通，該料斗 (8) 臨近陶瓷墊圈(2)的一側與陶瓷墊圈(2)右端之間的直線距離大于 L1，石墨噴嘴(1)右下端與陰極(13)相連。

所述的主軸（11）外表面螺紋的大徑與金屬外殼(5)內徑相等。

所述陶瓷墊圈(2)位于金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1) 之間，用于隔離金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1)。

采用所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置實現銅型材生產的方法，所述生產銅型材的方法的過程為，首先使所述的陰極(13) 位于石墨噴嘴(1) 右下端，陽極(10)位于主軸（11）根部處，通過抽氣口(6)抽真空，通過料斗 (8) 向金屬外殼(5)的內腔添加銅屑，然后將料斗蓋 (7) 蓋嚴，開啟電機（9），帶動主軸（11）旋轉，通過主軸（11）上的螺紋使銅屑進入石墨套筒(4)和石墨噴嘴(1)內，在陽極(10)和陰極(13)之間通脈沖電流，加熱銅屑，位于石墨噴嘴(1) 、石墨套頭(3)和石墨套筒(4)之間的銅屑發生熔化，將處于熔融狀態的銅屑通過石墨噴嘴（1）擠出，通過更換不同的石墨噴嘴（1），可以擠出不同形狀的銅型材，打開料斗（8）向料斗（8）中加入銅屑，關閉料斗蓋 (7)，繼續通過抽氣口(6)抽真空，旋轉的主軸（11）上的螺紋不斷將熔融狀態的銅屑連續擠出，同時不斷將銅屑傳送至石墨套筒（4）內部，則可實現連續無廢料的型材壓鑄生產過程。

所述脈沖電流的脈沖頻率是 5 ～ 200Hz，脈沖電流的電流大小是 200 ～ 8000A 的直流脈沖電。

本發明是在傳統銅型材制造的基礎上添加石墨噴嘴（1）、陶瓷墊圈（2）、石墨套頭（3）、石墨套筒（4）、陰極（13）和陽極（10）進行脈沖放電，原料采用加工殘余的銅屑，將原料放入料斗后，推入石墨套筒（4）中，兩端施加強脈沖電流使銅屑融化，然后將熔融銅屑擠出噴嘴成型。

本發明實現了銅型材生產節約能耗 15％～ 30％，能制備復雜構件，制備的材料密度提高 2％～ 10％、性能好。

附圖說明

圖 1 是本發明所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置的結構示意圖 ；

圖 2 是具體實施方式四所述的銅型材生產方法進行對銅屑加熱的過程中，銅屑加熱時的狀態示意圖 ；

圖 3 是具體實施方式六所述的銅型材生產方法進行對銅屑加熱后，將銅屑熔化時的狀態示意圖 ；

圖4是本發明所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置圓形石墨噴嘴(1) 的結構示意圖；

圖5是本發明所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置方形石墨噴嘴(1) 的結構示意圖；

圖6是本發明所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置凹槽形石墨噴嘴(1) 的結構示意圖；

圖7是本發明所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置工字型石墨噴嘴(1) 的結構示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參見圖 1 說明本實施方式，它包括石墨噴嘴(1)、陶瓷墊圈(2)、石墨套頭(3)、石墨套筒(4)、金屬外殼(5)、抽氣口(6)、料斗蓋(7)、料斗(8)、電機(9)，陽極（10）、主軸（11）、螺栓孔（12）、陰極（13）；所述的料斗蓋 (7) 與料斗(8) 為軸連接，所述陶瓷墊圈(2)位于金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1) 之間，金屬外殼(5)內部設有主軸（11），該主軸（11）外表面有螺紋，左段為三角形，套在石墨套頭(3)內部，根部與電機（9）相連和陽極(10)相接，金屬外殼(5)內壁上嵌入固定有圓筒形的石墨套筒(4)，該石墨套筒(4)右端與陶瓷墊圈(2)右端之間的距離為L1，金屬外殼(5)的側壁上固定有料斗(8)，且料斗(8) 的底部與金屬外殼(5) 的內腔連通，該料斗 (8) 臨近陶瓷墊圈(2)的一側與陶瓷墊圈(2)右端之間的直線距離大于 L1，石墨噴嘴(1)右下端與陰極(13)相連。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置的區別在于，所述的主軸（11）外表面螺紋的大徑與金屬外殼(5)內徑相等。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置的區別在于，所述陶瓷墊圈(2)位于金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1) 之間，用于隔離金屬外殼（5)和石墨噴嘴(1)。

具體實施方式四：參見圖 2-圖7說明本實施方式，本實施方式是采用具體實施方式一所述的一種脈沖放電銅型材生產裝置實現銅型材生產的方法，所述銅型材生產的方法的過程為，首先使所述的陰極(13) 位于石墨噴嘴(1) 右下端，陽極(10)位于主軸（11）根部處，通過抽氣口(6)抽真空，通過料斗 (8) 向金屬外殼(5)的內腔添加銅屑，然后將料斗蓋 (7) 蓋嚴，開啟電機（9），帶動主軸（11）旋轉，通過主軸（11）上的螺紋使銅屑進入石墨套筒(4)和石墨噴嘴(1)內，在陽極(10)和陰極(13)之間通脈沖電流，加熱銅屑，位于石墨噴嘴(1) 、石墨套頭(3)和石墨套筒(4)之間的銅屑發生熔化，將處于熔融狀態的銅屑通過石墨噴嘴（1）擠出，通過更換不同的石墨噴嘴（1），可以擠出不同形狀的銅型材，打開料斗（8）向料斗（8）中加入銅屑，關閉料斗蓋 (7)，繼續通過抽氣口(6)抽真空，旋轉的主軸（11）上的螺紋不斷將熔融狀態的銅屑連續擠出，同時不斷將銅屑傳送至石墨套筒（4）內部，則可實現連續無廢料的型材壓鑄生產過程。

具體實施方式五:所述脈沖電流的脈沖頻率是 5 ～ 200Hz，脈沖電流的電流大小是 200 ～ 8000A 的直流脈沖電。

本實施方式中，還在粉末顆粒間產生直流脈沖電壓，在脈沖電流作用下顆粒間產生放電，激發等離子體，通過有效利用粉體顆粒間放電產生的自發熱作用，該裝置產生了一些特有的有利于粉末快速熔化的現象。第一，由于脈沖放電產生的放電沖擊波以及電子、離子在電場中反方向的高速流動，可使粉末吸附的氣體逸散，粉末表面的起始氧化膜在一定程度上被擊穿，使粉末得以凈化、活化 ；第二，由于脈沖是瞬間、斷續、高頻率發生，在粉末顆粒未接觸部位產生的放電熱，以及粉末顆粒接觸部位產生的焦耳熱，都大大促進了粉末顆粒原子的擴散，其擴散系數比通常熱壓條件下的要大得多，從而達到粉末快速熔化 ；第三，On-Off 快速脈沖的加入，使粉末內的放電部位及焦耳發熱部件，都會快速移動，使粉末的加熱能夠均勻化。使脈沖集中在晶粒結合處是直流脈沖電施加過程的一個特點。直流脈沖電施加過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產生高達幾千度至1 萬度的局部高溫，從而加速顆粒的熔化，綜合來看，該裝置的實施過程可以看作是顆粒放電、導電加熱綜合作用的結果。

脈沖放電過程中，顆粒之間放電時，會瞬時產生高達幾千度至 1 萬度的局部高溫，在顆粒表面引起蒸發和熔化 ；在顆粒接觸點形成頸部，由于熱量立即從發熱中心傳遞到顆粒表面和向四周擴散，頸部快速冷卻而使蒸汽壓低于其他部位，加速了致密化過程。

本發明利用脈沖放電燒結技術，使得銅屑快速加熱達到熔化或半固態的狀態，迅速成型。這樣可以實現廢物利用，例如加工后剩余的銅屑，使用后的金屬，等作為原材料 ；實現節能減排，由于脈沖放電的效率高，可以降低金屬熔化的能耗 ；制備性能優良的材料，由于脈沖放電所制備的材料具有組織均勻，晶粒細小從而使得材料的性能得到提高 ，并實現連續生產；還可以對某些脆性材料進行處理制造，直接從加工后剩余的切削屑制成成品型材，不必進行中間處理，可減少脆性材料由于加工過程造成的損失。