CN102179518A - 用于延长烧结炉中的带的寿命的方法和气氛 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于延长烧结炉中的带的寿命的方法和气氛。具体而言，本文公开了用于在连续炉中烧结金属部件的方法和气氛。在一个实施方案中，该方法和气氛包括向包含氮气和氢气的气氛中加入有效量的或大约1体积％至大约10体积％的吸热性气体。在另一实施方案中，提供了在一个或多个工作温度在炉子中烧结金属部件的方法，包括：提供包括带的炉子，所述带包含丝网材料，其中金属部件承载在所述带上；和在炉子中在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中，在范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个所述工作温度烧结所述部件，其中所述气氛中吸热性气体的量使得对于所述丝网材料而言是氧化性的并且对于所述金属部件而言是还原性的。

Description

用于延长烧结炉中的带的寿命的方法和气氛

相关申请的交叉引用

本申请要求在美国的35USC§119下享有于2009年12月21日提交的临时申请No.61/288505的优先权。该临时申请的公开由此通过引用而全文结合进来。

技术领域

本文描述了使用受控气氛烧结金属部件，尤其是钢部件，的方法。尤其描述了使用包含氮气和氢气的气氛烧结钢部件的方法，以及在烧结炉中对金属带进行操作之前预调制所述金属带的方法。

背景技术

粉末冶金常规用来制备各种需要精密尺寸公差、好的强度和耐磨性的简单几何形状和复杂几何形状的碳钢部件。所述技术涉及将已经和有机润滑剂预混的金属粉末压成有用的形状，然后在连续炉中在高温以及受控气氛中进行烧结而成为成品。

使用粉末冶金法制备部件的总成本已知受到维护炉子所花费的时间和金钱以及受控气氛的成本的显著影响。另一方面，部件的产率和质量分别受到炉子停工时间以及受控气氛的一致性组成的影响。因此需要研制出如下方法和/或气氛：其有助于减少停工时间和维护费用，以及提高由粉末冶金方法制成的部件的产率和质量。

连续烧结炉正常情况下包括3个不同的区域，即，预热区，高温加热区和冷却区。预热区用于预热部件达到预置温度，以及以热方式助于将有机润滑剂从部件中除去。高温加热区则用于烧结部件，而冷却区用于在将部件从连续炉中移出之前冷却所述部件。

连续炉中用于烧结钢部件的高温加热区一般在高于大约1832°F(约1000℃)温度工作。由于在高温工作的原因，连续炉的高温加热区由价格昂贵的高温含镍铬合金建成，比如Inconel。采用这些昂贵的高温合金有助于延长连续炉的使用寿命和同时降低维护成本。或者，相对便宜的不锈钢也可用于建造烧结炉。但是相比于高温镍铬合金，后者不锈钢的使用寿命较短。

用于在连续炉中装载和卸载部件的连续丝网带，一般由价格昂贵的高温含镍铬合金例如Inconel或者相对便宜的不锈钢制成。所述价格昂贵的高温含镍铬合金是构建丝网带和获得较长使用寿命的优选材料，但是它们成本高且很少用于粉末冶金工业。而相比于所述价格昂贵的替代物比如高温含镍铬合金，不锈钢丝网带通常由于其高温性能和较低成本而被选择用于烧结钢部件。尽管不锈钢丝网带需要频繁维护，但是由于其低廉的价格仍然常常用在粉末冶金工业中。

用于烧结钢部件的受控气氛通常由吸热性发生器、氨气分离器或者纯氮气和氢气混合而生产和提供。吸热性(吸热性气体)气氛通过在吸热性发生器中催化燃烧空气中的受控量的烃气体比如天然气来生产。吸热性气氛典型地包含氮气(约40％)、氢气(约40％)、一氧化碳(约20％)，以及低含量的杂质如二氧化碳、氧气、甲烷和水分。通过分离氨气获得的气氛包含氢气(约75％)、氮气(约25％)，以及以未分离的氨气、氧气和水分形式存在的杂质。

通过将纯氮气和氢气混合生产的氮气-氢气气氛已经被粉末冶金工业用作吸热性生产并分离的氨气氛的替代品超过30年。由于这些气氛是通过混合纯氮气和氢气生产的，所以其避免了工人暴露于环境不友好的和伤害性的气氛中相关的问题。进一步，由于这些气氛的组成和流速可被容易改变和精确控制，所以其已经广泛地被粉末冶金工业接受来烧结需要良好的碳控制、一致性品质和性能的钢部件。譬如，US5613185披露的氮气-氢气为基础的气氛，包括使用了受控量的氧化剂，如水分、二氧化碳、一氧化二氮、或者其混合物以及含氮气-氢气的气氛。

氮气-氢气氛对于烧结的钢和带的不锈钢是还原性的。尽管含有低于5ppm(百万分之份数)的氧气并具有-80°F(-62℃)露点(少于10ppm水分)的纯氮气-氢气气氛已经非常有用于制备具有良好质量、一致性和性质的钢部件，但是，所述气氛被发现对由昂贵的含镍铬合金还是相对便宜的不锈钢构成的丝网带寿命均产生了负面影响，由此增加了停工时间和维护成本。因此，需要研制如下改进的基于氮气-氢气的气氛：其用于通过粉末冶金制备具有一致性品质和性质的钢部件同时改善丝网带的寿命和降低停工时间和维护成本。

发明内容

本文描述的是通过向氮气-氢气炉子气氛中添加一定受控量的吸热性气体来延长丝网带使用寿命的方法以及气体气氛。在一方面中，提供用于在炉子中在一个或多个工作温度烧结金属部件的方法，该方法包括：提供所述炉子，所述炉子包括包含丝网材料的带，其中所述金属部件承载在所述带上；以及在所述炉子中在大约1800°F至大约2200°F范围的一个或多个工作温度在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中烧结所述部件，其中吸热性气体在所述气氛中的量使得其对于所述丝网材料而言是氧化性的而且对于所述金属部件而言是还原性的。在这个或其他实施方案中，所述方法还包括：预调制所述炉子和带至大约1400°F-大约1700°F温度范围的一个或多个预调制温度；在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中，保持所述带在范围为大约1700°F-大约1750°F的应力释放温度至少一个带周期(belt cycle)；在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中，加热所述炉子和带至范围为大约1800°F-大约2200°F的一个或多个工作温度；以及将所述金属部件置于所述带上，其中所述预调制步骤、保持步骤和加热步骤均在没有所述金属部件的情况下进行，并且其中所述预调制步骤、保持步骤和加热步骤在所述烧结步骤之前进行。

在另一方面中，提供了用于处理带的方法，所述带用于在连续炉中在烧结过程中承载一个或多个金属部件，其中所述方法是在不存在一个或多个金属部件的情况下进行，所述方法包括如下步骤：预调制所述炉子和带至大约1400°F-大约1700°F温度范围的一个或多个预调制温度；在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中，在范围为大约1700°F至大约1750°F的应力释放温度保持所述带至少一个带周期；在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中加热所述炉子和带至范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度。在这个或其他实施方案中，所述方法进一步包括：在所述带上提供一个或多个金属部件；以及在炉子中在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中，在范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度烧结所述部件，其中所述气氛中吸热性气体的量使得它对于所述丝网材料而言是氧化性的并且对于所述金属部件而言是还原性的。

在进一步方面中，提供了在一个或多个工作温度在炉子中烧结金属部件的方法，该方法包括：提供炉子和一个或多个金属部件，所述炉子包括包含丝网材料的带；预加热所述炉子和带至范围为大约1000°F至大约1600°F的一个或多个预加热温度；以及在所述炉子中在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中，在范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度烧结所述部件，其中所述气氛中吸热性气体的量使得它对于所述丝网材料而言是氧化性的并且对于所述金属部件而言是还原性的。

附图说明

图1是通过扫描电子显微镜(SEM)获得的二次电子图像，其显示了在使用氢气含量6％且余量为氮气的炉气氛，比如现有技术中典型使用的气氛，的烧结炉中工作后不锈钢丝网带的微观结构中的富铬沉淀物。

图2显示了典型不锈钢的氧化还原图或者温度与露点之间的关系。所述图通过FactSage^TM计算机软件程序计算获得。FactSage^TM计算机软件程序是Thermfact/CRCT(Montreal，加拿大)和GTT-Technologies(Aachen，德国)共同开发的热化学软件和数据库包。

具体实施方式

粉末冶金(PM)常规用来制造需要具有严密尺寸公差、良好强度、和/或耐磨性能的各种简单几何形状和复杂几何形状的钢部件。所述技术包括将已经和有机粘结剂和/或润滑剂预混合的金属粉末压成有用的形状，然后高温下在连续炉中在受控气氛存在下烧结成成品。使用粉末冶金法制备构件的总成本已知受到维护炉子所花费的时间和金钱以及受控气氛的成本的显著影响。另一方面，构件的产率和品质分别受到炉子停工时间以及受控气氛的一致性组成的影响。譬如，炉子中的不锈钢带经历工作相关的老化，其包括丝变形、磨损、和源自被加工的构件的材料相互作用、丝材料的脆化和敏化、和/或与带表面的周期性氧化还原相关的表面劣化。尽管不受限于理论，相信工作相关的老化能够通过在带表面上形成保护性氧化层来减少，这延长了带寿命。所以，需要研制出如下方法和/或气氛：其有助于减少停工时间和维护费用，以及提高由粉末冶金方法制成的构件的产率和品质。本文所述的方法和气氛通过向氮气-氢气气氛中加入有效量的吸热性气体(吸热气体)而改变气氛的露点从而满足了本领域中的至少一种需要。以此方式，相信在加入有效量的吸热性气体之后得到的气氛对于带材料而言是氧化性的而对于其中所容纳的金属部件而言是还原性的，由此能够延长带寿命。

用于烧结钢部件的连续炉一般在高温(高于约1000℃或约1832°F)工作。因为该高温工作的原因，能够使用昂贵的高温合金，如Inconel

Inconel

以及来构建连续炉的加热区。使用这些昂贵的高温合金有助于延长连续炉的寿命以及同时降低维护成本。或者，一些终端用户可以采用相对价格低廉的不锈钢来构建烧结炉以降低成本。但是，预期使用相对价格低廉的不锈钢可能会导致与操作所述炉子相关的维护成本增加。

用于支撑钢部件并移动其通过连续炉的区的丝网带材料通常由或者昂贵的高温含镍铬合金如Inconel

Inconel和Inconel

等制备。在其他实施方案中，也可采用相对便宜的不锈钢比如SS-304、SS-310、SS-314或SS-316作为带材料。丝网带材料在多种要素方面可以不同，例如表面积、编织类型、网格直径、横截面重量(cross-section weight)、丝规格和/或丝直径。

相信在氮气-氢气气氛中烧结钢部件的同时丝网带材料经历周期性的氧化还原。具体而言，带材料在预加热区中或者在环境气氛中氧化，在炉子的高温加热区中被所述氮气-氢气气氛还原。带材料的这种周期性的氧化还原导致带材料损失和应力增加，而这分别是由于丝的连续的侵蚀和腐蚀以及丝的横截面面积减少。另外，在炉子的加热区中处于已还原形式的带材料经历氮化和碳化条件，从而导致由于形成了金属碳化物、氮化物和/或碳氮化物而使得带材料脆化。带材料的侵蚀和腐蚀与通过形成金属碳化物、氮化物和和/或碳氮化物导致的脆化一起导致带材料快速老化，并最终使得带失效。

也相信，通过在炉子的高温加热区中带材料和泼溅或流到带上的外来物质之间的反应显著缩短了带的寿命。这种反应促成了形成低熔点合金，从而导致带的过早失效。带材料被外来物质的合金化在炉子的高温加热区(在此，带材料处于已还原的形式)中被加速。在一些情况中，铜可以在PM构件中用作合金已通过在烧结过程中渗入PM构件的微观结构中而改善铁碳部件的机械性质。但是，如果在烧结过程中带支撑的PM构件中的部分铜泼溅到了不锈钢带材料上，那么不锈钢带的寿命能够由于形成低熔点合金而显著缩短。

还相信通过烧结的部件粘结到带材料上导致的侵蚀和腐蚀，显著缩短了带的寿命，从而导致带过早失效。烧结的部件在带材料上的粘结在炉子的高温加热区(在此，带材料处于已还原的形式)中被加速。

由于周期性的氧化和还原、形成金属氮化物、碳化物和/或碳氮化物、形成低熔点合金、或者烧结的部件粘结在带材料上导致的丝网带的过早时效，进而导致出现停工时间以及出现产率下降。所以，需要研制如下改进的氮气-氢气气氛：其用于通过粉末冶金制备具有一致性品质和性质的钢部件同时改善丝网带的寿命和降低维护成本。

在带表面上形成的粘合性氧化层限制了带材料吸收的氮和碳的量，所以导致金属碳化物、氮化物和/或碳氮化物的沉淀减少。图1显示了富铬碳化物、氮化物和/或碳氮化物的沉淀的SEM图片。这些富铬沉淀物能够引起不锈钢的脆化和敏化，也可能对带的工作寿命产生负面影响。

本文所述的方法涉及：向氮气-氢气气氛中添加受控量或有效量的吸热性气体，以提高炉子气氛的露点，并确保在带表面上形成粘附性的保护氧化层。带表面上的粘附性氧化层的另一优点可以是提高带的耐磨性能以及减少带材料和来自被加工的PM构件的金属之间的相互作用。如前所述，吸热性气体(其价格便宜并且已经在许多粉末金属烧结工厂中可得)典型地包含大约40％氮气、大约40％氢气、大约20％一氧化碳以及少量的甲烷、二氧化碳、氧气和水分。在某些实施方案中，吸热性气氛可以通过在吸热性发生器中在空气中催化燃烧受控量的烃气体比如天然气来制备。

已经发现：能够通过向用于烧结钢部件的氮气-氢气气氛中添加受控量的吸热性气体来显著提高丝网带的寿命。已经发现使用受控量的吸热性气体来完成下列至少之一：在带材料上形成保护性的、粘合性的氧化物层，消除带材料在炉子的加热区中的完全还原，和/或防止烧结的部件粘附到带材料上。相信前述内容对于通过减少下列来显著提高带寿命负责任：(1)通过周期性的在炉子的预加热区中或者在炉子外的环境气氛中的氧化和在炉子的高温加热区中的还原，导致的带材料的侵蚀；(2)由于形成金属碳化物、氮化物和/或碳氮化物引起的带材料的脆化；和(3)由于来自被加工的构件的外来物质泼溅到带上导致的带材料的老化。对和氮气-氢气气氛一起加入来烧结钢部件的吸热性气体的量进行控制，控制方式使得所述气氛变得对于带材料而言是氧化性的但是对于被烧结的钢部件而言是还原性的，尤其在连续炉的高温加热区和冷却区中。

也发现，通过在包含氮气、氢气(任选的)以及受控量的吸热性气体的气氛中预调制新的带可以进一步改善所述带的寿命。再次，已经发现受控量的吸热性气体剂的使用使得在基于氮气的气氛中预调制新的带的同时在带材料上形成了保护性的、粘合性的氧化层并降低了氮化物的形成。

在某些实施方案中，待烧结的金属部件可以经过预加热区或预加热步骤。通常进行预加热步骤以除去所述金属部件或构件中的任何残余粘结剂或润滑剂。在这些实施方案中，预加热步骤在大约1000°F至大约1600°F(约540℃至约870℃)温度范围内进行，所述温度范围包括但不限于以下温度的任一：1000，1025，1050，1075，1100，1125，1150，1175，1200，1225，1250，1275，1300，1325，1350，1375，1400，1425，1450，1475，1500，1525，1550，1575，或1600°F。就前述而言，理解的是所述预加热温度的任一能够用作范围的端点，比如例如大约1000至1325°F或大约1125至大约1600°F。取决于构件材料、带速度、加热区长度、和/或其他变量，金属构件可能在预加热区中暴露于所述一个或多个预加热温度约20至约40分钟。

如前所述，所述一个或多个金属部件在包含向氮气-氢气中添加了有效量吸热性气体(吸热气体)的气氛中烧结。加入到所述氮气-氢气气氛中的有效量的吸热性气体使得所述气氛变得对于所述带表面而言是氧化性的而对于被烧结的钢构件而言是还原性的。在烧结过程中为了对不锈钢带提供氧化性气氛而需要的吸热性气体量取决于所述炉子的高温加热区或烧结温度以及所述炉气氛中的氢气量。连续炉的高温加热区或烧结区的典型工作温度是大约1800°F至大约2200°F(大约1000℃至大约1200℃)，包括但不限于下列工作温度的任一：1800，1825，1850，1875，1900，1925，1950，1975，2000，2025，2050，2075，2100，2125，2150，或2200°F。就前述而言，理解的是所述工作温度的任一能够用作范围的端点，比如例如大约1850至2175°F或大约2025至大约2200°F。取决于构件材料、带速度、高温加热区长度、和/或其他变量，金属构件可能在高温加热区中暴露于所述一个或多个工作温度约20至约40分钟。在新带的预调制过程中，炉子中的温度可以通过各种不同方法升高到烧结温度和/或其他温度(例如，预加热温度和/或应力释放温度)，所述方法比如逐渐上升、步阶上升(在某温度停留一段时间或者不停留)、及其组合。在一个特定实施方案中，炉子中的温度以每个带周期大约100°F至大约300°F的温度斜率从预加热温度、预调制温度、和/或保持温度升高至一个或多个烧结温度或工作温度。

在一个特定实施方案中，对于配有不锈钢带且用于在大约2050°F(大约1121℃)的温度烧结钢部件的连续炉而言，有效量的吸热性气体是添加到所述氮气-5％氢气气氛中以将所述高温加热区或烧结区中的炉子气氛的露点增加到大约-40至大约-35°F(-40至-37℃)的量。在该或其他实施方案中，吸热性气体的所述有效量是通过测量所述氮气-氢气气氛的基线露点然后添加吸热性气体直到达到所需露点来确定的。在一些实施方案中，加入的吸热性气体的量可以是大约1体积％-大约6体积％，基于全部气氛。炉子气氛的露点能够使用露点分析仪在炉子的入口处、热区、冷却区或其组合处采样来测量。实际的气氛组成是通过调整气体流速获得并采用气体分析仪测量。气氛中吸热性气体的量能够通过调整其流速来增加或减少。炉子气氛的露点也能够通过执行炉子的气氛曲线(atmosphere profile)来测量。在一个特定实施方案中，将1/4”管系在所述带上并使其通过炉子。在所述实施方案中，在其通过炉子的时候从炉子中连续提取试样。该气氛试样流过露点分析仪。结果是露点和沿着炉子长度的位置之间的关系曲线。

在一个实施方案中，本文所述的方法可以在配有集成的加热区和冷却区的连续炉中使用用于烧结钢部件。所述连续炉可以在出料前厅中配有帘幕并在进料前厅中配有物理门，以防止空气渗透。将添加有吸热性气体的氮气-氢气气氛通过过渡区中的一个或多个入口端口引入炉子中，所述过渡区位于所述炉子的加热区和冷却区之间。它可以通过位于加热区或冷却区中的端口、或者位于加热区和冷却区中的多个端口引入。

在一些实施方案中，将有效量的吸热性气体添加到包含氮气和氢气气氛的炉子气氛中。在一个实施方案中，所述气氛含有大约0.1体积％至大约25体积％的氢气和大约75体积％至大约99体积％的氮气。优选地，它含有大约1％-大约10％的氢气。在一个实施方案中，在氮气-氢气气氛中使用的氢气可以以气体形式在压缩气罐中供应，或者通过挥发液化氢的形式来供应。在替换性实施方案中，它可以通过使用氨分离器现场生产来供应。在氮气-氢气气氛中所用的氮气优选含有小于10ppm(百万分之份数)残余氧含量。它可以通过使用已知的低温蒸馏技术制备它而供应。它或者可以通过提纯非低温生产的氮气来供应。添加到氮气-氢气气氛中的吸热性气体能够在吸热性发生器中生产。

向氮气-氢气气氛中加入的吸热性气体的量取决于吸热性气体的组成、制造丝网带所选的材料、氮气-氢气气氛中所用氢气的浓度、和/或用于烧结钢部件的温度。它的添加方式使得氮气-氢气气氛变得在整个炉子中对于带材料而言是氧化性的，但是对于在炉子中烧结的钢部件而言保持是还原性的。

有效量的吸热性气体添加到氮气-氢气气氛中使得所述气氛变得对于带而言是氧化性的但是对于烧结的钢构件而言是还原性的。就此而言，将一定量的吸热性气体添加到所述炉子气氛中来增加氮气-氢气气氛的露点，这意味着提高炉子气氛的水分(水蒸气)含量。在一个特定实施方案中，在于大约2003°F(1095℃)工作并配有不锈钢带的烧结炉的高温加热区中提供氧化性气氛所需的水分量，取决于所述氮气-氢气气氛中的氢气浓度。参见图2，如果所述氮气-氢气气氛含有10体积％的氢气，那么需要对应于大约-40°F(-40℃)(图2中的点B)或更高的露点的水分含量来在所述炉子的高温加热区或烧结区中保持对于不锈钢带材料而言是氧化性气氛。包含-40°F(-40℃)水分或稍微更高水分的氮气-氢气气氛对于在炉子的高温加热区中烧结的钢部件仍然是还原性的。接近大约-60°F(-51℃)(在图2中的点A)的水分含量的使用是不足的，导致在高温加热区或烧结区中还原不锈钢带，并增加富铬的氮化物、碳化物和/或碳氮化物的形成。重要的是要注意到为炉子的高温加热区中的带材料提供氧化性环境所需的水分量需要调高或调低，具体取决于用于烧结的氢气浓度。例如，随着氮气-氢气气氛中氢气浓度的提高(或减少)，水分量需要提高(或减少)。而且，为炉子的高温加热区或烧结区中的带材料提供氧化性环境所需的水分量需要调高或调低，具体取决于所用的工作温度。相似的调整可以用于建立在配有由不同于不锈钢的材料制成的带的连续炉的高温加热区中保持氧化性气氛所需的水分量。

向氮气-氢气气氛加入的吸热性气体的量能够根据吸热性气体的组成、带材料的类型、氢气的浓度、和/或工作所选的烧结温度而变。炉子气氛的FactSageTM软件计算显示出：在大约2050°F(1121℃)的烧结温度或工作温度，向氢气含量为大约6％且露点为-60°F(-51℃)的氮气-氢气气氛中加入的吸热性气体(由39.9％的氮气、39.9％的氢气、0.05％的水蒸气、19.5％的一氧化碳、0.45％的二氧化碳和0.1％的甲烷组成)量可以是大约2.5体积％-大约4体积％，这会将所述氮气-6％氢气气氛的露点提高到大约-40°F(-40℃)至-35°F(-37℃)，这对应于127ppm至172ppm水分含量。如果不锈钢带用于在高于大约1832°F(大约1000℃)温度烧结钢部件，那么向含有大约5％氢气的氮气-氢气气氛中加入的吸热性气体的量能够导致露点高达大约-15°F(大约-26℃)(或者大约566ppm水分)。优选地，它可以加入的比例使得所述氮气-氢气气氛的露点至大约-25°F(大约-32℃)(或大约323ppm水分)。更优选地，它可以加入的比例使得所述氮气-氢气气氛的露点至大约-35°F(大约-37℃)(或大约172ppm水分)。向氮气-氢气气氛加入的吸热性气体的量能够变化，具体取决于带材料类型、氢气浓度、和/或烧结步骤所选择的工作温度。另外，吸热性气体的组成也可以是一个因素。

FactSageTM软件计算结果显示：在大约2050°F烧结温度向露点为大约-60°F(大约-51℃)的氮气-6％氢气气氛中加入大约3％的吸热性气体(由39.9％的氮气、39.9％的氢气、0.05％的水蒸气、19.5％的一氧化碳、0.45％的二氧化碳和0.1％的甲烷组成)，可以导致是0.6％的一氧化碳。但是，这种量的一氧化碳是可以忽略不计的，而且当其离开炉子的火焰帘时它典型地烧掉。

可以用于根据本发明通过烧结制备构件的钢粉末可以选自Fe、Fe-C(C含量最高1％)、Fe-Cu-C(Cu含量最高20％而C含量最高1％)、Fe-Mo-Mn-Cu-Ni-C(Mo、Mn、C各自的含量最高为1％而Ni和Cu各自的含量最高4％)、Fe-Cr-Mo-Co-Mn-V-W-C(合金化元素的浓度可变，具体取决于所要的烧结的产品的最终特性)。其它元素如B、Al、Si、P、S等可以任选地添加到钢粉中以在最终烧结产品获得所需要的特性。这些粉末可以和至多2％的硬脂酸锌或任何其他润滑剂混合以助于由它们压制部件。

在一个实施方案中，这里所述的方法和气氛能够用于在丝网带在炉子中操作之前对该丝网带进行预调制。在这个实施方案中，预期在所述带的操作寿命中在没有一个或多个金属部件的情况下进行一次所述预调制步骤。所述预调制步骤可以用于在加热下在炉子中处理该带的表面并使其较不容易接受氮。典型地，通过在没有产品的情况下将丝网带逐渐加热到其工作温度至少一个到三个完整周期(例如，其长度的每个部分暴露到该工作温度)，进行所述预调制步骤。取决于炉子的长度和带速度，周期可以运行1-3小时。根据标准的预调制程序，在没有产品的情况下将所述带加热到一个或多个预调制温度，包括但不限于下列温度的任一：1400、1425、1450、1475、1500、1525、1550、1575、1600、1625、1650、1675、1700、1725或1750°F。就前述而言，理解的是所述预调制温度的任一能够作为范围的端点，比如例如1400-1475°F或1400-1700°F。炉子中的温度可以通过各种不同方法升高到预调制温度、应力释放温度和/或加热温度，所述方法比如逐渐上升、步阶上升(在某温度停留一段时间或者不停留)、及其组合。在其中炉子的温度步阶上升的实施方案中，温度可以以每个周期(例如，带材料完成通过炉子的整个循环所花的时间)大约100°F至大约300°F的速率上升。在一个实施方案中，预加热步骤可以在含有空气的气氛中进行。在另一实施方案中，预加热步骤在包含氮气的气氛中进行。在炉子和带已经在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中在所述一个或多个应力释放温度保持至少一个带周期之后，所述炉子和带随后在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中加热到范围是大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度至少两个带周期，然后再将产品引入到炉子中。

在本文所述的预调制方法的一个特定实施方案中，在炉子已经达到范围是大约1700°F至大约1750°F(大约927℃至大约954℃)的应力释放温度之后，向含氮气-氢气气氛的气氛中加入有效量的吸热性气体。在该或其他实施方案中，炉子中的温度以每带周期大约100°F至大约300°F的升温速率由预加热温度和/或起始温度升高到一个或多个预调制温度。有效量的吸热性气体被添加到所述含有氮气或氮气和氢气的气氛中，所述带允许在应力释放温度范围中循环至少一个完整的带旋转。添加到炉气氛中的吸热性气体的量的受控方式使得含有氮气、氢气和吸热性气体的气氛在预调制过程中对于带材料而言是氧化性的。就此而言，本文所述的预调制方法可以避免以下的至少之一：(1)将带材料暴露在氮气和氢气的混合物中，和(2)过早氮化所述带材料。

在一个具体实施方案中，将新的丝网带在所述炉子中在流动氮气(氮气流量减少超过两倍)下在没有产品情况下以每个所述带的正常传输周期大约300°F的速率通过标准步阶加热至大约1700°F(大约927℃)，进行预调制；然后，在包含氮气、氢气和有效量的吸热性气体的气氛中在所述大约1700°F(大约927℃)的预调制温度保持至少两个完整的带旋转来释放应力；然后，在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中在7-30小时内将所述带以大约300°F的速率步阶加热到其高温加热区温度或烧结温度；最后无负载情况下运行至少3个周期和/多达100小时，以提高所述带的蠕变强度。

虽然所述方法已经就在烧结钢部件中所用的丝网带的寿命提高方面进行了描述，但是也预期该方法将改善各种炉子夹具(fixtures)的寿命，例如但不限于如马弗炉、蒸馏炉以及用于加工PM构件的夹具。另外，所述方法也能够适用于提高在使用低露点钎焊膏或预制体的高温钎焊中所用的丝网带的寿命。

以下实施例举例说明了本文所述的用于烧结金属部件的方法和气氛，决不意在对其进行限制。

实施例

比较例1：使用氮气-6％氢气气氛对带进行预调制以及在工作温度烧结部件

将制备原样的(as-manufacutured)12英寸宽的、具有焊接边缘的314不锈钢丝网带BEF-36-10-8-10(以每英尺宽度36个螺旋圈和每英尺长度10个横杆的平衡超平编织；8规格杆；10规格螺旋)安装在工业连续烧结炉中。所述带由Bristol Metal Products提供。所述炉用于烧结不同的含铁(ferrous)PM部件，包括F-0000、F-0005、F-0008、FC-0205、FC-0208以及FN-0205，其中气氛为氮气-6％氢气气氛、温度约为2050°F(约为1121℃)、带速度约为3.9英寸/分。

在使用所述带在典型烧结温度烧结构件之前，使用常规程序预调制所述带。在所述预调制工艺过程中，在氮气流动下以每带旋转100°F增量的速率加热所述带(和正常工作条件相比，氮气流量下降超过2倍)。每个温度保持2小时。在大约1700°F(约927℃)，将炉气氛更改为氮气-6％氢气气氛。继续步阶加热，直到在正常工作气氛(氮气-6％氢气)下达到约2050°F(约1121℃)的正常工作温度或烧结温度。

在包含6％氢气的氮气-氢气气氛的存在下，进行长期烧结试验来测试所述带。该气氛通过位于过渡区中的入口端口引入，所述过渡区位于炉子的高温加热区和冷却区之间。在不同时间间隔采取炉子气氛的试样显示出它含有少于3ppm氧气并且高温加热区中的气氛的露点是-60°F(约-51℃)(ppm水分)。

分析炉子中的气氛得出，所述气氛在预加热区中对于不锈钢带而言是氧化性的，但是在高温加热区中是还原性的。所以，所述带材料经历连续的、周期性的氧化和还原过程，导致它被侵蚀并且使它容易吸取氮。带材料由炉子气氛中存在的氮气而氮化，并由通过从部件中去除润滑剂而释放进入炉子气氛中的烃而碳化。所述带材料的所述氮化和碳化在高温加热区中加速，在所述高温加热区中炉子气氛对于带材料而言是还原性的并且所述带材料处于被还原的形式。当处于被还原形式的所述带暴露到所述氮气-6％氢气气氛中时，所述加速的氮吸取在所述预调制程序中开始。

在伸长的带变短时获得的带样品上，使用扫描电子显微术结合能量弥散X射线分析(SEM/EDX)对带材料进行微观结构分析，并且使用惰性气体熔化/热导率法(Inert Gas Fusion/Thermal-conductivity method)进行氮分析。在带的长度超出其用于在炉子中操作的可接受极限时所述带变短。此时，去除所述带的一部分，其包括螺旋编织丝和横杆丝两者。对螺旋丝的第一次分析发现氮浓度为1.09wt％。此时，带微观机构的SEM/EDX分析显示形成了富铬的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。

在使用了35周后，进行对微观结构的SEM/EDX分析、螺旋丝材料的氮分析、以及对横杆丝的拉伸试验。所述微观结构分析显示，富铬的碳化物、氮化物和/或碳氮化物的浓度增加。这些沉淀物降低了带材料的延展性并对带的使用寿命带来了负面影响。使用SEM/EDX方法分析的晶粒间氧化深度如表1所示。螺旋丝材料的氮浓度为1.41wt％。在使用35周后，对带杆进行了各种试验，试验结果如表2所示。按照针对钢产品的机械测试的ASTM A370标准试验方法和定义进行拉伸试验。在Performance Review Instituted(PRI)依据ISO 18025认证的实验室中，通过用于测试方法和具体工作的Nadcap for Nondestructive Testing(NDT)and Materials Testing执行拉伸试验。利用SEM显微镜进行的带杆(belt rod)的显微分析表明出现了不希望的晶粒间的深度氧化。

表1：晶粒间氧化的深度

表2：杆丝的拉伸试验

实施例2：使用氮气/6％氢气/2％吸热性气体的气氛预调制带以及在工作温度烧结构件

同样型号的314不锈钢带安装在和比较例1中相同的炉子中。与比较例1中的带相比，螺旋和杆的编织和直径以及带边缘都相同。带由同一个供应商提供。在本试验中，炉子用于烧结同样类型的含铁部件。温度和带速度保持在和比较例1中相同的水平。

在将带用于烧结工艺之前使用改变的程序对带进行预调制。对常规预调制程序的改变如下：在高于1700°F(约927℃)不使用氮气-6％氢气气氛，代替使用氮气-氢气-吸热气体掺混物。在所述氮气-6％氢气气氛通过位于过渡区中的入口端口引入炉子之前，向所述氮气-6％氢气气氛中加入大约2％(体积)的吸热性气体。所得气氛的露点维持在-40至-35°F(40至-37℃)的范围，使得在所述带的预调制过程中所述气氛对于所述带材料而言总是温和氧化性的。这种对预调制程序改变的目的在于减少或消除所述带材料的氮吸取。

在添加了吸热性气体的氮气-氢气气氛存在下进行长时间烧结试验。在所述氮气-氢气被引入炉子之前，将大约2％(体积)的吸热性气体与所述氮气和氢气混合。所述氮气-氢气-吸热性气体混合物通过位于炉子的高温加热区和冷却区之间的过渡区中的入口端口被引入。空炉子的高温加热区的气氛分析显示，所得到的气氛包含大约6.3％的氢气和0.3％的一氧化碳。使用红外线三气体(CO，CO₂，和CH₄)分析仪显示，未见有二氧化碳或甲烷。

通过在所述长期烧结试验整个过程中对炉子气氛进行重复分析，监测所述炉子气氛的露点。通常通过添加1.6％至3.5％(体积)的吸热性气体，将露点维持在约-35°F(约-37℃)。当吸热性气体的组成改变时，人工调节吸热性气体的流速。烧结的构件的标准品质控制显示，没有出现和该新的气氛组成相关的任何问题。

在烧结炉子中工作17周后，对带试样使用扫描电子显微术结合能量弥散X射线分析(SEM/EDX)进行带材料的微观结构分析。分析结果显示，在工作17周之后带的微观结构没有出现氮化物或碳氮化物。

在工作35周之后，进行微观结构的SEM/EDX分析、螺旋丝材料的氮分析、以及杆丝的拉伸试验。微观结构分析显示出现一些富铬的碳化物、氮化物和/或碳氮化物。使用SEM/EDX法显示的晶粒间的氧化深度如表3所示。在杆丝和螺旋丝中的晶粒间氧化没有比较例1中分析的杆丝和螺旋丝中的深。氮浓度为0.74wt％。使用了35周后的带杆的拉伸试验结果如表4所示。拉伸试验进行方式与比较例1中的相同。

表3：晶粒间氧化深度

表4：杆丝的拉伸试验

在同样的烧结炉子中、在同样的温度和带速度下操作、用于烧结同样类型的含铁部件、在同样的工作时间(35周)后，比较两个带的样品显示：暴露在通过混合氮气-6％氢气和吸热性气体制成的气氛中的带显示出较低水平的工作相关劣化。基于95％的置信区间，该带的拉伸强度和延伸率明显高于在没有吸热性气体下工作的那个带的相应拉伸性质。氮吸取量是暴露在常规氮气-6％氢气气氛下的带的相应值的大约一半。比较表1和表3发现，与暴露在氮气-6％氢气气氛下的丝相比，暴露在氮气-氢气-吸热性气体气氛中的丝的晶间氧化深度小得多。对于添加了少量吸热性气体的氮气-氢气而言，杆丝和螺旋丝的晶间氧化的典型深度分别低于25μm和50μm；而暴露在没有吸热性气体的氮气-氢气气氛中的杆丝和螺旋丝的晶间氧化深度分别为130μm和125μm。另外，螺旋微观结构和杆微观结构的SEM/EDX分析显示：暴露在由氮气、氢气和吸热性气体组成的气氛中的丝的中心区域中，沉淀物浓度较低。在同样的炉子中同样的工作时间之后同类型带的对比清晰地证实：向氮气-氢气气氛加入特定量的吸热性气体能够显著推迟带材料的与工作相关的劣化，所述劣化直接影响带的使用寿命。

Claims (16)

1.用于在炉子中在一个或多个工作温度烧结金属部件的方法，该方法包括：

提供所述炉子，所述炉子包括包含丝网材料的带，其中所述金属部件承载在所述带上；以及

在所述炉子中在大约1800°F至大约2200°F范围的所述一个或多个工作温度在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中烧结所述部件，其中吸热性气体在所述气氛中的量使得它对于所述丝网材料而言是氧化性的而且对于所述金属部件而言是还原性的。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述吸热性气体的浓度为大约0.1体积％至大约6体积％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述吸热性气体的浓度为大约1体积％至大约4体积％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于还包括：

预调制所述炉子和带至大约1400°F-大约1700°F温度范围的一个或多个预调制温度；

在包含氮气、氢气和吸热性气体的所述气氛中，保持所述带在范围为大约1700°F-大约1750°F的应力释放温度至少一个带周期；

在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中，在没有金属部件的情况下加热所述炉子和带至范围为大约1800°F-大约2200°F的所述正常工作温度；以及

将所述金属部件置于所述带上，

其中所述预调制步骤、保持步骤和加热步骤均在没有所述金属部件的情况下进行，并且其中所述预调制步骤、保持步骤和加热步骤在所述烧结步骤之前进行。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述保持步骤中所述吸热性气体的浓度为大约0.1体积％至大约10体积％。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述预调制步骤在包含空气的气氛中进行。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于所述预调制步骤在包含氮气的气氛中进行。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述预调制步骤在包含氢气和吸热性气体的气氛中进行。

9.如权利要求4所述的方法，其特征在于温度从所述预调制步骤到所述保持步骤以每带周期大约100°F至大约300°F的速率上升。

10.如权利要求4所述的方法，其特征在于温度从所述保持步骤到所述加热步骤以每带周期大约100°F至大约300°F的速率上升。

11.用于处理带的方法，所述带用于在连续炉中承载一个或多个金属部件，其中所述方法在不存在一个或多个金属部件的情况下进行，所述方法包括：

预调制所述炉子和包含丝网材料的带至大约1400°F-大约1700°F温度范围的一个或多个预调制温度；

在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中，在范围为大约1700°F至大约1750°F的应力释放温度保持所述带至少一个带周期；

在包含氮气、氢气和吸热性气体的气氛中加热所述炉子和带至范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述预调制步骤在包含空气的气氛中进行。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于所述预调制步骤在包含氮气的气氛中进行。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于所述预加热步骤在进一步包含氢气和吸热性气体的气氛中进行。

15.如权利要求11所述的方法，进一步包括：

在所述带上提供一个或多个金属部件；以及

在炉子中在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中，在范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度烧结所述部件，其中所述气氛中吸热性气体的量使得它对于所述丝网材料而言是氧化性的并且对于所述金属部件而言是还原性的。

16.用于在一个或多个工作温度在炉子中烧结金属部件的方法，该方法包括：

提供所述炉子和一个或多个金属部件，所述炉子包括包含丝网材料的带；

预加热所述炉子和带至范围为大约1000°F至大约1600°F的一个或多个预加热温度；以及

在所述炉子中在包含氮气、氢气和有效量吸热性气体的气氛中，在范围为大约1800°F至大约2200°F的一个或多个工作温度烧结所述部件，其中所述气氛中吸热性气体的量使得它对于所述丝网材料而言是氧化性的并且对于所述金属部件而言是还原性的。

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