CN107107197A - 控制烧结过程的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制包含预热区(120)和高热区(130)的烧结炉(100)中的烧结过程的设备(150)，所述设备进一步包含至少两个测量装置(151，152，153，154)，其中所述至少两个测量装置包含至少一个在预热区(120)中的测量装置及至少一个在高热区(130)中的测量装置以分析各自区域的炉内气氛，所述设备进一步包含基于通过至少两个在各自区域(110，120，130，140)中的测量装置(151，152，153，154)获得的测量值调节炉内气氛的组成的调节装置(155，156)。

Description

控制烧结过程的设备和方法
技术领域
本发明涉及控制烧结过程的设备和方法以及包含该设备的烧结炉。
背景技术
金属注射成型是由与粘合剂材料混合的金属粉末形成部件的方法。将金属粉末和粘合剂材料的混合物压制成型。然后，例如使用溶剂、热处理、催化过程或其组合，去除粘合剂材料。
该过程的结果是金属部件必须通过使用称作炉法的烧结进一步致密化。在该炉法中，炉内气氛用于控制在金属部件的表面上发生的反应。可以通过改变炉内气氛的组成而控制炉内气氛中的反应。
金属注射成型(MIM)烧结过程包括复杂的化学反应，其要求大量的测量和精密的控制。由于高热和部件的复杂几何形状，金属注射成型组件中的碳含量的控制是极其敏感的过程。可以借助分析仪实施热处理炉的气氛控制。
现有的用于控制待烧结的组件的热处理气氛的***仅依赖于进入炉中的输入气体以及已经烧结的组件的结果。取决于这些结果，部件可以适合于其他用途的方式加以处理，或者作为废料处理。改变条件仅影响在炉的相应特定区域内的部件的品质。经过这些区域的部件被忽略，这些部件的结果不会改变。
因此，有待解决的问题是提供控制烧结过程的可能性，从而经历较长的时间获得高品质的烧结组件，特别是具有恒定的碳含量的组件。
发明内容
该问题通过根据独立权利要求的控制烧结过程的设备、包含该设备的烧结炉以及控制烧结过程的方法解决。有利的实施方案是从属权利要求及以下说明书的主题。
本发明的优点
根据本发明的设备用于控制包含预热区和高热区(high heat zone)的烧结炉中的烧结过程。所述设备包含至少两个测量装置，其中所述至少两个测量装置包含至少一个在预热区中的测量装置及至少一个在高热区中的测量装置。所述测量装置用于分析各自区域的炉内气氛。所述设备进一步包含基于通过至少两个在各自区域中的测量装置获得的测量值调节炉内气氛的组成的调节装置。
使用烧结设备的不同区域中的测量装置，通过仅依赖于输入气体组成及判断在该过程真正结束时的结果，改善对炉内气氛的组成的调节。根据本发明的设备允许分析烧结炉的预热区中及高温区中的组成。取决于通过这两个测量装置测量的值调节炉内气氛的组成。取决于不同区域选择不同的组成，也可以实现炉内气氛中恒定的碳势，及由此实现烧结部件例如金属注射成型部件中恒定的碳含量。
所述至少两个测量装置优选选自：氧分析仪、露点分析仪、Lambda探头和氢分析仪。这些测量装置允许分析使用常用气体的炉内气氛的组成。
若所述至少两个测量装置选自：高热区中的氧分析仪及预热区中的露点分析仪，则是有利的。这些位于烧结炉的所述区域中的测量装置产生最佳分析结果。
所述调节装置优选适合于通过改变湿度和/或改变氢气、氮气和丙烷的浓度中的至少一种调节炉内气氛的组成。这些气体通常用于烧结炉中的炉内气氛。因此，通过依赖于对炉内气氛的分析改变这些气体中的至少一种以调节组成，从而产生改善的烧结结果。然而，调节所有这些气体也是优选的，并产生甚至更优的结果。
取决于通过位于预热区中的测量装置获得的测量值及取决于通过位于高热区中的测量装置获得的测量值，控制预热区中的炉内气氛。取决于这两个测量值，例如通过引入一股或多股气流及由此改变预热区中的气体组成，从而改变预热区中的气氛。
这同样适用于高热区中的炉内气氛：其取决于通过位于预热区中的测量装置获得的测量值及取决于通过位于高热区中的测量装置获得的测量值加以控制。
根据本发明分析预热区中的气氛及高热区中的气氛，即测量至少一个表征预热气氛的值和至少一个表征高热气氛的值。将对这两个测量值的分析用于控制预热区和高热区中的气氛。因此，预热区中的气氛的调节取决于这两个测量值，高热区中的气氛的调节也取决于这两个测量值。
优选将通过这两个测量装置获得的测量值与预定或预设的值比较，并取决于名义值与实际值之差改变预热区中的气氛及高热区中的气氛。
所述调节装置有利地适合于基于碳势和/或氧浓度和/或氢比例曲线(hydrogenratio curve)调节炉内气氛的组成。实验氢气曲线倾向于显示出向下的曲线，意味着氢气在金属注射成型(MIM)粉末混合物中直至最高在约30％处的值时发挥不与碳反应的试剂的作用，然后开始相反地发挥脱碳剂的作用。该曲线倾向于取决于许多因素，尚未被工业上的理论理解或认可为已证实的现象。因为碳势是获得恒定的碳含量的基本的量，与炉内气氛的碳势和氧浓度和/或氢比例曲线相关的函数可用于提高烧结部件的碳含量。碳势或者换而言之碳活性是温度、气氛混合物中的CO2、CO、H2气体的含量的函数，与MIM粉末混合物中的合金元素直接相关。
根据本发明的烧结炉包括根据本发明的设备。所述烧结炉优选为用于烧结金属注射成型部件的烧结炉，这是因为金属注射成型由于高温和部件的复杂几何形状所以对于碳含量的控制是非常敏感的。替代性地，所述烧结炉包含用于粉末金属烧结的烧结炉，这是因为粉末金属烧结采用相似的方法。
根据本发明的方法用于控制烧结炉中的烧结过程。通过至少两个测量装置分析炉内气氛，其中所述至少两个测量装置包括在烧结炉的至少两个不同区域中的任一个之中的至少一个测量装置，并基于通过至少两个在各自区域中的测量装置获得的测量值调节炉内气氛的组成。
对炉内气氛的分析优选包括测量氧浓度、氢浓度、露点温度和Lambda比中的至少一种。Lambda比或Lambda值与氧浓度相似，但是被定义为在650℃以上的温度下穿过氧化锆陶瓷的晶格结构的氧原子的电活性的函数。
所述不同的区域有利地选自：入口区、预热区、高热区和冷却区。
若炉内气氛的组成的调节包括改变湿度和/或改变氢气、氮气和丙烷的浓度中的至少一种，则是有利的。
优选基于碳势和氧浓度和/或氢比例曲线调节炉内气氛的组成。
所述方法有利地用于烧结金属注射成型部件或烧结粉末金属的烧结过程。
根据本发明的方法的实施方案和优点对应于上述根据本发明的设备的实施方案和优点。
附图说明
图1所示为烧结设备，其具有根据本发明在一个优选的实施方案中控制烧结过程的设备。
具体实施方式
在图1中显示了例如用于烧结金属注射成型部件的烧结炉100的示意图。在金属注射成型之后将部件180，181置于工作台101上，并例如通过传送带由工作台101的左端向工作台101的右端输送。
因此，在烧结炉100中示例性地显示的部件180，181经过烧结炉100的不同区域。这些区域包括在开始处的入口区110、接着的预热区120、随后的高热区130及在最后的冷却区140。
控制烧结炉100中的烧结过程的设备150例如位于烧结炉100的工作台附近。所述设备150例如包含六个测量装置。这些测量装置是高热区130中的氧分析仪151、预热区120中的露点分析仪152、冷却区140中的Lambda探头153、冷却区140中的氢分析仪154、入口区110中的Lambda探头153以及入口区110中的氢分析仪154。
所述设备150适合于接收由这六个测量装置测量的值，并且进一步适合于控制调节装置155，156。所述调节装置155，156位于入口105，106，这些入口用于将气体混合物供应至烧结炉100的区域。该气体混合物用作烧结过程的炉内气氛或者用于改变现有的炉内气氛。
通过控制调节装置，可以基于通过测量装置151，152，153和154测量的值改变烧结炉中的气体混合物的组成，即炉内气氛。
具体而言，氢气、湿气、氮气和丙烷混合物的量和相对组成可以基于碳势相对于通过氧分析仪测量的值和氢比例曲线的式子加以调节，其确定金属注射成型(MIM)润滑剂在该炉的预热区120(也称作脱粘区)中在脱粘阶段中消溶(desolve)的活化程度。塑料粘合材料的脱粘是与氢气和水蒸汽(H2O)反应，因此基于在最高800℃的升高的温度下烧尽塑料所需水的量的基本化学计量计算，计算出湿气的量。通过作为炉内加料进入的粉末混合物(所谓的褐色组分brown component)的重量计算湿气或自由氧的组成。然后计算存在的塑料的量，然后计算由褐色部件将其烧尽的湿气的量。然后通过改变经过气体加湿器的氮气或氢气载气，改变脱粘区的流量，从而提供所需的水含量。
同时，连续地测量预热(脱粘)区中的湿气含量以保持数值恒定，由此确保环境具有足够的湿度以烧尽输入该炉的塑料(与其反应)。由此去除所有的塑料粘合剂，允许基础粉末混合物以正确的碳含量进入高热(烧结)区。然后所述设备通过产生碳中性气氛(carbon neutral atmosphere)保持基础水平的碳含量。

Claims (12)

1.用于控制包含预热区(120)和高热区(130)的烧结炉(100)中的烧结过程的设备(150)，所述设备进一步包含至少两个测量装置(151，152，153，154)，其中所述至少两个测量装置包含至少一个在预热区(120)中的测量装置及至少一个在高热区(130)中的测量装置以分析各自区域的炉内气氛，所述设备进一步包含基于通过至少两个在各自区域(110，120，130，140)中的测量装置(151，152，153，154)获得的测量值调节炉内气氛的组成的调节装置(155，156)。
2.根据权利要求1的设备(150)，其中所述至少两个测量装置(151，152，153，154)选自：氧分析仪(151)、露点分析仪(152)、Lambda探头(153)和氢分析仪(154)。
3.根据权利要求1或2的设备，其中所述至少两个测量装置(151，152，153，154)选自：在高热区(130)中的氧分析仪(151)及在预热区(120)中的露点分析仪(152)。
4.根据前述权利要求之一的设备(150)，其中所述调节装置(155，156)适合于通过改变湿度和/或改变氢气、氮气和丙烷的浓度中的至少一种调节炉内气氛的组成。
5.根据前述权利要求之一的设备(150)，其中所述调节装置(155，156)适合于基于碳势和/或氧浓度和/或氢比例曲线调节炉内气氛的组成。
6.烧结炉(100)，其包含根据前述权利要求之一的设备(150)。
7.根据权利要求6的烧结炉(100)，其中所述烧结炉(100)是用于烧结金属注射成型部件的烧结炉或者是用于粉末金属烧结的烧结炉。
8.控制包含预热区(120)和高热区(130)的烧结炉(100)中的烧结过程的方法，其中通过至少两个测量装置(151，152，153，154)分析炉内气氛，所述至少两个测量装置包含至少一个在预热区(120)中的测量装置及至少一个在高热区(130)中的测量装置，及其中基于通过至少两个在各自区域(110，120，130，140)中的测量装置(151，152，153，154)获得的测量值调节炉内气氛的组成。
9.根据权利要求8的方法，其中对炉内气氛的分析包括测量氧浓度、氢浓度、露点温度和Lambda比中的至少一种。
10.根据权利要求8或9之一的方法，其中所述炉内气氛的组成的调节包括改变湿度和/或改变氢气、氮气和丙烷的浓度中的至少一种。
11.根据权利要求8至10之一的方法，其中基于碳势和/或氧浓度和/或氢比例曲线调节所述炉内气氛的组成。
12.根据权利要求8至11之一的方法，其中所述方法用于烧结金属注射成型部件或烧结粉末金属的烧结过程。
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