JP2016527393A - 焼結ワークピースを焼結する方法並びにこのための設備 - Google Patents
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Abstract
Description
a) 酸素除去された又は少なくとも酸素低減された不活性ガス雰囲気中で前記焼結ワークピースを脱バインダ処理し、この際に、脱バインダ処理時に前記焼結ワークピースから遊離された結合助剤が取り込まれた脱バインダ雰囲気が発生し;
b) 前記焼結ワークピースを焼結温度にもたらし、この際に焼結排ガスが発生し;
c) 前記焼結ワークピースを制御した状態で冷却する
工程が実施される形式のものに関する。
a) 前記脱バインダ領域内では、前記焼結ワークピースが、酸素除去された又は少なくとも酸素低減された不活性ガス雰囲気中で脱バインダ処理され、この際に、脱バインダ処理時に前記焼結ワークピースから遊離された結合助剤が取り込まれた脱バインダ雰囲気が発生し;
b) 前記不活性ガス装置によって、前記不活性ガス雰囲気が生成されて前記脱バインダ領域内へ導入され;
c) 前記焼結領域内では、前記焼結ワークピースが脱バインダ処理後に焼結温度にもたらされ、この際に焼結排ガスが発生し;
d) 前記冷却領域内では、前記焼結ワークピースが焼結後に、制御された状態で冷却される
形式のものに関する。
特にセラミック又はアルミニウムを基材とする材料のようないわゆる高温材料(Hochtemperaturewerkstoff)から成るワークピースは極めて興味深いものである。
結合助剤は本来の焼結過程の前に再び完全に除去しなければならない。
焼結ワークピースに対するこのような脱バインダ処理は、焼結ワークピースを、結合助剤が焼結ワークピースから遊離されてこれから除去される温度に加熱することによって行われる。
基準雰囲気下では焼結ワークピース内部に発熱・吸熱反応が生じる。
これらの反応の結果、焼結ワークピースの継ぎ目に高い局所的温度差がもたらされる。
このような温度差は焼結ワークピースを損傷し、もしくは最後に得られる焼結済製品の品質を著しく低下させるおそれがある。
焼結しようとする材料に応じて、20 Vol%までの残留酸素含有率がまだ許容されてよい。
好ましくは残留酸素含有率は最大で15 Vol%、より好ましくは最大で10 Vol%、そして特に好ましくは最大で5 Vol%である。
不活性ガス雰囲気は、例えば窒素を相応に添加することによって形成することができる。
或いは、不活性ガスは、燃焼によって基礎雰囲気から酸素を抜き出すことによって形成することもできる。
ここでは焼結ワークピースは、脱バインダ区分と、焼結区分と、冷却区分とを連続的に通って案内される。
これらの区分は一繋がりになって、そして空間的な雰囲気分離なしに配置されている。
或いは、脱バインダ処理と、焼結と、冷却とをただ1つの炉室内で実施することも例えば特許文献1に基づき公知である。
このような種類の焼結炉は一室型炉(1-Kammerofen)とも呼ばれる。
例えば焼結時の温度は脱バインダ処理時よりも著しく高い。
例えば焼結温度は脱バインダ処理のための温度を1000℃以上、充分に上回ることがある。
所要焼結温度は通常、ガス燃焼だけで達成することができる。
さらに、脱バインダ処理のためには、特に均一な温度分布が望ましい。
脱バインダのために望ましい均一な温度分布は、空気循環運転時に特に良好に得られる。しかし、このために設けられた構成部分は通常の場合、次いで焼結過程で発生する温度に耐えることができない。
このために、ただ1つの室を、脱バインダ処理過程のためにより高い温度に、次いで焼結過程のために高い温度までくり返し加熱し、冷却のために再び冷却し、次いで次のサイクルのために改めて加熱しなければならない。
このような室は比較的多くのエネルギーを必要とする。
特に、脱バインダ処理時の均一な温度分布が可能であるようにしなければならない。
d) 前記焼結ワークピースを別個の脱バインダ室内で脱バインダ処理し、そして別個の焼結室内で焼結する、
ことによって解決される。
それぞれ別個の室内で、脱バインダ処理及び焼結の各過程に対する焼結ワークピースの要件に、焼結ワークピースの温度経過を特に良好に適合させることができる。
これにより、脱バインダ室と焼結室とをさらに互いに適合させて、両室内における焼結ワークピースの滞留時間を同じ長さにすることができるので、この方法を準連続的に実施することができる。
場合によっては、焼結室はマッフル炉として運転することができる。
空気循環運転によって、脱バインダ処理過程に必要な均一な温度分布を特に効果的に達成することができる。
これに対して、連続的に運転される通走式の焼結路の場合、設備を空気循環設備として構成することは極めて難しい。
それというのも、焼結過程に必要となる高い温度を空気循環運転時に達成することはできるとしても極めて難しいからである。
従って、前記不活性ガス雰囲気を生成するために、又は不活性ガス雰囲気として、熱的な後燃焼装置からの排ガスを使用し、前記排ガスを脱バインダ雰囲気の燃焼によって得ると有利である。
一方では、焼結ワークピースから遊離された結合助剤の廃棄のために役立つ。
他方では、このような熱的な後燃焼時に得られる排ガスによって、僅かな酸素含有率と、脱バインダ処理過程に対して不活性な特性とを有するガスが提供されるので、このような排ガスを脱バインダ処理過程のための不活性ガス雰囲気として使用することができる。
少なくとも排ガスは不活性ガス雰囲気に関与することができ、この場合の不活性ガス雰囲気は、例えば、窒素のような新鮮不活性ガスに、熱的な後燃焼装置からの排ガスを混合させることによって生成される。
こうして少なくとも新鮮な不活性ガス含量を低減することができる。
このことはやはり設備のエネルギーバランスを改善する。
このことは、焼結過程の際に生じる焼結排ガスの性質に基づいて、脱バインダ処理用の不活性ガス雰囲気を生成するためにこの焼結排ガスも利用できるという補足的な認識に立脚している。
焼結過程それ自体は常に固有の不活性ガス雰囲気中で実施される。
従ってこのような不活性ガスは脱バインダ領域のために再使用し、ひいては二度利用することができる。
a) 前記焼結排ガスを前記熱的な後燃焼装置内で前記脱バインダ雰囲気と一緒に燃焼して前記熱的な後燃焼装置の排ガスにすることができる。
このことは特に、焼結排ガスの酸素含有率が、不活性ガス雰囲気のための許容閾値を上回る場合に当てはまる。
さらに、焼結時に、脱バインダ処理過程を妨げる種々異なる物質又は化合物を焼結材料から遊離することができる。
このような物質及び不純物は熱的な後燃焼装置内でも同様に除去される。
b) 前記焼結排ガスを前記熱的な後燃焼装置の排ガスと混合することもできる。
このことは特に、焼結排ガスの酸素含有率が、不活性ガス雰囲気のための許容閾値を下回る場合に当てはまる。
このような場合には既に焼結排ガスの熱エネルギーを効果的に利用することができる。
それというのも焼結排ガスは熱的な後燃焼装置の排ガスを補足的に加熱し、そして脱バインダ室内に必要とされる温度の生成及び保持に関与することができるからである。
焼結排ガスはこのために1つ又は2つ以上の出口を介して焼結室から導出される。
特に、温度及び残留酸素含量を調節することができる。
e) 前記焼結ワークピースが脱バインダ処理される別個の脱バインダ室と、
前記焼結ワークピースが焼結される別個の焼結室とが設けられている
ことにより解決される。
場合によっては、焼結室は例えばマッフル炉として形成されていてよい。
さらに、前記焼結ワークピースが、搬送システムによって間欠的に前記脱バインダ室と前記焼結室とを通って搬送されるようになっていると有利である。
a) 前記焼結排ガスが、出口導管を介して前記熱的な後燃焼装置に案内可能であり、前記熱的な後燃焼装置内で、前記焼結排ガスを前記脱バインダ雰囲気と一緒に燃焼して前記熱的な後燃焼装置の排ガスを生成することが可能である;
又は
b) 前記焼結排ガスが、出口導管を介して前記熱的な後燃焼装置の排ガスに案内可能であり、そして前記排ガスと混合可能である。
焼結設備は入口領域12と、脱バインダ領域14と、焼結領域16と、冷却領域18と、出口領域20とを有している。
焼結設備10内では、焼結ワークピース22を焼結する。
焼結ワークピースはこのために搬送車両26上の搬送システム24を用いて、入口領域12から、脱バインダ処理、焼結、及び冷却のための個々の領域14,16,18を通って、出口領域20へ搬送される。
図面では、焼結ワークピース22及び搬送車両26のうちの1つだけに符号が付けられている。
これらの室はこの実施例では焼結ワークピース22によって間欠的に通走される。
この中間隔壁34によって、それぞれの雰囲気を互いに隔離された状態に保ち、所属の温度領域を互いに分離することができるので、脱バインダ領域14と、焼結領域16と、冷却領域18とを、そしてこれらの中に位置する雰囲気を空間的に互いに分離することができる。
これにより脱バインダ処理、焼結、及び冷却という個々の工程は、空間的に分離された領域内のそれぞれ互いに分離された雰囲気中で実施される。
この解放位置では、焼結ワークピース22が脱バインダ室28から焼結室30内へ、もしくは焼結室30から冷却室32内へそれぞれ通走するのが可能である。
脱バインダ室28はこのために、内側の脱バインダ空間42を取り囲む、図2からよく判る外側の流れ空間40を有している。
脱バインダ空間42内に、流れ空間40は底部の近くに設けられた流入開口44を介して開口する。
このために、焼結設備10は不活性ガス装置46を有している。
この不活性ガス装置46によって、脱バインダ過程に適した、酸素除去された又は少なくとも酸素低減された不活性ガス雰囲気が生成され、相応にコンディショニングされ、そして脱バインダ空間42に供給される。
脱バインダ過程時にこうして生じた、結合助剤が取り込まれた雰囲気を、ここでは脱バインダ雰囲気と呼ぶ。
排ガスは場合によっては、更なるコンディショニング後、例えば温度適合後に、脱バインダ室28のための不活性雰囲気を生成するために使用するか、又は全体的にそのようなものとして利用することができる。
吸い取り空間52は再度、流れ空間40に通じており、流れ空間は導管54を介して熱的な後燃焼装置48と接続されているので、脱バインダ雰囲気は流れ空間40から熱的な後燃焼装置48へ流れることができる。
熱的な後燃焼装置48の、場合によっては付加的にコンディショニングされた排ガスは次いで、少なくとも部分的に不活性ガス雰囲気として供給導管56を通って吸い取り室52内へ案内される。
このような雰囲気は一方では、脱バインダ空間42から到来した、結合助剤が取り込まれた脱バインダ雰囲気を含んでおり、他方では、熱的な後燃焼装置48から吸い取り空間52内へ案内された不活性ガス雰囲気を含んでいる。
ここでは、このような雰囲気は脱バインダ空間42を下方から上方に向かって貫流し、そして焼結ワークピース22から遊離された結合助剤を取り込む。
流れ空間40内の残りの雰囲気含量、ひいては脱バインダ空間42から来た脱バインダ雰囲気は、ブロワ58によって導管54を介して熱的な後燃焼装置48へ導出される。
ここではこのような排ガスはエネルギー源又は不活性雰囲気として利用することができる。
これらの断熱壁は複数のバーナー68を備えたバーナーシステム66によって所定の温度まで加温され保持されるので、焼結ワークピース22は放射熱並びに対流によって、焼結過程に必要な温度に充分に加熱される。
バーナー68はこの実施例では焼結ワークピース22の上方及び下方で、直火によって空間を加熱し、そしてこのために、焼結室30に沿って焼結ワークピース22の上方及び下方で所定の高さレベルに配置されている。
焼結排ガスは熱的な後燃焼装置48へ案内され、その場所で脱バインダ室28から来た雰囲気と一緒に燃焼され、脱バインダ空間42のための不活性ガス雰囲気になる。
このような場合、流出導管72は流れ室40内又は供給導管56内に直接に開口することもできる。
ここでは焼結室30からの焼結排ガスを、熱的な後燃焼装置48からの排ガスと混合して脱バインダ空間42のための不活性ガス雰囲気にすることができる。
このことは図1及び2において流出開口72の破線によって示されている。
焼結ワークピース22が焼結室30から冷却室32へ引き渡される前に、焼結室30内及び冷却室32内の雰囲気間の温度差が僅かしかないようにその場所の温度を調節する。
このようにすると、一方では焼結ワークピース22がいわば急冷されるのが阻止され、そして他方では、焼結室30の炉空間62が、冷却室32から流入する雰囲気によって冷却されるのが阻止される。
焼結ワークピース22を搬送システム24の搬送車両26上に載せ、入口隔壁36を通して脱バインダ室28内へ走入させる。
その場所の、相応にコンディショニングされた不活性ガス雰囲気によって、脱バインダ処理に必要な温度を生成し、そして焼結ワークピース22から結合助剤を駆出する。
時間t1は、図3に示された温度プロフィール74において特徴づけられている。
温度プロフィール74は、焼結設備10を通走している間の焼結ワークピース22の温度経過を示している。
脱バインダ室28内で、焼結ワークピース22の温度は温度T1に高められる。
この温度T1は、この実施例では約500℃である。
この温度交換は焼結ワークピース22における良好な温度分布、ひいては効果的な脱バインダ処理を保証する。
脱バインダ処理が終わると、中間隔壁34が開かれたときに焼結ワークピース22は脱バインダ室28から焼結室30へ引き渡され、この場所で焼結過程に必要な温度にもたらされる。
この温度で焼結ワークピースを所定の時間t3にわたって保持し、次いで焼結室30内で再びより低いT3まで冷却する。
時間t3はt2よりも短く、そして例えばt2の3分の1よりも短くてよい。
具体的には、温度T1及びT3はこの実施例では約500℃であるのに対して、最大焼結温度T2は約1550℃である。
しかし温度T1及びT3は互いに異なっていてもよい。
それぞれの温度T1,T2及びT3、並びに時間t1,t2及びt3は実地では焼結ワークピース22の種類及び特性に依存し、相応に変化することができる。
冷却室では、いまや焼結済の部分22を制御した状態で冷却する。
次いで冷却済の焼結ワークピース22は出口隔壁38を介して焼結設備10から出て、搬送システム24から取り出されるか、又は他の個所へ搬出される。
適宜の手段又は構成により、1つの室から他の室への移動中の温度及び/又は雰囲気の混和が最小限に抑えられる。
このために、例えば一般的なロック装置が設けられていてよい。
しかしその代わりに別のコンセプトを用いて、室28,30,32を並列に位置決めすることもできる。
この場合、搬送システム24によって相応の横方向搬送が行われ、そして必要な場合には、雰囲気分離を保証するためにロック装置が設けられていなければならない。
Claims (11)
- 焼結ワークピースを焼結する方法であって、
a) 酸素除去された又は少なくとも酸素低減された不活性ガス雰囲気中で前記焼結ワークピース(22)を脱バインダ処理し、この際に、脱バインダ処理時に前記焼結ワークピース(22)から遊離された結合助剤が取り込まれた脱バインダ雰囲気が発生せしめられるステップと;
b) 前記焼結ワークピース(22)を焼結温度(T2)にもたらし、この際に焼結排ガスが発生せしめられるステップと;
c) 前記焼結ワークピースを制御した状態で冷却するステップと、
が実施されるものにおいて、
d) 前記焼結ワークピース(22)を別個の脱バインダ室(28)内で脱バインダ処理し、そして別個の焼結室(30)内で焼結する、
ことを特徴とする焼結ワークピースを焼結する方法。 - 前記脱バインダ室(28)を空気循環運転中に動作させる、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記焼結ワークピース(22)を、搬送システム(24)によって間欠的に前記脱バインダ室(28)と前記焼結室(30)とを通して搬送する、ことを特徴とする請求項1又は2に記載の方法。
- 前記不活性ガス雰囲気を生成するために、又は不活性ガス雰囲気として、熱的な後燃焼装置(48)からの排ガスを使用し、前記排ガスを脱バインダ雰囲気の燃焼によって得る、ことを特徴とする請求項1から3までのいずれか1項に記載の方法。
- 前記不活性ガス雰囲気を生成するために、さらに前記焼結排ガスを使用する、ことを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記不活性ガス雰囲気を生成するために、
a) 前記焼結排ガスを前記熱的な後燃焼装置(48)内で前記脱バインダ雰囲気と一緒に燃焼して前記熱的な後燃焼装置の排ガスにする;
あるいは、
b) 前記焼結排ガスを前記熱的な後燃焼装置(48)の排ガスと混合する、
ことを特徴とする請求項5に記載の方法。 - 焼結ワークピースを焼結する設備であって、
a)脱バインダ領域(14)を備え、前記脱バインダ領域(14)内では、前記焼結ワークピース(22)が、酸素除去された又は少なくとも酸素低減された不活性ガス雰囲気中で脱バインダ処理され、この際に、脱バインダ処理時に前記焼結ワークピース(22)から遊離された結合助剤が取り込まれた脱バインダ雰囲気が発生し;
b)不活性ガス装置(46)装置を備え、前記不活性ガス装置(46)によって、前記不活性ガス雰囲気が生成されて前記脱バインダ領域(14)内へ導入され;
c)焼結領域(16)を備え、前記焼結領域(16)内では、前記焼結ワークピース(22)が脱バインダ処理後に焼結温度(T2)まで加温され、この際に焼結排ガスが発生し;
d)冷却領域(18)を備え、前記冷却領域(18)内では、前記焼結ワークピースが焼結後に、制御された状態で冷却される、
ものにおいて、
e) 前記焼結ワークピース(22)が脱バインダ処理される別個の脱バインダ室(28)と、前記焼結ワークピース(22)が焼結される別個の焼結室(30)と、が設けられている、
ことを特徴とする焼結ワークピースを焼結する設備。 - 前記脱バインダ室(28)が空気循環室として形成されている、ことを特徴とする請求項7に記載の設備。
- 前記焼結ワークピース(22)が、搬送システム(24)によって間欠的に前記脱バインダ室(28)と前記焼結室(30)とを通って搬送されるようになっている、
ことを特徴とする請求項7又は8に記載の設備。 - 前記不活性ガス装置(46)が熱的な後燃焼装置(48)を有しており、
前記熱的な後燃焼装置に脱バインダ雰囲気が導管(54)を介して供給されるようになっており、
前記熱的な後燃焼装置内で、前記脱バインダ雰囲気を燃焼することによって排ガスが得られ、
前記排ガスは前記不活性ガス雰囲気を生成するために、又は脱バインダ領域(14)のための不活性ガス雰囲気として使用することができる、
ことを特徴とする請求項7から9のいずれか1項に記載の設備。 - 前記不活性ガス雰囲気を生成するために、
a) 前記焼結排ガスが、出口導管(72)を介して前記熱的な後燃焼装置(48)に案内可能であり、前記熱的な後燃焼装置内で前記焼結排ガスを、前記脱バインダ雰囲気と一緒に燃焼して前記熱的な後燃焼装置の排ガスにすることが可能である、
又は
b) 前記焼結排ガスが、出口導管(72)を介して前記熱的な後燃焼装置(48)の排ガスに案内可能であり、そして前記排ガスと混合することが可能である、
ことを特徴とする請求項10に記載の設備。
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