CN112512728A - 一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉 - Google Patents

一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉，通过双向气氛控制，让单向气氛控制中流动方向上各区域产品尺寸、性能出现的差异得到反方向气氛控制的补足，使产品的尺寸、性能前后均匀。

Description

一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉
技术领域
本发明涉及烧结工艺及烧结炉技术领域，特别是涉及一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉。
背景技术
MIM等粉末冶金产品应用于各领域，如消费类电子、医疗器械、汽车零部件、智能穿戴、五金工具、光纤通讯、军工用品等，对产品尺寸和性能的要求较高。但是满炉产品良率低，特别是难烧的产品，同炉产品烧结出来的尺寸和性能存在差异性，产品出炉良率有待进一步提高。
现有技术中的烧结炉主要有以下几种进气方式：1.料箱内直接充入气体；2.料箱外的气体由进气阀进气；3.上、下安全阀进气；4.由侧板处进气，减短气流行程。以上几种烧结炉均只具备单向进气结构，烧结炉内气体为单向流动。其炉体上设有固定的进气位与出气位，在脱脂与烧结过程中，进气位进气，出气位出气，使气流形成一定定向流向。由于气流形成定向流向，会造成流动方向上区域产品的尺寸与性能的差异性，主要原因有以下三点：
1.气体中成份(杂质)的影响。气体中含有水份等杂质，当气流经过产品，气体中的水份等杂质会与产品反应，使产品受影响，气流中的杂质在前面反应掉了，到后面流经产品的气流对产品的影响会越来越小，出现产品前后差异性。
2.产品中挥发物的影响。比如在前期脱脂工序中，在受热过程中，产品中的粘结剂会从产品中挥发出来，然后随着气流方向进入出气口，这就会形成前面产品中跑出的挥发物跑到后面去，粘附在后面的产品表面上，形成前后产品差异性。
3.气体的流量、流速及流动状态的影响。在靠近进气位置的产品流经的气体的流量与流速比靠近出气口位置的产品流经的气体的流量与流速要大，且距离越大越明显。气流经过料板与料板之间，气流经过一段直线后会出现乱流现象，越到最后气流对产品的冲刷程度就越小，呈现区域产品性差异。再加上出气口起到节流作用，往往在出气口附近的产品碳势分布明显(含碳量较多)。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉，用以解决现有技术中采用单向气氛控制导致的产品尺寸与性能的差异性较大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明公开了一种双向气氛控制工艺，包括前期工序、烧结工序和后期工序，烧结工序中包括以下步骤：
步骤A、向料箱内充入工艺气体，形成气体正向流动；
步骤B、向料箱内充入工艺气体，形成气体逆向流动。
优选地，烧结工序中还包括以下步骤：
步骤CA、在料箱内抽真空，形成气体正向流动；
步骤CB、在料箱内抽真空，形成气体逆向流动。
本发明还公开了一种双向气氛烧结炉，具有正向气氛控制结构，所述正向气氛控制结构包括正向进气结构和正向出气结构，气体由所述正向进气结构流入料箱内并由所述正向出气结构流出料箱，形成气体正向流动，还具有逆向气氛控制结构，所述逆向气氛控制结构具有逆向进气结构和逆向出气结构，气体由所述逆向进气结构流入并由所述逆向出气结构流出，形成气体逆向流动。
优选地，所述正向进气结构为正向进气管，所述正向进气管的一端位于烧结炉外，所述正向进气管的另一端与烧结炉内的料箱连通，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，所述逆向出气结构为逆向出气管，所述逆向出气管为所述正向进气管的支管。
优选地，所述正向进气结构为进气阀，所述进气阀固定于料箱上，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，所述逆向出气结构为料箱上的拼接缝隙和门板缝隙。
优选地，所述正向进气结构为安全阀、料箱上的拼接缝隙、料箱上的门板缝隙，所述安全阀固定于料箱上，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，所述逆向出气结构为料箱上的拼接缝隙和门板缝隙。
优选地，所述正向进气结构为料箱侧板上的开口，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，所述逆向出气结构为料箱侧板上的开口。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过双向气氛控制，让单向气氛控制中流动方向上各区域产品尺寸、性能出现的差异得到反方向气氛控制的补足，使产品的尺寸、性能前后均匀。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为使用本实施例的双向气氛控制工艺烧结产品的温度工艺曲线；
图2为单向气氛控制和双向气氛控制的产品在烧结后的碳势分布曲线对比图；
图3为本实施例双向气氛烧结炉的一种结构示意图；
图4为本实施例双向气氛烧结炉的又一种结构示意图；
图5为本实施例双向气氛烧结炉的又一种结构示意图；
图6为本实施例双向气氛烧结炉的又一种结构示意图；
附图标记说明：1炉体；2料箱；3正向进气管；4正向出气管；5逆向进气管；6逆向出气管；7进气阀；8安全阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种双向气氛控制工艺及双向气氛烧结炉，用以解决现有技术中采用单向气氛控制导致的产品尺寸与性能的差异性较大的技术问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种双向气氛控制工艺，包括前期工序GⅠ、烧结工序GⅡ和后期工序GⅢ。烧结工序较为复杂，本实施例仅对涉及气体流动的内容进行说明，烧结工序的其它内容参照现有技术即可。烧结工序GⅡ中包括以下步骤：
步骤A、向料箱2内充入工艺气体，形成气体正向流动；
步骤B、向料箱2内充入工艺气体，形成气体逆向流动。
本实施例在现有技术采用单向气氛控制的基础上增加反方向气氛控制，使之前单向气氛控制工艺气氛不足的产品得到补足，特别是靠近原出气位附近尺寸及碳含量偏差严重的产品，起到了非常好的效果，整炉产品烧结下来，尺寸非常均匀。将原单向气氛控制定义为顺向气氛控制，反方向气氛控制定义为逆向气氛控制。
除了向料箱2内充入气体的过程涉及气体的流动外，真空烧结工艺中对料箱2抽真空的过程也涉及气体的流动。因此，为了进一步改善产品的尺寸与性能的均匀性，本实施例的烧结工序中还包括以下步骤：
步骤CA、在料箱2内抽真空，形成气体正向流动；
步骤CB、在料箱2内抽真空，形成气体逆向流动。
在具体实施时，可以使步骤A、步骤B连续进行，使步骤CA、步骤CB连续进行；也可以在步骤A与步骤B之间插入步骤CA和/或步骤CB。需要说明的是，本实施例所指正向流动和逆向流动为相反的流动方向，本实施例中步骤CA与步骤A的气流方向相同，本实施例中步骤CB与步骤B的气流方向相同。
具体的，前期工序GⅠ主要为升温前提下的基础工艺，如脱脂工艺(如果无脱脂工艺，可以是直接升温并保温，为产品直接烧结作预备)。前期工序GⅠ的温度区间为室温～700℃，并优选为室温～600℃。后期工序GⅢ主要为降温前提下的基础工艺，紧接在烧结工序GⅡ结束，如冷却工艺。后期工序GⅢ的温度区间为：从1400℃开始降温，优选为从1200℃开始降温。烧结工序GⅡ期间的温度范围为600℃～1600℃,优选为600℃～1400℃，包括升温阶段与保温阶段及降温阶段，升温阶段包括直线升温和阶梯升温。
本实施例中，炉内充入的工艺气体为氮气或氩气或氢气或混合气，步骤A、步骤B、步骤CA与步骤CB中料箱2内的压力和充气流量，可以保持恒定值，也可以为变动值，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。
步骤A和步骤B的炉内压力值为0.01Pa～1000KPa，优选为1KPa～100KPa。
步骤A和步骤B的充气流量值为1L/min～500L/min，优选为1L～200L/min。
图1为MIM产品在烧结炉中的一种温度工艺曲线，图1中A1、A2、A3分别为第一次、第二次、第三次正向充气，依此类推；B1、B2、B3分别为第一次、第二次、第三次逆向充气，依此类推。C1代表一次抽真空过程，包括一次步骤CA与一次步骤CB。图2为MIM产品在单向气氛和双向气氛烧结后的碳势分布曲线对比图，可以看到，双向气氛控制相比于单向气氛控制，极大地改善了碳含量的分布偏差问题。
本实施例还提供一种双向气氛烧结炉，其具有现有烧结炉中常用的正向气氛控制结构(或称单向气氛控制结构)，正向气氛控制结构包括正向进气结构和正向出气结构，气体由正向进气结构流入料箱2内并由正向出气结构流出料箱2，形成气体正向流动。本实施例在现有技术的基础上，增加了逆向气氛控制结构，逆向气氛控制结构具有逆向进气结构和逆向出气结构，气体由逆向进气结构流入并由逆向出气结构流出，形成气体逆向流动。根据烧结炉类型的不同，逆向逆风控制结构可以有多种形式，只要能形成与正向气流相反的逆向气流即可，下面对四种常见的烧结炉结构进行逆向气氛控制结构的举例说明，但不局限于以下四种布置形式。例如，以下四种结构中逆向进气管5均为正向出气管4的支管，但本领域技术人员也可使逆向进气管5的一端位于烧结炉外，逆向进气管5的另一端与烧结炉内的料箱2连通，并使逆向进气管5与正向出气管4相邻设置，这样，正向气流的出口和逆向气流的进口极为接近，同样也可实现双向气氛控制。
如图3所示，其为料箱2(或称马弗)内直接充入气体的烧结炉结构。图3中，正向进气结构为正向进气管3，正向进气管3的一端位于烧结炉的炉体1外，正向进气管3的另一端与烧结炉内的料箱2连通，正向出气结构为正向出气管4，正向出气管4的一端位于烧结炉的炉体1外，正向出气管4的另一端与烧结炉内的料箱2连通；
逆向进气结构为逆向进气管5，逆向进气管5为正向出气管4的支管，逆向出气结构为逆向出气管6，逆向出气管6为正向进气管3的支管。
如图4所示，其为气体由料箱2上的进气阀7进入料箱2的烧结炉结构。图4中，正向进气结构为进气阀7，进气阀7固定于料箱2上，正向出气结构为正向出气管4，正向出气管4的一端位于烧结炉的炉体1外，正向出气管4的另一端与烧结炉内的料箱2连通；
逆向进气结构为逆向进气管5，逆向进气管5为正向出气管4的支管，逆向出气结构为料箱2上的拼接缝隙和门板缝隙。
如图5所示，其为气体由料箱2上的安全阀8和料箱2上的缝隙进入料箱2的烧结炉结构。图5中，正向进气结构为安全阀8、料箱2上的拼接缝隙、料箱2上的门板缝隙，安全阀8固定于料箱2上，正向出气结构为正向出气管4，正向出气管4的一端位于烧结炉的炉体1外，正向出气管4的另一端与烧结炉内的料箱2连通；
逆向进气结构为逆向进气管5，逆向进气管5为正向出气管4的支管，逆向出气结构为料箱2上的拼接缝隙和门板缝隙。
如图6所示，其为气体由料箱2侧板上的开口进入料箱2的烧结炉结构。图6中，正向进气结构为料箱2侧板上的开口，正向出气结构为正向出气管4，正向出气管4的一端位于烧结炉的炉体1外，正向出气管4的另一端与烧结炉内的料箱2连通；
逆向进气结构为逆向进气管5，逆向进气管5为正向出气管4的支管，逆向出气结构为料箱2侧板上的开口。
以下为使用图5所示烧结炉，用316材料的手柄所烧结的数据。表1为单向气氛控制下得到的产品尺寸分布及CPK，表2为双向气氛控制下得到的产品尺寸分布及CPK。
表1
Figure BDA0002911335850000071
表2
Figure BDA0002911335850000081
评估烧结炉的性能时，标准差与CPK为主要指标。标准差是指所有尺寸波动的均匀性，值越小越好。CPK指衡量生产可行性指标，基准值为1.33，值越大越好。经过对比可知，采用双向气氛控制工艺后有效地改善了单向气氛控制工艺的不足。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种双向气氛控制工艺，包括前期工序、烧结工序和后期工序，其特征在于，烧结工序中包括以下步骤：
步骤A、向料箱内充入工艺气体，形成气体正向流动；
步骤B、向料箱内充入工艺气体，形成气体逆向流动。
2.根据权利要求1所述的双向气氛控制工艺，其特征在于，烧结工序中还包括以下步骤：
步骤CA、在料箱内抽真空，形成气体正向流动；
步骤CB、在料箱内抽真空，形成气体逆向流动。
3.一种双向气氛烧结炉，具有正向气氛控制结构，所述正向气氛控制结构包括正向进气结构和正向出气结构，气体由所述正向进气结构流入料箱内并由所述正向出气结构流出料箱，形成气体正向流动，其特征在于，还具有逆向气氛控制结构，所述逆向气氛控制结构具有逆向进气结构和逆向出气结构，气体由所述逆向进气结构流入并由所述逆向出气结构流出，形成气体逆向流动。
4.根据权利要求3所述的双向气氛烧结炉，其特征在于，所述正向进气结构为正向进气管，所述正向进气管的一端位于烧结炉外，所述正向进气管的另一端与烧结炉内的料箱连通，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，或所述逆向进气管与所述正向出气管均为独立管路且相邻设置，所述逆向出气结构为逆向出气管，所述逆向出气管为所述正向进气管的支管，或所述逆向出气管与所述正向进气管均为独立管路且相邻设置。
5.根据权利要求3所述的双向气氛烧结炉，其特征在于，所述正向进气结构为进气阀，所述进气阀固定于料箱上，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，或所述逆向进气管与所述正向出气管均为独立管路且相邻设置，所述逆向出气结构为料箱上的拼接缝隙和门板缝隙。
6.根据权利要求3所述的双向气氛烧结炉，其特征在于，所述正向进气结构为安全阀、料箱上的拼接缝隙、料箱上的门板缝隙，所述安全阀固定于料箱上，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，或所述逆向进气管与所述正向出气管均为独立管路且相邻设置，所述逆向出气结构为料箱上的拼接缝隙和门板缝隙。
7.根据权利要求3所述的双向气氛烧结炉，其特征在于，所述正向进气结构为料箱侧板上的开口，所述正向出气结构为正向出气管，所述正向出气管的一端位于烧结炉外，所述正向出气管的另一端与烧结炉内的料箱连通；
所述逆向进气结构为逆向进气管，所述逆向进气管为所述正向出气管的支管，所述逆向出气结构为料箱侧板上的开口。
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