DE60207933T2

DE60207933T2 - Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metallen unter Argonatmosphäre

Info

Publication number: DE60207933T2
Application number: DE60207933T
Authority: DE
Inventors: Susumu Yokohama Takahashi
Original assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Kanto Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2002-06-19
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2022-06-20
Also published as: EP1270749A1; DE60207933D1; JP2003003211A; US20030000611A1; EP1270749B1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur kontinuierlichen Wärmebehandlung von Metallen unter einer Inertgasatmosphäre in einem tunnelähnlichen Durchlaufofen. Geeignete Metalle sind insbesondere Legierungen, die ein oder mehrere flüchtige Metalle enthalten, wie z. B. Zink, Mangan, Chrom, Aluminium und so weiter.
Ein Beispiel der Wärmebehandlung derartiger Legierungen ist das Hartlöten von Edelstahlblechen oder -platten mit einem Lot auf Nickelbasis, das Chrom enthält. Diese Art der Wärmebehandlung kann jedoch nicht auf geeignete Weise unter Vakuum durchgeführt werden, da das Lot dechromiert wird. Außerdem kann diese Art des Hartlötens nicht unter einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, da das in dem Lot enthaltene Chrom nitriert wird. Daher ist diese Art des Hartlötens bisher Stück für Stück von Hand in Luft durchgeführt worden.
Wenn man Edelstahl in großen Mengen hartlöten möchte, entweder zusammen in einer Charge oder nacheinander, können die Teile mit oxidfreiem Kupfer hartgelötet werden. Moderne Anforderungen erfordern jedoch Verbesserungen der physikalischen Eigenschaften, besonders der Hitzebeständigkeit, der hartgelöteten Abschnitte des nach diesem Verfahren hergestellten Edelstahlteils. Diese Verbesserungen könnten unter Verwendung von chromhaltigem Lot erreicht werden, vorausgesetzt, daß effektives Hartlöten noch in großen Mengen durchgeführt werden kann. Wie oben beschrieben, ist jedoch die Verwendung von Chrom problematisch.
Ein Beispiel, bei dem Edelstahlplatten erfolgreich unter einer Argonatmosphäre hartgelötet wurden, wird in unserer Vorläufigen Japanischen Patentveröffentlichung Nr. 06-238 433 beschrieben. Das dabei verwendete Lot wies jedoch nur oxidfreies Kupfer auf.
Eine weitere Vorläufige Japanische Patentveröffentlichung Nr. 2000-273 528, gleichfalls unsere, beschreibt ein Verfahren, bei dem Argon effektiv als Ofenatmosphäre zum Erhitzen von Metallen genutzt wurde. Die Veröffentlichung lehrt, daß nichtrostender Chromstahl ohne Oxidation gesintert wurde. Sie identifiziert jedoch weder die oben erwähnten Probleme, zum Beispiel, daß eine derartige Metallegierung beim Erhitzen leicht dechromiert oder nitriert würde, noch befaßt sie sich mit der Lösung dieser Probleme.
Angesichts der oben erwähnten Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zum Erhitzen von Metallegierungsteilen und -artikeln bereitzustellen, die ein oder mehrere flüchtige Metalle enthalten, wie z. B. Zink, Mangan, Chrom und Aluminium, so daß sie effektiv, nacheinander und in großen Mengen verschiedenen Wärmebehandlungen in einem tunnelähnlichen Durchlaufofen unterzogen werden können. Es wäre auch wünschenswert, ein solches Verfahren bereitzustellen, bei dem die Verdampfung oder Sublimation der flüchtigen Metalle aus ihren Metallegierungsteilen und -artikeln und die Wirkungen chemischer Reaktionen, wie z. B. des Nitrierens, vermindert oder weitgehend beseitigt werden.
Überraschenderweise haben wir festgestellt, daß trotz der Tatsache, daß tunnelähnliche Durchlauföfen im allgemeinen bei einem Druck von 0,1 bis 0,5 Pa betrieben werden, der Atmosphärendruck innerhalb des Ofens erhöht werden kann, wenn Argon als Ofenatmosphäre verwendet wird. Die ist darauf zurückzuführen, daß Argon ein spezifisches Gewicht oder eine relative Dichte von 1,783 kg/m³ hat, die wesentlich höher ist als das relative Dichte von Luft, die 1,293 kg/m³ beträgt. Die inerte Argon-Ofenatmosphäre verursacht keine chemische Veränderung in der Metallegierung der Teile oder Gegenstände, die wärmebehandelt werden sollen. Selbst wenn die Legierungen irgendeine Anzahl flüchtiger Metalle enthalten, wie z. B. Zink, Mangan, Chrom oder Aluminium, vermindert ein hoher Atmosphärendruck im Ofen, der durch Argon aufrechterhalten wird, die Verdampfung oder Sublimation dieser flüchtigen Metalle oder beseitigt sie weitgehend.
Daher wird nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Metallegierung bereitgestellt, das die Verwendung von Argon als Atmosphäre eines tunnelähnlichen Wärmebehandlungsdurchlaufofens und die Wärmebehandlung der Metallegierung unter einem selektiv durch die Argonatmosphäre im Ofen erzeugten Druck aufweist, wobei die Legierung ein oder mehrere flüchtige Metalle enthält.
Flüchtige Metalle können auch als verdampfbar oder leicht sublimierbar bezeichnet werden, und sind typischerweise Metalle, die beispielsweise unter Bedingungen hoher Temperatur, wenn die Parameter der vorliegenden Erfindung nicht eingehalten werden, vom Hauptmetall dissoziieren können, wie z. B. von Stahl, falls die Legierung ein Edelstahl ist. Die Inertgasatmosphäre gemäß der vorliegenden Erfindung ist in erster Linie Argon.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das flüchtige Metall eines oder mehrere der Metalle Zink, Mangan, Chrom und Aluminium. Vorzugsweise ist die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Legierung ein Edelstahl.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren die Verwendung von Lot auf Nickelbasis auf, das Chrom enthält, und die Wärmebehandlung bewirkt das Hartlöten des Stahls mit dem Lot.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann zum Sintern oder Hartlöten der Metallegierung angewandt werden. Wenn die Metallegierung ein Gegenstand ist, der durch Formpressen von Edelstahlpulvern hergestellt wird, dann weist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Wärmebehandlung das Sintern des Gegenstands auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen diese Edelstahlpulver ferner Mangan auf.
Alternativ ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Metallegierung zinkhaltiges Messing. In dieser Ausführungsform ist das Lot vorzugsweise ein zinkhaltiges Silberlot. In diesem Fall weist die Wärmebehandlung das Hartlöten von Messing mit dem Silberlot auf.
Vorzugsweise liegt der Druck, der selektiv unter der Argonatmosphäre in dem Ofen erzeugt wird, im Bereich von etwa 5,0 Pa bis etwa 77,2 Pa. Diese Werte sind experimentell ermittelt worden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der unter der Argonatmosphäre im Ofen selektive erzeugte Druck durch Regeln der Höhe eines Einlasses und/oder Auslasses regulierbar. Diese Ein- und Auslässe sorgen für den Eintritt und Austritt der Artikel/Legierungen zur Wärmebehandlung und dienen zum Einbringen und Ausbringen der Metallegierung in den und aus dem tunnelähnlichen Wärmebehandlungsdurchlaufofen. Vorzugsweise wird der Druck in dem Ofen durch schräges Anheben des Einlasses und des Auslasses erhöht, wobei die Dichte des Argons dazu dient, die Druckerhöhung im Ofen zu unterstützen. Der Druck kann in dem Ofen durch vollständiges oder teilweises Abdichten des Einlasses und/oder Auslasses und Pumpen der erforderlichen Atmosphärenbestandteile erhöht werden.
Erhöhte Ofendrücke können auch zum Abdichten des Ofeneinlasses und -auslasses gegen die äußere Atmosphäre beitragen, das früher ein Problem gewesen ist. Außerdem erleichtern solche erhöhten Ofendrücke das Reinigen des Ofens von Gasen und anderen Materialien, die unvermeidlich zusammen mit den Teilen oder Artikeln, die darin wärmebehandelt werden sollen, in den Ofen gelangen. Fremdstoffe wie z. B. Maschinenöle, die aus den Teilen oder Artikeln ausgebrannt werden, können gleichfalls leicht aus dem Ofen entfernt werden, indem man zum Beispiel für Entlüften oder Durchspülen sorgt.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine erläuternde Schnittansicht eines tunnelähnlichen Durchlaufofens, der vorteilhaft zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann;
2 ein Diagramm, das Dampfdrücke flüchtiger Metalle, zu denen Zink und andere gehören, in Abhängigkeit von Temperaturen darstellt; und
3 eine Ansicht ähnlich 1, die eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen tunnelähnlichen Durchlaufofens darstellt.
In den folgenden Beispielen 1, 2, 3 und 4 wurde der in 1 dargestellte Ofen eingesetzt.
Wie in 1 dargestellt, weist der Durchlaufofen eine Heizkammer 1 sowie eine Vorheizkammer 2 und eine Abkühlungskammer 3 auf. Die Kammern 2 und 3 sind auf der einen und der anderen Seite der Heizkammer 1 angeordnet. Die Kammern sind miteinander zu einem tunnelähnlichen Ofen verbunden. Der Ofen weist einen Einlaß 4 und einen Auslaß 5 auf, die dem einen bzw. dem anderen Ende benachbart sind, und bildet als Ganzes um in seinem Querschnitt eine U-Form mit der Heizkammer als Basis. Die Wände der Heizkammer 1 bestehen vorzugsweise aus kohlenstoffhaltigen Materialien, wodurch ein Mittel zur Beseitigung von in den Ofen eintretendem Sauerstoff oder dessen Verbindungen bereitgestellt wird, indem die kohlenstoffhaltigen Wände damit zu Kohlenmonoxid reagieren. Abfallprodukte werden dann ausgespült oder an den Ofenwänden adsorbiert, wodurch der Sauerstoffpartialdruck im Ofen auf geeignet niedrigen Werten gehalten wird.
Ein endloses Netzband 6, das gleichfalls vorzugsweise aus kohlenstoffhaltigen Materialien besteht, läuft innerhalb des Ofens um. Es wird durch Antriebsrollen 7 in die in 1 durch Pfeile dargestellte Richtung bewegt. Ein Rücklaufkanal 8, durch den sich das entladene Band 6 bewegt, ist gleichfalls luftdicht verschlossen, so daß das Argongas, das aus einer am Kopf der Heizkammer angeordneten Zuleitung 9 eingeleitet wird, vollständig innerhalb des Ofens abgedichtet werden kann.
Der Einlaß 4 arbeitet als Eintragsöffnung, der Auslaß 5 als Austragsöffnung der Teile oder Artikel, die wärmebehandelt werden sollen bzw. sind. Diese Öffnungen, die aufrecht stehen, im allgemeinen oberhalb der Ofenhöhe oder zumindest oberhalb der Höhe der Heizkammer 1, dienen auch als Köpfe. Diese Köpfe haben eine Höhe H über dem horizontalen Niveau des beladenen Bands 6.
Wenn die Höhe H der Köpfe 4 und 5 selektiv verändert wird, variiert der Argondruck innerhalb des Ofens, wie in Tabelle 1 dargestellt.
TABELLE 1 Höhe der Köpfe 4 und 5 mit dem resultierenden Ofendruck
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde unter Verwendung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt, eines weiteren, in 3 dargestellten tunnelähnlichen Ofens. In 3 werden die gleichen Teile wie in 1 durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In diesem Durchlaufofen weist ein Einlaß 4' einen Kanal mit einem Eintrittswinkel α auf, woraus sich ein Kopf mit der Höhe H ergibt, während ein Auslaß 5' einen weiteren Kanal mit einem entsprechenden Reflexionswinkel α' aufweist, woraus sich ein Kopf mit der gleichen Höhe H ergibt. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofens braucht der Rücklaufweg des Bands 8' nicht unbedingt luftdicht abgedichtet zu sein.
Wenn die Einlaß- und Auslaßkanäle 4' und 5' eine Neigung α bzw. α' hatten, entsprach die Höhe H der Köpfe einer Höhe von 267 mm, was ausreicht, um einen erfindungsgemäßen Argondruck im Ofen zu ergeben.
Diese Typen von Einlaß- und Auslaßkanälen können vorteilhaft zum leichten Einbringen und Ausbringen von Metallegierungsartikeln in den und aus dem Ofen genutzt werden. Selbstverständlich kann man durch Vergrößern der Neigungswinkel und/oder Verlängern der röhrenförmigen Einlaß- und Auslaßkanäle 4' und 5' Köpfe von größerer Höhe erhalten, d. h. Köpfe, die einen höheren Argondruck im Ofen bereitstellen.
Wie oben beschrieben, können gemäß der vorliegenden Erfindung Legierungsartikel, die flüchtige Metalle enthalten, wie z. B. Zink, Mangan, Chrom, Aluminium und dergleichen, zwangsläufig und kontinuierlich verschiedenen Wärmebehandlungen ausgesetzt werden. Da ein hoher Ofendruck gemäß der vorliegenden Erfindung ohne weiteres erreicht wird, wird der Ausschluß von Luft am Einlaß und Auslaß des tunnelähnlichen Durchlaufofens erleichtert, so daß die Ofenatmosphäre nicht durch Luft verunreinigt wird. Dementsprechend verringert sich der Verbrauch von Argongas für den Ofen.
BEISPIEL 1
SUS304-Edelstahlbleche mit einem Gehalt von 18% Cr und 8% Ni wurden als Probekörper verwendet. Die Probekörper wurden mit einem BNi-5-Lot auf Nickelbasis, das 19% Cr enthielt, bei 1200°C hartgelötet. In diesem Fall wurde die Höhe der Köpfe 4 und 5 auf 300 mm eingestellt (was einem Argondruck im Ofen von 5,0 Pa entspricht). Die so hartgelöteten Probekörper wurden in entionisiertes Wasser mit 5 Gew.-% NaCl getaucht. Auch nach 96 Stunden in dem Wasser wurde weder Rost noch eine Farbänderung an den Probekörpern festgestellt.
Die gleichen Probekörper, die unter den gleichen Bedingungen wie oben, aber in einem Vakuumofen hartgelötet worden waren, wurden in gleichartiges entionisiertes Wasser getaucht. Nach nur einer Stunde in dem Wasser wurde Rost an diesen Stücken beobachtet.
BEISPIEL 2
Probekörper wurden durch Formpressen von SUS447J1-Edelstahlpulver mit einem Gehalt von 30% Cr hergestellt. Sie wurden bei 1300°C in dem Ofen gesintert, wobei die Köpfe 3 und 4 auf Höhen von 300 mm eingestellt waren (entsprechend einem Argondruck im Ofen von 5,0 Pa).
Die gesinterten Probekörper wurden in entionisiertes Wasser mit 5 Gew.-% NaCl getaucht, mit dem Ergebnis, das auch nach einer Eintauchzeit von 46 Stunden kein Rost beobachtet wurde. Es wurde keine Farbänderung beobachtet.
Rost wurde jedoch an den in einem Vakuumofen wärmebehandelten Probekörpern festgestellt, nachdem sie 30 Minuten in das gleiche entionisierte Wasser getaucht wurden.
BEISPIEL 3
Messingbleche mit einem Zinkgehalt von 30% wurden in dem Ofen bei 700°C mit einem BAg-7-Lot hartgelötet, das 18% Zink enthielt.
Die Höhen der Köpfe 4 und 5 wurden eingestellt auf:

(1) 300 mm (entsprechend einem Argondruck im Ofen von 5,0 Pa),
(2) 1200 mm (entsprechend einem Argondruck im Ofen von 19,3 Pa), und
(3) 4800 mm (entsprechend einem Argondruck im Ofen von 77,2 Pa).

Die Hartlötergebnisse unter den Bedingungen (1), (2) und (3) wurden visuell beobachtet und sind die folgenden.
Unter Bedingung (1) verdampfte Zink aus dem Lot, so daß sich der Schmelzpunkt des Lots erhöhte, mit dem Ergebnis, daß es nicht völlig schmelzen konnte. Die Messingbleche wurden durch den Zinkverlust rötlich.
Unter Bedingung (2) schmolz das Lot vollständig, so daß das Hartlöten erreicht wurde, obwohl sich die Farbe der Messingbleche veränderte.
Unter Bedingung (3) schmolz jedoch das Lot vollständig, das Hartlöten verlief sehr gut, und die Messingbleche zeigten keine Farbänderung.
BEISPIEL 4
Pulver aus austenitischem Edelstahl mit niedrigem Nickelgehalt, die 30% Mn enthielten, wurden unter Druck zu Probekörpern formgepreßt. Sie wurden in dem Ofen auf 1300°C erhitzt, wobei die Köpfe auf eine Höhe von 600 mm eingestellt wurden (entsprechend einem Argondruck im Ofen von 10,0 Pa oder mehr). Die Pulver wurden gut gesintert und enthielten immer noch Mn.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung einer Metallegierung, die eine oder mehrere flüchtige Komponenten aufweist, wobei das Verfahren das Erhitzen der Legierung in einem Tunnelofen unter einer argonhaltigen Atmosphäre aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der unter der argonhaltigen Atmosphäre in dem Ofen selektiv erzeugte Druck durch Steuerung der Höhe eines Einlasses und/oder Auslasses einstellbar ist, wobei Einlass und Auslass als Köpfe dienen, und daß er höher als der Luftdruck ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das flüchtige Metall mindestens eines oder mehrere der Metalle Zink, Mangan, Chrom und Aluminium ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metallegierung ein Edelstahl ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner die Verwendung von Lot auf Nickelbasis aufweist, das Chrom enthält, und die Wärmebehandlung das Hartlöten des Stahls mit dem Lot aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metalllegierung ein durch Formpressen von Edelstahlpulvern hergestellter Artikel ist und die Wärmebehandlung das Sintern des Artikels aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Metalllegierung ein durch Formpressen von manganhaltigen Edelstahlpulvern hergestellter Artikel ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Metalllegierung zinkhaltiges Messing ist, und wobei das Verfahren ferner die Verwendung eines zinkhaltigen Silberlots aufweist und die Wärmebehandlung das Hartlöten des Messings mit dem Silberlot aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der unter der argonhaltigen Atmosphäre in dem Ofen selektiv erzeugte Druck in einem Bereich von 5,0 Pa bis 77,2 Pa liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Einlass und der Auslass zum Laden und Entladen der Metalllegierung in den und aus dem Ofen dienen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der unter der argonhaltigen Atmosphäre in dem Ofen selektiv erzeugte Druck durch schräges Anheben des Einlasses und des Auslasses erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Atmosphäre nur Argon aufweist.