DE69912043T2

DE69912043T2 - Verfahren zum Entfernen von Schmiermittel von aus Metallpulver gepressten Formteilen

Info

Publication number: DE69912043T2
Application number: DE69912043T
Authority: DE
Inventors: Diwakar Garg; Kerry Renard Berger; Donald James Bowe; Xianming Li; James Garfield Marsden
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1998-08-07
Filing date: 1999-08-05
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2019-08-06
Also published as: DE69912043D1; EP0978337A3; KR20000017126A; KR100321216B1; EP0978337A2; CA2279171A1; JP2000054004A; EP0978337B1; US5970308A; US6045749A; ES2205714T3; ATE251964T1; BR9903381A; CA2279171C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Feld der Pulvermetallurgie und insbesondere die Behandlung von Pulvermetallpresskörpern.
Pulvermetallurgie wird immer wichtiger für die Herstellung von endfertig hergestellten einfach- und komplex-geometrischen Komponenten, insbesondere Kohlenstoffstahl-Komponenten, welche von der Automobil- und Geräteindustrie verwendet werden. Es umfasst das Pressen von Metallpulvern, um grüne Presskörper herzustellen, und das Sintern derselben bei hohen Temperaturen in Anwesenheit einer Schutzatmosphäre. Kleine Mengen eines Schmiermittels, wie Metallstearate (Zink, Lithium und Calcium), Ethylenbistearamide (EBS) und Polyethylenwachse werden üblicherweise zu den Metallpulvern vor dem Pressen der grünen Presskörper zugegeben. Der Zusatz eines Schmiermittels reduziert die Reibung zwischen den Partikeln und verbessert den Pulverfluss, die Kompressibilität und die Packungsdichte. Es hilft zudem dabei, die Reibung zwischen dem Metallpulver und der Matrizenwandung zu reduzieren, wodurch die Kraft verringert wird, welche benötigt wird, die Presskörper aus der Matrize auszustoßen, was wiederum den Verschleiß verringert und die Lebenszeit verlängert.
Obwohl es wichtig ist, kleine Mengen von Schmiermitteln zu den Metallpulvern vor dem Pressen der grünen Presskörper hinzuzugeben, ist es in gleicher Weise wichtig, sie aus den Presskörpern vor dem Sintern derselben bei hohen Temperaturen in einem Ofen zu entfernen. Ein kontinuierlicher Ofen, der mit drei unterschiedlichen Zonen, einer Vorheizzone, einer Hochheizzone und einer Kühlzone ausgebildet ist, wird üblicherweise verwendet, um die Metallpulverkomponenten thermisch zu behandeln und zu sintern. Die Vorheizzone des kontinuierlichen Ofens wird verwendet, um die Komponenten auf eine vorbestimmte Temperatur vorzuheizen. Die Hochheizzone wird verwendet, um die Komponenten zu sintern, und die Kühlzone wird verwendet, um die gesinterten Komponenten vor dem Entnehmen aus dem kontinuierlichen Ofen abzukühlen.
Die Schutzatmosphäre, die für das Sintern verwendet ist, wird hergestellt und geliefert durch, z. B. endothermische Generatoren, Stickstoff gemischt mit endothermisch erzeugter Atmosphäre, dissoziiertem Ammoniak, Stickstoff, gemischt mit einer Atmosphäre, welche durch dissoziiertes Ammoniak hergestellt wurde, oder durch einfaches Vermischen von reinem Stickstoff mit Wasserstoff, Mischen von Stickstoff mit Wasserstoff und einem Anreicherungsgas wie Erdgas oder Propan, oder der Mischung von Stickstoff mit Methanol. Die Schutzatmosphäre wird in dem kontinuierlichen Ofen in einer Übergangszone eingeführt, welche zwischen der Hochheizzone und der Kühlzone des Ofens angeordnet ist. Endotherm erzeugte Atmosphären, welche Stickstoff (~40 Vol.-%), Wasserstoff (~40 Vol.-%), Kohlenmonoxid (~20 Vol.-%) und niedrige Gehalte von Verunreinigungen enthalten, wie Kohlendioxid, Sauerstoff, Methan und Feuchtigkeit, werden hergestellt durch das katalytische Verbrennen gesteuerter Mengen eines Kohlenwasserstoffgases wie Erdgas in Luft in endothermen Generatoren. Atmosphären, welche durch die Dissoziierung von Ammoniak hergestellt wurden, enthalten Wasserstoff (~75 Vol.-%), Stickstoff (~25 Vol.-%) und Verunreinigungen in Form von undissoziertem Ammoniak, Sauerstoff und Feuchtigkeit.
Es ist eine übliche Praxis in der Industrie, das Schmiermittel aus den grünen Presskörpern, die der Sintertemperatur ausgesetzt werden, in der Hochheizzone eines Chargen- oder kontinuierlichen Ofen zu entfernen. Nicht ausreichende Entfernung von Schmiermittel aus Pulvermetallpresskörpern vor dem Sintern ist dafür bekannt, zu einer geringen Metallbindung zu führen, und liefert Komponenten mit niedriger Festigkeit. Es kann zudem die Porosität erhöhen, Abplatzungen verursachen und verminderte Kohlenstoff- und Dimensionssteuerung der gesinterten Komponenten verursachen. Zudem führt unvollständige Entfernung von Schmiermitteln zum internen und externen Verrußen der Komponenten und Ablagerungen in der Vorheiz- und Hochheizzone des Ofens, welches wiederum das Leben der Ofenkomponenten wie das des Förderbandes und der Muffel verringert.
Üblicherweise wird Schmiermittel durch

(1) Aufheizen von Pulvermetall-Grünpresskörpern auf eine Temperatur im Bereich von 400°F (200°C) bis 1.450°F (790°C),
(2) Schmelzen und Verdampfen des Schmiermittels,
(3) Diffundieren des Schmiermitteldampfes aus dem Inneren zur Oberfläche des Presskörpers und
(4) das Mitreißen der Dämpfe von der Oberfläche oder das Zersetzen derselben in kleinere und flüchtigere Komponenten (oder Kohlenwasserstoffe), sobald sie aus der Oberfläche des Presskörpers diffundieren, entfernt. Schmiermittel können von den Festkörpern vor dem Sintern in einem externen Schmiermittelentfernofen oder (Ent-)Schmiermittelofen oder in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens entfernt werden einfach durch das Mitreißen der Dämpfe von den Presskörpern mit einer Schutzatmosphäre. Es wird angenommen, dass ein effektives Mitreißen der Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche des Presskörpers mit einer Schutzatmosphäre den Partialdruck des Dampfes dicht an der Oberfläche des Presskörpers reduziert, wodurch
(a) die Diffusionsrate von Dämpfen aus dem Inneren zur Oberfläche des Presskörpers erhöht wird und
(b) die Effizienz der Schmiermittelentfernung verbessert wird.

Ein effektives Mitreißen von Dämpfen von der Oberfläche von Presskörpern benötigt sehr hohe Strömungsraten der Schutzatmosphäre, was die Verwendung von hoch schützenden Atmosphärenströmungsraten ökonomisch unattraktiv macht. Zudem ist die Verwendung eines separaten Entschmiermittelofens nicht erwünscht, da er teuer ist und zusätzlichen Aufstellraum benötigt, welcher allgemein in existierenden Fabriken nicht zur Verfügung steht.
Schmiermittel kann alternativ dadurch entfernt werden, dass Schmiermitteldämpfe in kleinere und flüchtigere Komponenten zerlegt werden, sobald sie aus der Oberfläche des Presskörpers ausdiffundieren. Die Zersetzung von Dämpfen in flüchtigere Komponenten oder Produkte, sobald sie aus der Oberfläche ausdiffundieren (ausdampfen), senkt den Partialdruck der Schmiermitteldämpfe dicht an der Oberfläche der Presskörper ab, wodurch der Schmiermittelentfernungsprozess beschleunigt wird. Dies kann ebenfalls in einem separaten Entschmiermittelofen oder in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens durchgeführt werden. Zum Beispiel wurde Schmiermittel von Festkörpern entfernt in einen separaten Entschmiermittelofen durch die Behandlung von Schmiermitteldämpfen mit Hochtemperaturverbrennungsnebenprodukten wie Kohlendioxid und Feuchtigkeit.
Diese separaten Entschmiermittelöfen werden zurzeit vertrieben durch Rever Company of Huntington Valley P. A., durch C. I. Hayes von Cransdon R. I. als „Rapid Burn Oft System" (RBO) durch Sinterite Furneys Division of St. Man's, P. A. als beschleunigtes Entschmiermittelsystem (ADS) und durch Abbot Furneys Company of St. Man's P. A. als „Quick Delubricating System (QDS). Separate Ent-Schmiermittelöfen sind jedoch teuer und benötigen zusätzlichen Aufstellplatz, welcher im Allgemeinen nicht zur Verfügung steht in bestehenden Firmen. Zudem sind sie sehr teuer in der Unterhaltung und im Betrieb.
Die Schmiermittelentfernungsrate von der Oberfläche des Presskörpers unter normalen Betriebsbedingungen kann erhöht werden durch die Verwendung einer hohen Konzentration von Wasserstoff im Schutzgas. Es wird angenommen, dass die Verwendung einer hohen Wasserstoffkonzentration in der Schutzatmosphäre die gesamte Diffusivität des Schmiermitteldampfes in die Atmosphäre erhöht. Es wird zudem angenommen, dass Wasserstoff einen Teil des unerwünschten Rußes in die Gasphase überführt, wenn er sich auf der Oberfläche des Presskörpers bildet. Es wird jedoch eine außerordentlich hohe Konzentration von Wasserstoff (25 Vol.-% oder mehr) benötigt, um einen merklichen Wechsel in der Diftusivität von Schmiermitteldämpfen in die Schutzatmosphäre herbeizuführen. Zudem wird wegen der niedrigen Temperaturen (weniger als 1.500°F; 820°C) in der Vorheizzone des Ofens eine extrem hohe Konzentration von Wasserstoff (50 Vol.-% oder mehr) benötigt, um einen merklichen Wechsel beim Übergang in die Gasphase des Rußes herbeizuführen, welcher auf der Oberfläche des Presskörpers gebildet wird. Da Wasserstoff teuer ist, ist es nicht ökonomisch attraktiv, so hohe Konzentrationen von Wasserstoff in der Schutzatmosphäre zu verwenden.
Eine weitere Methode, die Entfernungsrate von Schmiermitteldämpfen von der Oberfläche von Festkörpern zu erhöhen, ist die Zersetzung von Schmiermitteldämpfen in kleinere und flüchtigere Bestandteile (oder Kohlenwasserstoffe), sobald sie aus der Oberfläche des Presskörpers diffundieren. Dies kann in der Theorie geschehen durch das Reagierenlassen und Zersetzen der Schmiermitteldämpfe mit einem Oxidationsmittel, wie Feuchtigkeit, Kohlendioxid, Luft oder Mischungen hieraus. Diese Oxidationsmittel helfen zudem dabei, unerwünschten Ruß (so er gebildet wird), von der Oberfläche der Presskörper in die Gasphase zu überführen. Dies sind die wesentlichen Gründe dafür, dass eine Anzahl von Forschern versucht haben, diese für das Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetall-Grünpresskörpern in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens zu verwenden, aber mit begrenztem Erfolg.
Es ist üblich, die Schmiermittelentfernung durch den Zusatz von Oxidationsmitteln zum Hauptschutzatmosphärenstrom zu verbessern. Unglücklicherweise sind diese Oxidationsmittel jedoch oxidierend bezüglich Stahlkomponenten sowohl in der Hochheiz- als auch in der Kühlzone eines kontinuierlichen Ofens. Hieraus folgend ist es nicht wünschenswert, sie dem Schutzatmosphärenhauptstrom zuzugeben. Sie können alternativ direkt in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens zugegeben werden, um die Oxidation der gesinterten Komponenten in der Hochheizzone und Kühlzone eines Sinterofens zu vermeiden. Zum Beispiel können sie direkt in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens mit einem Trägergas wie Stickstoff oder einer Schutzatmosphäre gemischt eingebracht werden. Tatsächlich wurden vielerlei Ansätze von Forschern gemacht, um ein Oxidationsmittel mit einem Trägergas in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens zum Schmiermittel-Entfernen von grünen Presskörpern einzuführen, aber mit begrenztem Erfolg.
Es besteht daher ein Bedarf für die Entwicklung eines effektiven und ökonomischen Verfahrens zum Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern in der Vorheizzone (oder vor dem Sintern derselben in der Hochheizzone) eines kontinuierlichen Ofens.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren und eine Vorrichtung zum Einführen eines Oxidationsmittels, welches mit einem Trägergas gemischt ist, in die Vorheizzone zum effektiven Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern vor dem Sintern derselben bei hohen Temperaturen. Insbesondere sieht das Verfahren nach der Erfindung vor, einen gesteuerten Anteil eines gasförmigen Oxidationsmittels wie Feuchtigkeit, Kohlendioxid, Luft oder Mischungen hieraus mit einem Trägergas zu mischen und die Mischung in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens einzubringen, üblicherweise als eine Anzahl von Strahlen durch eine Vorrichtung oder Vorrichtungen zur Herbeiführung von Wechselwirkungen zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen. Wechselwirkungen zwischen Schmiermitteldämpfen und einem Oxidationsmittel haben überraschenderweise ergeben, dass

(1) das Entfernen von Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern vor dem Sintern derselben bei hohen Temperaturen durch das Zersetzen der Schmiermitteldämpfe in kleinere und flüchtigere Kohlenwasserstoffe beschleunigt wird,
(2) gesinterte Komponenten mit nahezu Ruß- und Rückstands-freien Oberflächen und mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften produziert
(3) das Leben der Ofenkomponenten umfassend die Muffel und das Band verlängert und
(4) Ausfallzeiten, Aufrechterhaltungs- und Betriebskosten reduziert werden. Die Menge des Oxidationsmittels, welche mit dem Trägergas gemischt wird, wird gesteuert in der Weise, dass es hoch genug ist, um effektiv bei der Entfernung des Großteils des Schmiermittels von dem Presskörper zu sein, aber nicht so hoch ist, dass es die Presskörper oxidiert. Zudem wird die Strömungsrate einer Oxidationsmittel- und Trägergasmischung, welche als Serie von Strahlen durch die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eingeführt wird, so ausgewählt, dass der Impuls dieser Strahlen hoch genug ist, die Strömungswege der Hauptschutzatmosphäre in der Vorheizzone des Ofens zu durchdringen und Wechselwirkungen zwischen dem Oxidationsmittel und Schmiermitteldämpfen zu ermöglichen.

Nach einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum Entfernen von Schmiermitteln aus Pulvermetallpresskörpern, die ein Schmiermittel enthalten, das dazu verwendet wird, die Pulvermetallpresskörper zu bilden, umfassend das Vorheizen der Pulvermetallpresskörper auf eine Temperatur von zumindest 400°F (200°C), aber nicht mehr als 1.500°F (820°C) unter einer Schutzatmosphäre, das Einführen einer Schmiermittel-entfernenden Atmosphäre aus einem Trägergas, welches mit einem Oxidationsmittel gemischt ist, welches aus Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid und Mischungen von zwei oder mehreren hieraus ausgewählt ist während der Vorheizung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittel-entfernende Atmosphäre eingebracht wird, wenn die Presskörper eine Temperatur zwischen 400°F (200°C) und 1.500°F (820°C) erreicht haben und die Oberfläche der Presskörper durch Durchdringung der Schutzatmosphäre kontaktiert wird, um eine Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und Schmiermitteldämpfen an den Oberflächen herbeiführen, ohne die Oberflächen zu oxidieren.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern, welche durch Aufheizen in einem kontinuierlichen Sinterofen behandelt werden, der eine Vorheizzone und eine Hochtemperatursinterzone besitzt, durch welche die Presskörper sequentiell bewegt werden, wobei die Vorheiz- und Sinterzonen unter einer Schutzatmosphäre gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, bestehend aus einem Trägergas mit einem Oxidationsmittel, welches ausgewählt ist aus Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid oder Mischungen von zwei oder mehreren hiervon, eingeführt wird in die Vorheizzone an einem Punkt in der Zone, an dem die Pulvermetallpresskörper eine Temperatur von zwischen 400°F (200°C) und 1.500°F (820°C) besitzen, wobei die Schmiermittelentternungsatmosphäre eingeführt wird als ein Atmosphärenstrom quer zur Bewegung der Pulverpresskörper durch den Ofen und mit einer Strömungsrate, welche ausreichend ist, eine Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und dem Schmiermitteldampf herzustellen, wobei das Oxidationsmittel in einer Menge vorhanden ist, welche die Schmiermittelentfernung von den Pulverpresskörpern beschleunigt, ohne die Pulverpresskörper zu oxidieren.
Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Einführen einer Schmiermittel-entfernenden Atmosphäre in einen Ofen umfassend in Kombination eine Leitung, welche ausgebildet ist, sich über die Breite des Ofens zu erstrecken, an einem Ort, an dem die Artikel, von denen das Schmiermittel entfernt werden soll, eine Temperatur zwischen 400°F (200°C) und 1.500°F (820°C) haben, wobei die Leitung eine Mehrzahl von Öffnungen hat, um eine Atmosphäre in einem turbulenten Strom aus der Leitung zu dem Artikel zu führen, wobei die Leitung ein Diffusor-Design-Kriterium von wenigstens 1,4, vorzugsweise 1,5 oder höher hat, wobei die Diffusor-Design-Kriterien (DDC für Diffusor-Design-Kriterien) entsprechend der Gleichung bestimmt werden:
wobei D der Durchmesser der Leitung oder der äquivalente Durchmesser der Leitung ist, wenn er nicht rund im Querschnitt ist,
d der Durchmesser der Öffnungen ist und
N die Gesamtzahl der Öffnungen ist.
Es wird angenommen, dass das Entfernen von Schmiermitteln von grünen Presskörpern in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens von einer Anzahl von Faktoren abhängt, umfassend die Aufheizrate des grünen Presskörpers, die Betriebstemperatur der Vorheizzone, die Strömungsrate der Hauptschutzatmosphäre, die verwendet wird, und die Höhe des Ofens. Es wird angenommen, dass das Schmiermittel anfängt zu verdampfen und Schmiermitteldämpfe anfangen, aus den grünen Presskörpern zu diffundieren, wenn die Presskörper in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens aufgeheizt werden. Die Diffusionsrate der Schmiermitteldämpfe aus den grünen Presskörpern erhöht sich mit einer Erhöhung der Temperatur bis zu einer bestimmten Temperatur, über der die Schmiermitteldämpfe in dem Hauptkörper des Presskörpers pyrolisieren oder karbonisieren, wodurch unerwünschte Nebenprodukte oder Rückstände wie

(a) Metall, Metalloxid und Kohlenstoff, wenn Metallstearat als Schmiermittel verwendet wird oder
(b) Kohlenstoff, wenn Ethylenbistearamide oder Polyethylenwachs, als Schmiermittel verwendet wird, in den Hauptkörper des Presskörpers eingebaut werden. Die Bildung von Ruß und Rückständen innerhalb des Hauptkörpers des Presskörpers ist nicht erwünscht, weil sie die mechanischen Eigenschaften der gesinterten Komponenten reduzieren oder negativ beeinflussen können. Es ist deshalb erwünscht, einen Großteil der Schmiermitteldämpfe aus den Presskörpern zu diffundieren, bevor diese die Temperaturen erreichen, bei denen Schmiermitteldämpfe innerhalb des Hauptkörpers des Presskörpers pyrolisieren. Es ist zudem gewünscht, die maximale Betriebstemperatur der Vorheizzone und die Aufheizrate der Presskörper sorgfältig zu steuern, um das Pyrolisieren der Schmiermitteldämpfe innerhalb des Hauptkörpers des Presskörpers zu vermeiden.

Es wird angenommen, dass die Diffusion von Schmiermitteldämpfen aus grünen Presskörpern davon abhängt, wie schnell die Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche des Presskörpers entfernt werden. Wenn Schmiermitteldämpfe nicht schnell von der Oberfläche der Presskörper entfernt werden, bilden sie eine Barriere auf der Oberfläche. Sie reduzieren die gesamte Diffusionsrate der Schmiermitteldämpfe von den Presskörpern und führen zu einer unvollständigen Entfernung des Schmiermittels aus dem Presskörper. Zusätzlich beginnen die Schmiermitteldämpfe zu pyrolisieren oder karbonisieren auf der Oberfläche des Presskörpers und bilden ungewünschte Nebenprodukte wie Ruß und Rückstände auf der Oberfläche. Die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche ist nicht gewünscht, da sie nachfolgende Reinigungsschritte verursachen, wodurch die Gesamt-Herstellkosten erhöht werden. Es wird angenommen, dass die Diffusionsrate von Schmiermitteldämpfen von grünen Presskörpern durch das Entfernen von Schmiermitteldämpfen von der Oberfläche beschleunigt werden kann, sobald sie aus der Oberfläche diffundieren. Dies kann bewerkstelligt werden, wie dies oben bereits ausgeführt wurde, durch die Verwendung von sehr hohen Strömungsraten einer Schutzatmosphäre. Hohe Schutzatmosphärenströmungsraten werden jedoch selten benutzt, da diese Technik ökonomisch unattraktiv ist.
Es wird angenommen, dass die Strömungsrate einer Schutzatmosphäre, welche in der Pulvermetallindustrie üblicher verwendet wird, es den Schmiermitteldämpfen nicht erlaubt, schnell genug von der Oberfläche der Presskörper entfernt zu werden, wenn die Dämpfe aus der Oberfläche der Presskörper diffundieren. Dementsprechend bilden die Schmiermitteldämpfe eine Diffusionsbarriere auf der Oberfläche und behindern eine effektive Entfernung des Schmiermittels von dem Festkörper. Zudem beginnen die Schmiermitteldämpfe auf der Oberfläche der Presskörper zu pyrolisieren oder zu karbonisieren und bilden Ruß und Rückstände auf der Oberfläche der Presskörper. Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung entfernt Schmiermittel von Presskörpern effektiv durch das beschleunigte Entfernen der Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche, sobald sie aus der Oberfläche des Presskörpers diffundieren, wie dies nachfolgend vollständig offenbart und erklärt wird.
Es wurde festgestellt, dass der herkömmliche Weg des Einführens eines Oxidationsmittels, welches mit einem Trägergas gemischt ist, in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens unter Verwendung einer offenen Röhre oder Leitung, welche in die Vorheizzone des Ofens gerichtet ist, nicht effektiv ist beim Entfernen der Schmiermittel von grünen Presskörpern wegen der ineffizienten Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen. Der Hauptschutzatmosphärenstrom in der Hochheiz- und Vorheizzone des Ofens folgt einem Stromlinienströmungsmuster. Entsprechend wird ein Oxidationsmittel, welches in die Vorheizzone eines kontinuierlichen Ofens unter Verwendung einer herkömmlichen Technik eingeführt wird, weggerissen durch die Stromlinien des Hauptschutzatmosphärenstromes. Dies bedeutet, dass ein Oxidationsmittel, welches in die Vorheizzone des Ofens eingeführt wird, nur sehr wenige Möglichkeiten hat, mit den Schmiermitteldämpfen in Wechselwirkung zu treten, um sie in kleinere und flüchtigere Bestandteile (oder Kohlenwasserstoffe) zu zerlegen, was den Schmiermitteldämpfen erlaubt, auf der Oberfläche der Presskörper zu pyrolisieren oder karbonisieren, Ruß oder Rückstände auf der Oberfläche zu bilden und eine effektive Entfernung von Schmiermitteln aus den Presskörpern zu behindern.
Überraschenderweise wurde zudem festgestellt, dass die Entfernung von Schmiermitteln aus grünen Festkörpern sehr beschleunigt werden kann durch das Mischen einer sorgfältig gesteuerten Menge eines Oxidationsmittels in ein Trägergas und das Einführen der Mischung in die Vorheizzone des Ofens in einer derartigen Weise, dass eine Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und Schmiermitteldämpfen stattfindet. Eine spezielle Vorrichtung wurde konstruiert, um das Einführen dieses Oxidationsmittels in den Ofen zu beeinflussen. Insbesondere wird die Mischung des Oxidationsmittels und des Trägergases in die Vorheizzone des Ofens als eine Anzahl von Strahlen durch die Vorrichtung zur Sicherstellung der Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen eingeführt. Es wurde überraschend gefunden, dass die Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen

(1) das Entfernen von Schmiermittel aus Pulvermetallpresskörpern vor dem Sintern derselben bei hohen Temperaturen durch das Zersetzen der Schmiermitteldämpfe in kleinere und flüchtigere Kohlenwasserstoffe beschleunigt,
(2) gesinterte Komponenten produziert, welche nahezu Ruß- und rückstands-freie Oberflächen mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften besitzen
(3) das Leben der Ofenkomponenten umfassend Muffel und Förder-Band verlängert und
(4) die Ausfallzeiten-, Aufrechterhaltungs- und Betriebskosten reduziert. Die Menge eines Oxiationsmittels, welches mit dem Trägergas gemischt wird, wird in derartiger Weise gesteuert, dass sie hoch genug ist, um effektiv bei der Entfernung des Schmiermittels von den Presskörpern zu sein, aber nicht so hoch ist, dass die Oberflächen der Presskörper oxidiert werden. Zudem ist die Strömungsrate der Mischung aus dem Oxidationsmittel und dem Trägergas, welches in die Vorheizzone als Serie von Strahlen durch eine Vorrichtung eingeführt wird, so ausgesucht, dass der Impuls dieser Strahlen so hoch ist, dass die Strömungslinien des Hauptschutzatmosphärenstromes im Ofen durchdrungen werden und ein Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen zur Verfügung stellen.

Das Nachfolgende ist eine beispielhafte Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen von derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren ist:
1 eine schematische Darstellung eines kontinuierlichen Ofens zum Sintern von Pulvermetallteilen;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung;
3 eine Temperaturkurve der Presskörper über der Entfernung von Eingangsende des Ofens zur Lokalisation der Vorrichtung nach 2;
4 ein Strömungsverteilungsdiagramm innerhalb des Ofens in der Nähe der Vorrichtung nach 2, zeigend eine Bedingung mit niedriger Strömungsrate; und
5 ein Strömungsverteilungsdiagramm innerhalb des Ofens in der Nähe der Vorrichtung nach 2, zeigend eine Bedingung mit hoher Strömungsrate.
Nach der vorliegenden Erfindung ist ein kontinuierlicher Ofen 10, wie er in 1 gezeigt ist, ausgestattet mit einer Vorheizzone 12, einer Hochheizzone 14 und einer Kühlzone 16 am geeignetsten für das Entfernen von Schmiermitteln und Sintern von Pulvermetallfestkörpern. Der kontinuierliche Ofen 10 ist vorzugsweise mit einem Zuführungsvorraum 26 am Eingangsende 24 ausgestattet. Der Entnahmevorraum (nicht gezeigt) stromabwärts der Kühlzone 16 ist vorzugsweise mit Vorhängen zum Verhindern des Eintritts von Luft ausgestattet. Die Hauptschutzatmosphäre wird in den Ofen durch eine Einlassöffnung oder multiple Einlassöffnungen (gezeigt durch den Pfeil) 19, angeordnet in der Übergangszone 20, welche sich zwischen der Hochheizzone 14 und der Kühlzone 16 des Ofens 10 befindet ist, eingeführt. Sie kann alternativ eingeführt werden durch eine Öffnung, welche in der Heizzone oder der Kühlzone angeordnet ist, oder durch multiple Öffnungen, welche in der Heiz- oder Kühlzone angeordnet sind.
Die Schutzatmosphäre zum Sintern kann durch endothermische Generatoren, Stickstoff, welcher mit endothermisch gebildeten Atmosphären gemischt ist, dissoziiertem Ammoniak, Stickstoff gemischt mit Atmosphären, hergestellt durch das Dissoziieren von Ammoniak, oder durch das einfache Mischen von reinem Stickstoff mit Wasserstoff, das Mischen von Stickstoff mit Wasserstoff und einem Anreicherungsgas wie Erdgas oder Propan oder Mischen von Stickstoff mit Methanol, hergestellt werden.
Eine Mischung eines Oxidationsmittels und eines Trägergases nach der vorliegenden Erfindung wird in die Vorheizzone 12 des Ofens eingeführt, wobei die Vorheizzone in der Lage ist, bei einer maximalen Temperatur von 1.600°F (870°C), weiter bevorzugt bei 1.500°F (820°C) betrieben zu werden. Die Mischung wird in die Vorheizzone 12 an einem Ort oder Orten, welche gezeigt werden durch den Pfeil 22, eingeführt, an dem die Temperaturen der behandelten Teile (Presskörper) zwischen 400°F (200°C) und 1.500°F (820°C), vorzugsweise bei 600°F (310°C) bis 1.450° F (790°C), weiter bevorzugt von 1.000°F (530°C) bis 1.450°F (790°C) gehalten werden. Die Mischung wird eingeführt durch einen Diffusor oder viele Diffusoren in die Vorheizzone, welche nachfolgend beschrieben werden. Das Trägergas kann aus Stickstoff oder einer Schutzatmosphäre ausgewählt werden. Die Schutzatmosphäre kann aus endothermisch generierten Atmosphären, Stickstoff gemischt mit endothermisch erzeugten Atmosphären, Atmosphären ausgebildet durch das Dissoziieren von Ammoniak, Stickstoff gemischt mit Atmosphären, welche durch das Dissoziieren von Ammoniak gebildet werden oder durch das einfache Mischen von reinem Stickstoff mit Wasserstoff, das Mischen von Stickstoff mit Wasserstoff und einem Anreicherungsgas wie Erdgas oder Propan oder das Mischen von Stickstoff mit Methanol ausgewählt werden.
Der Diffusor, wie er als 30 in 2 gezeigt ist, ist so konstruiert, dass er eine Anzahl von Löchern hat, die vorzugsweise gleich voneinander beabstandet sind und den gleichen Durchmesser haben, gezeigt durch die Pfeile 32. Er ist so konstruiert, dass er die vollständige Breite des Ofens oder zumindest die vollständige Breite des Förderbandes, welches in dem Ofen 10 verwendet wird, überspannt. Die Diffusorvorrichtung 30 kann aus einer Stahlröhre mit einem runden, eckigen oder rechteckigen, dreieckigen oder ovalen Querschnitt ausgebildet sein. Der Diffusor ist so ausgebildet, dass er eine Gleichverteilung des Stromes der Mischung aus dem Oxidationsmittel und dem Trägergas durch jedes Loch und über die Breite des Förderbandes liefert. Die Mischung aus Oxidationsmittel und Trägergas wird als eine Anzahl von Strahlen durch diese Löcher ausgegebeben. Der Diffusor oder die Vorrichtung 30 kann in die Vorheizzone 12 des Ofens 10 durch die Seitenwände eingesetzt sein. Sie ist dicht an der Ofendecke angeordnet. Die Löcher 32 im Diffusor 30 können gerade nach unten auf das Förderband 34 aus rostfreien Stahlmaschen gerichtet sein. Vorzugsweise sind sie nach unten gerichtet mit einem schmalen voreingestellten Winkel, beispielsweise zwischen 10° und 15° von der vertikalen Achse (senkrecht zur Achse der Röhre). Der voreingestellte Winkel ist vorzugsweise so orientiert, dass die Löcher oder Öffnungen gegenüber dem Eingangsende 24 des Ofens 10 angeordnet sind. Die Oxidationsmittel und Trägergasmischung kann in ein Ende 36 des Diffusors 30 eingeführt werden, wobei das andere Ende 38 des Diffusors gedeckelt oder verstopft ist. Der Diffusor ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl ausgebildet.
Es ist wichtig, den Diffusor 30 sorgfältig zu konstruieren und nahezu eine Gleichverteilung des Stromes durch jedes Loch 32 vorzusehen. Es ist wichtig, dass der Wert des Diffusor-Design-Kriteriums (DDC), welches beim Konstruieren des Diffusors verwendet wird, größer als 1,4, vorzugsweise größer als 1,5 ist, um eine nahezu Gleichverteilung des Stromes durch die Löcher zu erreichen. Der Wert von DDC kann berechnet werden durch die Verwendung der folgenden Gleichung:
wobei D der Durchmesser der Röhre ist oder der äquivalente Durchmesser der Zuführröhre ist, wenn diese keinen runden Querschnitt besitzt,
d der Durchmesser eines Loches ist und
N die Gesamtzahl der Löcher ist.
Es ist gewünscht, die Entfernung zwischen den Löcher so auszuwählen, dass die Schmiermittel-entfernende Atmosphäre, welche als Anzahl von Strahlen eingeführt wird, einen Schmiermittel-entfernenden Atmosphärenvorhang bildet, welcher die gesamte Breite des Ofens oder die gesamte Breite des Förderbandes abdeckt. Es ist bevorzugt, die Entfernung zwischen den Löchern so auszuwählen, dass dicht an den Festkörpern, welche im Ofen behandelt werden, eine Überlappung der Strahlen stattfindet.
Die Strömungsrate der Oxidationsmittel- und Trägergasmischung (Schmiermittelentfernungsatmosphäre) durch ein Loch hängt ab von dem Impuls des Strahls, das nicht nur für die Durchdringung der Stromlinien des Hauptschutzatmosphärenstromes sondern auch zum Bereitstellen einer effektiven Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermitteldämpfen abhängt. Die Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche in die Vorheizzone des Ofens als ein Strahl durch ein Loch in dem Diffusor eingebracht wird, sollte im turbulenten Strömungsbereich liegen. Insbesondere sollte die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche als Strahl durch ein Loch eingeführt wird, über 2.000, vorzugsweise über 3.000 und weiter bevorzugt über 3.500 liegen.
Die Reynolds-Zahl ist wie folgt definiert:
wobei d der Durchmesser des Lochs ist,
U die lineare Geschwindigkeit des Schmiermittelentfernungs-Atmosphärenstroms durch ein Loch ist,
ρ die Dichte der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, und
μ die Viskosität der Schmiermittelentfernungsatmosphäre ist.
Die Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre durch ein Loch hängt auch von der Stärke der Stromlinien des Hauptschutzatmosphärenstroms ab. Die Strömungsrate durch ein Loch, die benötigt wird, die Stromlinien des Hauptschutzatmosphärenstromes zu durchdringen und eine Wechselwirkung mit den Schmiermitteldämpfen zu leisten, muss gesteigert werden mit einer Steigerung der Hauptschutzatmosphärenströmungsrate. Sie kann berechnet werden, wenn die Stärke des Hauptschutzatmosphärenstromes durch die Vorheizzone des Ofens bekannt ist. Zum Beispiel kann es berechnet werden aus dem Momentverhältnis R, welches das Verhältnis des Schmiermittelentfernungsatmosphärenstrahlimpulses zum Impuls des Hauptschutzatmosphärenstroms ist. Um die Strömungslinien des Hauptschutzatmosphärenstromes zu durchdringen und eine Wechselwirkung mit den Schmiermitteldämpfen zu leisten, sollte der Wert des Impulsverhältnisses über 50, vorzugsweise über 100 und weiter bevorzugt über 125 liegen. Das Impulsverhältnis R ist in der folgenden Gleichung definiert:
wobei
ρ die Dichte der Schmiermittelentfernungsatmosphäre ist,
ρa die Dichte der Hauptschutzatmosphäre ist,
U die lineare Geschwindigkeit des Schmiermittelentfernungs-Atmosphärenstroms durch ein Loch ist, und
V die lineare Geschwindigkeit des Hauptschutzatmosphärenstromes ist.
Es ist wichtig festzustellen, dass die Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungsrate durch ein Loch, welche benötigt wird, die Stromlinien des Hauptschutzatmosphärenstromes zu durchdringen und eine Wechselwirkung mit den Schmiermitteldämpfen zu leisten, mit einer Steigerung der Höhe des Ofens gesteigert werden muss. Die gesamte Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, die benötigt wird, kann berechnet werden durch das Multiplizieren der Strömungsrate durch ein Loch, durch die Gesamtanzahl der Löcher im Diffusor. Es ist wichtig anzumerken, dass die Strömungsrate durch ein Loch in dem Diffusor sowohl der Reynolds-Zahl und den Impulsverhältnisanforderungen genügen sollte.
Die Menge eines Oxidationsmittels, welches zum Trägergas hinzugesetzt wird, hängt von der gesamten Strömungsrate der Oxidationsmittel- und Trägergasmischung, welche verwendet wird, ab. Die Menge wird ausgewählt in derartiger Weise, dass sie hoch genug ist, die Schmiermittelentfernung zu beschleunigen, aber nicht so hoch ist, dass die Oberfläche des Presskörpers oxidiert wird. Die richtige Menge eines Oxidationsmittels kann ermittelt werden und ausgewählt werden durch das Durchführen einiger Schmiermittelentfernungsversuche. Das Oxidationsmittel, welches verwendet wird, um die Schmiermittelentfernung zu beschleunigen, kann aus Feuchtigkeit, Kohlendioxid, Luft oder Mischungen hieraus ausgesucht werden. Die Menge des Oxidationsmittels, welches zum Trägergas zugesetzt wird, hängt von der gesamten Strömungsrate der Oxidationsmittel und Trägergasstrommischung, die verwendet wird, ab. Insbesondere wird eine geringe Menge von Oxidationsmittel benötigt mit einer hohen Gesamtströmungsrate und eine große Menge von Oxidationsmittel benötigt mit einer niedrigen Gesamtströmungsrate.
Wenn Feuchtigkeit als Oxidationsmittel benutzt wird, kann sie durch das Befeuchten des Trägergases hinzugesetzt werden. Sie kann zudem durch das Reagieren des Trägergases, enthaltend einen vorbestimmten Gehalt von Sauerstoff mit Wasserstoff in Anwesenheit eines Edelmetallkatalysators zugesetzt werden. Die Menge oder Konzentration der Feuchtigkeit im Gesamtstrom (Feuchtigkeit zuzüglich Trägergas) ist zumindest 0,25 Vol.-%, aber höchstens 3 Vol.-%, vorzugsweise größer als 0,4 Vol.-%, weiter bevorzugt größer als 0,6 Vol.-% und am meisten bevorzugt größer als 1,0 Vol.-%.
Die Menge oder Konzentration von Kohlendioxid in dem Gesamtstrom (Kohlendioxid zuzüglich Trägergas) ist üblicherweise zumindest 2 Vol.-%, aber höchstens 30 Vol.-%, vorzugsweise größer als 5 Vol.-%, weiter bevorzugt größer als 10 Vol.-% und am meisten bevorzugt größer als 15 Vol.-%.
Die Menge oder Konzentration von Luft im Gesamtstrom (Luft zuzüglich Trägergas) ist üblicherweise zumindest 0,5 Vol.-%, aber nicht mehr als 5 Vol.-%, vorzugsweise größer als 1 Vol.-%, weiter bevorzugt größer als 2 Vol.-% und am meisten bevorzugt größer als 3 Vol.-%.
Metallpulver können behandelt oder einer Schmiermittelentfernung unterworfen werden nach der vorliegenden Erfindung, umfassend Eisen und Mischungen aus Eisen als Hauptkomponente mit Nebenkomponenten ausgewählt aus Cr, Ni, Mo, Co, Cu, Mn, V, W, C, B, Al, Si, P, S und Mischungen hieraus. Zum Beispiel kann das Metallpulver Fe-C sein mit bis zu 1 Gew.-% Kohlenstoff, Fe-Cu-C mit bis zu 20 Gew.-% Kupfer und 1 Gew.-% Kohlenstoff, Fe-Ni mit bis zu 50 Gew.-% Nickel, Fe-Mo-Mn-Cu-Ni-C mit bis zu 1 Gew.-% Mo, Mn und Kohlenstoff jeweils und bis zu 2 Gew.-% Ni und Cu jeweils, und Fe-Cr-Mo-Co-Mn-V-W-C mit variierenden Konzentrationen der Legierungselemente, abhängig von den letzlichen Eigenschaften des gewünschten gesinterten Produkts. Andere Elemente wie B, Al, Si, P und S können optional zugesetzt werden zu den Metallpulvern, um die gewünschten Eigenschaften im abschließend gesinterten Produkt zu haben. Diese Pulver können gemischt werden mit bis zu 2 Gew.-% Schmiermittel, um Komponenten aus ihnen zu pressen.
Eine Anzahl von Experimenten wurde in einem 3-Zonen, 20 Zoll (51 cm) breiten kontinuierlichen Maschenband-Produktionsofen durchgeführt, um Pulvermetall-Bruchdurchbiegungs-(TRS)Testversuchskörper zu ent-schmiermitteln und zu sintern und die vorliegende Erfindung darzustellen. Der Ofen 10, der in allen Beispielen verwendet wird, ist schematisch in 1 gezeigt. Er besteht aus einer 96 Zoll (245 cm) langen Vorheizzone 12, welche bei einer Maximumtemperatur von etwa 1.450°F (790°C) betrieben wurde. Er wurde verwendet, um die Versuchskörper aufzuheizen und das Schmiermittel aus ihnen zu entfernen, bevor sie bei hohen Temperaturen gesintert wurden. Der Vorheizzone 12 folgte eine 144 Zoll (365 cm) lange Hochheizzone 14, welche bei 2.050°F (1.120°C) betrieben wurde, um die Versuchskörper zu sintern. Eine 360 Zoll (915 cm) lange Wasser gekühlte Kühlzone 16, welche teilweise in 1 gezeigt ist, folgte unmittelbar nach der Hochheizzone, um die gesinterten Versuchskörper zu kühlen. Der Ofen hatte ein 18 Zoll (45 cm) breites Edelstahlmaschenband, um die Versuchskörper in und aus dem Ofen zu transportieren. Eine konstante Bandgeschwindigkeit nahe an 4 Zoll pro Minute (10 cm pro Minute) wurde verwendet, um die Versuchskörper im Ofen 10 zu behandeln.
Die Versuchskörper wurden voraufgeheizt und das Schmiermittel entfernt in der Vorheizzone 12 und gesintert in der Hochheizzone 14 des Ofens 10 unter Verwendung einer festen Bandgeschwindigkeit und Temperaturen in der Vorheizzone 12 und Hochheizzone 14 des Ofens 10. Bevorzugt wurde eine feste Zeit und Temperaturzyklus verwendet in der Hochheizzone des Ofens, um die Versuchskörper zu sintern. Die Versuchskörper waren 0,25 Zoll (0,63 cm) hoch, 0,50 Zoll (1,27 cm) breit und 1,25 Zoll (3,18 cm) lang. Sie wurden auf 6,8 g pro Kubikzentimeter Gründichte aus Hoeganaes A1000 atomisiertem Eisenpulver gepresst. Das Pulver wurde vorgemischt mit 0,75 Gew.-% Zinkstearat als Schmiermittel und 0,9 Gew.-% Graphit, um einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,7 und 0,8 Gew.-% in den gesinterten Körpern sicherzustellen. Das Band wurde vollgeladen mit Teilen während der Durchführung der Schmiermittelentfernungs- und Sinterungsexperimente.
Eine Schutzatmosphäre enthaltend eine Mischung aus Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas (Hauptschutzatmosphärenstrom) wurde wie dies durch den Fall 19 gezeigt ist, in den Ofen 10 durch die Übergangszone 20, gezeigt in 1, eingeführt. Die gleiche Hauptschutzatmosphären-Zusammensetzung wurde in allen Beispielen benutzt. Die Gesamtströmungsrate der Schutzatmosphäre, welche für das Sintern verwendet wurde, war 1.256 Standard Cubic Feed per Hour (SCFH) (35,57 Standard Cubic Meters per Hour („SCMH")) oder 1.456 SCFH (41,23 SCMH). Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre bestehend aus einem Stickstoffstrom allein oder gemischt mit Feuchtigkeit, Kohlendioxid oder Luft wurde in der Vorheizzone 12 des Ofens 10 eingeführt, um bei dem Entfernen des Schmiermittels von den PulvermetallVersuchskörpern zu helfen. Die Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde eingeführt in die Vorheizzone 12 des Ofens 10 unter Verwendung sowohl eines nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusors als auch eines ordnungsgemäß konstruierten Diffusors. Diese Atmosphäre wurde in die Vorheizzone 12 des Ofens 10 mit einem Abstand von etwa 9 Fuß (2,75 Meter) von dem Beginn des Zuführvorraums 26 wie in 1 gezeigt eingeführt. Die Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde an einem Punkt eingeführt, wie er durch den Fall 22 gezeigt ist in die Vorheizzone 12, wo die Temperatur der Versuchskörper eine Temperatur von 1.400°F (760°C) erreicht hatte, wie dies ersehen werden kann aus dem Temperaturprofil in dem Ofen, welches in der Kurve von 3 gezeigt ist. Die Gesamtströmungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde zwischen 80 SCFH (2,25 SCMH) und 350 SCFH (9,9 SCMH) variiert.
Die Feuchtigkeit in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde eingeführt durch das Überführen des Stickstoffs durch einen Befeuchter (Bubbler) oder durch das Mischen von Stickstoff mit gesteuerten Mengen von Wasserstoff und Luft und der Herstellung von Feuchtigkeit durch die Reaktion des Luftsauerstoffs und Wasserstoffs in Anwesenheit eines Edelmetallkatalysators. Der Feuchtigkeitsgehalt in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde zwischen 0,4 bis 4,5 Vol.-% variiert. Kohlendioxid oder Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurden eingeführt durch einfach das Mischen von Stickstoff mit Kohlendioxid oder Luft. Die Konzentration von Kohlendioxid in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre wurde zwischen 5 bis 80 Vol.-% variiert. Ebenso wurde die Konzentration von Luft in der Schmiermittelentternungsatmosphäre zwischen 1,25 bis 26,6 Vol.-% variiert.
Der nicht ordnungsgemäß konstruierte Diffusor wurde aus einer Röhre mit 1 Zoll (2,54 cm) Durchmesser hergestellt. Er enthielt 16 1/4 Zoll (0,63 cm) Löcher im Durchmesser, die gleich voneinander beabstandet waren. Diese 16 Löcher bedeckten die gesamte Weite des rostfreien Stahlbandes. Dieser nicht ordnungsgemäß konstruierte Diffusor war bereits im Ofen und wurde auf täglicher Basis benutzt. Eine schnelle Konstruktionsrückschau dieses Diffusors offenbarte, dass er nicht dafür konstruiert war, einen einheitlichen Schmiermittelentfernungsatmosphärenstrom durch alle 16 Löcher zu liefern. Der Wert von DDC für diesen Diffusor wurde mit 1,0 berechnet, was signifikant weniger ist als der Minimalwert von 1,4, welcher als ein akzeptables Diffusor-Design-Kriterium angenommen wird.
Ein ordnungsgemäß konstruierter Diffusor 30 wie er in 2 gezeigt ist, wurde aus einem Halbzoll (1,27 cm) Edelstahlrohr hergestellt. Der Diffusor 30 enthielt 22 1/16 Zoll (0,16 cm) Durchmesser-Löcher 32, welche gleich voneinander beabstandet waren. Die 22 Löcher 32 bedeckten die gesamte Weite des Edelstahlbandes 34. Löcher 32 in dem Diffusor oder der Vorrichtung 30 wurden nach unten gerichtet mit einem 15° voreingestellten Winkel zu einer vertikalen Linie senkrecht zum Band 34 und mit den Löcher gerichtet oder ausgerichtet zur Front oder dem Eingangsende 24 des Ofens 10. Der Wert von DDC für diesen Diffusor wurde mit etwa 1,7 berechnet, welches dem Diffusor-Design-Kriterium genügt.
Die Versuchskörper, aus denen das Schmiermittel entfernt wurde, und die gesintert wurden, wurden auf die Oberflächenbeschaffenheit, das Gewicht, Dimensionsänderungen und die erhältliche Härte der Boden- und Oberseitenflächen untersucht. Einige wenige ausgesuchte Versuchskörper wurden metallographisch untersucht und bezüglich transverser Zugfestigkeit geprüft. Die Effektivität eines Oxidationsmittel zum Entfernen von Schmiermittel wurde bewertet durch eine Kombination aus der Oberflächenbeschaffenheit, der erscheinenden Oberflächenhärte und der Festigkeit der Schmiermittel-entfernten und gesinterten Körper.
Beispiel 1 (Vergleich)
Ein Experiment, bei dem zunächst Schmiermittel entfernt und dann gesintert wurde, wurde in dem kontinuierlichen Ofen, der oben beschrieben wurde, durchgeführt. Dieses Experiment wurde durchgeführt durch die Einführung von 1.546 SCFH (41,23 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone, wie bereits beschrieben. Kein anderes Gas auch umfassend Schmiermittel-entfernende Atmosphäre, wurde in diesem Experiment verwendet. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Parameter, enthaltend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Einer Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche bereits beschrieben wurden, wurden mit einer vollen Ladung von Teilen im Ofen bearbeitet.
Die Versuchskörper, die in diesem Experiment gesintert wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, anzeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmierstoffen von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments bestätigten, dass eine Schmiermittelentfernungs-atmosphäre notwendig ist, um Schmiermittel zu entfernen oder Schmiermitteldämpfe in der Vorheizzone des Ofens mitzureißen und die Bildung von Ruß oder Rückständen zu vermeiden.
Beispiel 2A (Vergleich)
Ein Experiment, bei dem auf die Entfernung des Schmiermittels das Sintern folgte, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurde wiederholt durch das Einführen von 1.456 SCFH (41,23 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in dem Ofen durch die Übergangszone 20. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 80 SCFH (2,25 SCMH) reinen Stickstoffs wurde in die Vorheizzone des Ofens durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 490 und der Wert des Impulsverhältnis etwa 5, sodass beide die Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welche Hauptteil der Beschreibung zuvor spezifiziert wurden, im nicht genügten. Die Konstruktion und Anordnung des nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Der Ofen wurde unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie zuvor beschrieben, betrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie zuvor beschrieben, wurden behandelt mit einer vollen Beladung von Teilen im Ofen.
Die Versuchskörper, die in diesem Experiment gesintert wurden, waren stark bedeckt mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen, was anzeigte, dass Schmiermittel nicht ordnungsgemäß von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens entfernt wurde. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass eine geringe Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend kein Oxidationsmittel, und die Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingefügt wurden, nicht gut genug waren, um Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche der Presskörper zu entfernen oder mitzureissen in der Vorheizzone des Ofens und die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden.
Beispiel 2B (Vergleich)
Ein Experiment mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sintern, beschrieben in Beispiel 2A, wurde wiederholt unter Verwendung gleicher Bedingungen mit Ausnahme der Verwendung von 200 SCFH (5,66 SCMH) Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend reinen Stickstoff. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentternungs-atmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 1.230 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 12, wobei beide die Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welche zuvor spezifiziert wurden, im Hauptbereich des Textes nicht genügten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, enthaltend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche bereits beschrieben wurden, wurden mit einer voller Beladung von Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, die in diesem Experiment gesintert wurden, waren stark bedeckt mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermitteln aus den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass eine hohe Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche kein Oxidationsmittel enthält, und die Einführung der Schmiermittelentfernungsatmosphäre durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor nicht gut genug waren, um Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche der Presskörper in der Vorheizzone des Ofens zu entfernen oder mitzureissen, und die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden.
Beispiel 2C (Vergleich)
Ein Experiment mit Schmiermittelentfernung und anschließender Sinterung, welches in Beispiel 1 beschrieben wurde, wurde wiederholt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen 10 durch die Übergangszone 20. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre enthaltend 100 SCFH (2,83 SCMH) von reinem Stickstoff wurde in die Vorheizzone 12 des Ofens 10 durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingefügt. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie bereits beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentternungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingefügt wurde, war etwa 1.790 und der Wert des Impulsverhältnisses etwa 84. Der Schmiermittelentfernungsatmosphäre-Strömungseinführungsparameter Reynolds-Zahl genügte nicht dem Minimalwert, welcher zuvor in der Beschreibung spezifiziert wurde. Der Ofen wurde unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben betrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche bereits beschrieben wurden, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, die in diesem Experiment gesintert wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von den Probekörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass ein niedriger Strom von einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche kein Oxidationsmittel enthält, nicht gut genug ist, um Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche der Presskörper zu entfernen oder mitzureissen in der Vorheizzone des Ofens und die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden.
Beispiel 2D (Vergleich)
Ein Experiment mit Schmiermittelentfernung und anschließender Sinterung, wie in Beispiel 2C beschrieben, wurde wiederholt unter Verwendung gleicher Bedingungen mit der Ausnahme der Verwendung von 200 SCFH (5,66 SCMH) Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend reinen Stickstoff. Die Reynolds-Zahl der eingeführten Schmiermittelentfernungsatmosphäre durch die Löcher in dem Diffusor betrug etwa 3.580 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 165. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, enthaltend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von zuvor beschriebenen Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesem Experiment gesintert wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermitteln von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass eine höhere Strömungrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend kein Oxidationsmittel, nicht gut genug ist, um Schmiermitteldämpfe von der Oberfläche der Presskörper in der Vorheizzone des Ofens zu entfernen oder mitzureissen und die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche kein Oxidationsmittel enthält, nicht effektiv beim Entfernen von Schmiermitteln ist, selbst wenn sie durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt wird und unter Verwendung der richtigen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter.
Die experimentellen Daten im Beispiel 2A bis Beispiel 2D zeigten klar, dass die Verwendung eines inerten Gases (oder eines Trägergases ohne Oxidationsmittel) als Schmiermittelentfernungsatmosphäre nicht effektiv bei der Entfernung von Schmiermitteln oder dem Mitreissen von Schmiermitteldämpfen von pulvermetallischen Presskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens ist. Die Daten zeigten zudem, dass die Schmiermittelentfernung durch die Einführung eines inerten Gases (oder Trägergases ohne ein Oxidationsmittel) in die Vorheizzone durch einen nicht ordungsgemäß konstruierten Diffusor oder einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor und Verwendung der richtigen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter beeinflusst wurde. Zudem legten die Daten nahe, dass eine sehr hohe Strömungsrate eines Inertgases (oder eines Trägergases ohne ein Oxidationsmittel) benötigt würde, um die Entfernung von Schmiermitteln aus pulvermetallischen Presskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofen zu verbessern.
Beispiel 3A (Vergleich)
Ein Experiment mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sintern wie in Beispiel 2A beschrieben wurde wiederholt durch Einführung von 1.456 SCFH (41,23 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen über die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 80 SCFH (2,25 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Feuchtigkeit, wurde in die Vorheizzone des Ofens durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration der Feuchtigkeit in dem Schmiermittelentfernungsgas war sehr hoch, etwa 4,5 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentternungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 490 und der Wert des Impulsverhältnisses etwa 5, wobei beide die Schmiermittelentfernungsatmosphäre-Strömungseinführungsparameter, die oben spezifiziert wurden, nicht erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, enthaltend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesem Experiment gesintert wurden, waren mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, zeigend die nicht vollständig Entfernung von Schmiermittel aus den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisses dieses Experiments zeigten, dass eine niedrige Strömungsrate einesr Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend hohe Konzentrationen eines Oxidationsmittel und das Einführen der Schmiermittel entfernungsatmosphäre durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor mit nicht korrekten Schmiermittelentfernungsatmosphären-Einführungsparametern nicht gut genug sind, um Schmiermittel von der Oberfläche der Presskörper in der Vorheizzone des Ofens zu entfernen und die Bildung von Ruß und Rückständen auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden.
Beispiel 3B (Vergleich)
Ein Experiment mit Schmiermittelentfernung und nachfolgendem Sintern wie in Beispiel 3A beschrieben, wurde wiederholt unter Verwendung gleicher Bedingungen mit der Ausnahme der Verwendung von 200 SCFH (5,66 SCMH) Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend Stickstoff und 4,5 Vol.-% Feuchtigkeit. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentternungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 1.230 und der Wert des Impulsverhältnisses etwa 12, wobei beide nicht die Schmiermittelentternungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, die oben spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter betrieben, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen in dem Ofen behandelt.
Die gesinterten Versuchskörper in diesem Experiment waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermitteln von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass eine hohe Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend hohe Konzentrationen eines Oxidationsmittel, und das Einführen der Schmiermittelentfernungsatmosphäre durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor mit nicht korrektem Schmiermittelentternungsatmosphären-Einführungsparameter nicht gut genug dafür sind, das Schmiermittel von der Oberfläche der Presskörper in der Vorheizzone des Ofens zu entfernen und die Bildung von Ruß und Rückstand auf der Oberfläche der Presskörper zu vermeiden.
Die experimentellen Daten in Beispiel 3A bis 3B zeigten klar, dass die Einführung einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend Stickstoff und eine hohe Konzentration eines Oxidationsmittel in der Vorheizzone eines Sinterofens durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor nicht effektiv bei der Entfernung von Schmiermitteln von pulvermetallischen Presskörpern ist. Diese Beispiele zeigten auch, dass es außerordentlich wichtig ist, alle Konstruktionsparameter, welche für die Konstruktion eines Diffusors und die Auswahl des Schmiermittelentfernungsatmosphärenstroms zu erfüllen, um effektiv Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern zu entfernen. Schließlich zeigten die Daten, dass eine sehr hohe Strömungsrate einer Schmiermittelentternungsatmosphäre oder sehr hohe Konzentrationen eines Oxidationsmittel benötigt werden würden, um Schmiermittelentfernung zu verbessern, wenn das Schmiermittelentfernungsgas durch einen nicht ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt wird.
Beispiel 4A (Vergleich)
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sintern gleich zu dem beschriebenen Beispiel 2A wurden ausgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 75 SCFH (2,12 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Feuchtigkeit als Oxidationsmittel, wurden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Der Feuchtegehalt in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, die in diesem Experiment verwendet wurde, wurde ausgewählt von 0,4; 1,0; 2,0 und 3,0 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 1.345 und der Wert des Impulsverhältnisses etwa 63. Der Schmiermittelentfernungsatmosphären-Stromeinführungsparameter Reynolds-Zahl genügte nicht dem Minimalwert, der bereits spezifiziert wurde. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, enthaltend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche bereits beschrieben wurden, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen in dem Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche mit 0,4 Vol.-% Feuchtigkeit in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre gesintert wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand bedeckt, anzeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von dem Versuchskörper in der Vorheizzone des Ofens. Die Anwesenheit von Ruß und dunklem Rückstand auf der Oberfläche des gesinterten Versuchskörpers verringerte sich etwas mit ansteigendem Feuchtegehalt in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre: Wichtiger, die Testversuchskörper, welche in der Anwesenheit eines hohen Feuchtigkeitsgehalts (3 Vol.-% Feuchtigkeit) gesintert wurden in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, waren immer noch mit Ruß und dunklem Rückstand bedeckt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass ein bemerkenswert höherer als 3 Vol.-% Feuchtigkeit Wert in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre notwendig sein würde, um signifikant die Entfernung von Feuchtigkeit von Presskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens zu verbessern. Es ist jedoch nicht praktisch, mehr als 3 Vol.-% Feuchtigkeit in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre zu verwenden, da Feuchtigkeit in der Übergangslinie kondensieren würde.
Beispiel 4B (Vergleich)
Eine Anzahl von Versuchen mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sintern ähnlich zu dem beschriebenen Beispiel 4A, wurden durchgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 75 SCFH (2,12 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Kohlendioxid als Oxidationsmittel, wurden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Menge des Kohlendioxids in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche in diesem Experiment benutzt wurde, wurde ausgewählt aus 13,33; 33,33; 53,33; 66,67 und 80 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 1.345 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 63. Der Schmiermittelentfernungsatmosphären-Stromeinführungsparameter Reynolds-Zahl genügte nicht dem Minimumwert, der zuvor spezifiziert wurde. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der Betriebsparameter, umfassend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche mit 13,33 Vol.-% Kohlendioxid gesintert wurden in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von dem Versuchskörper in der Vorheizzone des Ofens. Die Anwesenheit von Ruß und dunklem Rückstand auf der Oberfläche des gesinterten Versuchskörpers nahm etwas mit der Zunahme der Menge von Kohlendioxid in der Schmiermittelentternungsatmosphäre ab. Wichtiger, die Versuchskörper, welche in Anwesenheit von sehr hohen Mengen von Kohlendioxid (80 Vol.-% Kohlendioxid) in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre gesintert wurden, waren immer noch mit Ruß und dunklem Rückstand bedeckt. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass ein merklich höherer Gehalt von Kohlendioxid als 80 Vol.-% in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre notwendig wäre, um die Entfernung von Schmiermittel von Presskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens zu verbessern.
Beispiel 4C (Vergleich)
Eine Zahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung und nachfolgendem Sintern ähnlich zu dem in Beispiel 4A beschrieben durchgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone beschrieben wurden. Eine Schmiermittel-entfernungsatmosphäre enthaltend 75 SCFH (2,12 SCMH) Stickstoff gemischt mit Luft als Oxidationsmittel wurde in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration von Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche in diesem Experiment benutzt wurde, wurde ausgewählt aus 3,33; 6,66; 10,0 und 26,64 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 1.345 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 63. Der Schmiermittelentfernungs-atmosphären-Strömungseinführungsparameter Reynolds-Zahl genügte nicht dem Minimumwert, der bereits festgelegt wurde. Der Ofen wurde unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie zuvor beschrieben, betrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung von Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche mit 3,33 Vol.-% Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre gesintert wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel aus den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Anwesenheit von Ruß und dunklen Rückständen auf der Oberfläche der gesinterten Versuchskörper nahm etwas mit dem Ansteigen des Gehalts von Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre ab. Die Versuchskörper, welche in Anwesenheit einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 10 Vol.-% Luft, gesintert wurden, waren immer noch mit Ruß und dunklem Rückstand bedeckt. Wichtiger ist, dass kein Ruß oder dunkler Rückstand auf der Oberfläche der Körper anwesend war, welcher in Anwesenheit einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre gesintert wurde, die 26,64 Vol.-% Luft enthielt. Die Verwendung von 26,64 Vol.-% Luft in dem Schmiermittelentfernungsgas oxidierte jedoch die Oberfläche der gesinterten Körper. Die Ergebnisse dieses Experiment zeigten, dass außerordentliche Sorgfalt benötigt wird, wenn Luft als Oxidationsmittel in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre verwendet wird, um Schmiermittel in der Vorheizzone eines Sinterofens zu entfernen.
Die Ergebnisse in den Beispielen 4A bis 4C zeigten, dass die Verwendung einer niedrigen Strömungsrate von Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend hohe Konzentration eines Oxidationsmittels, nicht effektiv sind bei der Entfernung von Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens. Dies ist richtig, selbst wenn ein ordnungsgemäß konstruierter Diffusor mit nicht korrekten Schmiermittelentfernungsatmosphären-Einführungsparametern verwendet wird, um die Schmiermittelentfernungsatmosphäre in der Vorheizzone des Ofens einzuführen. Die Daten zeigten zudem, dass eine hohe Konzentration von Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre verwendet werden kann, um Schmiermittel effektiv von Pulvermetallpresskörpern zu entfernen, aber zu dem Preis, dass die Oberfläche der gesinterten Komponenten oxidiert wird.
Die Verteilung von Fluidstrom in der Vorheizzone des Sinterofens wurde simuliert unter Verwendung eines gut bekannten computergestützten Fluid-dynamischen Softwarepakets, um die Gründe für nicht ordnungsgemäße Schmiermittelentternung zu erklären, selbst wenn eine große Konzentration eines Oxidationsmittels in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre verwendet wird. Die Computersimulation zeigte, dass der Hauptfluss der Atmosphäre in der Vorheizzone des Ofens einem Stromlinienmuster folgt. Er zeigte zudem, dass, wenn eine Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre eingeführt wird, als eine Anzahl von Strahlen durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor die Strahlen nicht genug Moment haben, um die Strömungslinienflussmuster des Hauptatmosphärenstromes, wie dies im Strömungsverteilungsdiagramm von 4 gezeigt ist, zu durchdringen. Entsprechend hat die Schmiermittelentternungsatmosphäre, welche ein Oxidationsmittel enthält, keine Chance, mit den Schmiermitteldämpfen, welche aus der Oberfläche des Pulvermetallpresskörpers diffundieren, in Wechselwirkung zu treten und Schmiermitteldämpfe effektiv durch das Zersetzen in kleinere und flüchtigere Bestandteile zu entfernen. Die Schmiermittelentfernungsatmosphäre mischt sich eventuell mit dem Hauptatmosphärenstrom, wobei zu dieser Zeit jedoch die Konzentration eines Oxidationsmittels im Gesamtstrom sehr klein geworden ist, um noch effektiv beim Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern zu sein.
Beispiel 5A
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sintern, ähnlich zu denen beschrieben in 2A, wurden ausgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone durchgeführt. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 200 SCFH (5,66 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Feuchtigkeit als ein Oxidationsmittels, wurde in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Der Feuchtegehalt in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, die in diesem Experiment verwendet wurde, wurde aus 0,4; 1,0; 1,5; 2,0 und 3,0 Vol.-% ausgewählt. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors war die gleiche wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, die durch die Löcher in den Diffusor eingeführt wurde, war etwa 3.585 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 167, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungs-Strömungseinführungsparameter, welche in der Beschreibung zuvor spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche mit 0,4 Vol.-% Feuchtigkeit in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre gesintert wurden, waren leicht mit unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand bedeckt, anzeigend eine nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Es war jedoch kein Ruß oder dunkler Rückstand anwesend auf der Oberfläche der gesinterten Versuchskörper bei der Verwendung von 1 Vol.-% oder mehr Feuchtigkeit in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre. Die Versuchskörper zeigten im Durchschnitt dicht an 0,25 % Wachsen in der linearen Dimension, was gut innerhalb der Grenzen war, die durch den Pulverlieferanten spezifiziert wurden. Die erscheinende Oberflächenhärte der gesinterten Körper variierte zwischen 61 bis 66 HRB, was ebenfalls gut innerhalb des vom Pulverhersteller spezifizierten Bereichs war. Die Biegebruchspannung der gesinterten Körper war nahe an 90.000 PSI (620 MPa), was ebenfalls innerhalb des Bereichs war, der vom Pulverlieferanten spezifiziert war. Der Kohlenstoffmassengehalt in den gesinterten Körpern betrug zwischen 0,7 bis 0,8 Gew.-%. Querschnittsanalysen der Körper ergaben keine Oberflächenentkohlung. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten klar, dass eine Schmiermittelentternungsatmosphäre, enthaltend mehr als 0,4 Vol.-% Feuchtigkeit, effektiv verwendet werden kann, um Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern zu entfernen in der Vorheizzone eines Sinterofens, wenn sie durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor unter Verwendung der ordnungsgemäßen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Einführungsparameter eingeführt wird.
Beispiel 5B
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sintern ähnlich zu dem beschriebenen Beispiel 5A wurden durchgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 200 SCFH (5,66 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Kohlendioxid als Oxidationsmittel wurden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration des Kohlendioxids in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche in diesem Experiment benutzt wurde, wurde ausgewählt zwischen 5, 10, 15, 20, 25 und 30 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors war die gleiche wie bereits beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 3.585 und der Wert des Impulsverhältnisses war etwa 167, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungs-parameter, welche bereits im Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben, betrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche bereits beschrieben wurden, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die gesinterten Versuchskörper mit 10 Vol.-% Kohlendioxid oder weniger in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre waren leicht mit unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand bedeckt, zeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Es war jedoch kein Ruß oder dunkler Rückstand auf der Oberfläche der gesinterten Versuchskörper bei der Verwendung von 15 Vol.-% oder mehr Kohlendioxid in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre anwesend. Die Versuchkörper zeigten im Durchschnitt nahe bei 0,24 % lineares Wachsen, was gut innerhalb der Bereiche war, die durch den Pulverlieferanten spezifiziert waren. Die ermittelte Oberflächenhärte der gesinterten Körper variierte zwischen 62 und 67 HRW, was ebenso gut innerhalb der Bereiche war, die vom Pulverlieferanten spezifiziert waren. Die Bruchdurchbiegung der gesinterten Körper war dicht bei 95.000 PSI (655 MPa), was ebenfalls innerhalb des Bereichs war, der durch den Pulverlieferanten spezifiziert ist. Der Massenkohlenstoffgehalt in dem gesinterten Körper war zwischen 0,7 bis 0,8 Gew.-%. Querschnittsanalysen der Körper zeigten keine Oberflächenentkohlung. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten klar, dass eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend mehr als 10 Vol.-% Kohlendioxid effektiv benutzt werden kann für das Schmiermittelentfernen von pulvermetallischen Presskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens, wenn durch einen ordungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt unter Verwendung der ordnungsgemäßen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Einführungsparameter.
Beispiel 5C
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sinterung, ähnlich zu den beschrieben in Beispiel 5A, wurden ausgeführt durch das Einfüllen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 200 SCFH (5,66 SCMH) von Stickstoff, gemischt mit Luft als Oxidationsmittel, wurden eingeführt in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor. Die Konzentration von Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche in diesem Experiment benutzt wurde, war 1,25, 2,50, 3,33, 3,75 und 5,0 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, war etwa 3.585, und der Wert des Impulsverhältnisses etwa 167, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welche bereits vorher im Hauptteil des Textes spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der Betriebsparameter, umfassend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern wurden zusammen mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche mit 2,5 Vol.-% oder weniger in der Schmiermittelatmosphäre behandelt wurden, waren stark mit unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen bedeckt, anzeigend die nicht ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermitteln von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Auf der Oberfläche von Körpern, welche in der Anwesenheit von einer Schmiermittelatmosphäre, enthaltend 3,33, 3,75 und 5 Vol.-% Luft behandelt wurden, war kein Ruß oder dunkler Rückstand anwesend. Die Oberfläche von Körpern, welche in der Anwesenheit einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 5 Vol.-% Luft enthielt, waren jedoch oxidiert in der Vorheizzone und produzierte ein nicht akzeptables eingefrorenes Oberflächenfinish nach dem Sintern in der Hochheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten, dass Luft effektiv verwendet werden kann, um Schmiermittel in der Vorheizzone des Ofens zu entfernen, man jedoch außerordentlich sorgfältig bei der Auswahl der richtigen Luftkonzentration in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre sein muss.
Die Ergebnisse in den Beispielen 5A bis 5C zeigten, dass die Verwendung einer hohen Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend ein Oxidationsmittel oberhalb gewisser spezifizierter Konzentrationen sehr effektiv bei dem Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens ist. Diese Beispiele zeigten auch, dass es außerordentlich wichtig ist, alle Konstruktionsparameter, welche zuvor für die Konstruktion eines Diffusors und die Auswahl der Schmiermittelentfernungsatmosphärenströmung zu erfüllen, um effektiv Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern zu entfernen. Die Daten zeigen zudem, dass Luft als Oxidationsmittel in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre zum effektiven Entfernen von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern verwendet werden kann, man aber außerordentlich sorgfältig in der Auswahl der richtigen Konzentration von Luft in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre sein muss.
Die Verteilung des Fluidstromes in der Vorheizzone des Sinterofens wurde mit einem Computer simuliert unter Verwendung eines allgemein bekannten computergestützten Fluid-dynamischen Softwarepakets, um die Gründe für die ordnungsgemäße Schmiermittelentfernung zu erklären. Die Computersimulation zeigte, dass, wenn eine hohe Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre eingefüllt wird als eine Serie von Strahlen durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor, die Strahlen genug Moment haben, um das Stromlinienströmungsmuster des Hauptatmosphärenstromes zu durchdringen, wie dies in dem Strömungsverteilungsdiagramm von 5 gezeigt ist. Entsprechend hat eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend ein Oxidationsmittel, ausreichend Möglichkeit mit der Oberfläche des Pulvermetallpresskörpers in Wechselwirkung zu treten und effektiv Schmiermitteldämpfe durch Zersetzung derer in kleinere und flüchtigere Bestandteile zu entfernen.
Beispiel 6A
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sinterung ähnlich zu dem beschrieben in Beispiel 5B, wurden ausgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre enthaltenden Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 350 SCFH (9,9 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Kohlendioxid als Oxidationsmittel, wurde eingeführt in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor. Die Konzentration von Kohlendioxid in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesem Experiment verwendet wurde, wurde ausgesucht aus 2,85, 7,14 und 11,43 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie bereits beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 6.275 und der Wert des Impulsverhältnisses betrug etwa 295, wobei beide den minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welcher in dem Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurde, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter umfassend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden gemeinsam mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesem Experiment gesintert wurden, waren frei von unerwünschtem Ruß und dunkler Ablagerung, zeigend eine ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern notwendig ist, reduziert werden kann durch die Verwendung einer hohen Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Beispiel 6B
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sinterung, ähnlich zu dem beschrieben in Beispiel 5C, wurden ausgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in dem Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 350 SCFH (9,9 SCMH) Stickstoff gemischt mit Luft als Oxidationsmittel wurden eingeführt in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor. Die Konzentration der Luft in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesen Experimenten verwendet wurde, wurde ausgewählt aus 0,7 und 1,4 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie bereits beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 6.275, und der Wert des Impulsverhältnisses betrug etwa 295, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungs-Strömungseinführungsparameter, welche im Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, enthaltend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung von Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesen Experimenten gesintert wurden, waren frei von unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand, anzeigend eine ordnungsgemäße Entfernung von Schmierstoff aus den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermitteln aus Pulvermetallpresskörpern benötigt wird, reduziert werden kann durch die Verwendung eine hohen Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Beispiel 7
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sinterung, gleich dem Beschriebenen in Beispiel 5A, wurden durchgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 350 SCFH (9,9 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Feuchtigkeit als Oxidationsmittel, wurden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration der Feuchtigkeit in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesen Experimenten verwendet wurde, wurde ausgewählt aus 0,25; 0,5 und 1,0 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors waren die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, betrug etwa 6.275, und der Wert des Impulsverhältnisses ist etwa 295, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welche im Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen in dem Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesen Experimenten gesintert wurden, waren frei von unerwünschtem Ruß und dunklen Rückständen, anzeigend die ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermitteln von den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern benötigt wird, reduziert werden kann durch die Verwendung einer hohen Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Beispiel 8A
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sinterung ähnlich zu dem beschrieben in Beispiel 5A, wurden durchgeführt durch die Einführung von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas, in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentternungsatmosphäre, enthaltend 150 SCFH (4,25 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Feuchtigkeit als Oxidationsmittel, wurden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration der Feuchtigkeit in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesen Experimenten verwendet wurde, wurde ausgewählt aus 1,0; 1,5 und 2,0 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung des ordnungsgemäß konstruierten Diffusors sind die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wurde, ist etwa 2.690 und der Wert des Impulsverhältnisses ist etwa 125, wobei beide die Schmiermittelentfernungs-Strömungseinführungsparameter, welche in dem Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurden, erfüllten. Der Ofen wurde betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und die Bandgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern wie zuvor beschrieben, wurden mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesen Experimenten behandelt wurden, sind frei von unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand, anzeigend die ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel aus dem Versuchskörper in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigten klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern benötigt wird, heraufgesetzt werden muss bei der Verwendung einer mittleren Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Beispiel 8B
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt von Sinterung, ähnlich zu dem beschrieben in Beispiel 5B, wurden durchgeführt durch die Einführung von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas, in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 150 SCFH (4,25 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Kohlendioxid als Oxidationsmittel, werden in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor eingeführt. Die Konzentration des Kohlendioxids in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesen Experimenten verwendet wurde, wurde ausgesucht aus 15, 20 und 25 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung eines ordnungsgemäß konstruierten Diffusors sind die gleichen wie bereits beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt wird, ist etwa 2.690, und der Wert des Impulsverhältnisses ist etwa 125, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter erfüllen, welche zuvor im Hauptteil des Textes spezifiziert wurden. Der Ofen wird betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, wie bereits beschrieben, werden mit einer vollen Beladung von Teilen in dem Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesen Experimenten gesintert wurden, sind frei von unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand, zeigend die ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel aus den Versuchskörpern in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigen klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für das effektive Entfernen von Schmiermittel aus pulvermetallischen Presskörpern benötigt wird, heraufgesetzt werden muss bei der Verwendung einer mittleren Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Beispiel 8C
Eine Anzahl von Experimenten mit Schmiermittelentfernung, gefolgt durch Sintern, ähnlich zu dem beschriebenen Beispiel 5A, werden durchgeführt durch das Einführen von 1.256 SCFH (35,57 SCMH) der Hauptschutzatmosphäre, enthaltend Stickstoff, 3 Vol.-% Wasserstoff und 0,4 Vol.-% Erdgas in den Ofen durch die Übergangszone. Eine Schmiermittelentfernungsatmosphäre, enthaltend 150 SCFH (4,25 SCMH) Stickstoff, gemischt mit Luft als Oxidationsmittel, wird eingeführt in die Vorheizzone des Ofens durch einen ordnungsgemäß konstruierten Diffusor. Die Konzentration von Luft in dem Schmiermittelentfernungsgas, welches in diesen Experimenten verwendet wird, ist ausgewählt aus 2,0; 3,0 und 4,0 Vol.-%. Die Konstruktion und Anordnung eines ordungsgemäß konstruierten Diffusors sind die gleichen wie zuvor beschrieben. Die Reynolds-Zahl der Schmiermittelentfernungsatmosphäre, welche durch die Löcher in dem Diffusor eingeführt ist, beträgt etwa 2.690, und der Wert des Impulsverhältnisses ist etwa 125, wobei beide die minimalen Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungseinführungsparameter, welche im Hauptteil der Beschreibung spezifiziert wurden, erfüllen. Der Ofen wird betrieben unter Verwendung der gleichen Betriebsparameter, umfassend die Betriebstemperatur und Bandgeschwindigkeit, wie zuvor beschrieben. Eine Anzahl von Bruchdurchbiege-Versuchskörpern, welche zuvor beschrieben wurden, werden gemeinsam mit einer vollen Beladung aus Teilen im Ofen behandelt.
Die Versuchskörper, welche in diesen Experimenten gesintert wurden, sind frei von unerwünschtem Ruß und dunklem Rückstand, zeigend die ordnungsgemäße Entfernung von Schmiermittel von dem Versuchskörper in der Vorheizzone des Ofens. Die Ergebnisse dieser Experimente zeigten klar, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermittel von pulvermetallischen Presskörpern benötigt wird, heraufgesetzt werden muss bei der Verwendung einer mittleren Strömungsrate einer Schmiermittelentfernungsatmosphäre.
Die obigen Beispiele zeigen, dass die Konzentration eines Oxidationsmittels, welches für die effektive Entfernung von Schmiermitteln von Pulvermetallfestkörpern benötigt wird, abhängig ist von der Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre. Die Ergebnisse zeigen auch, dass man eine geringe Konzentration eines Oxidationsmittels mit einer hohen Strömungsrate der Schmiermittelentternungsatmosphäre oder eine hohe Konzentration eines Oxidationsmittels mit einer niedrigen Strömungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre verwenden kann, um effektiv Schmiermittel von Pulvermetallpresskörpern in der Vorheizzone eines kontinuierlichen Sinterofens zu entfernen, der mit einem ordnungsgemäß konstruierten Diffusor ausgestattet ist, um die Schmiermittelentfernungsatmosphäre einzuführen und die Schmiermittelentfernungsatmosphären-Einführungsparameter erfüllt sind. Die Konzentration eines Oxidationsmittels in der Schmiermittelentfernungsatmosphäre und die Gesamtströmungsrate der Schmiermittelentfernungsatmosphäre müssen jedoch oberhalb gewisser Minimalwerte sein, um effektiv zu sein bei (1) der Durchdringung der Strömungslinien des Hauptatmosphärenstroms, (2) der Wechselwirkung mit der Oberfläche der Pulvermetallpresskörper und (3) der Entfernung von Schmiermitteln von Pulvermetallpresskörpern in der Vorheizzone eines Sinterofens. Diese richtige Kombination der Schmiermittelentfernungsatmosphären-Strömungsrate und der Konzentration eines Oxidationsmittels hängen von der Ofengeometrie wie der Weite und Höhe ab und können ermittelt werden durch das Durchführen einiger Versuche.
Während ein einziger Diffusor als effektiv gezeigt wurde, ist es innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung mehr als einen und möglicherweise viele Diffusoren zu verwenden, welche zwischen dem Eingangsende der Vorheizzone des Ofens und einer Örtlichkeit in der Vorheizzone oder Abschnitt des Ofens, in dem die Teile, die behandelt werden sollen, eine Temperatur erreicht haben von etwa 1.450°F (790°C) anzuordnen. Es ist ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung mehr als eine Reihe von Löchern oder Öffnungen in einem einzigen Diffusor vorzusehen.

Claims

Verfahren zum Entfernen von Schmiermitteln aus Pulvermetall-Presskörpern bzw. Pressteilen, die ein Schmiermittel enthalten, das dazu verwendet wird, die Pulvermetall-Presskörper zu bilden, mit den Schritten der Vorwärmung der Pulvermetall-Presskörper auf eine Temperatur von wenigstens 200°C (400°F) unter einer Schutzatmosphäre und während des Vorwärmens, Einführung einer Schmiermittel entfernenden bzw. abrauchenden Atmosphäre aus einem Trägergas mit einem Oxidationsmittel, das aus Luft, Wasserdampf, Kohlendioxid und ihren Gemischen ausgewählt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmiermittel entfernende Atmosphäre eingeführt wird, wenn die Presskörper eine Temperatur von 200°C (400°F) bis 820°C (1500°F) erreicht haben, und die Oberfläche der Presskörper durch Eindringen durch die Schutzatmosphäre berührt, um eine Wechselwirkung zwischen dem Oxidationsmittel und den Schmiermittel-Dämpfen an den Oberflächen ohne Oxidation der Oberfläche zur Verfügung zu stellen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schutzatmosphäre während des Vorwärmens über die Presskörper strömt und die die Schmiermittel entfernende Atmosphäre mit ausreichendem Impuls bzw. Antriebskraft zugeführt wird, um die Stromlinien der Schutzatmosphäre zu durchdringen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Vorwärmung in einer Vorwärmzone eines kontinuierlichen Sinterofens mit der Vorwärmzone und einer Hochtemperatur-Sinterzone durchgeführt wird, durch die sich die Presskörper in Folge bewegen, und wobei die Vorwärm- und Sinterzonen unter einer Schutzatmosphäre gehalten werden und die Schmiermittel entfernende Atmosphäre als eine Gasströmung quer zur Bewegung der Pulver-Presskörper durch den Ofen eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Schmiermittel entfernende Atmosphäre als eine Serie von Strahlen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schmiermittel entfernende Atmosphäre in einem Betriebszustand turbulenter Strömung durch eine Vielzahl von Öffnungen in einer Leitung zugeführt wird, die sich quer zur Strömungsrichtung der Schutzatmosphäre erstreckt und Diffoser-Design-Kriterien von wenigstens 1,4 hat, wobei die Duffusor-Design-Kriterien (DDC für diffuser design criteria) entsprechend der Gleichung bestimmt werden:
mit: D ist der Durchmesser der, oder der Äquivalenz-Durchmesser, wenn sie keinen kreisförmigen Querschnitt hat, der Leitung, d ist der Durchmesser der Öffnungen, und N ist die Gesamtzahl der Öffnungen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Duffusor-Design-Kriterien wenigstens 1,5 sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Reynolds-Zahl der Schmiermittel entfernenden Atmosphäre, die in den Ofen eingeführt wird, über 2.000 liegt; wobei die Reynolds-Zahl entsprechend der Gleichung berechnet wird:
mit: d ist der Durchmesser der Öffnung, durch die die Schmiermittel abbauende Atmosphäre zugeführt wird, U ist die Lineargeschwindigkeit der Strömung des Schmiermittel entfernenden Gases durch die Öffnung, ρ ist die Dichte des Schmiermittel entfernenden Gases, und μ ist die Viskosität der das Schmiermittel entfernenden Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Reynolds-Zahl über 3.000 liegt.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Reynolds-Zahl über 3.500 liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Gesamtimpuls-Verhältnis R der die Schmiermittel entfernenden Atmosphäre wenigstens 50 ist, wobei dieses Verhältnis entsprechend der Gleichung kalkuliert wird:
mit: ρ ist die Dichte der das Schmiermittel entfernenden Atmosphäre, ρa ist die Dichte der Schutzatmosphäre, U ist die lineare Geschwindigkeit des das Schmiermittel entfernenden Gases durch die Öffnung, durch die die das Schmiermittel entfernende Atmosphäre zugeführt wird, und V ist die lineare Geschwindigkeit der Strömung des Schutzgases.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verhältnis wenigstens 100 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Verhältnis wenigstens 125 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die die Schmiermittel entfernende Atmosphäre eine Mischung aus einem Trägergas und einem Oxidationsmittel ist, das aus 2 bis 30 ol-% Kohlendioxid, 0,5 bis 5 ol-% Luft und 0,25 bis 3 ol-% Feuchtigkeit ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die die Schmiermittel entfernende Atmosphäre ein Gemisch aus einem Trägergas und einem Oxidationsmittel ist, das aus 5 bis 30 ol-% Kohlendioxid, 2 bis 5 ol-% Luft und 0,25 bis 3 ol-% Feuchtigkeit ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägergas aus Stickstoff und der Schutzatmosphäre ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schutzatmosphäre aus einer endotherm erzeugten Atmosphäre, Stickstoff, gemischt mit einer endotherm erzeugten Atmosphäre, einer Atmosphäre, die durch Dissoziierung von Ammoniak erzeugt wird, Stickstoff, gemischt mit einer Atmosphäre, die durch Dissoziieren von Ammoniak erzeugt wird, Mischen von Stickstoff mit Wasserstoff, Mischen von Stickstoff mit Wasserstoff und einem anreichernden Gas, das aus Propan und Natur- bzw. Erdgas ausgewählt wird, und Mischen von Stickstoff mit Methanol ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Pulver-Presskörper Eisen als den Hauptbestandteil mit einer kleineren Komponente aufweist, die aus Chrom, Nickel, Molybdän, Kobalt, Kupfer, Mangan, Vanadium, Wolfram, Kohlenstoff, Bor, Aluminium, Silizium, Phosphor, Schwefel und ihre Gemische ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Pulvermetall-Presskörper Eisen zusammen mit bis zu 1 Gew.-% Kohlenstoff, Eisen zusammen mit bis zu 20 Gew.-% Kupfer und bis zu 1 Gew.-% Kohlenstoff, Eisen zusammen mit bis zu 5 Gew.-% Nickel, oder Eisen zusammen mit bis zu 1 Gew.-% Molybdän, bis zu 1 Gew.-% Mangan, bis zu 1 Gew.-% Kohlenstoff, bis zu 2 Gew.-% Nickel und bis zu 2 Gew.-% Kupfer aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Schmiermittel entfernende Atmosphäre die Presskörper berührt, wenn sie eine Temperatur von 310°C (600°F) bis 790°C (1450°F) erreicht haben
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Temperatur von 530°C (1000°F) bis 790°C (1450°F) reicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schmiermittel aus Zink-, Lithium- oder Kalziumstearaten, Ethylenbisstearamid und Polyethylen-Wachsen ausgewählt wird.
Vorrichtung zur Entfernung von Schmiermitteln aus Pulvermetall-Press- bzw. Formkörpern durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 1 definiert wird, wobei die Vorrichtung einen Ofen (10) mit einer Vorwärmzone (12) zum Vorwärmen der Pulvermetall-Presskörper auf eine Temperatur von wenigstens 200°C (400°F); eine Anordnung (19) zur Einführung der Schutzatmosphäre, so dass sie durch diese Zone fließt, und eine Leitung (30) aufweist, die angepasst ist, um sich über die Breite der Vorwärmzone (12) an einer Stelle zu erstrecken, an der die Presskörper, aus denen Schmiermittel entfernt werden soll, auf eine Temperatur zwischen 200°C (400°F) und 820°C (1500°F) erwärmt werden, wobei die Leitung (30) mehrere Öffnungen (32) hat, um die Atmosphäre einzuführen, so dass ein Betriebszustand mit turbulenter Strömung zur Verfügung gestellt wird, und wobei die Leitung (30) Duffusor-Design-Kriterien von wenigstens 1,4 hat, wobei die Duffusor-Design-Kriterien (DDC für diffuser design criteria) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt werden:
mit: D ist der Durchmesser, oder der äquivalente Durchmesser, wenn sie keinen kreisförmigen Querschnitt hat, der Leitung (30), d ist der Durchmesser der Öffnungen, und N ist die Gesamtzahl der Öffnungen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei der Ofen ein kontinuierlicher Sinterofen (10) mit der Vorwärmzone (12) und einer Hochtemperatur-Sinterzone (14) ist; eine Anordnung (34) die Presskörper durch die Zonen (12, 14) nacheinander transportiert, und wobei die Zonen (12, 14) unter einer Schutzatmosphäre gehalten werden.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, die angepasst ist, um ein Verfahren durchzuführen, wie es in einem der Ansprüche 6 bis 21 definiert wird.