粉末冶金烧结炉与烧结气氛气体控制.pdf

第 2 3卷第 1 期 2 0 1 3年 2月 粉末冶 金 工业 POW DER M ETALLURGY I NDUS TRY Vo 1 ． 23 No． I Fe b．2 O1 3 粉末冶金烧结炉与烧结气氛气体控制 韩凤 麟 中国机协粉末冶金分会 ， 北京 1 0 0 8 2 5 摘 要 在粉末冶金零件生产 中， 烧结是一道重要 工序 。本文对粉末冶金烧结炉与烧结气氛气 体控 制 的进展 进 行 了述评 。 关键 词 粉末 冶金 ； 烧 结 炉 ； 保 护 气氛 气体 ； 控 制 中图分 类号 T F I 2 文献标 识 码 A 文章 编号 1 0 0 6 6 5 4 3 2 0 1 3 O l 一0 0 0 1 0 6 POW DER M ETALLU RGY SI NTERI NG FU RNACES AND PROTECTI VE GAS ATM OSP H ERES CONTROL Ha n Fe ng - l i n P M As s o c i a t i o n o f Mo c h i n e Go r e n a l P a r t s I n d u s t r y S o c i e t y ， B e i j i n g 1 0 0 8 2 5 。 C h i n a Ab s t r a c t Thi s pa pe r r e v i e we d a d va n c e i n PM s i n t e r i ng f u r na c e s a nd i s s ue o f p r o t e c t i v e g a s a t mos ph e r e s c on t r o1 ． Ke y wo r ds Powd e r M e t a l l u r g y； s i nt e r i ng f ur na c e； p r o t e c t i v e g a s a t mo s p he r e； c o nt r o 1 ． 在粉末冶金零件生产中 ， 烧结是决定最终产 品 显微组织、 力学性能及控制尺寸的关键工序 。但长 期以来 ， 没有受到应有的重视。下面对粉末 冶金烧 结炉与保护气氛气体控制 的最 近进展进行 简要述 评 。 1 粉末冶金烧结 炉 现在粉末冶金零件生产中使用的烧结炉有以下 四种 网带式炉与滚底式炉 图 1 和步移梁式炉与 推杆式炉 图 2 。这些炉子 的最高使用 温度 ， 因制 造传送机 构的材料而异 。我国 2 0世纪 8 O年代 以 前 ， 使用最多的是推杆式炉 ， 现在普遍采用 的是 网带 式 炉 ， 也有 几 台步 移梁 式炉 。 现在 网带 式 炉 的 网 带 最宽 者 4 ml 】 ] 。网 带式 炉 通常都是用 电加热的， 偶而也有用煤气加热 的。这 种炉子一般的使用温度为 1 1 2 0 ～1 1 3 0 ℃， 最高使 用温度 1 1 5 0 ℃。传送 网带 由于一直是在烧结 的高 常用网带式炉最高温度1 1 5 0 C I 图 1 网带式炉与滚底式炉示意 图Ⅲ 温区通过， 要遭受高应力与磨耗 ， 通常使用寿命只有 6个月左右_ 1 ] 。因此 ， 如何延长网带 的使用寿命 ， 是 粉末 冶 金零 件生 产厂 家最 关心 的一个 问题 。 延长网带使用寿命的一项措施是 ， 减低网带在 高温 区承受的应力 ， 例如， 在文献E l i 中提出， 在整个 温度最高的烧结区安装步移梁机构， 用来支撑网带 ， 以减小网带在高温区承受的应力 。据文献[ 1 ] ， 这种 收稿 iE l 期 2 0 1 2 0 6 1 3 作者简介 韩凤麟 1 9 2 8 一 ， 男 汉 ， 河北新 河县人 ， 教授 ， 中国机协 粉末冶金分会顾问 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 粉末冶金工业 第 2 3卷 步 移梁 式炉 最高 温 度约1 6 5 0 C I 推杆式炉最高温度约2 3 0 ff C 图 2 步移 梁式炉 与推杆式炉 示意 图 ] 对网带进行支撑的网带式炉， 使用 的温度最高可达 到 1 2 0 0 。 C。必须说明的是， 因为粉末冶金零件的烧 结都是在还原气氛气体 中进行 的， 还原性气体和网 带材料在高温下也会发生相互作用， 从而影响网带 的使用寿命 。 在用 网带式 炉 烧 结产 品时 ， 可将 产 品 直接 放 在 网带或陶瓷板上 ， 但是 ， 其他几种炉子， 都需要将产 品装于舟皿中进行烧结。舟皿是用钝铁或钼材制造 的 。 由上述可看出， 这 4种炉子的主要差异在于传 送机构不同。在滚底式炉中， 舟皿是 由炉子外部驱 动的滚子传送 的 见图 3 。滚 子是 由 S i C制造 的， 即使是在炉子运行 中， 也很容易更换损坏的滚子。 步移梁式炉只有在炉子的高温烧结区是采用步 移梁机构传送舟皿 的。位于炉床上的步移梁将舟皿 举起 ， 向前传送一个舟皿的长度 ， 然后落下， 移 回原 处 。通过横梁的往复移动 ， 将舟皿一个一个地 向前 移动 。 推杆式炉的驱动机构全部位于炉子外部 。舟皿 是在炉底上滑动， 同时 ， 推杆将舟皿一个一个地向前 推进 。 图 3 滚底式炉 的滚子驱动机构Ⅲ 关于烧结气氛气体的控制 在粉末冶金零件生产过程中， 对保证烧结零件 质量最重要 的是对烧结气氛气体 的控制。在烧结中 采用保护气氛气体的 目的有二 一为还原铁 与合金 化元素粉末颗粒上 的氧化 物， 二为保证烧结产 品的 含碳量 。 现在， 最常用的保护气氛气体是 N H。混合 气体， 经常用 的是 9 5 N 5 H 混合气体 。近 来 ， 吸热性煤气又在时兴 。吸热性煤气是在生产现 场用部分燃烧碳氢化合物气体 例如甲烷或天然气 产生 的 。 吸热性煤气是由 H 、 N 、 C O及 C O 组成 的混 合气体 ， 其具体组成则 因使用的原料与生产方法而 异l 2 ] 。吸热性煤气与 N H 混合气体的控制技术 基本 上 相 同。 气氛气体 的还原 电位往往 和水蒸气 的分压相 关 。利用二氧化锆基 的氧探测头测定 C O 含量是 一 个可用的方法[ 1 。 测定 C O 与 c O的分压比率比测定 H 与水蒸 气 的分压比率容易 。气氛气体的部分气体压力 、 温 度与含碳量间的复杂关系 ， 可 由图 4示 的烧结气氛 气体的含碳量与测氧探头的输出电压来表示 。现在 用一例来说 明这个曲线 图的应用 。在氧探测头上输 出电压为 1 1 6 5 mV时 ， 就可得出， 在 1 1 5 0 ℃下 ， 气 氛气体的含碳量为 0 ． 5 。 烧结炉内气氛气体 中的任何氧， 都是依照化学反 应 2 H。 O 2 H 。 0 2 ， 处 于平 衡状 态 的 。当知 道 了 宽大温度范围内的这个反应的平衡常数， 就可用二氧 化锆基的氧探测头控制炉内气氛气体的组成。 皿 唧 蜓 一 瑶 岛 扩 0 0 7 5 5 O 2 5 9 5 0 1 0 5 0 1 1 5 O 1 2 5 0 在由甲烷制造的吸热性气体中氧测头的输出电压／ mV 图 4 烧结气氛气体的含碳量与氧探测头 电压 的关系 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 韩凤麟 粉末冶金烧结炉与烧结气氛气体控制 3 2 ． 1 分 区控制 炉 内气 氛气体 的问题 在连续的网带式烧结炉中， 按照使用功能 ， 一般 都分为预热区、 高温烧结区及冷却 区。在预热区， 为 烧 除润滑剂等， 烧结气氛气体应为氧化性的； 在高温 区 ， 为 了将 压 制成 形 的粉 末 颗 粒 表 面 的 氧化 物 进 行 还原 ， 气氛气体应为还原性 的； 而在冷却 区， 气氛气 体 的冷却速率应最高和能防止氧化 。这种分 区控制 烧结气氛气体的思想 ， 早在 2 O世纪 8 0年代初就 已 提出口 ] 。最近 的文献 [ 4 ] 提 出了一个典 型的 N H 气氛气体分 区图_ 4 ] ， 见 图 5 。根 据这个 图， 预热 区的气氛气体为湿度 2 0 的或干燥 的 N。 气 ， 高温 烧结区为 6 O N 4 O H。及冷却 区为 2 O 干燥 N。 气。为了能将气氛气体的湿度增高， 新开发 了一 种加湿装置 ， 用来调节气氛气体的湿度 。 高露点 低露点 H2 含量最高 露点低 含O2 量低 图 5 一典型 的 N z H z 气 氛气 体分区图 2 ． 2 关 于烧 结炉 进 出 口密封 的 问题 为防止在烧结炉出 口空气进入 ， 一般都采用氮 气隔离帘封 闭炉子 出 口， 通常设计 的氮气帘是用一 横 向薄氮气流遮蔽炉子出口， 可阻止空气进入炉 内， 但不会阻碍烧结的零件通过。图 6示一种适用的可 旋转氮气喷射器的设计示意图。 图所示， 钻两排直径 3 2 ra m的孔 “ A 截 向 图 6 可旋 转气 体喷射管设计示意 图Ⅲ 炉子出 口的隔离帘也可采用纤维帘 。由多排 细绞合线 ， 像拖布一样排列制造的纤维帘 ， 可减小炉 子的热损失 ， 使氧的渗入最小化 ， 并可使烧结的零件 大量出炉 。使用柔性 纤维帘的好处是 ， 纤维可 紧挨 着零件 ， 不会产生可看 出的缝隙。炉子出 口的隔离 帘有助于改善所需 要的使气氛气体 向炉子前端流 动。通常 ， 8 0 的气体的流动方 向应该和零件移动 的方 向相反 ， 以使还原性气氛气体与零 件的相互作 用最 大化 。 可是 ， 在炉 子 的进 口不 能采 用 纤 维 帘 。这 是 因 为氢与润滑剂蒸气的燃烧会产生高温。在炉子进 口 采用火焰帘证 明是 有效 的。一种 特别有效 的设计 是 ， 将火焰帘装在炉门底下和使火焰 向下喷出， 以形 成一垂直平面， 遮住炉子进 口的整个横断面。 2 ． 3炉子排气罩的设计 往往将炉子进、 出口的排气罩 ， 向下延伸到靠近 炉子的马弗 。这种设计不利于使炉内的气氛气体流 动稳定 。因为排气罩抽力 的任何波动， 都会使炉 内 气氛气体 的分布发生变化。较稳健 的设计是 ， 将排 气罩和炉子马弗隔离开 ， 使 室内的一些空气可与气 氛气体一起上升进入通气 口。这种分隔开的排气罩 图 7 对炉 内的气氛气体吸力较小 。 出 图 7排气罩 的稳健设计 3 关于延长烧结炉不锈钢网带使用寿 命 的问题 在粉末冶金零件生产中， 烧结炉网带的使用寿命 是个涉及到烧结费用的重要问题。上面已经讲到， 网 带由于在高温 区的循环运转， 因遭受高应力与磨耗， 其使用寿命只有 6个月左右。实际上， 网带在烧结气 氛气体的还原一 氧化循环作用下 ， 还会发生剥蚀。 通常， 网带是 由 AI S I 3 1 4不锈钢制造的。由于 其表面有一均匀的铬氧化物层 ， 故可 防止气氛气体 腐蚀。可是 ， 在烧结炉 的高温区， 在 N H 气氛气 体的还原环境下 ， 会破坏这层氧化物 。尔后 ， 在温度 较低 的氧化冷却区， 又会使网带重新氧化 。因此 ， 网 带在运行 中， 遭受 到循环性 的氧化一 还 原作用 。从 而， 招致网带表面层 中的铬损耗 ， 同时使其内部的耐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m