MIM零件的先进热加工工艺及设备_I_Cremer

步进梁的机械传送顺序已经在我们的其他技术 资料中有所描述[ 2] 。
为了用于 MIM 工艺 , 这种步进梁炉做了特别改 进 , 例如 :
(1)高纯 Al2 O3 耐火材料 , 保证标准设备中的最
高烧结温度可达 1 450 ℃。 (2)减少可变的步进梁的步进距离 , 得到一个平
缓的升 温曲 线(步进 距离 可以 小于 1 4 个 料舟 长 度)。
气 下进行烧结 , 但如果设备安装了快速冷却装置的
表 1 不同钢种材料的烧结气氛
材料 Fe-0 .8C-2Ni
烧结后的 碳含量 %
0 .7
气氛 N2 % H2 % 95 ～ 97 3 ～ 5
Fe-0 .21C-0 .6Ni-0 .5Cr-0.2Mo (AISI 8620)
0 .2
100
0
Fe-0 .03C-17Cr-13Ni-2Mo (AISI 316L)
可得到的最大冷却速度在 1 ～ 4 ℃ s , 这取决于 零件与料膛的尺寸和形状[ 2] 。
由于冷却速度足够高 , 碳含量可以保持住 。 最 显著的一个用途是钢件的烧结-硬化 。
收稿日期 :2002 -10 -09 作者简介 :I .Cremer(1968 -), 男 , 德国人 , 硕士工程师 , 技术开发经理 , 主要从事粉末冶金专用热处理设备的研究与开发。
第 1 期 I.Cremer:MIM 零件的先进热加工工艺及设备 · 31 ·
本文将介绍在连续脱粘与烧结 技术方面的最 新进 展 。 特别是在工艺气氛下烧结与淬火工艺的整合 。
1 连续式设备总述
图 1 是一套 MIM-Master 6 烧结与脱粘系统 。此 系统的核心由高温烧结炉组成 。 在常规的高温烧结 炉中 , 步进梁传送系统被用来传送料舟 。
1 .1 高温烧结炉
图 1 MIM-Master 系列安装示意图 1 -热脱剩余粘结剂段 ;2-高温烧结段(使用 N2 H2 混合气), 最高 1 450 ℃;3 -冷却段 ; 4 -出口净化密封室 ;5-回送轨道 也可用于上料轨道;6 -双向净化密封室(也用于试样检测); 7 -气密横向传送带 ;8-连续脱粘炉 ;9 -废气烧除装置 ;10 -预热段 ;11 -上料轨道
摘 要 :本文介绍了金属粉末注射成形(MIM)零件的先进热加工工艺及设备 。 由于 MIM-Master 系列设备具有连续脱粘-高温烧结及快速冷却功能 , 可在大规模生产时加强工艺参数的控 制 , 改善产品质量 。 最后把高温烧结和快速冷却组成一个连续过程 , 能实现 MIM 零件烧成品 的硬化 。 快速冷却的独特优点是在分解氨气氛中烧结 316L 不锈钢可提高其密度 , 并可以采用 可靠而价廉的气氛以降低成本 。 关键词 :烧结设备 ;注射成形连续烧结 ;脱粘结剂 ;不锈钢 中图分类号 :TF124 文献标识码 :A 文章编号 :1006 -6543(2003)01 -0030 -04
现在 , 对于本系统布置的主要“瓶颈”是特定粘 结剂的脱粘时间 。如果脱粘时间是后面热分解和烧 结时间之和的 2 倍还多的话 , 本设备在技术上的先 进性与它的设备投资比就不突出了 。
最先适 合 连 续脱 粘 的 一 种 粘结 剂 是 由 德 国 BASF 公司生产的 , 并采用催化气相脱粘工艺 。 为这 种粘结剂体系设计的脱粘炉采用网带炉的结构 , 零 件缓慢通过氮气 硝酸气氛 。 为达到脱粘的最大效 率 , 仅靠工艺气体的反向流动是不够的 。 开发出的 一种特殊循环系统可以保证催化气氛的最大循环 。 为进一步提高工艺控制水平和产品质量 , 开发出的 一种特殊的酸的注入装置保证 了最稳定的工 艺状 态 。 其结果是工艺稳定与消耗较低 。减少对零件的 接触也进一步减少了废品率 , 见表 2 。
在高温烧结方面的最新进展是在高温烧结段与 常规冷却段之间集成一个快速冷却装置 。
在快速冷却装置中 , 料舟被送上轴向安装的辊 子 。这些辊子的运动是独立于步进梁传送机构的 , 所以将料舟快速移入此装置 。此处有一个大的循环 冷却风机来循环炉内保护气体 , 这些气体通过一个 水冷却的热交换器来进行冷却 。 冷却后的气体直接 作用于零件与料舟 。
ADVANCED THERMAL PROCESSING AND EQUIPMENT OF MIM-PARTS
Ingo Cremer (Cremer Thermoprozessanlagen GmbH, Dueren-Konzendorf, D -52355, Germany)
Abstract :This paper describes the latest in continuous thermal processing and equipment of MIM-parts . Owing to the MIM-Master series equipped with continuous debinding , high temperature sintering and rapid cooling , it enhances the control of process parameters and improves the quality at large scate production . Finally the new developments of high-temperature sintering and rapid-cooling integrated in one continuous process could realize sinter-hardening of MIM-parts .A special benefit of the rapid-cooling is the possibility to enhance the density of 316L stainless steel when sintering under cracked ammonia , offering the possibility to use this reliable and cost effective atmosphere . Key words :sinter equipment ;MIM ;continuous sintering ;debinding ;stainless steel
料炉尺寸做得越来越大 。随之而来的是保证工艺过 程的均匀性越来越困难 。 除此之外 , 大尺寸的批料 炉 , 它的操作与装料等也很复杂 。 特别是处理脱粘 后的零件(“褐坯”)是一个关键工序 , 烧结后的缺陷 很多是在这个阶段产生的 。
在 20 世纪 90 年代初 , 第一台 MIM 连续的脱粘烧结炉投入使用[ 1] 。 从此这种被称为“MIM-Master” 的设备逐渐成为 MIM 工业最先进的处理设备之一 。
期
粉末冶金工业
POWDER METALLURGY INDUSTR
Y VoFle.b13.2N00o3.1
MIM 零件的先进热加工工艺及设备
I .Cremer
(德国克莱默热处理设 备有限公司 Dueren-Konzendorf, D N2 H2 混合气也 可以使用 。 表 1 给出了几 个例 子。 因为工艺气体在烧结段与料舟反向运行 , 这样 就保证了烧结气氛的非常有效应用 。因此烧结气氛 的质量在此不象批料炉那样严格 , 即使在烧结不锈 钢时也允许 使用普通 工业质量 的气体(纯度 99 .9 %)
然而 , 烧 结气氛的质量 仍然是一个 重要参数 。 因此多个氧探头被安装在炉体的重要位置(如烧结 段 , 气体入口段和冷却段)来进行在线监测 。 所得数 据可用于质量控制和优化工艺 。 1 .2 连续脱粘
MIM(金属注射成形)是一种针对生产中 、小型 复杂形状零件的现代化的近净形成形技术 。 在 20 世纪 80 年代 , 大部分零件还都很小 , 并且产量也很 有限 。由于 新材 料和 新工 艺的 出现 , 以及 用户 对 MIM 认识的提高 , MIM 已经将它的应用领域和产品 数量大大提高 。
脱完粘的零件可以通过一个双层充气密封室到 达一个回送轨道 , 这个轨道在烧结炉的旁边 。在此 可以检查脱粘的效果 , 并进行必要的工艺调整 。 如 果脱粘效果满意的话 , 零件可以直接经同一个回送 轨道送入烧结炉 。
在全面生产时 , 烧舟通过一个可以自由设定的 时间间隔送出脱粘炉 。 脱完粘的零件被送上回送轨 道进行质量控制 。在经过检查之后 , 零件再次被载 入烧结炉 , 这期间不需中断其循环时间 。 2 .2 快速冷却
高温精度的一个额外好处是可以在接近熔点的 温度进行烧结 , 而不必担心有表面熔化的危险 。 此 外烧结时间通常较短(30 ～ 40 min)。
连续炉的烧结气氛通常是任何比例的氢气与氮 气的混合物 。 为达到含有碳的零件不脱碳 , 氢气含 量应少于 5 %。MIM 钢零件通常在 1 250 ℃到 1 370 ℃进行烧结 , 在此温度下烧结气氛中的氢与零件中 的碳反应生成 CH4 , 导致脱碳 。不锈钢通常在纯氢
(3)变频控制的伺服驱动系统保证料舟无震荡 运动 。
(4)在热脱粘段增加有马弗的步进梁系统 。 烧结 MIM 零件的一个关键因素是温度精度 , 特 别是烧结奥氏体 不锈钢 , 如 316L(通常的烧 结温度 是 1 360 ～ 1 370 ℃)。 烧结温度的微小变化就会导 致密度变化 , 甚至局部表面熔化 。通过可控硅控制 加热及一种特殊的钼加热元件的构造(防止对零件 的直接辐射), 可以将温度精度控制在 ±3 ℃(通过 4 层放置的陶瓷温度环测量)。
与烧结炉平行安装有 1 台连续脱粘炉 。零件由 脱粘炉自动运行到烧结炉 , 此过程可以防止由于人 工接触而导致的脱粘后零件的缺陷 。从一台炉子传 送到另一台炉子甚至可以在充满保护气体的密封的 横向传送带内完成 , 如图 1 所示 。
脱粘炉的确切结构取决于所用的粘结体系 。 尽 管从理论上说 , 可以为任何一种粘结剂制造一种连 续脱粘设备 , 但是在实际上仍有一些限制 。
0.01
0
75
25
75
Fe-0 .2C-13Cr (AISI 420)
0 .3
97
余
Fe-0 .07C-17Cr-4Ni-0 .3Nb-3.5Cu (17 -4 -PH)
<0 .03
0
100
· 3 2 · 粉末冶金工业 第 13 卷
表 2 批料式与连续 式催化脱粘炉的比较
脱粘炉
产量 件·h -1 气消耗(标态)m3·h -1 酸消耗 mL·h -1
批料式炉(200L) 300 6 180
连续式炉 640 8 400
烧结后的废品率(包括其他 缺
陷 , 如成形缺陷等)
<4 %
<1 %
注 :所用零件需要 6 h 脱粘时间(进炉 ～ 出炉)
2 应用效果
2 .1 灵活连续脱粘 在一开始 , 连续脱粘只被认为适用于大批量类
似零件 。 当时担心 , 混装的零件因为没有办法控制 而导致可能在烧结后产生缺陷 。 这些材料会成为无 法循环使用的废品 。
现在的脱粘炉更加灵活 。即使在图 1 所示的那 种有气密横向传送带的系统中 , 也可以将脱粘炉作 为一个标准设备独立使用 。 这方便了 新产品的试 制。
我国从境外引进的生产高密度铁基粉末冶金零部件的扬州保来得工业有限公司和东睦粉末冶金公司宁波目前只能从国外进口温压粉末最低售价为16万元t不含税最高售价达28万元t限制了我国温压零件的开发与应用
DO I :10.13228/j .boyuan.issn1006 -6543.2003.01.012
第
13 卷 第 1 2003 年 2 月
现在 , MIM 在制造大批量(大于 1 000 000 件)和 重零件领域(≈200 g)都已经是一项被广泛 认同的 技术 。为满足日益增长的需求 , 许多 MIM 制造商扩 大了它们的生产规 模 。 但与传 统粉末冶金工 业相
比 , 许多厂商仍停留在批量炉生产阶段 。 为了增加批料式炉的效率和降低运行成本 , 批