使用低温冷却的金属处理方法技术

本文涉及使用低温冷却的金属处理方法，尤其涉及用于金属加工的方法、装置以及系统，其利用一种或多种低温流体来控制连续炉的冷却区的工艺条件从而改善烧结的金属零件的一种或多种性能。在一方面中，提供方法，包括：提供炉，其中金属零件在运输带上从该炉中通过，并且包括热区和冷却区，其中冷却区具有第一温度；和将低温流体引入冷却区，在该处低温流体将冷却区的温度降低到第二温度，其中低温流体的至少一部分在冷却区内提供蒸汽，并以加速的冷却速度冷却正通过的所述金属零件。

【技术实现步骤摘要】

本文描述了用于烧结金属部件或金属合金部件尤其是钢部件的方法、系统以及装置。特别的是，本文描述的是用于烧结钢部件的方法、系统以及装置。
技术介绍
粉末冶金经常用于制备各种简单和复杂几何形状的碳钢构件，这些碳钢构件需要具有紧密的尺寸公差、良好的强度及耐磨性。该工艺也被称作烧结硬化，通常用于通过压实和烧结冶金粉末制备高硬度的铁基合金。该方法包括将混合了有机润滑剂的金属粉末压制成有用的形状，然后在高温下的连续炉中，在受控气氛中将其烧结成成品。针对此方法的受控气氛典型地包括氮气和氢气或吸热型气体混合物。连续烧结炉一般包括三个不同的区，即预热区、热区和冷却区。预热区用于将部件预热到预定温度，以及在热方面辅助将有机润滑剂从部件中除去。热区用于烧结部件。热区的温度典型地在600°C至1350°C。但是，这一温度可以随所加工的金属粉末而变化。冷却区用于在部件移出连续炉之前冷却所述部件。在冷却区中可能发生马氏体相变。金属烧结，包括在惰性和还原性的气氛中钢的烧结硬化，是众所周知的。控制烧结硬化的技术因素的总体概览可以在下列文献中看到“EffeCt of Cooling Rates During Sinter-Hardening”，作者 G. · Fillari et al.，发表在 PM2TEC 2003，Las Vegas, NV," Areview of current sinter-hardening technology，，,作者 M. L. Marucci et al·,发表在 PM2004 World Congress, Vienna, Austria, "Sintering a path to cost-effective hardened parts”，发表在 ^Technical Trends, MPR 2005 年 6 月，0026-0657/05 , 2005 Elsevier Ltd.，和在 2009 年公开的标题为“ hf luence of Chemical Composition and Austenitizing Temperature on Hardenability of PM Steels，，,作者P. K. Sokolowski 禾口 B.A.Lindsley, PowderMet 2009,2009 Int.Conf. on Powder Metallurgy & Particulate Materials，6 月 28-7 月 1 H, Las Vegas，NV0冷却温度和冷却速率对于控制成品的最终性能，如表面硬度、硬度、拉伸强度和/ 或烧结密度，是重要的。一种提高上述一种或多种性能的方法是向金属粉末组合物中添加一种或多种合金化材料以控制其相变。例如，对于某些可烧结硬化的材料，延迟奥氏体向铁素体加碳化物的转变，以形成马氏体可提高可硬化性。随着可硬化性的提高，马氏体可在逐渐降低的冷却速率下形成。适宜的合金化材料的实例包括但不限于锰(Mn)、铬(Cr)、钼 (Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)以及它们的组合。较高水平的合金化材料的添加提高了与零件的原料相关的成本。而且，在粉末冶金零件中较高水平的合金化材料的添加可能降低粉末的可压缩性，这进而影响了操作的投资和操作成本。除了在被加工的部件中提高合金化材料添加的水平之外，或者作为其替换方法，其它的用于克服在连续、烧结和烧结硬化炉中低冷却速率问题的方法包括使用纯氢气或者富氢气的炉气氛以促进热传递。但是，由于氢气成本以及操作爆炸性气体中涉及的安全性风险，使用氢气气氛增加了操作以及投资成本。工业生产中使用的常规对流冷却系统的低冷却能力现在另外地在生产过程中造成了瓶颈，这是因为一次只能使更少的零部件通过连续炉，或者需要使用更低的处理速度，以便应付在冷却区中实现除热的任务。因此，烧结硬化以及其他热处理操作的关键挑战之一在于在冷却区中提供足够的零件冷却速率，以获得马氏体相变和所需的硬化效果。安置在连续烧结炉中的常规对流气体冷却系统的效率明显低于常规的油、聚合物、盐或水淬火浴，也低于在分批式热处理操作中优选的高压气体淬火系统。然而，在连续炉操作中淬火浴的使用会不合实际，高压气体淬火室的使用极其受限。本领域中存在这样的需要，即改进烧结硬化过程中的冷却模式，而无需添加一种或多种昂贵的合金化材料，或者替换性地，减少合金化材料的加入量。
技术实现思路
本文描述了用于金属处理的方法、装置以及系统，其通过使用一种或多种低温流体控制连续炉的冷却区的工艺条件来改善烧结的金属零件的一种或多种性质，例如但不限于硬度、烧结后的密度、拉伸强度和/或表面硬度。本文所述的方法、装置以及系统通过向冷却区引入包含有至少一种液相的低温流体来满足本领域的一种或多种需求，其中在冷却区中低温流体的至少部分蒸发，以强化和加速金属零件的冷却。在一些实施方案中，惰性低温流体、还原性低温流体或其组合，如液化氮(LIN)、液体氦、氢气和氩气能被用作低温流体。在一个方面中，提供了用于在炉中处理金属零件的方法，包括提供所述炉，其中所述金属零件在运输带上通过所述炉，包括热区和冷却区，其中所述冷却区具有第一温度； 将低温流体引入冷却区，在该处低温流体将冷却区的温度降低到第二温度，其中所述低温流体的至少一部分在所述冷却区内提供蒸气，并冷却正从中通过的金属零件。在一个实施方案中，所述方法进一步包括将至少部分所述蒸气引向所述炉的出口。在另一实施方案中， 所述方法进一步包括，在所述蒸气进入热区之前将其至少部分排出。在一个方面中，在所述炉的冷却区中，低温流体被直接喷到所述金属零件上。在另一方面中，低温流体通过对流冷却系统注入到冷却区，并在所述炉的冷却区中间接地接触所述金属零件。在进一步的方面中，低温流体在所述炉的冷却区中直接接触所述金属零件， 并通过对流冷却系统间接地接触所述金属零件。在另一方面中，提供了用于处理金属零件的方法，其包括提供炉，其中所述金属零件在运输带上通过所述炉，包括热区和冷却区，其中所述冷却区具有第一温度；将低温流体引入冷却区，在该处所述低温流体将冷却区的温度降低到第二温度，其中所述低温流体的至少一部分在所述冷却区内提供蒸气，并且冷却正从中通过的金属零件；以及将所述金属零件处理到低于o°c的一个或多个温度。附图说明图Ia提供了用于金属零件的烧结硬化的现有技术的典型连续炉的示例。图Ib提供了用于金属零件的烧结硬化的现有技术的典型连续炉的示例，其进一步包括对流冷却系统。图加提供了本文所述的方法和装置的实施方案的示例，其中通过具有一个或多个喷嘴的喷洒装置或集管将低温流体直接喷在工件或金属零件上。图2b提供了本文所述的方法和装置的替换性实施方案的示例，其中所述低温流体被直接喷到工件或金属零件上，其中所述至少一种低温流体使用包含多个喷嘴的一个或多个低温喷洒杆进入冷却区，所述喷嘴和低温流体源流体连通，其中所述喷嘴用于控制冷却区的长度和/或跨越所述炉的宽度。图2c提供了本申请所述的方法和装置的替换性实施方案的示例，其中低温流体通过对流冷却系统间接地喷到工件上，其中所述至少一种低温流体通过一个或多个充气箱进入所述冷却区。图2d提供了本申请所述的方法和装置的另一实施方案的示例，其中低温流体直接喷在工件本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种用于在连续炉中处理金属零件的方法，该方法包括：提供所述炉，其中所述金属零件在运输带上从该炉中通过，所述炉包括热区和冷却区，其中所述冷却区具有第一温度；以及将低温流体引入所述冷却区，在该处所述低温流体将所述冷却区的温度降低到第二温度，其中所述低温流体的至少一部分在所述冷却区内提供蒸气并冷却正从中通过的所述金属零件。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：Z·苏雷基，R·高希，L·A·默肯多，何筱毅，J·L·格林，D·S·纳尔逊，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：US