燒結爐的製作方法
2023-04-30 04:40:51
本實用新型涉及材料燒結領域，更具體地說，它涉及一種燒結爐。
背景技術：
燒結爐是利用感應加熱對被加熱物品進行保護性燒結的爐子，可分為工頻、中頻、高頻等類型，可以歸屬於燒結爐的子類。真空感應燒結爐是在真空或保護氣氛條件下，利用中頻感應加熱的原理使硬質合金刀頭及各種金屬粉末壓制體實現燒結的成套設備，是為硬質合金、金屬鏑、陶瓷材料的工業生產而設計的。
以鋼為例，鋼材料要想獲得某些工件特性，需要對其進行熱處理，使其晶體結構發生變化，達到需要的物理性能。而鋼材料在經過燒結爐燒結之後，由於現有技術中燒結爐的冷卻技術的冷卻速率有限，無法實現快速的冷卻，因此無法達到熱處理中迅速冷卻的要求，因此當鋼材料完成燒結工藝之後，需要將其轉移至熱處理爐內進行熱處理。如圖1a表示的現有技術中鋼材料在燒結爐內工藝曲線，圖1b表示的是現有技術中鋼材料在熱處理爐中的工藝曲線。由於燒結爐在燒結完成之後，需要等待材料的冷卻，增加了生產所需要的時間，冷卻完畢之後再轉移至熱處理爐，增加了生產的工序，導致生產效率低下。另外燒結爐中的材料從高溫冷卻，轉移到熱處理爐中又要重新進行加熱，導致了能量的浪費。
技術實現要素：
針對現有技術存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種燒結爐，其生產效率提高，減少了能源的浪費。
為實現上述目的，本實用新型提供了如下技術方案：一種燒結爐，包括爐體、冷卻裝置，爐體包括裝料室、位於裝料室外的保溫室、位於保溫室外的外殼，所述的冷卻系統包括存儲惰性冷卻氣體的氣體存儲單元，所述的裝料室設有與氣體存儲單元連通的進氣系統，所述的爐體還設有將裝料室內的惰性冷卻氣體排出的排氣系統。
通過採用上上述技術方案，將氣體存儲單元中的惰性冷卻氣體直接通入至燒結爐的裝料室內，由於液態的氮氣與氬氣氣化之後溫度極低，低溫的氮氣或氬氣在裝料室內和材料進行熱交換，由於惰性冷卻氣體直接與材料進行接觸，以最有效的方式進行熱交換，將材料上的溫度帶走，實現材料的迅速冷卻降溫，冷卻速率的變化區間更大，從而可以通過不同的冷卻條件產生使材料燒結後產生不同的產物，完成對材料熱處理的工藝，由單個燒結爐完成燒結與熱處理兩個工藝過程，去掉了現有技術中燒結爐中緩慢冷卻的過程與熱處理爐中升溫的過程，同時也少去了從燒結爐轉移至熱處理爐中的過程，使的生產效率提高，減少了能源的浪費。
本實用新型進一步設置為：所述的進氣系統連通裝料室的底部，所述裝料室的頂部設有將惰性冷卻氣體排出的排氣孔，所述的排氣孔連通排氣系統。
通過採用上述技術方案，根據熱空氣上升的原理，裝料室的底部接通進氣系統，經過熱處理後的惰性冷卻氣體從頂部排出，提高冷卻效率。
本實用新型進一步設置為：所述的排氣孔連通保溫室，所述的排氣系統與保溫室連通。
通過採用上述技術方案，裝料室的排氣孔連通保溫室，從裝料室排出的惰性冷卻氣體其溫度依舊交低，因此進入到保溫室內的惰性冷卻氣體還可以與裝料室的外壁再次進行熱交換，提高惰性冷卻氣體的使用效率。通過對裝料室內的材料直接冷卻以及對裝料室外壁的冷卻，雙重的冷卻方式使的冷卻速度極快。
本實用新型進一步設置為：所述保溫室與外殼之間設有散熱室，所述的保溫室設有與散熱室相通的循環進氣口、循環出氣口以及驅動氣體在散熱室與裝料室循環的離心風機。
通過採用上述技術方案，進入到保溫室內的惰性冷卻氣體在循環風機的作用之下，裝料室內的惰性冷卻氣體由保溫室的循環出氣口排出，循環進氣口回到保溫室內，進一步的增加惰性冷卻氣體的使用效率，通過氣體循環系統使保溫室與散熱室之間的氣體進行氣體循環，使惰性冷卻氣體與材料之間進行充分接觸，進一步增加裝料室內的材料與惰性冷卻氣體進行熱交換，提高冷卻效率，增加惰性冷卻氣體的利用效率。
本實用新型進一步設置為：所述的循環進氣口與循環出氣口位於保溫室的兩端，所述的循環出氣口與循環出氣口均設有啟閉門。
通過採用上述技術方案，通過離心風機使裝料室內的惰性冷卻氣體發生流動，離心風機的產生的氣流從裝料室的一端到另一端，提高循環效率。
本實用新型進一步設置為：所述的氣體循環系統還包括位於散熱室內的水風散熱器，所述的水風散熱器連接有循環冷卻水系統。
通過採用上述技術方案，採用水風散熱器對散熱室內的惰性冷卻氣體進行散熱，這樣可以減少惰性冷卻氣體的使用，減小成本，同時採用水風散熱器可以增加材料冷卻的效率。
本實用新型進一步設置為：所述的外殼兩端設有爐門，所述的循環風機固定於爐門上，所述的爐門還設有控制啟閉門開關的啟閉機構。
通過採用上述技術方案， 啟閉門將氣體循環系統與保溫室隔離，從而避免氣體循環系統因為保溫室的高溫而損壞，同時將循環進氣口封閉，使通入到裝料室內的氣體集中的對裝料室內的材料進行冷卻，提高冷卻的效率，啟閉門的啟閉通過爐門上的啟閉機構進行控制，實現自動化。
附圖說明
圖1a為現有技術中燒結爐的時間溫度曲線；
圖1b為現有技術中熱處理爐的時間溫度曲線；
圖2為第一種燒結爐的燒結工藝的時間溫度曲線；
圖3為第二種燒結爐的燒結工藝的時間溫度曲線；
圖4為共析鋼的CCT圖；
圖5為不同冷卻條件下所產生產物的時間溫度曲線；
圖6為本燒結爐的結構示意圖。
附圖標記：1、爐體；11、爐門；12、啟閉門；13、啟閉機構；15、循環風機；15、水風散熱器；2、外殼；21、冷卻夾層；22、散熱室；3、保溫層；31、保溫室； 32、循環進氣口；33、循環出氣口；4、裝料室；41、排氣孔；5、進氣系統；6、排氣系統；7、氣體存儲單元。
具體實施方式
針對現有技術中存在的缺陷，本實用新型的工藝曲線如圖2、3、6所示，通過對比，本實用新型工藝曲線中I點之前的過程與現有技術圖1的工藝曲線相同；在I點之後，採用了急速冷卻技術，將惰性冷卻氣體（如氮氣、氬氣等，當然還包括其他不予材料發生化學反應的氣體）通入至燒結爐的裝料室4與保溫室31內，由於液態的氮氣與氬氣汽化之後溫度極低。將低溫的氮氣或氬氣通入裝料室4和保溫室31內進行熱交換，經過熱交換後的惰性冷卻氣體排出燒結爐，控制惰性冷卻氣體通入燒結爐與排出燒結爐的速率，控制燒結爐爐內的氣壓。
由於惰性冷卻氣體直接與材料進行接觸，以最有效的方式進行熱交換，將材料上的溫度帶走，實現材料的迅速冷卻降溫。在通入惰性冷卻氣體的同時，可以在惰性冷卻氣體內混入添加劑，用於和鋼材料發生反應，使新的元素增加至鋼材料中，例如材料表面需要滲碳滲氮，這樣就可以在惰性冷卻氣體中增加二氧化碳或氮氣。
惰性冷卻氣體來自於外置的冷卻系統，冷卻系統包括圖6中的氣體存儲單元7，將氣體存儲單元7中惰性冷卻氣體通過進氣系統5連通燒結爐。本實用新型中的惰性冷卻氣體可以是循環利用，從燒結爐內排除的高溫氣體重新進入到冷卻系統進行冷卻重複利用；也可一次性使用，即惰性冷卻氣體從燒結爐內帶著熱量直接排出至大氣中，保證進入到燒結爐內的惰性冷卻氣體都是低溫的，從而實現材料急速的降溫。
低溫的惰性冷卻氣體通入至燒結爐中的過程依次分為快速充氣階段與慢速充氣階段，快速充氣的可以使裝料室4內的高溫材料與惰性低溫氣體進行快速的熱交換，實現快速的降溫，在溫度下降的速率達到要求之後，進行慢速的充氣，使材料與惰性冷卻氣體之間進行充分的熱交換，減少惰性冷卻氣體的使用，降低生產成本。
如圖5所示，其主要表示的是在不同冷卻條件下所轉變的產物，通過本實用新型所提供的冷卻方法，可以使燒結爐內的材料急速的冷卻，使冷卻的條件達到如圖5中靠左邊的X1曲線，在該冷卻條件下會產生M+A』（馬氏體+奧氏體）的產物，而現有技術中由於冷卻速率無法比X1曲線的冷卻速率更大，因此現有的燒結爐是無法達到圖5中左邊X1、X2曲線的條件,也就無法生成M+A』。根據圖5中的曲線變化條件，本實用新型提供了兩種獲得M+A』產物的燒結爐的燒結工藝：
第一種燒結爐的燒結工藝，時間溫度曲線如圖2所示：
（1）負壓脫蠟；降低燒結爐內的氣壓至脫蠟氣壓，並通入惰性冷卻氣體，對燒結爐內進行加溫並保持脫蠟溫度直至臘氣化隨惰性冷卻氣體排出；
（2）真空燒結；對燒結爐內升溫至真空燒結溫度，控制燒結爐內的氣壓至真空燒結氣壓，並完成真空燒結；
（3）分壓燒結；控制燒結爐內的溫度至分壓燒結溫度，控制燒結爐內的氣壓至分壓燒結氣壓，並完成分壓燒結；
（4）熱處理；熱處理中的冷卻採用如權利要求1所述的燒結爐的冷卻方法。
（5）工藝結束
即材料在燒結完成後，直接通過燒結爐的冷卻方法進行冷卻，，其熱處理的過程中，由於採用了燒結爐的冷卻方法，其冷卻的速率可以達到圖5中最左邊X1所示的曲線，實現熱處理中的淬火，得到M+A』的產物，適用於厚度較厚，結構較為簡單的工件。
第二種燒結爐的燒結工藝，溫度時間曲線如圖3所示：
（1）負壓脫蠟；降低燒結爐內的氣壓至脫蠟氣壓，並通入惰性冷卻氣體，對燒結爐內進行加溫並保持脫蠟溫度直至臘氣化隨惰性冷卻氣體排出；
（2）真空燒結；對燒結爐內升溫至真空燒結溫度，控制燒結爐內的氣壓至真空燒結氣壓，並完成真空燒結；
（3）分壓燒結；控制燒結爐內的溫度至分壓燒結溫度，控制燒結爐內的氣壓至分壓燒結氣壓，並完成分壓燒結；
（4）急速強冷；將惰性冷卻氣體通入至裝料室4內，使惰性冷卻氣體與裝料室4內的材料進行熱交換，將裝料室4內的惰性冷卻氣體從裝料室4內排出。
（5）分壓持溫；控制燒結爐內的溫度持溫溫度，並控制燒結爐內的氣壓至分壓持溫氣壓，完成分壓持穩。
（6）負壓強冷；減低燒結爐內的氣壓，並對燒結爐進行快速冷卻。
（7）工藝結束。
其中（4）、（5）、（6）是熱處理中分級淬火的工藝，如圖3中所示X2曲線所示，同樣可以得到M+A』的產物，但由於奧氏體比馬氏體的密度大（奧氏體是面心立方結構，而馬氏體是過飽和的體心四方結構），因此奧氏體向馬氏體轉變的過程中會產生熱應力和相變應力（奧氏體向馬氏體轉變的體積變化而產生的內應力即為相變應力），導致工件產生開裂、裂紋，對於複雜形狀工件來說尤其嚴重。採用分級淬火法可以有效地減少轉變過程中裂紋的產生。
由於共析鋼的過冷奧氏體連續轉變曲線最簡單，他只有珠光體和馬氏體轉變區，沒有貝氏體轉變區，因此本實用新型以共析鋼為例，如圖4所示是共析鋼的CCT曲線，其中主要由Ms和冷卻速線Vc以下為馬氏體轉變區；珠光體轉變區由3條曲線構成，左邊的為過冷奧氏體轉變開始線，右邊為過冷奧氏體轉變終了線，下面連寫為過冷奧氏體轉變終止線；
過冷奧氏體以V1速度冷卻，冷卻曲線與珠光體轉變開始線相交時，奧氏體開始向珠光體轉變，與珠光體轉變終了先相交時得到100%珠光體；
過冷奧氏體冷卻速度增大到Vc』的時候，轉變過程與V1時相同，也的到100%珠光體，但轉變開始與終了的溫度降低，轉變區間增大，轉變時間縮短，得到珠光體彌散度加大；
過冷奧氏體以V2速度冷卻，冷卻曲線與珠光體轉變開始線相交，發生珠光體轉變，但冷至轉變中止線時，珠光體轉變停止，繼續冷至Ms點以下，未轉變奧氏體發生馬氏體轉變；
過冷奧氏體以冷卻速率大於Vc，奧氏體過冷到Ms點以下發生馬氏體轉變，冷卻終止後得到馬氏體+奧氏體（殘餘）；
現有技術中燒結爐的局限之初在於其冷卻速度較慢，無法使冷卻的速率大於Vc，而本實用新型中提供的燒結爐的冷卻方法的冷卻效果極佳，可以使冷卻速率大於Vc，也就可以獲得馬氏體+奧氏體（殘餘）的產物。同時惰性冷卻氣體充入的燒結爐內的速率，壓強可控，使的冷卻速率的控制區間較大，可以實現多種條件的冷卻，從而可以通過改變冷卻的條件獲得圖4中的各種熱處理的產物，使熱處理在燒結爐內完成而無需額外轉移至熱處理爐內進行熱處理。
如圖6所示，最外層為燒結爐的外殼2，外殼2內部設有冷卻夾層21，在冷卻夾層21內通有冷卻水，可以用於對爐體1內部進行散熱，同時保持外殼2外壁的溫度不致於過高，外殼2裡面的一層為保溫層3，保溫層3與外殼2之間為散熱室22，保溫層3的內部為保溫室31，保溫室31的兩端貫通，通過啟閉門12進行啟閉，啟閉門12安裝於外殼2的爐門11上，通過爐門11上的啟閉機構13控制啟閉門12的打開與關閉；在保溫室31內部設有裝料室4，裝料室4用於填裝燒結材料。
裝料室4的底部設置有進氣系統5，進氣系統5和氣體存儲單元7連通，氣體存儲單元7內部存儲有壓縮的惰性冷卻氣體，在需要對裝料室4內部的材料進行冷卻的時候，通過進氣系統5將氣體存儲單元7內的氣體引入裝料室4，氣體存儲單元7中液態的惰性冷卻氣體液化，會吸收大量的熱量，通入至裝料室4內部的惰性冷卻氣體與材料直接進行熱交換，冷卻效率高，裝料室4內材料的冷卻速率達到熱處理的要求，完成上述工藝工程中的熱處理過程。
經過熱交換的惰性冷卻氣體通過裝料室4頂部的排氣孔41進入至保溫室31內，經過一次熱交換的惰性冷卻氣體其溫度依舊較低，可以對裝料室4的外壁再次進行熱交換，增加惰性冷卻氣體的使用效率，減少成本。在保溫室31上連接有排氣系統6，經過熱交換的惰性冷卻氣體通過排氣系統6排出保溫室31；通過控制進氣系統5的進氣速率與控制排氣系統6的排氣速率，可以對裝料室4內的氣壓進行控制，使裝料室4內的氣壓符合熱處理的要求。
為了進一步的增加惰性冷卻氣體的使用效率，可以通過啟閉機構13打開啟閉門12，其中啟閉機構13可以採用油缸、氣缸或點擊實現，打開啟閉門12後，可以使保溫室31與散熱室22連通，在循環風機14的作用之下，使氣體在保溫室31與散熱室22之間循環流動，其中氣體的流動的路徑如圖1中的箭頭所示，其中保溫室靠近循環風機一端為循環出氣口33，另一端為循環進氣口32。在循環風機14的前端設置有水風散熱器15，在水風散熱器15內通入循環冷卻時，實現對爐體1內的氣體進行冷卻。當氣體在散熱室22與保溫室31內循環流動的時候，氣體還與外殼2進行熱交換，通過外殼2冷卻夾層21內的冷卻水將氣體中的熱量帶走，從而使氣體的熱量降低，散熱室22內經過降溫的氣體又通入至保溫室31內，對保溫室31內的材料進行冷卻，如此往復循環，增加散熱的速率。通過這種結構還可以增加惰性冷卻氣體的利用效率，因為惰性冷卻氣體與材料接觸之後，其溫度依舊比較低，通過上述的方式進行循環，可以使惰性冷卻氣體與裝料室4內的材料充分的熱交換。
以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本實用新型思路下的技術方案均屬於本實用新型的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。