專(zhuān)利名稱(chēng)：使用低溫冷卻的金屬處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文描述了用于燒結(jié)金屬部件或金屬合金部件尤其是鋼部件的方法、系統(tǒng)以及裝置。特別的是，本文描述的是用于燒結(jié)鋼部件的方法、系統(tǒng)以及裝置。
背景技術(shù)：
粉末冶金經(jīng)常用于制備各種簡(jiǎn)單和復(fù)雜幾何形狀的碳鋼構(gòu)件，這些碳鋼構(gòu)件需要具有緊密的尺寸公差、良好的強(qiáng)度及耐磨性。該工藝也被稱(chēng)作燒結(jié)硬化，通常用于通過(guò)壓實(shí)和燒結(jié)冶金粉末制備高硬度的鐵基合金。該方法包括將混合了有機(jī)潤(rùn)滑劑的金屬粉末壓制成有用的形狀，然后在高溫下的連續(xù)爐中，在受控氣氛中將其燒結(jié)成成品。針對(duì)此方法的受控氣氛典型地包括氮?dú)夂蜌錃饣蛭鼰嵝蜌怏w混合物。連續(xù)燒結(jié)爐一般包括三個(gè)不同的區(qū)，即預(yù)熱區(qū)、熱區(qū)和冷卻區(qū)。預(yù)熱區(qū)用于將部件預(yù)熱到預(yù)定溫度，以及在熱方面輔助將有機(jī)潤(rùn)滑劑從部件中除去。熱區(qū)用于燒結(jié)部件。熱區(qū)的溫度典型地在600°C至1350°C。但是，這一溫度可以隨所加工的金屬粉末而變化。冷卻區(qū)用于在部件移出連續(xù)爐之前冷卻所述部件。在冷卻區(qū)中可能發(fā)生馬氏體相變。金屬燒結(jié)，包括在惰性和還原性的氣氛中鋼的燒結(jié)硬化，是眾所周知的?？刂茻Y(jié)硬化的技術(shù)因素的總體概覽可以在下列文獻(xiàn)中看到“EffeCt of Cooling Rates During Sinter-Hardening”，作者 G. · Fillari et al.，發(fā)表在 PM2TEC 2003，Las Vegas, NV," Areview of current sinter-hardening technology，，,作者 M. L. Marucci et al·,發(fā)表在 PM2004 World Congress, Vienna, Austria, "Sintering a path to cost-effective hardened parts”，發(fā)表在 ^Technical Trends, MPR 2005 年 6 月，0026-0657/05 , 2005 Elsevier Ltd.，和在 2009 年公開(kāi)的標(biāo)題為“ 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冷卻溫度和冷卻速率對(duì)于控制成品的最終性能，如表面硬度、硬度、拉伸強(qiáng)度和/ 或燒結(jié)密度，是重要的。一種提高上述一種或多種性能的方法是向金屬粉末組合物中添加一種或多種合金化材料以控制其相變。例如，對(duì)于某些可燒結(jié)硬化的材料，延遲奧氏體向鐵素體加碳化物的轉(zhuǎn)變，以形成馬氏體可提高可硬化性。隨著可硬化性的提高，馬氏體可在逐漸降低的冷卻速率下形成。適宜的合金化材料的實(shí)例包括但不限于錳(Mn)、鉻(Cr)、鉬 (Mo)、銅(Cu)、鎳(Ni)以及它們的組合。較高水平的合金化材料的添加提高了與零件的原料相關(guān)的成本。而且，在粉末冶金零件中較高水平的合金化材料的添加可能降低粉末的可壓縮性，這進(jìn)而影響了操作的投資和操作成本。除了在被加工的部件中提高合金化材料添加的水平之外，或者作為其替換方法，其它的用于克服在連續(xù)、燒結(jié)和燒結(jié)硬化爐中低冷卻速率問(wèn)題的方法包括使用純氫氣或者富氫氣的爐氣氛以促進(jìn)熱傳遞。但是，由于氫氣成本以及操作爆炸性氣體中涉及的安全性風(fēng)險(xiǎn)，使用氫氣氣氛增加了操作以及投資成本。工業(yè)生產(chǎn)中使用的常規(guī)對(duì)流冷卻系統(tǒng)的低冷卻能力現(xiàn)在另外地在生產(chǎn)過(guò)程中造成了瓶頸，這是因?yàn)橐淮沃荒苁垢俚牧悴考ㄟ^(guò)連續(xù)爐，或者需要使用更低的處理速度，以便應(yīng)付在冷卻區(qū)中實(shí)現(xiàn)除熱的任務(wù)。因此，燒結(jié)硬化以及其他熱處理操作的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一在于在冷卻區(qū)中提供足夠的零件冷卻速率，以獲得馬氏體相變和所需的硬化效果。安置在連續(xù)燒結(jié)爐中的常規(guī)對(duì)流氣體冷卻系統(tǒng)的效率明顯低于常規(guī)的油、聚合物、鹽或水淬火浴，也低于在分批式熱處理操作中優(yōu)選的高壓氣體淬火系統(tǒng)。然而，在連續(xù)爐操作中淬火浴的使用會(huì)不合實(shí)際，高壓氣體淬火室的使用極其受限。本領(lǐng)域中存在這樣的需要，即改進(jìn)燒結(jié)硬化過(guò)程中的冷卻模式，而無(wú)需添加一種或多種昂貴的合金化材料，或者替換性地，減少合金化材料的加入量。

發(fā)明內(nèi)容
本文描述了用于金屬處理的方法、裝置以及系統(tǒng)，其通過(guò)使用一種或多種低溫流體控制連續(xù)爐的冷卻區(qū)的工藝條件來(lái)改善燒結(jié)的金屬零件的一種或多種性質(zhì)，例如但不限于硬度、燒結(jié)后的密度、拉伸強(qiáng)度和/或表面硬度。本文所述的方法、裝置以及系統(tǒng)通過(guò)向冷卻區(qū)引入包含有至少一種液相的低溫流體來(lái)滿足本領(lǐng)域的一種或多種需求，其中在冷卻區(qū)中低溫流體的至少部分蒸發(fā)，以強(qiáng)化和加速金屬零件的冷卻。在一些實(shí)施方案中，惰性低溫流體、還原性低溫流體或其組合，如液化氮(LIN)、液體氦、氫氣和氬氣能被用作低溫流體。在一個(gè)方面中，提供了用于在爐中處理金屬零件的方法，包括提供所述爐，其中所述金屬零件在運(yùn)輸帶上通過(guò)所述爐，包括熱區(qū)和冷卻區(qū)，其中所述冷卻區(qū)具有第一溫度； 將低溫流體引入冷卻區(qū)，在該處低溫流體將冷卻區(qū)的溫度降低到第二溫度，其中所述低溫流體的至少一部分在所述冷卻區(qū)內(nèi)提供蒸氣，并冷卻正從中通過(guò)的金屬零件。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法進(jìn)一步包括將至少部分所述蒸氣引向所述爐的出口。在另一實(shí)施方案中， 所述方法進(jìn)一步包括，在所述蒸氣進(jìn)入熱區(qū)之前將其至少部分排出。在一個(gè)方面中，在所述爐的冷卻區(qū)中，低溫流體被直接噴到所述金屬零件上。在另一方面中，低溫流體通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)注入到冷卻區(qū)，并在所述爐的冷卻區(qū)中間接地接觸所述金屬零件。在進(jìn)一步的方面中，低溫流體在所述爐的冷卻區(qū)中直接接觸所述金屬零件， 并通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)間接地接觸所述金屬零件。在另一方面中，提供了用于處理金屬零件的方法，其包括提供爐，其中所述金屬零件在運(yùn)輸帶上通過(guò)所述爐，包括熱區(qū)和冷卻區(qū)，其中所述冷卻區(qū)具有第一溫度；將低溫流體引入冷卻區(qū)，在該處所述低溫流體將冷卻區(qū)的溫度降低到第二溫度，其中所述低溫流體的至少一部分在所述冷卻區(qū)內(nèi)提供蒸氣，并且冷卻正從中通過(guò)的金屬零件；以及將所述金屬零件處理到低于o°c的一個(gè)或多個(gè)溫度。


圖Ia提供了用于金屬零件的燒結(jié)硬化的現(xiàn)有技術(shù)的典型連續(xù)爐的示例。
圖Ib提供了用于金屬零件的燒結(jié)硬化的現(xiàn)有技術(shù)的典型連續(xù)爐的示例，其進(jìn)一步包括對(duì)流冷卻系統(tǒng)。圖加提供了本文所述的方法和裝置的實(shí)施方案的示例，其中通過(guò)具有一個(gè)或多個(gè)噴嘴的噴灑裝置或集管將低溫流體直接噴在工件或金屬零件上。圖2b提供了本文所述的方法和裝置的替換性實(shí)施方案的示例，其中所述低溫流體被直接噴到工件或金屬零件上，其中所述至少一種低溫流體使用包含多個(gè)噴嘴的一個(gè)或多個(gè)低溫噴灑桿進(jìn)入冷卻區(qū)，所述噴嘴和低溫流體源流體連通，其中所述噴嘴用于控制冷卻區(qū)的長(zhǎng)度和/或跨越所述爐的寬度。圖2c提供了本申請(qǐng)所述的方法和裝置的替換性實(shí)施方案的示例，其中低溫流體通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)間接地噴到工件上，其中所述至少一種低溫流體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充氣箱進(jìn)入所述冷卻區(qū)。圖2d提供了本申請(qǐng)所述的方法和裝置的另一實(shí)施方案的示例，其中低溫流體直接噴在工件以及間接地通過(guò)冷卻系統(tǒng)，其中所述至少一種低溫流體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充氣箱進(jìn)入所述冷卻區(qū)。圖提供了如圖加中所述的方法和裝置的替換性實(shí)施方案，其中低溫流體直接噴在工件上，以及其中所述裝置還包括與位于爐中各個(gè)位置的多個(gè)傳感器電連接的控制器，以提供爐內(nèi)溫度分布的實(shí)時(shí)反饋。在一些實(shí)施方案中，控制器也與可以在爐的一個(gè)或多個(gè)位置打開(kāi)、關(guān)閉或部分打開(kāi)和關(guān)閉簾的致動(dòng)器電連接。在這個(gè)或其他實(shí)施方案中，所述控制器進(jìn)一步與閥流量控制單元電連接，所述閥流量控制單元能夠控制通過(guò)閥進(jìn)入到爐中的和/或包含在所述爐中的氣體或流體的流量。圖2f提供了如圖2c中所示的方法和裝置的替換性實(shí)施方案的示例，其中低溫流體通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)間接地噴在工件上，其中低溫流體通過(guò)多個(gè)噴嘴進(jìn)入到冷卻區(qū)，以及其中所述裝置還包括與安置在熱區(qū)和冷卻區(qū)中的多個(gè)傳感器電連接的控制器，以提供所述爐內(nèi)溫度分布的實(shí)時(shí)反饋。在一些實(shí)施方案中，控制器也與可以在爐的一個(gè)或多個(gè)位置打開(kāi)、關(guān)閉或部分打開(kāi)和關(guān)閉簾的致動(dòng)器電連接。在這個(gè)或其他實(shí)施方案中，所述控制器進(jìn)一步與閥流量控制單元電連接，所述閥流量控制單元能夠控制通過(guò)閥進(jìn)入到爐中的或包含在所述爐中的氣體或流體的流量。圖2g和圖池提供了低溫液體噴灑裝置的實(shí)施方式的內(nèi)部和外部視圖的實(shí)例，所述噴灑裝置可以提供爐內(nèi)橫跨傳輸帶寬度的一個(gè)或多個(gè)工件的均勻強(qiáng)度的噴射冷卻。圖3比較了使用和未使用計(jì)算機(jī)模擬的如實(shí)施例1中所示的對(duì)流冷卻系統(tǒng)的低溫流體噴射(例如液態(tài)氮(LIN))產(chǎn)生的冷卻速率，作為溫度與運(yùn)行距離(例如，通過(guò)爐的運(yùn)行時(shí)間)的函數(shù)。圖4比較了使用和未使用計(jì)算機(jī)模擬的如實(shí)施例1中所示的對(duì)流冷卻系統(tǒng)的低溫流體或LIN噴射產(chǎn)生的冷卻速率，作為冷卻速率與運(yùn)行距離(例如，通過(guò)爐的運(yùn)行時(shí)間)的函數(shù)。圖5展示了如實(shí)施例2所示的實(shí)施LIN噴射對(duì)溫度分布和鋼的冷卻速率的影響。圖6提供了如實(shí)施例2所示的對(duì)于氮?dú)鈿?氣氛(GAN)和包含有液氮(LIN)的氮?dú)鈿夥?GAN)而言燒結(jié)區(qū)、沖擊區(qū)和冷卻區(qū)的溫度。
具體實(shí)施例方式本文所述的是用于冷卻金屬或金屬合金零件的方法、裝置以及系統(tǒng)，包括注入一種或多種低溫流體。已經(jīng)經(jīng)過(guò)高溫加工或處理的已加工金屬零件暴露于包含有一種或多種低溫流體的氣氛中。通過(guò)在冷卻區(qū)中注入一種或多種低溫流體提高冷卻速率，使得能夠獲得所述金屬零件的一種或多種所需的材料性質(zhì)，比如但不限于硬度、拉伸強(qiáng)度、燒結(jié)密度和 /或表面硬度。在某些實(shí)施方案中，低溫流體——其一旦注入到連續(xù)爐的冷卻區(qū)——就沸騰、蒸發(fā)成蒸氣并提供致冷。在該實(shí)施方案中，來(lái)自低溫流體(一種或多種)的過(guò)量蒸氣能夠通過(guò)附加裝置排出，或者替換性地導(dǎo)向爐的出口端，以防止熱區(qū)的冷卻。在本申請(qǐng)所述的方法、系統(tǒng)或裝置的一些實(shí)施方案中，低溫流體可直接噴灑到金屬零件上，間接地注入到對(duì)流冷卻系統(tǒng)，或其組合。不受理論的約束，相信低溫流體通過(guò)液態(tài)蒸發(fā)的潛焓以及低溫蒸氣的加熱的結(jié)合增強(qiáng)了零件在溫度區(qū)間內(nèi)的冷卻。相信使用增強(qiáng)或加速了的冷卻可以允許對(duì)含有降低水平的合金化添加劑的可燒結(jié)硬化的粉末冶金零件進(jìn)行加工，其中所述合金化添加劑通常用于提高鋼的可硬化性。就這一點(diǎn)而言，使用更少的合金化添加劑，能夠得到相同或改善的金屬零件的材料性能。另外，增強(qiáng)的或加速了的冷卻可允許具有至少一種以下優(yōu)點(diǎn)爐內(nèi)更短的冷卻區(qū)、爐內(nèi)傳輸帶上的金屬零件的更高的加載量、和/或連續(xù)爐的更高處理量。進(jìn)一步，本文所述的方法、裝置和系統(tǒng)也可以允許燒結(jié)硬化更大尺寸的零件或工件， 而所述更大尺寸的零件或工件目前由于冷卻限制而可能不可以燒結(jié)硬化。例如，本申請(qǐng)所述的系統(tǒng)、方法和裝置可用于例如典型地的粉末基冶金零件的燒結(jié)硬化，以及工具鋼、奧氏體、鐵素體和馬氏體不銹鋼以及各種銅合金的熱處理。在其中金屬粉末組成中含有碳的實(shí)施方案中，碳可以為石墨形式、合金化的形式以及其他合適形式。 其他元素，如硼(B)、鋁(Al)、硅(Si)、磷(P)、硫(S)或其組合，也可被添加到金屬粉末中， 以獲得最終燒結(jié)產(chǎn)品所需的性能。除前述之外，可添加到金屬零件中的其他元素包括，但不限于，錳、鉻、鉬、銅、鎳以及其組合。可被用于根據(jù)本申請(qǐng)所述的方法通過(guò)燒結(jié)制備金屬零件的示例性金屬粉末組成可為鐵0^)，鐵-碳(C)(其可包含有最多為碳)，!^e-Cu-C(其含有最多為25 %的銅和1 %的碳)，!^-Mo-Mn-Cu-Ni-C (其含有各自最多為1. 5 %的鉬和錳， 以及鎳和銅的每個(gè)最多為4% )。對(duì)于其中金屬粉末用于制備工具鋼或不銹鋼零件的實(shí)施方案，金屬粉末的組成可含有10. 5%的鉬、12. 5%的鎢、12%的鈷、18%的鉻以及8%的鎳。 在某些實(shí)施方案中，金屬粉末組成可含有潤(rùn)滑劑，以例如便于在壓制過(guò)程中壓實(shí)。這些潤(rùn)滑劑的實(shí)例包括例如硬脂酸鋅、硬脂酸、亞乙基雙-硬脂酰胺蠟(ethylene bis-stearmide wax)或任何其他潤(rùn)滑劑，以協(xié)助從其中壓緊組分。金屬粉末在高壓下被壓制成緊湊零件，隨后被放入連續(xù)爐中。圖1中提供了可用于本申請(qǐng)所述的方法、裝置或系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)連續(xù)爐的實(shí)例。 圖1中所展示的爐可能與由賓西法尼亞的圣瑪麗阿博特爐公司(Abbott Furnace Company of St. Mary’ s Pennsylvania)提供的連續(xù)帶燒結(jié)爐相似。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到其他爐結(jié)構(gòu)可用于本申請(qǐng)所述的方法、裝置和/或系統(tǒng)。參看圖1，爐10具有潤(rùn)滑劑脫除或預(yù)熱區(qū)20、燒結(jié)或熱區(qū)30以及冷卻區(qū)40，其具有用于將工件傳送到爐10的不同部分的傳輸帶50。箭頭 3顯示了傳輸帶50的傳輸方向。傳輸帶50可以由各種金屬材料和/或陶瓷材料制成，例如超合金或不銹鋼、碳化硅以及能夠承受爐環(huán)境的氧化物陶瓷化合物。傳輸帶50可以典型地以典型的大約1至大約12英寸/分鐘(in./min.)的速度運(yùn)行。在某些爐中，爐10在預(yù)熱區(qū)20和熱區(qū)30之間也可設(shè)置有第二預(yù)熱區(qū)(未示出)。冷卻區(qū)40可被定義為熱區(qū)30之后的區(qū)，在該區(qū)進(jìn)行金屬零件的冷卻。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，冷卻區(qū)40中可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)冷卻裝置。爐10典型地在大氣壓下運(yùn)行，并具有設(shè)置在爐10的一端或兩端的排氣煙道(未示出) 以供排出過(guò)程氣體。在此所圖示的實(shí)施方案中，可設(shè)置擋板(barrier)或簾(CUrtain)5，以控制或隔離出爐10不同部分內(nèi)與溫度、氣流、大氣組成或其它特征有關(guān)的某些區(qū)。簾5獨(dú)立地與致動(dòng)器或其他裝置(未示出)連接，以根據(jù)所需的處理周期打開(kāi)、關(guān)閉和/或部分打開(kāi)關(guān)閉。進(jìn)入的工件，如粉末金屬壓坯或金屬零件，首先進(jìn)入預(yù)熱區(qū)20進(jìn)行預(yù)燒結(jié)處理。 預(yù)熱區(qū)20典型地維持在升高的溫度，如達(dá)到大約1200 T (6500C )。預(yù)熱區(qū)20內(nèi)的氣態(tài)氣氛通常包含有相對(duì)高露點(diǎn)的氣體混合物，其可通過(guò)燃料如甲烷(CH4)在外部燃燒器(未示出)中燃燒產(chǎn)生。其他氣體，如氫氣、氬氣，氦氣或隊(duì)等，也可存在于預(yù)熱區(qū)20中。燃燒產(chǎn)物，如CO、二氧化碳(CO2)、N2和水(H2O)，以及任何殘留氣體，如CH4和氧氣(O2)、空氣和/或其他氣體，可通過(guò)任選的氣體入口 M或其他裝置注入到預(yù)熱區(qū)20中。在具有任選的氣體入口 M的實(shí)施方案中，氣體入口 M也可用于注入氧化性氣體物流，例如但不限于空氣和/ 或氧氣，它們可促進(jìn)潤(rùn)滑劑分解成C02、O2和/或其他來(lái)自包含在原始零件中的潤(rùn)滑劑分解產(chǎn)物。圖Ia也示出了任選的引燃火焰(pilot flame) 15，其用于燃燒工件中所含的含碳組分，如粘結(jié)劑或蠟。預(yù)熱區(qū)20的溫度應(yīng)當(dāng)足夠高，以使得粉末金屬零件中的潤(rùn)滑劑在進(jìn)入到熱區(qū)30之前可被蒸發(fā)掉。在預(yù)燒結(jié)處理之后，工件或金屬零件從第一預(yù)熱區(qū)20傳送到第二預(yù)熱區(qū)(如果存在)，隨后傳送到熱區(qū)30中燒結(jié)。通常，燒結(jié)條件如溫度或氣體組成等可隨著工件或金屬零件中所含的具體材料以及所需的應(yīng)用而變化。對(duì)于燒結(jié)金屬粉末零件而言，熱區(qū)30的溫度可能一般維持在大約900°C至大約1600°C之間或大約1100°C至大約1300°C之間。在某些實(shí)施方案中，熱區(qū)30中的燒結(jié)氣體或燒結(jié)氣氛可包含氮?dú)?N2)和氫氣(H2)的進(jìn)料氣體混合物，其中氫氣在混合物中的濃度典型地低于大約12%。在某些實(shí)施方案中，熱區(qū)30的燒結(jié)氣體或燒結(jié)氣氛包含以體積計(jì)大約0. 至大約25%的氮?dú)饣蛞泽w積計(jì)大約75%至大約99%的氮?dú)?。在這個(gè)或其它實(shí)施方案中，熱區(qū)30的氣氛包含氫氣的含量為以體積計(jì)大約
至大約12%，或大約2%至大約5%，或大約至大約100%。N2和H2進(jìn)料氣體可在室溫條件下預(yù)混合，然后通過(guò)氣體入口 32注入到熱區(qū)30中。在一種實(shí)施方案中，氮?dú)?氫氣氣氛中所用的氫氣可以以氣態(tài)的形式提供給熱區(qū)30，該氣態(tài)氫氣存儲(chǔ)于壓縮氣體氣瓶中或由液化氫氣蒸發(fā)得到。在替換性實(shí)施方案中，可通過(guò)使用氨離解器原位生成的方式提供給熱區(qū)30。在該實(shí)施方案中，通過(guò)使用分解的氨可向熱區(qū)30提供含有隊(duì)和吐的燒結(jié)氣氛， 所述分解的氨的使用通過(guò)在催化反應(yīng)器(未示出)中分解無(wú)水氨提供以體積計(jì)大約25% 的N2和大約75%的H2的進(jìn)料氣體混合物。取決于具體的燒結(jié)應(yīng)用，分解氨所獲得的N2和 H2混合物在引入連續(xù)爐10之前，進(jìn)一步使用另外的隊(duì)或惰性氣體稀釋。在一種具體實(shí)施方案中，氮?dú)?氫氣氣氛中使用的氮?dú)獍儆?0百萬(wàn)分之份數(shù)(ppm)的殘余氧氣含量。 在該實(shí)施方案中，所述氮?dú)饽軌蛲ㄟ^(guò)低溫蒸餾技術(shù)制備來(lái)提供給熱區(qū)30。在替換性實(shí)施方案中，所述氮?dú)饽軌蛲ㄟ^(guò)純化非低溫產(chǎn)生的氮?dú)舛峁┙o熱區(qū)30。在另外一種實(shí)施方案中，燒結(jié)氣體或熱區(qū)或燒結(jié)氣氛也可通過(guò)來(lái)自于吸熱型氣體發(fā)生器(未示出)的吸熱型氣體來(lái)提供，所述吸熱型氣體含有大約20%的C0、40%的H2以及余量N2。市售爐中的氣體入口 32通常設(shè)置在熱區(qū)30和冷卻區(qū)40之間的過(guò)渡區(qū)，例如可為裸露的管狀部分，也被稱(chēng)為套筒(未示出)。替換性地，或此外，另外的氣體入口(未示出) 可設(shè)置在熱區(qū)30內(nèi)，以引入燒結(jié)用進(jìn)料氣體。在如圖Ia所示的連續(xù)爐中，冷卻區(qū)40具有氣體入口 42來(lái)流動(dòng)惰性氣體，這使從爐外進(jìn)入的空氣最少化，也可稀釋排出到爐外的氣氛， 以使得易燃性氣體的濃度低于燃燒極限(如，對(duì)于氫氣而言以體積計(jì)大約3-5%)。冷卻區(qū) 40也可包含任選的引燃火焰45以維持穩(wěn)定的燃燒前沿，并阻止火焰進(jìn)一步向爐中蔓延，這將最小化突然燃燒。通過(guò)氣體入口 32引入的燒結(jié)氣體將向上游朝熱區(qū)30流動(dòng)(如箭頭37 所示)，也向下游朝冷卻區(qū)40流動(dòng)(如箭頭43所示)。在一種具體實(shí)施方案中，在注入時(shí)氣體流動(dòng)的方向是，如果任選的簾5處于打開(kāi)狀態(tài)，注入的氮?dú)?氫氣的大約80%流入熱區(qū) (如箭頭37所示)，注入的氮?dú)?氫氣的大約20%的流入冷卻區(qū)(如箭頭37所示)。在某些實(shí)施方案中，氮?dú)夂蜌錃膺M(jìn)料氣體優(yōu)選是一種具有相對(duì)低的露點(diǎn)，或處于大約-30下至大約-80 氣體，以避免存在濕氣而帶來(lái)不良影響。例如，在某些實(shí)施方案中，例如其中工件或金屬零件含有鐵和/或其它濕氣敏感組分的那些實(shí)施方案，濕氣的存在可能通過(guò)降低燒結(jié)氣氛從鐵氧化物或合金組分的氧化物中除去氧的能力而妨礙這些零件的燒結(jié)，該能力可能是有效燒結(jié)含鐵和/或其他濕氣敏感組分金屬所需要的。在離開(kāi)熱區(qū)30之后，金屬零件的冷卻可經(jīng)歷不同階段或不同的冷卻速率，這可能隨連續(xù)爐10結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)而變化。例如，在過(guò)渡區(qū)如套筒中，金屬零件的溫度仍然相對(duì)較高， 輻射冷卻可能是關(guān)鍵的冷卻機(jī)制。隨著金屬部件的溫度持續(xù)降低，對(duì)流冷卻系統(tǒng)(如圖Ib 中所示)或水套冷卻部分(圖Ia中未示出)可能變?yōu)橹鲗?dǎo)。對(duì)于涉及含有鐵、碳和合金添加劑的金屬零件的燒結(jié)的實(shí)施方案，在溫度低于約800°C的情況下微觀結(jié)構(gòu)相的變化變得重要。對(duì)于這些或其他實(shí)施方案，在大約800°C至大約100°C的溫度下，金屬零件或工件的冷卻速率可能特別重要，并且已知的是通過(guò)在這個(gè)溫度范圍提高冷卻速率可獲得提高的粉末金屬零件性能。但是，取決于被處理的金屬零件的組成，其他溫度區(qū)也重要。如前所述，部分冷卻區(qū)40可對(duì)應(yīng)于由一個(gè)或多個(gè)冷卻裝置所限定出的區(qū)，上述冷卻裝置包括水冷裝置和對(duì)流冷卻裝置。適用于實(shí)施本申請(qǐng)實(shí)施方案的對(duì)流冷卻裝置的實(shí)例 ^￠^0 / ^ !]Abbott Furnace CompanyHf共白勺VariCool Convective Cooling System。這種類(lèi)型的布置如圖Ib中所示，VariCool對(duì)流冷卻系統(tǒng)60設(shè)置在熱區(qū)30和冷卻區(qū)40之間，并使用對(duì)流氣體循環(huán)來(lái)提供特定的冷卻分布。箭頭65指示了冷卻系統(tǒng)60中所含充氣箱73、熱交換器70和注入補(bǔ)償進(jìn)料氣體的輸入口 75之間的流體連通或氣體流動(dòng)。 冷卻氣體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充氣箱73間接噴灑到爐氣氛中，其在爐氣氛中循環(huán)如箭頭77所示，并當(dāng)傳輸帶50上的工件或燒結(jié)零件(未示出)傳輸經(jīng)過(guò)時(shí)與它們間接地接觸。在這種循環(huán)型冷卻裝置中，從冷卻區(qū)40通過(guò)冷卻系統(tǒng)60中的鼓風(fēng)機(jī)(未示出)抽出。這些氣體通過(guò)熱交換器70，并重新注回到冷卻區(qū)40用于冷卻燒結(jié)零件。其他設(shè)計(jì)的冷卻裝置也可使用。冷卻系統(tǒng)60也可具有一個(gè)或多個(gè)氣體入口 75，用來(lái)從外部來(lái)源(未示出)向冷卻區(qū)40中注入補(bǔ)償氣體。典型地，補(bǔ)償氣體的組成與燒結(jié)氣體或燒結(jié)氣體氣氛的組成相同， 例如但不限于氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃獾幕旌衔?。示了本申?qǐng)所示的方法、裝置以及系統(tǒng)的各種不同實(shí)施方案，其中一種或多種低溫流體被加入以增強(qiáng)對(duì)工件或金屬零件的冷卻。圖加顯示了具有一個(gè)或多個(gè)入口 143的爐100，其中入口 143容許常規(guī)的燒結(jié)氣體和/或一種或多種低溫流體流入到爐氣氛中。在如圖加所示的實(shí)施方案中，當(dāng)零件在傳輸帶150上穿過(guò)爐100的熱區(qū)130和冷卻區(qū)140之間的過(guò)渡區(qū)時(shí)，低溫流體直接噴灑在零件上。爐100包括傳輸帶150以運(yùn)送一個(gè)或多個(gè)工件或金屬零件沿箭頭103所示的方向通過(guò)爐100。爐100包括潤(rùn)滑劑脫除或預(yù)熱區(qū)120、燒結(jié)或熱區(qū)130以及冷卻區(qū)140。傳輸帶150可由各種金屬和/或陶瓷材料制成，如超合金或不銹鋼、碳化硅和能夠承受爐環(huán)境的氧化物陶瓷化合物，并能夠以寬范圍介于大約1至大約12英寸每分鐘(in. /min.)的典型速度運(yùn)行。在某些實(shí)施方案中，預(yù)熱區(qū) 120和熱區(qū)130之間也可設(shè)置第二預(yù)熱區(qū)(未示出)。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到冷卻區(qū)140內(nèi)也可設(shè)置一個(gè)或多個(gè)冷卻裝置。爐100典型在大氣壓下運(yùn)行，并具有設(shè)置在爐100的一端或兩端用于排出處理氣體的排氣煙道(未示出)。在此處所示的實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)簾105可設(shè)置在爐100的不同區(qū)之間，以控制或隔離出與溫度、氣流、氣氛組成或其它特征相關(guān)的某些區(qū)。在某些實(shí)施方案中，爐100可進(jìn)一步包括任選的氣體入口 142以流入惰性氣體，從而使從爐外進(jìn)入的空氣最小化；惰性氣體也可稀釋從爐中排出的氣氛，以使易燃性氣體的濃度低于燃燒極限(如對(duì)于氫氣以體積計(jì)約3-5% )。如圖Ia和Ib中所示，冷卻區(qū)140也可包含任選的引燃火焰145，以維持穩(wěn)定的燃燒前沿，并阻止燃燒火焰進(jìn)一步向爐內(nèi)蔓延，這將最小化突然燃燒。簾105每個(gè)獨(dú)立與致動(dòng)器或其它裝置(未示出)連接，以根據(jù)所需的處理周期打開(kāi)、關(guān)閉或部分打開(kāi)或部分關(guān)閉。預(yù)熱區(qū)120中的氣體氣氛通常包括露點(diǎn)相對(duì)較高的氣體混合物，該氣體混合物可通過(guò)在外部燃燒器燃燒燃料來(lái)獲得，如甲烷(CH4)。燃燒產(chǎn)物，例如CO、二氧化碳(CO2)、N2和水(H2O),以及任何殘留氣體，例如CH4和氧氣(O2)，可通過(guò)任選的氣體入口 IM注入到預(yù)熱區(qū)120中。其他氣體，如氫氣、氬氣、氦氣或隊(duì)等也可能出現(xiàn)。氣體入口 IM可用于注入輕度氧化性氣體，例如但不限于O2、空氣和/或其它氣體，這些氣體能促進(jìn)潤(rùn)滑劑分解成C02、 O2或其他包含在原樣產(chǎn)品部分中的潤(rùn)滑劑分解產(chǎn)物。圖加也顯示了任選的引燃火焰115， 其可用于燒掉工件中所含的含碳組分，例如粘結(jié)劑或蠟。預(yù)熱區(qū)120的溫度應(yīng)當(dāng)足夠高，以使得在燒結(jié)之前蒸發(fā)掉粉末金屬零件中的潤(rùn)滑劑。經(jīng)過(guò)預(yù)熱區(qū)后，置于傳輸帶150上的工件或金屬零件(未示出)被傳輸?shù)饺芜x的第二預(yù)熱區(qū)(未示出)，隨后被傳輸?shù)綗釁^(qū)130中進(jìn)行燒結(jié)。通常來(lái)說(shuō)，如溫度或氣體組成等燒結(jié)條件可根據(jù)具體材料和應(yīng)用而改變。對(duì)于燒結(jié)粉末金屬零件，熱區(qū)130的溫度通常維持在大約900°C -1600°C或大約1100°C -大約1300°C的范圍內(nèi)。在某些實(shí)施方案中，燒結(jié)或熱區(qū)氣氛可含有氮?dú)?N2)和氫氣(H2)的進(jìn)料氣體混合物，其中所述氣體混合物的氫氣濃度典型少于大約12%。在某些實(shí)施方案中，燒結(jié)或熱區(qū)氣氛包括以體積計(jì)大約0. 至大約25 %的氮?dú)?，或者以體積計(jì)大約75 %至大約99 %的氮?dú)狻Ｔ谶@一或其他實(shí)施方案中， 熱區(qū)氣氛中的氫氣含量以體積計(jì)在大約至12%或大約2%至大約5%或大約至大約 100%的范圍內(nèi)變化。在某實(shí)施方案中，氮?dú)夂蜌錃膺M(jìn)料或燒結(jié)氣體可經(jīng)由氣體入口 143之一供應(yīng)到熱區(qū)130中，氣體入口 143穿入爐如箭頭所示。在如圖加所示的實(shí)施方案中，氣體入口 143通常設(shè)置在冷卻區(qū)140中。但是，根據(jù)所需的加熱和冷卻分布，可以選擇氣體入口 143的其他位置。經(jīng)由氣體入口 143引入的燒結(jié)氣體可以朝向熱區(qū)130向上游流動(dòng)，以及在冷卻區(qū)140中向下游流動(dòng)，前體是所述任選的簾105打開(kāi)。
低溫流體也通過(guò)一個(gè)或多個(gè)入口 143進(jìn)入到爐100中。入口 143可任選終止于噴射嘴(未示出)以在爐100的不同位置噴射氣體和流體。常規(guī)的進(jìn)料氣體和低溫氣體可獨(dú)立地引入到冷卻區(qū)140中，例如通過(guò)分別的氣體入口，或者以混合物經(jīng)一個(gè)氣體入口或者噴灑裝置一起引入，或者交替脈沖引入直到滿足所需的處理?xiàng)l件(例如，溫度分布，氣體組成等)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，入口 143可以為單個(gè)噴灑裝置、噴灑桿或集管，其可包括設(shè)置在橫跨傳輸帶寬度方向的不同位置上的多個(gè)噴嘴，噴射所述常規(guī)氣體和所述至少一種低溫流體。如圖池中顯示了這種噴灑裝置或集管的實(shí)例。本文所述方法的一個(gè)具體實(shí)施方案中，冷卻區(qū)140中的氣氛包括氮?dú)狻錃夂鸵环N或多種低溫流體，如在一個(gè)大氣壓下沸點(diǎn)為-195 °C的液氮。圖2b提供本發(fā)明所述方法、裝置和系統(tǒng)的另一實(shí)施方案的實(shí)例，其中低溫流體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)入口 243直接噴灑到傳輸帶250上正通過(guò)爐200的金屬零件上。常規(guī)的進(jìn)料或燒結(jié)氣體也可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)入口 243引入。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，低溫流體和/或常規(guī)進(jìn)料氣體通過(guò)如圖2f和池中所示的噴灑桿或噴灑裝置引入到冷卻區(qū)MO中。爐200 包括潤(rùn)滑劑脫除或預(yù)熱區(qū)220、燒結(jié)或熱區(qū)230以及冷卻區(qū)M0。在如圖2b中所示的實(shí)施方案中，爐220進(jìn)一步包括任選的入口 224以引入輕度氧化性氣體，例如但不限于O2、空氣和/或其它氣體，該氣體可促進(jìn)潤(rùn)滑劑分解成C02、O2或其他包含在原樣產(chǎn)品部分中的潤(rùn)滑劑分解產(chǎn)物。爐200中具有多個(gè)任選的位于所示位置的爐簾205，其可用于隔離爐的某些部分。在圖2b所示的實(shí)施方案中，低溫流體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)入口 243進(jìn)入到爐200中，其中常規(guī)進(jìn)料氣體和低溫流體可獨(dú)立地引入到冷卻區(qū)中，作為混合物一起引入，或者脈沖引入直到滿足所需的處理?xiàng)l件(例如，溫度分布，氣體組成等)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，入口 243可末端有噴嘴239，其中至少部分低溫流體和常規(guī)進(jìn)料氣體混合物及其蒸發(fā)產(chǎn)物沿著箭頭241所示方向?qū)驙t200的出口端。在某些實(shí)施方案中，低溫流體的壓力可以為15 至500psig。在這一或其他實(shí)施方案中，噴嘴239也可沿著箭頭237所示方向朝向冷卻區(qū) 240的入口端，以控制或縮短冷卻區(qū)。在如圖2b所示的實(shí)施方案中，通過(guò)爐200的開(kāi)口處的煙囪或管道，經(jīng)入口 243以及任選的入口 2M和M2引入的氣體被導(dǎo)出，所述的爐200的開(kāi)口位于靠近爐200出口的任選的引燃火焰215和任選的引燃火焰245處。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，相信爐200的開(kāi)口和出口之間的最佳氣流或氣流237和 241為這樣，即由噴射到冷卻區(qū)MO中的低溫流體或液氮蒸發(fā)產(chǎn)生的過(guò)量氮?dú)饣蛘魵庵饕粚?dǎo)向爐200的出口。在這一實(shí)施方案中，該“不均勻”分配的原因可能在于最大化冷卻區(qū) 240的冷卻效果，同時(shí)最小化熱區(qū)230所不期望的激冷。在某些實(shí)施方案中，鼓風(fēng)機(jī)248如電動(dòng)抽風(fēng)機(jī)可通過(guò)將冷卻區(qū)MO中的氣體吸入排氣管道247實(shí)現(xiàn)上述目的，其中排氣管道 247任選的配有引燃火焰M5，而引燃火焰245用于點(diǎn)燃燒結(jié)氣氛中出現(xiàn)的任何易燃性氣體。理想的是鼓風(fēng)機(jī)248的運(yùn)行通過(guò)如下方式提供了爐氣氛內(nèi)的合適平衡通過(guò)不抽取過(guò)多的氣體(所述氣體可能從爐200的開(kāi)口和出口帶進(jìn)環(huán)境空氣)，但是又抽取了足量體積以以除去過(guò)量的氮?dú)庹魵鈴亩乐沟獨(dú)庹魵饨?jīng)由熱區(qū)240離開(kāi)。對(duì)于后者，熱區(qū)MO “過(guò)高”的抽取條件可能導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)可燃?xì)怏w爆炸和/或爐、已處理的零件和傳輸帶有害氧化的風(fēng)險(xiǎn)。比較而言，“過(guò)低”的抽取條件可能導(dǎo)致正處理零件次佳的冷卻和位于熱區(qū)MO內(nèi)的加熱器過(guò)載。為了彌補(bǔ)這一問(wèn)題，可在爐200的前部和后部安裝傳感器監(jiān)測(cè)器249和253，它們用于測(cè)量爐的氣體氣氛中的H2和&的體積百分比形式的含量。例如，如果在那些區(qū)的氫氣和/或氧氣的讀數(shù)開(kāi)始不同于安全處理需要的正常水平或者接近警報(bào)水平，監(jiān)測(cè)器 249和/或253可送出反饋信號(hào)到鼓風(fēng)機(jī)M8的馬達(dá)以限制它的輸出或者將其關(guān)閉。監(jiān)測(cè)器249和253與鼓風(fēng)機(jī)M8的馬達(dá)使用可編程邏輯控制器(PLC)設(shè)備、計(jì)算機(jī)或者其他裝置(未示出)電連接。在這個(gè)或者其他實(shí)施方案中，PLC可用于使得這種反饋回路控制自動(dòng)化。如果流入冷卻區(qū)MO的低溫流體突然下降到預(yù)設(shè)水平之下或者被切斷，可能發(fā)生這種“混亂流動(dòng)情況”。典型的警報(bào)水平例如為大約Ivol% (對(duì)于氧而言)或者3Vol% (對(duì)于氫而言)。任選的熱電偶251或者分段熱電偶陣列可被安裝在靠近氣體出口和/或任選的引燃火焰215處的爐200的開(kāi)口處。當(dāng)偏離一定的、正常溫度條件時(shí)，氣體流速的改變將會(huì)被熱電偶記錄，并且也可觸發(fā)鼓風(fēng)機(jī)248輸出的變化，以上面針對(duì)“混亂流動(dòng)情況”描述的方式輸出。附圖2b描述的實(shí)施方案提供了排出爐內(nèi)氣氛的方法，如果氣氛中的一個(gè)或者多個(gè)組分是可燃的話。然而，可以預(yù)見(jiàn)根據(jù)爐內(nèi)氣氛，可能需要或者不需要排出。例如，如果爐氣氛是非可燃性的，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地打開(kāi)一個(gè)或者多個(gè)簾205來(lái)重新設(shè)置爐氣氛的流動(dòng)方向。在圖2b所示實(shí)施方案中，爐200進(jìn)一步包括水夾套255。該實(shí)施方案可適用于其中爐200包含奧氏體不銹鋼或超合金絲網(wǎng)運(yùn)輸帶作為運(yùn)輸帶250材料的實(shí)施方案。如果運(yùn)輸帶250的金屬絲網(wǎng)不夠密集，從噴灑裝置243膨脹而出的液氮噴霧可能會(huì)穿透該帶并且開(kāi)始對(duì)下面爐底板淬火。爐底板典型由低碳鋼制成，意味著長(zhǎng)期暴露于低溫噴射物之下可能使其脆化，并且引起熱裂的風(fēng)險(xiǎn)。很多對(duì)策可用于消除這種風(fēng)險(xiǎn)使用奧氏體不銹鋼底板代替碳鋼，在零件和帶之間設(shè)置保護(hù)板，使用密織絲網(wǎng)帶，和/或使用圍繞爐200底板一部分的水夾套255。在典型的用法中，水夾套圍繞所述爐的冷卻區(qū)的至少一部分設(shè)置，以通過(guò)輻射和氣相對(duì)流協(xié)助零件冷卻。所述夾套內(nèi)的水流溫度可以在大約15°C到大約35°C的范圍。在圖2b所示實(shí)施方案中，該溫度范圍也可足以防止?fàn)t200底板的冷凍(freezing)和脆化。在這一或其它實(shí)施方案中，水夾套255進(jìn)一步包括用來(lái)監(jiān)控水溫的熱電偶257。如果水溫下降到所需范圍之外或者下降到大約0°C或更低，通過(guò)M3進(jìn)入冷卻區(qū)240的低溫流體的流量應(yīng)當(dāng)被降低和或切斷。更進(jìn)一步，在某些實(shí)施實(shí)施方案中，水夾套255內(nèi)的水可被再加熱，以減小在冷卻區(qū)MO內(nèi)金屬零件的低溫冷卻期間鋼脆化的風(fēng)險(xiǎn)。圖2c提供了此處所述方法和裝置的實(shí)施方案的實(shí)例，其中對(duì)流冷卻系統(tǒng)，例如 Varicool系統(tǒng)與冷卻區(qū)流體連通，其中低溫流體被注射到Varicool系統(tǒng)中循環(huán)的常規(guī)氣體物流中。它可用于在進(jìn)入冷卻區(qū)之前注射到一個(gè)或多個(gè)充氣箱內(nèi)或者噴射到系統(tǒng)自身內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，氣體物流可從水熱交換器進(jìn)入連接Varicool系統(tǒng)的T形接頭—— 所述至少一種低溫流體可被引入至返回氣體，主進(jìn)氣線，或其組合。還圖示出了補(bǔ)充氣被注射至所示的爐。再參見(jiàn)圖2c，爐300包括預(yù)熱區(qū)320，熱區(qū)330，和冷卻區(qū)340。爐300進(jìn)一步包括運(yùn)輸帶350以便傳送一個(gè)或多個(gè)工件或金屬零件(未顯示)通過(guò)其中。爐300同樣包括多個(gè)爐簾305，任選的接近爐300的開(kāi)口和出口的引燃火焰315和345，任選的向預(yù)熱區(qū)320 引入氧化性或其它氣體的進(jìn)口 324，以及向冷卻區(qū)引入惰性氣體的任選的進(jìn)口 342。對(duì)流冷卻系統(tǒng)360，例如Varicool系統(tǒng)設(shè)置在熱區(qū)330和冷卻區(qū)340之間，并利用對(duì)流氣體循環(huán)提供某種冷卻分布。過(guò)渡區(qū)341表示熱區(qū)330與冷卻區(qū)340內(nèi)的對(duì)流冷卻系統(tǒng)360之間的爐部分。箭頭365表明了冷卻系統(tǒng)360內(nèi)的充氣箱373與熱交換器370之間的流體連通或氣體流動(dòng)。如圖2c示出的，一種或多種低溫流體被引入到379處箭頭365所示的流體循環(huán)中，并且在375處，常規(guī)的進(jìn)料或燒結(jié)氣體通過(guò)一個(gè)或多個(gè)充氣箱373間接地噴射進(jìn)入爐氣氛，且該氣體在爐氣氛中循環(huán)，如箭頭377所示，并當(dāng)工件或燒結(jié)零件(未顯示)在運(yùn)輸帶 350上通過(guò)其中時(shí)，間接地與其接觸。在這種再循環(huán)型冷卻裝置中，通過(guò)冷卻系統(tǒng)360中的鼓風(fēng)機(jī)(未顯示)將氣體從冷卻區(qū)340抽出。這些氣體通過(guò)熱交換器370，并且再注回所述冷卻區(qū)340用于冷卻所述燒結(jié)零件，如箭頭365所示。其它設(shè)計(jì)的冷卻裝置也可使用。一個(gè)或多個(gè)氣體進(jìn)口 375也可提供到冷卻系統(tǒng)360，用于從外部來(lái)源(未顯示)向冷卻區(qū)340 引入補(bǔ)償氣體。典型地，補(bǔ)償氣體的組成與燒結(jié)氣體氣氛的組成相同，例如但不限于氮?dú)饣虻獨(dú)夂蜌錃獾幕旌衔铩D2d提供了具有對(duì)流冷卻系統(tǒng)460的爐400的實(shí)例，其中低溫流體的引入發(fā)生在對(duì)流冷卻系統(tǒng)氣體循環(huán)的外部。爐400包括預(yù)熱區(qū)420，熱區(qū)430，和冷卻區(qū)440。爐400進(jìn)一步包括運(yùn)輸帶450以便傳送一個(gè)或多個(gè)工件或金屬零件(未顯示)通過(guò)其中。爐400同樣包括多個(gè)爐簾405，任選的接近爐400的開(kāi)口和出口的引燃火焰415和445，任選的向預(yù)熱區(qū)420引入氧化性氣體的進(jìn)口 424，以及任選的向冷卻區(qū)引入惰性氣體的進(jìn)口 442。對(duì)流冷卻系統(tǒng)460，例如Varicool系統(tǒng)設(shè)置在熱區(qū)430和冷卻區(qū)440之間，且利用對(duì)流氣體循環(huán)提供金屬零件的某種冷卻分布。在一些實(shí)施方案中，低溫流體利用進(jìn)口 443直接噴射到工件或金屬零件上。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，低溫流體和/或常規(guī)的進(jìn)料氣體利用在圖2g 或池中描述的噴灑桿或噴灑裝置引入到冷卻區(qū)440。在某些實(shí)施方案中，根據(jù)所需的氣體流動(dòng)方式和所需的冷卻效果，進(jìn)口 443上的噴嘴447能獨(dú)立地朝向冷卻區(qū)440的入口，冷卻區(qū)440的出口或彼此相對(duì)。在這個(gè)或其它實(shí)施方案中，低溫流體和/或燒結(jié)氣體可被引入到一個(gè)或多個(gè)充氣箱473，其中充氣箱473能與零件間接地接觸，如箭頭477所示。返回氣體包括燒結(jié)氣體或進(jìn)料氣體和從至少一種低溫流體噴射中釋出的冷卻氣體或蒸氣，其通過(guò)箭頭480所示由出口從對(duì)流冷卻系統(tǒng)460中導(dǎo)出。在附圖中描述的方法、系統(tǒng)和裝置中，包括來(lái)自外部氣源的一種或多種低溫流體，例如但不限于，液氮(LIN)，氬氣，或其它流體的氣體經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)位于冷卻區(qū)內(nèi)的氣體進(jìn)口被引入或注射到所述冷卻區(qū)。所述低溫流體可以或者經(jīng)由連接到外部源的進(jìn)口直接引入冷卻區(qū)，例如在附圖加和2b中描述的實(shí)施方案，或者經(jīng)由對(duì)流冷卻系統(tǒng)間接地引入冷卻區(qū)，例如圖2c所示的實(shí)施方案，或它們的組合，例如圖2d所示實(shí)施方案。也可能的是所述一個(gè)或多個(gè)低溫流體經(jīng)由位于冷卻區(qū)下游的進(jìn)口引入冷卻區(qū)，只要有能在冷卻區(qū)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)睦鋮s氣氛的足夠的朝向冷卻區(qū)的氣流。替換性的，除了 H2或NH3或其它還原性和 /或滲碳?xì)怏w，例如一系列輕重量的碳?xì)浠衔顲H4，C2H2，C2H4, C3H6, C3H8等，外部供給的冷卻氣體也可包含隊(duì)或其它惰性氣體例如氬氣(Ar)，氦氣(He)等等。影響某些改善的性能所必須的濃度可以取決于被處理的工件或金屬零件的具體組成，或所述爐的結(jié)構(gòu)。如前面所提及的，所述低溫流體，一旦它被噴射進(jìn)入冷卻區(qū)將沸騰、蒸發(fā)而提供蒸氣，并導(dǎo)致冷卻。在某些實(shí)施方案中，源自一種或多種低溫流體的過(guò)量蒸氣能通過(guò)附加設(shè)備排出，或者，替換性地，導(dǎo)向爐的出口端以防止熱區(qū)的冷卻。取決于精確的結(jié)構(gòu)和在熱區(qū)和冷卻區(qū)的相對(duì)氣流，引入冷卻區(qū)的低溫流體的一些過(guò)量蒸氣被向上游轉(zhuǎn)移到熱區(qū)也是有可能的。在其中低溫流體包含隊(duì)或！^訊的實(shí)施方案中，這可以得到如下燒結(jié)氣氛其具有比在原始燒結(jié)氣體或進(jìn)料氣體混合物更高的隊(duì)濃度。在某些實(shí)施方案中，可以優(yōu)選過(guò)量的蒸氣通常被限制在冷卻區(qū)，該過(guò)量的蒸氣源于為控制冷卻速率而引入的所述一種或多種低溫流體。這可例如通過(guò)修改爐以抑制冷卻區(qū)向熱區(qū)的氣流實(shí)現(xiàn)，反之亦然。在某些實(shí)施方案中，可提供有形障礙例如由陶瓷，金屬或絕熱纖維制成的簾，或由惰性氣體流形成的氣體簾，其中的惰性氣體流使從熱區(qū)到冷卻區(qū)的氣流重定向。這可與消除設(shè)置在所述爐出口側(cè)的常規(guī)簾或最小化通過(guò)那些簾的氣體壓力降(例如，使得這些簾對(duì)于所述氣體物流而言是更多孔的)聯(lián)系到一起。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，在爐內(nèi)的氣流可以被布置為提供從熱區(qū)到冷卻區(qū)的正向氣流(positive flow)，例如，通過(guò)使用輔助風(fēng)機(jī)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，通過(guò)利用一個(gè)或多個(gè)通風(fēng)口，可將所述過(guò)量蒸氣從冷卻區(qū)除去。在另一個(gè)實(shí)施方案中，在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，冷卻區(qū)的燒結(jié)金屬零件暴露于具有一種或多種低溫流體的氣體氣氛中。因而，優(yōu)化冷卻過(guò)程以便在處理后的零件中達(dá)到所需的材料性能是有可能的。對(duì)于其中燒結(jié)粉末鋼零件的實(shí)施方案，理想的是在大約900°C到大約_100°C，或從大約800°C到大約100°C，或從大約 7500C到大約200°C的溫度范圍內(nèi)，冷卻速率得到控制，例如加快。在某些實(shí)施方案中，冷卻的溫度范圍可以降到低于0°C，此處稱(chēng)為低于零度處理。 例如某些金屬零件例如鋼，即使在這些溫度范圍之內(nèi)的冷卻速率足夠高以能夠產(chǎn)生預(yù)定的奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變，而不是產(chǎn)生不希望的奧氏體到貝氏體或奧氏體到珠光體和鐵素體的轉(zhuǎn)變，但由于馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的內(nèi)部壓應(yīng)力，一定量的所謂殘余奧氏體可能是不可避免的。然而，如果所述金屬零件被冷卻到水的冰點(diǎn)下的一個(gè)或多個(gè)溫度，殘余奧氏體可進(jìn)一步變?yōu)轳R氏體。在這些實(shí)施方案中，低于零度處理可以包括使用干冰(固體二氧化碳)致冷機(jī)，機(jī)械壓縮致冷機(jī)，和/或在液化的低溫氮或其蒸氣下的冷卻。在這個(gè)或其它實(shí)施方案中，低于零度處理可作為附加處理步驟在一個(gè)或多個(gè)隔離的分批式容器中進(jìn)行。根據(jù)所處理的鋼制零件和它們的組成，相信在低于零度處理的優(yōu)點(diǎn)可以包括下面的一個(gè)或多個(gè)消除在淬火并調(diào)質(zhì)的鋼上的軟點(diǎn)(殘余奧氏體)，更均勻和/或更深的硬化層，改善的耐磨性， 最小化表面裂紋的趨勢(shì)，和/或加強(qiáng)在服務(wù)壽命中的尺寸穩(wěn)定性?？刂评鋮s過(guò)程期間零件的溫度在某些實(shí)施方案中可以是重要的，因?yàn)楦鞣N傳輸帶的載荷和速度可被用于工業(yè)生產(chǎn)，并且具有不同幾何構(gòu)型的各種金屬合金可被裝載，而它們中的每個(gè)需要不同的冷卻速率。多種方法可用于控制本發(fā)明所述的方法。附圖
分別提供了在附圖加和2c中描述的方法、系統(tǒng)和裝置的實(shí)施方案的實(shí)例，其中在冷卻過(guò)程中利用實(shí)時(shí)信息對(duì)金屬零件或工件進(jìn)行控制。在這些實(shí)施方案中，一個(gè)或多個(gè)傳感器設(shè)置在整個(gè)爐的不同區(qū)，且基于從所述傳感器獲得的信息(例如，溫度，壓力，氣氛組成等)，能例如命令一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器打開(kāi)或者關(guān)閉位于整個(gè)爐不同位置的簾。圖2e和2g描述的實(shí)施方案采用一個(gè)或多個(gè)傳感器，其可位于傳輸帶上運(yùn)動(dòng)中的零件之上的熱區(qū)和/或冷卻區(qū)的不同部分，以監(jiān)控所述爐內(nèi)的氣氛溫度。該一個(gè)或多個(gè)傳感器可以是熱電偶，紅外，光纖，或它們的組合，它們與連接低溫流體進(jìn)口的閥門(mén)流量控制器連通，以確定何時(shí)或是否注射的一種或者多種低溫流體進(jìn)入爐的不同部分以控制其溫度。爐氣氛溫度顯示了與零件溫度相當(dāng)程度的相關(guān)性。為了使不斷變化的零件溫度與通過(guò)上面氣相的熱電偶測(cè)量的溫度相關(guān)聯(lián)，一系列校準(zhǔn)曲線被開(kāi)發(fā)。在該方法的一種實(shí)施方案中，紅外(IR)非接觸溫度計(jì)可用于向下監(jiān)視冷卻區(qū)內(nèi)的零件或向上監(jiān)視冷卻區(qū)的爐壁，于是記錄直接的溫度測(cè)定。紅外傳感器的鏡頭可以位于冷卻區(qū)內(nèi)，或使用光學(xué)纖維以便在爐外進(jìn)行實(shí)際的紅外光能量測(cè)定，例如，如圖加所示的實(shí)施方案。其他控制冷卻的方法可被使用，如果低溫流體被注射進(jìn)入已有的對(duì)流氣體冷卻系統(tǒng)，例如圖2f所示的實(shí)施方案。因而，一個(gè)或多個(gè)控溫?zé)犭娕伎杀辉O(shè)置在從冷卻區(qū)向水熱交換器運(yùn)送返回氣體的管道中。過(guò)程控制的原理與圖加描述的相同。此外，熱電偶能被設(shè)置在氣體充氣箱內(nèi)，所述氣體充氣箱當(dāng)零件通過(guò)冷卻區(qū)時(shí)向下噴射冷卻氣體。反饋回路的這種方式使得可測(cè)量低溫冷卻和水熱交換器冷卻的綜合效果。另外， 感應(yīng)所述冷卻效應(yīng)的另一外部方法也可使用，包括測(cè)量隨著被處理零件一起從爐排出的氣體的溫度。這些可與離開(kāi)熱交換器和/或冷卻套的冷卻水的溫度測(cè)量相結(jié)合，所述冷卻套通常設(shè)置在冷卻區(qū)中爐套管的壁上。此處描述的實(shí)施方案中，所述傳感器能提供輸出到處理器，PLC，計(jì)算機(jī)或其它裝置，它們進(jìn)而修改閥門(mén)(一個(gè)或多個(gè))的開(kāi)口，所述閥門(mén)用于控制低溫流體、燒結(jié)氣體和/或爐內(nèi)氣氛中其它氣體的流量。如前面提及的，圖加與圖加所示實(shí)施方案相似，但是進(jìn)一步包括任選的控制器 500，該控制器500與位于爐100內(nèi)的不同位置或熱區(qū)或冷卻區(qū)內(nèi)的不同位置的熱電偶、傳感器或其它輸入裝置510、515、520和525電連接。來(lái)自裝置510、515、520和525的輸入與控制器連通，控制器可以是可編程序邏輯控制器(PLC)，處理器，計(jì)算機(jī)，和/或其它裝置， 并且能夠進(jìn)一步控制一個(gè)或多個(gè)簾致動(dòng)器530。簾致動(dòng)器530與致動(dòng)器535和MO電連接， 以便打開(kāi)或者關(guān)閉位于冷卻區(qū)140的進(jìn)口和出口的爐簾。控制器500也與閥門(mén)流量控制單元550電連接，后者能控制進(jìn)入爐100內(nèi)的常規(guī)氣體、低溫流體、氧化性氣體和/或惰性氣體的流量。如前面提及的，圖2f與圖2c所示實(shí)施方案相似，但是進(jìn)一步包括控制器600，該控制器600與位于爐300內(nèi)的不同位置或熱區(qū)330或包括對(duì)流冷卻系統(tǒng)360的冷卻區(qū)340 內(nèi)的不同位置(例如，在冷卻系統(tǒng)360和一個(gè)或多個(gè)充氣箱373之內(nèi))的熱電偶、傳感器或其它輸入裝置610，615，620，625，630和635電連接。來(lái)自于裝置610，615，620，625，630和 635的輸入與控制器600連通，控制器600可以是PLC或其它裝置，并且可進(jìn)一步控制一個(gè)或多個(gè)簾致動(dòng)器640。簾致動(dòng)器640與致動(dòng)器645和650電連接，以便打開(kāi)或者關(guān)閉位于冷卻區(qū)340的進(jìn)口和出口處的爐簾?？刂破?00也與閥門(mén)流量控制單元655電連接，后者能控制進(jìn)入爐100內(nèi)的常規(guī)氣體、低溫流體、進(jìn)料氣體、氧化性氣體、進(jìn)料氣體和/或惰性氣體的流量。各種類(lèi)型的低溫流體的噴灑裝置可用于本發(fā)明的方法、裝置和系統(tǒng)?？捎糜谝胨鲆环N或多種低溫流體的噴灑裝置或噴灑桿的實(shí)例包括但不限于，連接在直形的、環(huán)形的、或其組合的分配管上的噴嘴組。所述噴灑裝置可包含以下組件的任何一個(gè)或多個(gè)奧氏體不銹鋼的不絕熱管道，耐火材料絕熱的不銹鋼管道，干燥氮?dú)饨^熱管道，和/或真空夾套絕熱管道。在某些實(shí)施方案中，噴灑裝置的長(zhǎng)度可以橫跨運(yùn)輸帶的寬度和/或延伸某個(gè)長(zhǎng)度進(jìn)入冷卻區(qū)內(nèi)。在一個(gè)實(shí)施方案中，噴灑裝置與通過(guò)一個(gè)或多個(gè)系列的管道運(yùn)送的低溫流體源流體連通，上述管道可以為直路或支路，并允許低溫流體從中通過(guò)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，進(jìn)入噴灑裝置內(nèi)的低溫流體的引入通過(guò)閥門(mén)流量控制單元啟動(dòng)，該閥門(mén)流量控制單元與PLC、計(jì)算機(jī)或其它裝置電連接，并響應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)來(lái)自終端使用者的輸入和/或爐內(nèi)或者接近爐的傳感器的讀數(shù)。所述一個(gè)或者多個(gè)系列的管道可端接多個(gè)噴嘴，該噴嘴指向工件或金屬零件，以向工件或零件的表面直接傳送低溫流體。附圖2g和池分別提供了本發(fā)明所述的用于注射低溫流體的噴灑裝置700的實(shí)施方案的內(nèi)部和外部視圖。在附圖2f和池中，噴灑裝置700包括低溫流體進(jìn)口 710，系列管道720和多個(gè)噴嘴730，其中噴嘴與低溫流體源(未顯示)流體連通。當(dāng)在最寬的爐傳輸帶上冷卻零件時(shí)，圖2g所示的實(shí)施方案可能特別有用，其以進(jìn)入具有8個(gè)噴嘴730 (所述噴嘴端接于管道720的最后一個(gè)分支)的管道720的分支級(jí)I，II，III內(nèi)的輸入流的對(duì)稱(chēng)分支的構(gòu)思為基礎(chǔ)，其中所述管道720的最后一個(gè)分支與低溫流體源流體連通且能使液氮霧化成 V形錐或平板。管道720和噴嘴730可按照?qǐng)D2g所示自身使用，或替換性地封裝在如圖池所示的盒狀真空夾套750內(nèi)。參照?qǐng)D2g，管道720(未在圖池中示出)相對(duì)于其在圖2g中的方向旋轉(zhuǎn)90°，以使得噴嘴730(未在圖池中示出)與真空夾套750中的多個(gè)開(kāi)孔740 對(duì)齊，以允許低溫流體通過(guò)真空夾套進(jìn)入爐的氣氛中，如圖池所示?？梢灶A(yù)期，噴灑裝置的其它布置方式可用于本發(fā)明所述的方法、裝置和系統(tǒng)。在一個(gè)具體實(shí)施方案中，此處描述的用于冷卻金屬零件的方法可以與低于零度處理步驟結(jié)合使用。在這個(gè)實(shí)施方案中，冷卻區(qū)可配備有直接噴射型低溫流體噴灑桿和噴嘴， 例如圖加所示的143和圖2b所示的M3。為了達(dá)到低于零度的處理效果，低溫流體的流速被提高到超過(guò)金屬零件的有效燒結(jié)硬化所需的水平，并且例如圖2b中239的噴嘴指向下方傳輸帶上移動(dòng)中的零件。溫度傳感器設(shè)置在冷卻區(qū)中，例如圖加所示的傳感器525，可用于控制低溫流體噴射流速，以便將零件冷卻到一個(gè)或多個(gè)零下溫度。由于燒結(jié)鋼的導(dǎo)熱性比低溫射流與零件界面之間的傳熱系數(shù)高，所以在該低于零度冷卻步驟中，零件的溫度相對(duì)均勻，即使僅從頂部對(duì)零件冷卻。對(duì)于某些實(shí)施方案，將燒結(jié)硬化和低于零度處理結(jié)合在一個(gè)處理步驟和一個(gè)爐中，由于成本降低，可能在工業(yè)上更具吸引力。此處描述的方法在燒結(jié)硬化處理的背景下論述。然而，可以預(yù)料，此處描述的方法的某些要素和方面能用于其它熱處理方法。更進(jìn)一步，所述方法、系統(tǒng)和裝置是關(guān)于連續(xù)帶式爐論述的，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到其它類(lèi)型的爐同樣可以使用。例如，爐比如真空爐、推桿式爐 (pusher furnace)、步進(jìn)式爐(walking beam furnace)，或輥膛爐，以及其他本領(lǐng)域技術(shù)人員所知的爐，同樣適合于實(shí)施此處描述的方法、系統(tǒng)或裝置。也可以預(yù)期，此處描述的裝置的某些要素，例如所述低溫流體注射器或?qū)崟r(shí)分析系統(tǒng)，也可被改裝到這些爐上。如前面所提及的，理想的是在大約900°C到大約_100°C，或從大約800°C到大約 100°C，或從大約750°C到大約200°C的溫度范圍內(nèi)金屬零件的冷卻速率得到控制，例如加快。與比如常規(guī)對(duì)流冷卻、水套等未使用低溫流體的現(xiàn)有技術(shù)相比，此處描述的方法和裝置實(shí)現(xiàn)提高或加速冷卻速度至少25%或更大，至少50%或更大，或至少100%或更大，或至少200%或更大。相信向爐的冷卻區(qū)注射一種或多種低溫流體以致金屬零件的溫度從大約 900°C降低到大約-100°C或從大約800°C降低到大約100°C，可以獲得很多優(yōu)點(diǎn)。例如，冷卻氣氛中的一種或多種低溫流體的使用容許金屬零件的加速冷卻，可由于改變被處理的零件的微觀結(jié)構(gòu)而獲得改善的材料性質(zhì)或特性。在燒結(jié)硬化的情況下，在冷卻區(qū)用低溫流體的加速冷卻可以導(dǎo)致金屬零件比那些典型由傳統(tǒng)冷卻方式產(chǎn)生的零件更硬和/或堅(jiān)韌。此外，通過(guò)增加在冷卻區(qū)內(nèi)的冷卻速率提供更有效的冷卻，對(duì)流冷卻裝置中的循環(huán)風(fēng)機(jī)能以降低的速度運(yùn)行或取消，從而導(dǎo)致成本降低和更平穩(wěn)的冷卻氣氛。相信在燒結(jié)硬化期間更平穩(wěn)的或可再現(xiàn)的氣氛可有助于被處理零件獲得優(yōu)良特性。如前面所提及的，本發(fā)明所述的方法、系統(tǒng)或裝置可容許減少合金粉添加劑的用量，這也將產(chǎn)生更具可壓縮性或者密度更大的金屬零件。改善了零件性能，不僅可使用較不昂貴的粉末混合物來(lái)滿足現(xiàn)有零件的要求，而且燒結(jié)的零件還可以用于比其他可能的應(yīng)用更苛刻的應(yīng)用。在其中金屬零件的冷卻在產(chǎn)品生產(chǎn)能力上是限制因素的情況下，更快速冷卻(因而冷卻時(shí)間更短)也將導(dǎo)致更高的生產(chǎn)率。此外，加速的冷卻也可以容許使用具有更短的冷卻區(qū)的爐，因而，使得在占地面積方面的要求減少。實(shí)施例實(shí)施例1 此處描述的方法的計(jì)算機(jī)模擬針對(duì)示例性爐，已經(jīng)利用Fluent CFD代碼進(jìn)行了向?qū)α骼鋮s系統(tǒng)中注射低溫氮的計(jì)算機(jī)模擬。所述用于模擬的爐包括水面板和4個(gè)充氣箱，其中水面板圍繞對(duì)流冷卻系統(tǒng)并朝向金屬零件運(yùn)送通過(guò)的爐的出口點(diǎn)延伸通過(guò)冷卻區(qū)，和其中所述充氣箱用于引入氣體氣氛通過(guò)N2管，與圖2c圖解的系統(tǒng)相似示出。此外，在所述模擬中，通風(fēng)口被設(shè)置在冷卻裝置的再循環(huán)氣路之上，該再循環(huán)氣路與圖2c中365-370-375所示的氣路相似。用于所述模擬的運(yùn)輸帶的寬度，38英寸，表征了大的燒結(jié)及燒結(jié)硬化爐。所述模擬涉及在模擬中以5 磅/分(lb/min)注射低溫液氮(LIN)到在對(duì)流冷卻系統(tǒng)內(nèi)的四個(gè)充氣箱的最后二個(gè)中的每一個(gè)中。圖3提供了由溫度分布計(jì)算的金屬冷卻速率，所述溫度分布是金屬負(fù)載沿冷卻段從熱區(qū)通過(guò)冷卻區(qū)并且朝向爐出口前進(jìn)的溫度分布。對(duì)于附圖3和4二者，χ軸(時(shí)間)上標(biāo)明的位置指出了熱區(qū)與冷卻區(qū)中對(duì)流冷卻系統(tǒng)入口之間的過(guò)渡區(qū)或面積。圖4比較了有和沒(méi)有LIN的冷卻速率，作為以按C° /秒測(cè)量的冷卻速率與時(shí)間(分鐘)的函數(shù)。進(jìn)入冷卻區(qū)的金屬負(fù)載的溫度近似815°C，并且計(jì)算中使用的金屬物質(zhì)流量為IOOOlbs/小時(shí)，使用的傳輸帶速度為8英寸/分鐘。計(jì)算機(jī)模擬確定了 LIN注射可以提高最后二個(gè)充氣箱下方的冷卻速率。實(shí)施例2:小型燒結(jié)爐低溫液氮的注射實(shí)驗(yàn)在更小的帶式爐里進(jìn)行，帶寬為8. 5英寸，其設(shè)計(jì)用于燒結(jié)及緩冷作業(yè)而不是用于常規(guī)燒結(jié)硬化作業(yè)使用的對(duì)流冷卻。實(shí)驗(yàn)的目的是為了評(píng)估直接注射的LIN對(duì)正通過(guò)爐的零件的溫度分布的影響，也為了評(píng)估如果注射的LIN朝向爐入口而不是爐出口時(shí)，激冷熱爐區(qū)的不良效果。爐氣氛包括純氮?dú)猓?30標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每小時(shí) (scft)的流速進(jìn)入爐的“沖擊區(qū)”，即位于最后一個(gè)熱區(qū)的末端緊后面的位置點(diǎn)。運(yùn)輸帶以 1.3" /分鐘的速度運(yùn)行。這種注射氣氛氣體的方法在金屬燒結(jié)行業(yè)中是非常流行的。少量的LIN，以1. Slbs/分鐘或等價(jià)的1500scfh送出，也注射進(jìn)入沖擊區(qū)之內(nèi)。爐出口末端是密實(shí)的刷型簾，該簾在普通燒結(jié)法操作中不時(shí)使用，并且爐入口被打開(kāi)以便將從沖擊區(qū)的流動(dòng)注射的流體通過(guò)熱區(qū)引導(dǎo)到爐入口。圖5示出了對(duì)于僅僅使用常規(guī)氣體(GAN)的，和使用此處描述方法的常規(guī)氣體加 LIN(LIN+GAN)的試驗(yàn)條件的零件的溫度分布，該零件設(shè)置在所述帶上且通過(guò)爐。明顯地，此處描述的方法將零件在沖擊區(qū)和冷卻區(qū)中的冷卻速率從0. 40°C /秒提高到0. 88°C /秒。這表示此處描述的方法(例如，LIN和GAN)和單獨(dú)使用GAN相比，冷卻速率提高了大約120%， 或冷卻速度加速120%。通過(guò)從熱區(qū)排出到?jīng)_擊區(qū)的零件的溫度的降低，證明了熱區(qū)激冷的不良效果。該效果可以通過(guò)從爐出口去除密實(shí)的簾并因此將氣化的LIN流動(dòng)重新引導(dǎo)至冷卻區(qū)和爐出口而消除。在描述的測(cè)試期間的最后一項(xiàng)觀察涉及接近爐出口的冷卻區(qū)未端處的零件溫度。這個(gè)溫度容易下降到大約0°C，即相當(dāng)?shù)陀诖蠹s20°C的環(huán)境溫度。通過(guò)分析馬氏體轉(zhuǎn)變的開(kāi)始(Ms)和結(jié)束(Mf)溫度，可認(rèn)識(shí)到該溫度降對(duì)于燒結(jié)可硬化的和其他相變可硬化的合金鋼零件的實(shí)際意義。對(duì)于最常見(jiàn)的鋼等級(jí)，Ms值范圍為大約350°C到大約200°C，但是Mf值可能為從大約100°C下至零下溫度。因而，與常規(guī)的水熱交換器冷卻的氣體對(duì)流的方法及系統(tǒng)相比，此處描述的方法、裝置及系統(tǒng)能夠獲得更完全的馬氏體轉(zhuǎn)變，這改善了許多零件性能，并且可以消除通常在連續(xù)爐處理之后的附加處理作業(yè)。圖6描述了在爐內(nèi)固定位置溫度隨時(shí)間的演化過(guò)程，處理時(shí)間(實(shí)驗(yàn)的總和時(shí)間) 為0到150分鐘。選定的固定位置包括沖擊區(qū)和冷卻區(qū)，其中在沖擊區(qū)中通常新的燒結(jié)氣體混合物被引入燒結(jié)爐，而冷卻區(qū)從沖擊區(qū)延伸到爐出口并且被常規(guī)的水冷夾套包圍。沖擊區(qū)在帶表面正上方的溫度用熱電偶TC2測(cè)量，且冷卻區(qū)中部的溫度用熱電偶TC3測(cè)量。在時(shí)間0之前，爐充滿常規(guī)燒結(jié)氣體或氮?dú)鈿夥眨捎门c上面所描述的相同條件。接下來(lái)，對(duì)于常規(guī)的、氮?dú)夥諊誀t的溫度分布在150分鐘內(nèi)被監(jiān)控，如溫度曲線TC2-氣體和TC3-氣體所示。在接下去的測(cè)試中，采用與如圖加所示的由注射點(diǎn)143指示的方式相同的方式， 將液氮(LIN)與常規(guī)燒結(jié)氣體或氮?dú)庖黄饑娚渲翛_擊區(qū)。LIN的流動(dòng)在零時(shí)刻開(kāi)始，并且在 145分鐘時(shí)停止。使用的LIN流速與上面詳細(xì)說(shuō)明的相同。TC2-LIN和TC3-LIN曲線兩者對(duì)應(yīng)于TC2-氣體和TC3-氣體曲線，它們顯示了沖擊區(qū)和冷卻區(qū)的溫度隨著引入LIN快速并且一致的下降。在本實(shí)驗(yàn)中使用的LIN流速足以將冷卻區(qū)中零件的溫度降低至低于水的冰點(diǎn)，該溫度可能是低于零度處理所需要的。替換性地，冷卻區(qū)的溫度可以通過(guò)向沖擊區(qū)注射更少的LIN來(lái)提高。實(shí)施例3 生產(chǎn)燒結(jié)硬化的比較本實(shí)施例針對(duì)生產(chǎn)燒結(jié)硬化爐比較了標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)條件和此處描述的方法的兩種實(shí)施方案。兩種粉末混合合金組合物被制備，并指定為金屬合金1和金屬合金2。金屬合金1 具有類(lèi)似于Ancorsteel 721 SH的組成。金屬合金2基本上與金屬合金1相似，除了它含有比金屬合金1更少的鉬和鎳。在所有情況下，帶速、大小、形狀和金屬零件的密度，以及爐的燒結(jié)溫度分布設(shè)定，是相同的。冷卻條件1由下述“正?！边\(yùn)行條件構(gòu)成燒結(jié)氣體以體積計(jì)包括90/10,2150 高燒結(jié)溫度，Varicool對(duì)流冷卻風(fēng)機(jī)調(diào)整到接近其最大冷卻輸出的50赫茲(Hz)的頻率。冷卻條件2包括在Varicool單元內(nèi)直接噴射到金屬零件上的液氮，以及在冷卻條件1(包括50赫茲Varicool對(duì)流冷卻)中限定的正常運(yùn)行條件。由于加入液氮/冷卻氮?dú)?，爐氣氛包含以體積計(jì)大約4-5%的氫氣。冷卻條件3由如下構(gòu)成除了輸入氮/氫氣之外還在Varicool單元內(nèi)直接向金屬零件噴射液氮，另外對(duì)流冷卻單元被調(diào)低至接近最小Varicool輸出的6赫茲。冷卻條件3的氫氣水平為以體積計(jì)大約4_5%。金屬合金1和金屬合金2零件的表觀硬度通過(guò)使用在洛氏硬度測(cè)試儀(HRC)的C 標(biāo)尺來(lái)測(cè)定，結(jié)果在表I中。所使用的方法如ASTM E18-08b(金屬材料的洛氏硬度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法)所述。在正常燒結(jié)硬化爐運(yùn)行條件下，金屬合金2的表觀硬度小于金屬合金1的。 然而，利用冷卻條件2和3，或此處描述的方法的兩種實(shí)施方案，實(shí)驗(yàn)的貧合金零件的表觀硬度分別具有39和43的HRC測(cè)量值，它們與冷卻條件1下的金屬合金A的表觀硬度相當(dāng)且略有提高。表I 燒結(jié)硬化的PM零件的表觀硬度(HRC)
權(quán)利要求
1.一種用于在連續(xù)爐中處理金屬零件的方法，該方法包括提供所述爐，其中所述金屬零件在運(yùn)輸帶上從該爐中通過(guò)，所述爐包括熱區(qū)和冷卻區(qū)， 其中所述冷卻區(qū)具有第一溫度；以及將低溫流體引入所述冷卻區(qū)，在該處所述低溫流體將所述冷卻區(qū)的溫度降低到第二溫度，其中所述低溫流體的至少一部分在所述冷卻區(qū)內(nèi)提供蒸氣并冷卻正從中通過(guò)的所述金屬零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，進(jìn)一步包括將所述蒸氣的至少一部分導(dǎo)向所述爐的出□端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，進(jìn)一步包括在進(jìn)入所述熱區(qū)前，排出所述蒸氣的至少一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其中所述爐進(jìn)一步包括位于所述熱區(qū)和所述冷卻區(qū)內(nèi)的多個(gè)氣體組成傳感器，其中所述組成傳感器與閥控制單元電連接以控制所述爐氣氛的組成達(dá)到預(yù)定水平。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述低溫流體通過(guò)直接噴灑到所述金屬零件上而被引入所述冷卻區(qū)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其中在所述冷卻區(qū)中所述爐的底板的一部分包括包含水的夾套，其中所述水的溫度保持高于冰點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述方法，其中所述低溫流體利用噴灑桿噴灑到所述金屬零件上， 所述噴灑桿包括與低溫流體源流體連通的管道并具有多個(gè)終止于所述管道的末端的噴嘴， 所述噴嘴容許所述低溫流體通過(guò)其中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述方法，其中所述噴灑桿進(jìn)一步包括真空夾套，該真空夾套包括多個(gè)與所述噴嘴的開(kāi)孔對(duì)齊的開(kāi)孔以允許所述低溫流體通過(guò)其中。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中低溫流體通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)間接地被引入所述冷卻區(qū)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述低溫流體通過(guò)直接噴灑到所述金屬零件上和間接通過(guò)對(duì)流冷卻系統(tǒng)而被弓I入所述冷卻區(qū)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述金屬零件包括粉末冶金零件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述金屬零件經(jīng)歷馬氏體相變。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述方法，用于通過(guò)降低所述冷卻區(qū)內(nèi)的所述金屬零件的溫度到低于環(huán)境溫度來(lái)完成馬氏體轉(zhuǎn)變。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，進(jìn)一步包括將所述金屬零件處理到低于0°C的一個(gè)或多個(gè)溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，進(jìn)一步包括通過(guò)閥控制單元與一個(gè)或多個(gè)閥電連接的溫度傳感器，以控制所述低溫流體的所述引入。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述爐包括一個(gè)或多個(gè)具有致動(dòng)器的簾，所述致動(dòng)器用于打開(kāi)或關(guān)閉該一個(gè)或多個(gè)簾，并且其中所述溫度傳感器與所述致動(dòng)器和可編程邏輯控制器電連接。
全文摘要
本文涉及使用低溫冷卻的金屬處理方法，尤其涉及用于金屬加工的方法、裝置以及系統(tǒng)，其利用一種或多種低溫流體來(lái)控制連續(xù)爐的冷卻區(qū)的工藝條件從而改善燒結(jié)的金屬零件的一種或多種性能。在一方面中，提供方法，包括提供爐，其中金屬零件在運(yùn)輸帶上從該爐中通過(guò)，并且包括熱區(qū)和冷卻區(qū)，其中冷卻區(qū)具有第一溫度；和將低溫流體引入冷卻區(qū)，在該處低溫流體將冷卻區(qū)的溫度降低到第二溫度，其中低溫流體的至少一部分在冷卻區(qū)內(nèi)提供蒸汽，并以加速的冷卻速度冷卻正通過(guò)的所述金屬零件。
文檔編號(hào)C21D1/00GK102286654SQ201110180849
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月23日
發(fā)明者D·S·納爾遜, J·L·格林, L·A·默肯多, R·高希, Z·蘇雷基, 何筱毅 申請(qǐng)人:氣體產(chǎn)品與化學(xué)公司