(57)【要約】  本発明は、予熱ゾーン（１２０）および高熱ゾーン（１３０）を備える焼結炉（１００）内の焼結プロセスを制御するための装置（１５０）に関するものであり、装置（１５０）は、少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）および調節手段（１５５、１５６）を備え、少なくとも２つの測定装置は、予熱ゾーン（１２０）内の少なくとも１つの測定装置および高熱ゾーン（１３０）内の少なくとも１つの測定装置を、それぞれのゾーンで炉内雰囲気を分析するために備え、調節手段（１５５、１５６）は、それぞれのゾーン（１１０、１２０、１３０、１４０）内の少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）によって得られる測定値に基づいて、炉内雰囲気の組成を調節する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
予熱ゾーン（１２０）および高熱ゾーン（１３０）を備える焼結炉（１００）内の焼結プロセスを制御するための装置（１５０）であって、
前記装置（１５０）は、少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）および調節手段（１５５、１５６）を備え、
前記少なくとも２つの測定装置は、前記予熱ゾーン（１２０）内の少なくとも１つの測定装置および前記高熱ゾーン（１３０）内の少なくとも１つの測定装置を、それぞれのゾーンで炉内雰囲気を分析するために備え、
前記調節手段（１５５、１５６）は、前記それぞれのゾーン（１１０、１２０、１３０、１４０）内の前記少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）によって得られる測定値に基づいて、前記炉内雰囲気の組成を調節する、
装置（１５０）。
【請求項２】
前記少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）は、酸素分析計（１５１）、露点分析計（１５２）、ラムダプローブ（１５３）および水素分析計（１５４）から選択される、
請求項１に記載の装置（１５０）。
【請求項３】
前記少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）は、前記高熱ゾーン（１３０）内の酸素分析計（１５１）および前記予熱ゾーン（１２０）内の露点分析計（１５２）から選択される、
請求項１または２に記載の装置（１５０）。
【請求項４】
前記調節手段（１５５、１５６）は、湿度を変えることによって、および／または、水素、窒素およびプロパンの濃度の少なくとも１つを変えることによって、前記炉内雰囲気の前記組成を調節するように構成される、
請求項１から３のいずれかに記載の装置（１５０）。
【請求項５】
前記調節手段（１５５、１５６）は、カーボンポテンシャルおよび／または酸素濃度および／または水素比率曲線に基づいて、前記炉内雰囲気の前記組成を調節するように構成される、
請求項１から４のいずれかに記載の装置（１５０）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の装置（１５０）を含む焼結炉（１００）。
【請求項７】
前記焼結炉（１００）は、金属射出成形パーツを焼結するための焼結炉または粉末金属焼結のための焼結炉である、
請求項６に記載の焼結炉（１００）。
【請求項８】
予熱ゾーン（１２０）および高熱ゾーン（１３０）を備える焼結炉（１００）内の焼結プロセスを制御するための方法であって、
炉内雰囲気は、少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）によって分析され、
前記少なくとも２つの測定装置は、前記予熱ゾーン（１２０）内の少なくとも１つの測定装置および前記高熱ゾーン（１３０）内の少なくとも１つの測定装置を備え、
前記炉内雰囲気の組成は、それぞれのゾーン（１１０、１２０、１３０、１４０）内の前記少なくとも２つの測定装置（１５１、１５２、１５３、１５４）によって得られる測定値に基づいて調節される、
方法。
【請求項９】
前記炉内雰囲気を分析することは、酸素濃度、水素濃度、露点温度およびラムダ比率の少なくとも１つを測定することを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記炉内雰囲気の前記組成を調節することは、湿度を変えること、および／または、水素、窒素およびプロパンの濃度の少なくとも１つを変えることを含む、
請求項８または９に記載の方法。
【請求項１１】
前記炉内雰囲気の前記組成は、カーボンポテンシャルおよび／または酸素濃度および／または水素比率曲線に基づいて調節される、
請求項８から１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記方法は、金属射出成形パーツを焼結する焼結プロセス、または、粉末金属を焼結する焼結プロセスのために用いられる、
請求項８から１１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焼結プロセスを制御するための装置および方法と、この種の装置を含む焼結炉と、に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属射出成形は、バインダー材料が混合された金属粉末からパーツを形成するための方法である。金属粉末およびバインダー材料の混合物は、型に押圧される。その後、バインダー材料は、例えば、溶媒、熱処理、触媒工程またはそれらの組み合わせを用いて除去される。
【０００３】
このプロセスの結果、金属パーツが生成され、この金属パーツは、焼結と呼ばれる炉内プロセスを用いてさらに密度が高められなければならない。その炉内プロセスでは、炉内雰囲気を用いて、金属パーツの表面に生じる反応を制御する。炉内雰囲気内の反応は、炉内雰囲気の組成を変えることによって制御されてもよい。
【０００４】
金属射出成形（ＭＩＭ）焼結プロセスは、広範囲な測定および精密制御を必要とする複雑な化学を有する。金属射出成形要素の炭素含有量の制御は、高熱およびパーツの複雑な形状により、非常に高感度のプロセスである。熱処理炉の雰囲気制御は、分析計を用いて行われてもよい。
【０００５】
焼結される要素のための熱処理雰囲気を制御する既存のシステムは、炉内に入る入力ガスおよび焼結済みの要素の結果にのみ依存する。結果に依存して、パーツは、さらなる使用に適切であるとして処理されうるか、または、スクラップとして処理されうる。条件を変えることは、炉の対応する特定ゾーン内のパーツの品質に影響を及ぼすのみである。これらのゾーンを通過したパーツは、省略され、これらのパーツのための結果は、変えられない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それゆえ、解決課題は、より長期間にわたり、高品質の焼結要素、特に一定の炭素含有量を有する要素を達成するために、焼結プロセスを制御するための可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題は、独立請求項に従って、焼結プロセスを制御するための装置、この種の装置を含む焼結炉および焼結プロセスを制御するための方法によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明の対象である。
【０００８】
本発明による装置は、予熱ゾーンおよび高熱ゾーンを備える焼結炉内の焼結プロセスを制御するように機能する。装置は、少なくとも２つの測定装置を備え、少なくとも２つの測定装置は、予熱ゾーン内の少なくとも１つの測定装置および高熱ゾーン内の少なくとも１つの測定装置を備える。測定装置は、それぞれのゾーンで炉内雰囲気を分析するために用いられる。装置は、それぞれのゾーン内の少なくとも２つの測定装置によって得られる測定値に基づいて、炉内雰囲気の組成を調節するための調節手段をさらに備える。
【０００９】
焼結装置の異なるゾーン内の測定装置を用いることは、入力ガス組成に依存し、かつ、プロセスのまさに終了で結果を判断するのみに対して、炉内雰囲気の組成の調節を改善する。本発明による装置により、焼結炉の予熱ゾーン内および高温ゾーン内の組成を分析することができる。炉内雰囲気の組成は、２つの測定装置の両方により測定される値に依存して調節される。また、異なるゾーンに依存して異なる組成を選択することにより、炉内雰囲気における一定のカーボンポテンシャルを達成し、それゆえ、焼結パーツ、例えば金属射出成形パーツにおける一定の炭素含有量を達成することができる。
【００１０】
好ましくは、少なくとも２つの測定装置は、酸素分析計、露点分析計、ラムダプローブおよび水素分析計から選択される。これらの測定装置により、通常使用されるガスにより炉内雰囲気の組成を分析することができる。
【００１１】
少なくとも２つの測定装置が高熱ゾーン内の酸素分析計および予熱ゾーン内の露点分析計から選択される場合、有利である。焼結炉の上述したゾーンに配置されるこれらの測定装置は、最良の分析結果を生成する。
【００１２】
好ましくは、調節手段は、湿度を変えることによって、および／または、水素、窒素およびプロパンの濃度の少なくとも１つを変えることによって、炉内雰囲気の組成を調節するように構成される。これらのガスは、典型的には、焼結炉内の炉内雰囲気のために用いられる。それゆえ、炉内雰囲気の分析に依存してこれらのガスの少なくとも１つを変えることによって組成を調節することは、焼結結果の改善につながる。しかしながら、これらのガスのすべてを調節することが好ましく、さらに良好な結果につながる。
【００１３】
予熱ゾーン内の炉内雰囲気は、予熱ゾーン内に位置する測定装置によって達成される測定値に依存して、および、高熱ゾーン内に位置する測定装置によって達成される測定値に依存して、制御される。両方の測定値に依存して、例えば１つまたは複数のガス流を導入し、これにより、予熱ゾーン内のガス組成を変えることによって、予熱ゾーン内の雰囲気は変えられる。
【００１４】
同じことが、高熱ゾーン内の炉内雰囲気に適用される。すなわち、高熱ゾーン内の炉内雰囲気は、予熱ゾーン内に位置する測定装置によって達成される測定値に依存して、および、高熱ゾーン内に位置する測定装置によって達成される測定値に依存して、制御される。
【００１５】
本発明によれば、予熱ゾーン内の雰囲気および高熱ゾーン内の雰囲気は分析され、すなわち、予熱雰囲気を特徴付ける少なくとも１つの値および高熱雰囲気を特徴付ける少なくとも１つの値は測定される。両方の測定値の分析を用いて、予熱ゾーン内および高熱ゾーン内の雰囲気を制御する。それゆえ、予熱ゾーン内の雰囲気の調節は、両方の測定値に依存し、高熱ゾーン内の雰囲気の調節もまた、両方の測定値に依存する。
【００１６】
好ましくは、両方の測定装置によって得られる測定値は、所定の値すなわち予め設定された値と比較され、公称値と実際値との差に依存して、予熱ゾーン内の雰囲気および高熱ゾーン内の雰囲気は変えられる。
【００１７】
有利には、調節手段は、カーボンポテンシャルおよび／または酸素濃度および／または水素比率曲線に基づいて、炉内雰囲気の組成を調節するように構成される。実験的な水素曲線は、下降曲線を示す傾向があり、下降曲線は、水素が、約３０％の値までは金属射出成形（ＭＩＭ）粉末混合物内の炭素と反応しない手段（ａｇｅｎｔ）として作用し、その後は反対に脱炭手段として作用を開始することを意味する。曲線は、多くの要因に依存する傾向があり、理論によって業界内で証明された現象として理解も認識もされていなかった。カーボンポテンシャルは、一定の炭素含有量を達成するための必須の量であるので、カーボンポテンシャルおよび酸素濃度を相関させる関数および／または炉内雰囲気の水素比率曲線を用いて、焼結パーツの炭素含有量を改善することができる。カーボンポテンシャルまたは換言すれば炭素の活性は、温度、雰囲気混合物内のＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２ガスの含有量の関数であり、ＭＩＭ粉末混合物内の合金化元素に直接関係する。
【００１８】
本発明による焼結炉は、本発明による装置を含む。好ましくは、焼結炉は、焼結金属射出成形パーツのための焼結炉である。なぜなら、金属射出成形は、高温およびパーツの複雑な形状のため、炭素含有量の制御に非常に高感度であるからである。あるいは、焼結炉は、粉末金属焼結のための焼結炉を備える。なぜなら、粉末金属焼結は、類似のプロセスを用いるからである。
【００１９】
本発明による方法は、焼結炉内の焼結プロセスを制御するように機能する。炉内雰囲気は、少なくとも２つの測定装置によって分析され、少なくとも２つの測定装置は、焼結炉の少なくとも２つの異なるゾーンの各々内に少なくとも１つの測定装置を備え、炉内雰囲気の組成は、それぞれのゾーン内の少なくとも２つの測定装置によって得られる測定値に基づいて調節される。
【００２０】
好ましくは、炉内雰囲気を分析することは、酸素濃度、水素濃度、露点温度およびラムダ比率の少なくとも１つを測定することを含む。ラムダ比率またはラムダ値は、酸素濃度に類似しているが、６５０℃超の温度でジルコニアセラミックの格子構造による酸素原子の電気的活性の関数として定められる。
【００２１】
有利には、異なるゾーンは、エントリーゾーン、予熱ゾーン、高熱ゾーンおよび冷却ゾーンから選択される。
【００２２】
炉内雰囲気の組成を調節することが、湿度を変えること、および／または、水素、窒素およびプロパンの濃度の少なくとも１つを変えることを含む場合、有利である。
【００２３】
好ましくは、炉内雰囲気の組成は、カーボンポテンシャルおよび酸素濃度および／または水素比率曲線に基づいて調節される。
【００２４】
有利には、方法は、金属射出成形パーツを焼結する焼結プロセス、または、粉末金属を焼結する焼結プロセスのために用いられる。
【００２５】
本発明による方法の実施形態および利点は、上述した本発明による装置の実施形態および利点に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】好適実施形態における本発明による焼結プロセスを制御するための装置を有する焼結装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１には、例えば焼結金属射出成形パーツのための焼結炉１００の概略図が示される。パーツ１８０、１８１は、金属射出成形の後のベンチ１０１上に配置され、例えば運搬装置によって、ベンチ１０１の左端からベンチ１０１の右端まで搬送される。
【００２８】
それゆえ、焼結炉１００内に例示的に示されるパーツ１８０、１８１は、焼結炉１００の異なるゾーンを通過する。これらのゾーンは、最初にエントリーゾーン１１０を備え、その後に予熱ゾーン１２０および次の高熱ゾーン１３０を備え、最後に冷却ゾーン１４０を備える。焼結炉１００内の焼結プロセスを制御するための装置１５０は、例えば、焼結炉１００のベンチの近くに配置される。装置１５０は、例えば、６つの測定装置を備える。これらの測定装置は、高熱ゾーン１３０内の酸素分析計１５１、予熱ゾーン１２０内の露点分析計１５２、冷却ゾーン１４０内のラムダプローブ１５３、冷却ゾーン１４０内の水素分析計１５４、エントリーゾーン内１１０のラムダプローブ１５３およびエントリーゾーン１１０内の水素分析計１５４である。
【００２９】
装置１５０は、これらの６つの測定装置により測定される値を受信するように構成され、調節手段１５５、１５６を制御するようにさらに構成される。調節手段１５５、１５６は、流入口１０５、１０６に配置され、流入口１０５、１０６は、ガス混合物を焼結炉１００のゾーンに供給するように用いられる。このガス混合物は、焼結プロセスのための炉内雰囲気として用いられる、または、既存の炉内雰囲気を変えるために用いられる。
【００３０】
調節手段を制御することによって、焼結炉内のガス混合物、すなわち炉内雰囲気の組成は、測定手段１５１、１５２、１５３および１５４により測定される値に基づいて変えられてもよい。
【００３１】
特に、水素、湿度、窒素およびプロパンの混合の量および相対組成は、酸素分析計により測定される値に対するカーボンポテンシャルの式および金属射出成形（ＭＩＭ）潤滑油の活性を決定する水素比率曲線に基づいて調節され、脱バインダー段階において、炉の予熱ゾーン１２０（脱バインダーゾーンとも呼ばれる）内で溶解（ｄｅｓｏｌｖｅ）する。樹脂バインダー材料の脱バインダーは、水素および水蒸気（Ｈ２Ｏ）に反応しているので、湿度の量は、８００℃までの高温での樹脂の燃焼に必要な水分量の基本的な化学量論計算に基づいて計算される。湿度または遊離酸素の組成は、炉装入（ｆｕｒｎａｃｅ  ｃｈａｒｇｅ）として入る粉末混合物（いわゆるブラウンコンポーネント（ｂｒｏｗｎ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ））の重量によって計算される。次に、存在する樹脂の量、および、これをブラウンパートから焼き払うための湿度の量が計算される。次に、脱バインダーゾーンの流量は、ガス加湿機を通過する窒素または水素搬送ガスを変えることによって、それゆえ、必要な水分含有量を提供することによって、変えられる。
【００３２】
一方、予熱（脱バインダー）ゾーン内の湿度量は、連続的に測定され、値を一定に保つ、それゆえ、環境が炉に入力された樹脂を焼き払う（反応する）のに十分な湿度を有することを確実にする。これは、すべての樹脂バインダーを除去し、ベースの粉末混合物が高熱（焼結）ゾーンに正しい炭素含有量で入ることを可能にする。次に、装置は、カーボンニュートラル雰囲気を作ることによって、ベースレベルの炭素含有量を維持する。
【図１】
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【国際調査報告】
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