焼結鋼の焼結プロセス中の雰囲気制御とその性能

公開時間： 06 / 22 2021 著者：サイト編集者訪問：12219

焼結雰囲気とその選択

炭素含有鋼の焼結のみを考慮すると、粉末冶金産業で使用される焼結雰囲気は、水素、窒素、窒素+水素（炭素ポテンシャルまたは炭素ポテンシャルなし）、アンモニアの分解、吸熱ガス、吸熱ガス+窒素、合成ガスと真空の場合、焼結雰囲気を正しく選択するには、さまざまな焼結雰囲気の特性と性能を理解し、品質の確保とコスト削減の原則に従った選択が必要です。

水素は強力な還元性雰囲気です。多くの人が水素には一定の脱炭効果があると信じていますが、これは水素自体ではなく、使用する水素の純度に大きく依存します。一般に、電気分解または触媒変換後の水素には、H2O、O2、CO、CH4などの一定量の不純物ガスが含まれていますが、総量が約0.5％に達することもあります。したがって、使用前に乾燥および精製して、酸素含有量と露点を下げることが最善です。ただし、水素の価格が高いため、特別な理由がない限り、純粋な水素が焼結雰囲気として使用されることはめったにありません。

窒素は安全で安価な不活性ガスですが、純窒素は焼結温度で還元性がないため、従来の粉末冶金鋼の製造で焼結雰囲気として純窒素が使用されることはめったにありません。近年、窒素精製のコストが下がり、焼結炉の気密性が向上するにつれて、炭素含有鋼を焼結するための焼結雰囲気として窒素も使用され始めている。

近年、炭素鋼の焼結に窒素と水素の混合物がますます使用されています。窒素/水素は通常95 / 5-50 / 50の間で使用されます。この混合物にはある程度の還元性があり、露点は-60℃未満に達する可能性があります。一般的に、このガスを4〜3℃で使用する場合、焼結中に一定の炭素ポテンシャルを維持するには、一定量のCH8またはC1050H1150を追加する必要があります。 1250℃を超える炭素鋼は、炭素ポテンシャルを制御する必要はありません。この混合物は、酸化せずに1120°C未満でクロム含有鉄基合金を焼結するために使用できます。

分解されたアンモニアは、75％のH2と25％のN2を含む加熱された触媒を通してアンモニアガスを分解することによって作られます。しかし、一般的に言えば、少量の未分解のアンモニア分子が常に分解されたアンモニアに残ります。それらが高温で溶銑と接触すると、それらは非常に活性な水素原子と窒素原子に分解し、それによって金属を窒化します。最近の研究では、適切に制御された場合、1120°CでAstaloyCrMを焼結すると、90N2 / 10H2混合物が分解され、より強い還元性でアンモニア化されることが示されています。主な理由は、焼結プロセス中に分解されたばかりのこれらの活性水素原子が90N2 /よりも効果的であるためです。10H2混合ガスの水素は還元性が高く、AstaloyCrM粒子の外側の酸化物層を効果的に還元できます。アンモニアを精製して分解するには、水に通して乾燥させるか、活性アルミナまたはモレキュラーシーブを使用して残りのアンモニアをすべて除去します。

吸熱ガスは、炭化水素ガス（CH4またはC3H8）を空気と一定の割合で混合し、900〜1000℃で予熱し、酸化ニッケル触媒で触媒変換することにより得られる混合ガスの一種です。空気と石炭ガスの比率に応じて、変換プロセスには吸熱反応または発熱反応が伴います。得られた混合ガスは吸熱ガスまたは発熱ガスと呼ばれ、反応は次のようになります。

CmHn+m(O2+3.774N2)—mCO+n/H2+1.887mN2

上記の反応を完全に実行する場合、つまり、CmHm内のすべてのCが空気中のO2と反応したばかりの場合、必要な空気/ガスはm / 2（1 + 3.774）、つまり2.387mである必要があります。たとえば、使用する炭化水素ガスがCH4の場合、必要な空気/ガスは2.387であり、この時点で生成される混合ガスには40.9％H2、38.6％N2、20.5％COが含まれます。反応後、混合ガスにはH2が含まれます。 COとCOの含有量は、空気/ガスの増加とともに減少しますが、H2OとCO2の含有量は増加します。また、空気/ガスの増加に伴い、反応後の混合ガスの炭素ポテンシャルが低下し、酸化性能が向上することを示しています。これは、炭素含有鋼を焼結するときに発熱ガスがほとんど使用されず、ほとんどの吸熱ガスが使用される主な理由でもあります。

一般的に、2.0〜3.0の空気/ガスによって生成される混合ガスは吸収高温ガスと呼ばれ、比率が5.0より大きいときに生成される混合ガスは発熱ガスと呼ばれます。 CH4を原料として生成される吸熱ガスの露点と空気/ガスの関係は、空気/ガスが2.4から2.5に上昇するだけであり、生成される混合ガスの露点が-25°Cから-0°Cに上昇することを示しています。 2.4°C以上。したがって、ユーザーが自分で吸熱ガスを製造する場合は、露点が十分に低い吸熱ガスを得るために、原材料中のガスに対する空気の比率（できれば1000以下）を制御することに特別な注意を払う必要があります。反応後の混合ガスでは、異なるガスの比率は、反応終了時の比率に対応し、一般的には（1100〜XNUMX℃）です。

反応後、ガスの温度が変化すると、混合ガスの炭素ポテンシャル、露点、異なるガスの比率が変化します。多くの粉末冶金メーカーは、800つの発熱ガス発生器を使用して、パイプラインを介して複数の焼結炉に必要な焼結雰囲気を同時に供給します。焼結炉に到達する前に、雰囲気の温度が下げられました。。パイプラインの絶縁が悪く、パイプライン壁の温度がXNUMX°C未満の場合、混合ガス中の炭素の一部がカーボンブラックの形でパイプライン壁に堆積します。言い換えれば、混合ガスが焼結炉で焼結温度に再加熱されるとき、その炭素熱は、吸熱ガス発生器が提供できる炭素ポテンシャルよりもはるかに低い。

この場合、適切な量のメタンまたはプロパンを焼結炉に追加して、炉内の炭素ポテンシャルを確保する必要があります。現在、一部の外国の粉末冶金メーカーは、温度変化による焼結雰囲気への影響を避けるために、各焼結炉の横に小さな吸熱ガス発生器を設置し、冷却せずに焼結炉に直接生成された吸熱ガスを使用し始めています。。。また、酸化ニッケル触媒の触媒効果があっても、搬送後の混合ガスには少量の炭化水素ガス（CH4、C3H8など）が残っていることに注意してください。また、900〜1100℃のガス間反応が平衡に達した後、少量のCO2とH2O（ガス状）が生成されるため、使用前に乾燥させる必要があります。

吸熱ガスへの窒素の添加は、吸熱ガス中のCO、CO2、およびH2Oの相対含有量を減らし、炭素ポテンシャルと露点に対する雰囲気の感度を緩衝し、焼結雰囲気のいくつかの相関係数を容易にすることができます。制御する。

合成ガスは、近年、外国の焼結炉メーカーによって提案された方法であり、焼結炉内で直接（希釈）吸熱ガスを生成します（炉の外に吸熱ガス発生器を必要としません）。ガス状のメチルアルコールと窒素を一定の割合で混合し、直接焼結炉に送ります。高温焼結ゾーンでは、次の反応が発生します。

CH3OH-CO + 2H2

分解ガス中のCOとH2の比率は、CH4を用いた通常の方法で生成される吸熱ガスの比率と等しいため、混合窒素を組み合わせて、吸熱ガスと同じ組成の混合雰囲気を合成することができます（1Lメタンは1.05nm3の窒素に相当します）。その最大の利点は、炉の外に吸熱ガス発生器を必要としないことです。さらに、ユーザーは自分の要件に応じて、さまざまな量の窒素ガスを混合して希釈された吸熱ガスを生成できます。

真空も一種の焼結雰囲気であり、主にステンレス鋼やその他の材料の焼結に使用されますが、炭素鋼の焼結には一般的に使用されません。

焼結雰囲気の物性

ほとんどの焼結雰囲気の論文および報告書は、主に、焼結プロセス中の異なる焼結雰囲気と焼結体との間の化学的挙動について論じていますが、この効果は多くの場合不可能ですが、異なる雰囲気の物理的特性が焼結に及ぼす影響についてはほとんど論じていません。無視されます。例えば、ガス粘度の違いは、開口部に沿って表面から内部への焼結体の化学濃度勾配を引き起こし、それによって焼結体の表面特性に影響を与える。別の例では、さまざまなガスの熱容量と熱伝導率が、焼結時間と冷却速度に大きな影響を与えます。このセクションでは、読者が参照できるように、さまざまな温度（焼結温度付近）でのいくつかの焼結雰囲気の主な物理的特性を示します。

Minghe Die Casting Companyは、精密および非鉄ダイカストのカスタムメーカーです。製品には、アルミニウムと亜鉛のダイカストが含まれます。アルミニウムダイカストは、380および383を含む合金で利用できます。仕様には、プラス/-0.0025の公差と10ポンドの最大成形重量が含まれます。亜鉛ダイカスト部品は、Zamakno。 3、ザマック号5＆ザマックno。 7＆ZA-8やZA-27などのハイブリッド合金。仕様には、プラス/-0.001の公差と4.5ポンドの最大成形重量が含まれます。

焼結中の雰囲気に関連する問題の例

1脱ロウ時の部品表面のひび割れ例

メッシュベルト焼結炉を使用し、焼結雰囲気として吸熱ガスを使用する場合、脱ロウゾーンの温度上昇率と雰囲気が十分に制御されていないと、表面に亀裂が発生します。多くの人がこの現象は潤滑剤の急速な分解によるものだと考えていますが、そうではありません。本当の理由は、吸熱ガス中の一酸化炭素が、鉄、ニッケル、その他の金属の触媒作用により、450〜700℃の温度範囲で固体炭素と二酸化炭素に分解されるためです。焼結体の細孔内に新たに堆積した固体炭素がその体積を拡大し、上記の表面割れ現象を引き起こします。

部品の品質は、さまざまな雰囲気での焼結プロセス中の温度によって異なります。その中で、雰囲気３は乾燥吸熱石炭ガスであり、雰囲気４および５は異なる量の水蒸気が添加された吸熱石炭ガスである。焼結工程中、約3℃で部品の品質が低下し始め、内部の固体潤滑剤が連続的に分解されて焼結体から溢れ出し、品質が低下していることがわかります。もちろん、混合粉末に固体潤滑剤が含まれていない場合、上記の現象は発生しません。上記の4つの雰囲気を使用する場合、約5°Cで焼結体の品質から雰囲気を乾燥させると、この現象はより深刻になります。

しかし、興味深いのは、ガス3（乾燥吸熱ガス）を使用すると、固体潤滑剤の存在に関係なく表面亀裂が発生することです。これは、脱ろうとは直接関係がなく、亀裂内に炭素に富むガスが含まれていることを示しています。現象、上記の説明の正しさを確認することができます。

上記のクラッキング現象の発生を回避する方法はいくつかあります。最も直接的なことは、破線を割ることなく、焼結雰囲気を吸熱ガスから水素-窒素混合物に変えることです。焼結雰囲気を変えられない場合は、XNUMXつの方法があります。 XNUMXつは、水蒸気を含む吸熱ガスの一部を焼結炉の脱ロウゾーンに吹き込むことです。しかし、この方法では実際の運用で安定した制御が得られません。

焼結炉の風量制御が悪く、高露点雰囲気が焼結ゾーンに入る現象が焼結品質に影響を与える可能性があります。 450番目の最良の方法は、焼結炉の脱ロウゾーンで部品の加熱速度を上げて、できるだけ早く600を通過させることです。 -XNUMX°Cで割れが発生する領域では、通常、いわゆる高速脱ろうがこの現象のために設計されています。

2AstaloyCrM焼結例

金属クロムは、その低価格と優れた強化効果により、合金鋼に広く使用されています。しかし、クロム含有焼結鋼は、その製造工程で多くの問題に直面します。 XNUMXつはクロム含有鉄粉の製造であり、酸素と炭素の含有量が少ない原料粉末を得るには、厳密な噴霧化と焼きなまし還元プロセスを経る必要があります。。

スウェーデンのHonganasABは現在、この原材料粉末を低コストで製造できる世界で唯一のメーカーです。二つ目は、高品質のクロム含有鉄粉が得られたとしても、焼結・中温、特に焼結雰囲気を十分に制御できないと、焼結・酸化時に酸化されやすくなり、焼結性能が低下します。

熱力学的計算と多数の実験により、吸熱ガスをAsaloyCrMの焼結雰囲気として使用すると、露点が非常に低くても焼結要件を満たすことができないことが証明されています。

言い換えると、AsaloyCrMの焼結には、純粋な水素または水素-窒素混合物のみを使用できます。現在、後者のほとんどが使用されています。、水素の割合は5％〜20％を占めています。読者は、焼結雰囲気の組成を確保するだけでなく、焼結雰囲気の品質も確保するように注意する必要があります。

ここでのいわゆる品質とは、焼結雰囲気での酸化の程度を指し、一般に、雰囲気中の酸素の分圧によって較正されます。 1120℃で焼結する場合、大気中の酸素分圧が1×10-14Pa未満であれば、焼結過程で酸化は起こりません。

温度を下げると、酸化を防ぐために、大気中の酸素分圧をさらに低くする必要があります。また、1125℃で焼結したAsaloyCrMが1×10-14Paで酸化しないようにすることもできます。上記の計算は、実験データによって確認されています。

転載のためにこの記事の出典と住所を保管してください: 焼結鋼の焼結プロセス中の雰囲気制御とその性能

ミンゲダイカスト会社高品質で高性能な鋳造部品の製造と提供に専念しています（金属ダイカスト部品の範囲は主に含まれています薄肉ダイカスト,ホットチャンバーダイカスト,コールドチャンバーダイカスト）、ラウンドサービス（ダイカストサービス、CNCの機械化,金型製作、表面処理）。カスタムのアルミニウムダイカスト、マグネシウムまたはザマック/亜鉛ダイカスト、およびその他の鋳造要件については、お問い合わせください。

ISO9001とTS16949の管理下で、すべてのプロセスは、ブラスターからウルトラソニック洗濯機に至るまで、何百もの高度なダイキャスティングマシン、5軸マシン、およびその他の設備を介して実行されます。経験豊富なエンジニア、オペレーター、検査官のチームがお客様の設計を実現します。

ダイカストの委託製造業者。機能には、0.15ポンドからのコールドチャンバーアルミニウムダイカスト部品が含まれます。 6ポンドまで、クイックチェンジセットアップ、および機械加工。付加価値サービスには、研磨、振動、バリ取り、ショットブラスト、塗装、メッキ、コーティング、組み立て、および工具が含まれます。使用する材料には、360、380、383、413などの合金が含まれます。

亜鉛ダイカスト設計支援/コンカレントエンジニアリングサービス。精密亜鉛ダイカストのカスタムメーカー。ミニチュア鋳造、高圧ダイカスト、マルチスライドモールド鋳造、従来のモールド鋳造、ユニットダイおよび独立ダイカスト、およびキャビティシール鋳造を製造することができます。鋳物は、最大24インチインチ+/- 0.0005インチの公差で長さと幅で製造できます。