超声振动活化辅助烧结推杆炉的制作方法

本实用新型涉及一种推杆式烧结炉，尤其涉及一种通过超声振动进行活化辅助烧结的推杆式烧结炉。

背景技术：

粉末冶金工艺具有节能、省材的优势，是零部件制造的先进技术，合乎节能减排的需求。推杆式烧结炉是连续式烧结炉中的一种，具有连续炉操作简单、质量均一、节省烧结费用、容易大量生产、热效率良好、炉材与发热体费用低且寿命长、峰值电力小等优点，适合工业上的大规模生产，在粉末冶金领域得到广泛应用。尽管如此，由于粉末压坯在推杆炉中的位置只作沿炉腔的平行移动，相对于推舟是固定的，故所接收的热量具有一定的方向性。因此，压坯中的热量积累各向异性，很容易导致坯体的受热不均。这是推杆式烧结炉的一大不足之处。另外，在烧结致密化过程中，压坯中的粉末颗粒发生重排，最终留下大量孔隙，所以相对于锻铸制造，粉末冶金制品不可避免地普遍存在孔隙率较高的问题。由此导致其延伸率不高，并会影响相关的物理性能和力学性能，使粉末冶金零件的应用受到限制。提升粉末冶金产品的致密度，一直是科学研究和工业生产中的重要课题。

超声波是一种频率极高(高于20kHz)的机械振动波，在固体和液体中能传输较远，而在空气中传播时容易被吸收。超声波分为检测超声和功率超声两种，作为一种能量形式的功率超声与传播介质相互作用时，可产生力学(机械)、声流、热学和空化四种效应。在液相烧结中空化效应有助于氧化膜的破碎，并保持或细化烧结材料的微观组织，防止晶粒长大，热效应一定程度上有利于烧结反应的进行。而声流效应和机械搅拌则可在烧结时使颗粒发生轻微运动，有助于受热和传质的均匀化，从而提升烧结件的性能和尺寸精度。此外，这种轻微运动也可促进颗粒之间实现紧密配合，提高密度，对减小孔隙率产生有利影响。目前已有将超声波装置加载到烧结炉上的应用，比如授权公告号为CN 104180655A的发明专利《一种超声振动活化辅助烧结箱式电阻炉》，和授权公告号为CN 104180654A的发明专利《一种超声振动活化辅助烧结管式炉》，分别将超声装置搭载到箱式炉和管式炉上，使压坯在烧结过程中处于超声振动状态，在炉内受热场和超声场共同作用，样品的物质微粒在高温下高速振动，从而使晶粒均匀成核长大或部分物质均匀熔化。利用功率超声效应进行活化烧结，可提高受热均匀性和烧结致密度，阻止晶粒长大，但目前未见其在推杆炉上的应用。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构合理、压坯受热均匀、烧结致密度好的超声振动活化辅助烧结推杆炉，能改善粉末冶金工业中生坯在推杆炉中的烧结过程，获得性能更好的烧结件。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种超声振动活化辅助烧结推杆炉，包括脱蜡段、烧结段和冷却段，所述脱蜡段、烧结段、冷却段之间分别以输送带连接，烧结段与冷却段之间以炉壳封闭，烧结段上设有供烧结气氛气体通入的进气口，冷却段上设有排气口，烧结段包括炉壳、内置的炉膛，其中炉膛内设有加热元件，其特征在于：还有超声振动活化装置，超声振动活化装置包括超声波发生器、超声换能器和变幅杆，超声换能器与超声波发生器电性连接并设置在炉壳外，变幅杆的一端穿过炉壳与内部输送带接触，变幅杆的另一端与炉壳外的超声换能器相连接。

作为改进，所述变幅杆安装在变幅杆支架上，变幅杆支架为中空圆柱状结构，烧结段的炉壳和炉膛上开设有贯穿的供变幅杆支架穿置固定的安装孔，变幅杆支架设置在安装孔中，变幅杆穿过变幅杆支架的内孔与变幅杆支架紧密接触但可轴向滑动，变幅杆的外端与超声换能器通过螺纹连接，变幅杆的里端与炉壳内的输送带接触，将超声波换能器转换成的超声振动经过变幅放大传递至输送带。

作为改进，所述安装孔位于输送带的下方或者输送带的两侧，超声振动活化装置为对应的底装或侧装，变幅杆的里端与输送带的底部或两侧面相接触，

作为改进，所述超声振动活化装置可根据烧结段的长度设置为多个。

作为改进，所述超声换能器为磁致伸缩换能器、压电换能器、电动式换能器、电磁式换能器、弯曲振动换能器、扭转振动换能器或复合振动换能器，其工作频率为20-500kHz，超声波功率为200-2000W，超声波发生器与超声波换能器工作频率相匹配，超声波加载时间通过超声波发生器控制。

再改进，所述脱蜡段、烧结段和冷却段的两端分别设有可关闭的用于保持各段内部的气氛达到要求的中间门，烧舟设置在输送带上，经脱蜡段进炉，经过烧结段、冷却段后出炉。

进一步改进，所述脱蜡段设有在脱蜡时通入所需气体的第二进气口和第二排气口，气体包括氢气、氮气、分解氨、天然气、氧气、氩气或一氧化碳等。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

在烧结段设置超声振动活化装置，与一般的推杆式烧结炉相比，优势为：

(1)受热均匀化：压坯在烧结段移动时，其中的颗粒受超声振动作用发生轻微的局部运动，使得从加热元件中释放的热量能够均匀到达颗粒的各个方向，避免热量传递的各向异性，实现压坯的受热均匀化，尤其可消除大尺寸烧结件内各部分烧结状态的不一致，提升烧结件的整体性能和尺寸精度；

(2)降低孔隙率：超声振动影响下的压坯颗粒发生局部轻微运动，还可使颗粒之间的接触面不断改变，达到接触面积最大，实现颗粒的紧密配合，显著提高致密度。若是液相烧结，还有助于粉碎液相，增加液相对孔隙的填充，大大降低孔隙率；

(3)阻止晶粒长大：超声振动可以增加压坯颗粒之间的接触面积，加速颗粒之间的原子扩散，增加成核的概率，促进烧结或熔化过程的进行，同时高温下产生的液相可更快更好地填充到晶粒间隙中，有效地增加晶核数量，从动力学上阻碍晶粒长大。另外在液相烧结中，超声的空化效应可以破碎液相，保持或细化烧结材料的微观组织，防止晶粒长大，从而使烧结件晶粒细化，有利于提升烧结件的机械性能；

(4)节能：相比常规烧结，搭载超声振动活化装置的烧结方式更加节能，可以在更低的温度和更短的时间内烧结出性能更好的烧结件，因超声装置而增加的功率远低于常规烧结时提升温度和延长时间而增加的功率。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体示意图；

图2为本实用新型实施例1中烧结段俯视图；

图3为本实用新型实施例1中烧结段正视图；

图4为本实用新型实施例2中烧结段俯视图；

图5为本实用新型实施例3中烧结段正视图；

图中标号：1-炉壳，2-输送带，3-加热元件，4-超声波发生器，5-超声波换能器，6-变幅杆支架，7-变幅杆，8-进气口。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例1：

一种超声振动活化辅助烧结推杆炉，包括脱蜡段、烧结段和冷却段，如图1，脱蜡段、烧结段、冷却段之间分别以输送带2连接，脱蜡段、烧结段和冷却段的两端分别设有可关闭的用于保持各段内部的气氛达到要求的中间门，烧舟设置在输送带2上，经脱蜡段进炉，经过烧结段、冷却段后出炉；烧结段与冷却段之间以炉壳封闭，烧结段上设有供烧结气氛气体通入的进气口8，冷却段上设有排气口，烧结段包括炉壳1、内置的炉膛以及超声振动活化装置，炉膛内设有加热元件3，加热元件3为烧结提供热量，烧结气氛气体通过进气口8通入炉膛，其中超声振动活化装置包括超声波发生器4、超声换能器5、变幅杆7和变幅杆支架6，超声换能器5与超声波发生器4电性连接并设置在炉壳1外，变幅杆7安装在变幅杆支架6上，变幅杆7的一端穿过炉壳1与内部输送带2接触，变幅杆7的另一端与炉壳1外的超声换能器5相连接，变幅杆支架6为中空圆柱状结构，烧结段的炉壳1和炉膛上开设有贯穿的供变幅杆支架6穿置固定的安装孔，变幅杆支架6设置在安装孔中，变幅杆7穿过变幅杆支架6的内孔，与变幅杆支架6紧密接触但可轴向滑动，变幅杆7的外端与超声换能器5相连接，变幅杆7的里端与炉壳1内的输送带2接触，将超声波换能器5转换成的超声振动经过变幅放大传递至输送带2，再通过输送带2、烧舟传递给烧舟内的待烧压坯，使压坯在烧结过程中处于超声振动状态，同时加热元件3产生的热量也作用于压坯上，压坯颗粒处于热场和超声场共同作用下，不仅受热均匀，而且有助于降低孔隙率，抑制晶粒长大，获得性能更加优异的烧结件。

超声换能器5为磁致伸缩换能器、压电换能器、电动式换能器、电磁式换能器、弯曲振动换能器、扭转振动换能器或复合振动换能器，其工作频率为20-500kHz，超声波功率为200-2000W，超声波加载时间通过超声波发生器4控制，超声波发生器4产生与超声换能器5工作频率匹配的电信号，超声换能器5将电信号转换成超声振动，传递到变幅杆7上的超声振动经过变幅放大，接着通过输送带2、烧舟传递给烧舟内的待烧压坯，使压坯在烧结过程中处于超声振动状态，同时加热元件3产生的热量也作用于压坯上，压坯颗粒处于热场和超声场共同作用下，不仅受热均匀，而且有助于降低孔隙率，抑制晶粒长大，获得性能更加优异的烧结件；由于跟炉膛内的高温环境直接接触，变幅杆支架6和变幅杆7均采用耐高温高强度的材料制成，确保在烧结温度下变幅杆支架6和变幅杆7依然具有足够的物理性能，能将超声振动准确变幅传递到输送带2上，变幅杆支架6和变幅杆7的具体材料根据烧结温度的高低进行选择，材料包括二氧化锆、氧化铝、氧化镁、氧化铍、氮化硼、碳化硼、碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氮化铝、耐高温玻璃或石墨，以及钛合金、铝合金、纯钛、高温合金钢、钛铝合金、不锈钢、铍青铜或铜镍合金；脱蜡段的工作温度范围为300-900℃，烧结段的工作温度范围为500-1350℃，最高工作温度由推杆炉的额定工作温度以及烧舟、变幅杆7和变幅杆支架6的最高使用温度决定；脱蜡段设有在脱蜡时通入所需气体的第二进气口和第二排气口，气体包括氢气、氮气、分解氨、天然气、氧气、氩气或一氧化碳等；烧结段的烧结气氛气体为保护性气氛或反应性气氛气体，包括氢气、氮气、分解氨、天然气、氧气、氩气或一氧化碳。

图2和图3为本实施例烧结段的俯视和正视图，本实施例提供的超声振动活化辅助烧结推杆炉的超声振动活化装置为底装形式，变幅杆7和变幅杆支架6均采用碳化硅陶瓷材质，变幅杆7顶端接触输送带2底部，随输送带2的运动在其底部凹槽内移动，变幅杆7下部穿过安装在炉壳1底部安装孔内的中空圆柱状的变幅杆支架6，变幅杆7与变幅杆支架6之间紧密接触但可以滑动，变幅杆7底部与炉壳1外的超声换能器5以螺纹连接，后者工作频率为20kHz，超声换能器5以电线方式连接至超声波发生器4，超声波发生器4的工作频率设定为20kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器4控制；由于烧结段长度较大，采用三个超声振动活化装置以提供足够的超声振动能量，使整个烧结段覆盖的超声场强度较为均匀。待烧压坯在烧舟内进入烧结段后，启动超声波发生器4，根据压坯的材质和烧结温度调整超声功率，所有压坯烧结完毕离开烧结段后关闭超声波发生器4。本实施例中最高烧结温度应低于推杆炉的额定工作温度以及烧舟、碳化硅陶瓷变幅杆7和碳化硅陶瓷变幅杆支架6的使用温度。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供的超声振动活化辅助烧结推杆炉的超声振动活化装置为侧装形式，变幅杆支架6和变幅杆7均采用钛铝合金材质，变幅杆7前端接触输送带2两侧面，随输送带2的运动而固定在其两侧，变幅杆7后部穿过安装在炉壳1两侧安装孔内的中空圆柱状的变幅杆支架6，变幅杆7和变幅杆支架6之间紧密接触但可以滑动，变幅杆7尾部与炉壳1外的超声换能器5以螺纹连接，后者工作频率为300kHz，超声换能器5以电线方式连接至超声波发生器4；超声波发生器4的工作频率设定为300kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器4控制。由于烧结段长度较大，且变幅杆7与输送带2的接触点在侧面，故两侧各搭载三个超声振动活化装置以提供足够的超声振动能量，使整个烧结段覆盖的超声场强度较为均匀。待烧压坯在烧舟内进入烧结段后，启动超声波发生器4，根据压坯的材质和烧结温度调整超声功率，所有压坯烧结完毕离开烧结段后关闭超声波发生器4。本实施例中最高烧结温度应低于推杆炉的额定工作温度以及烧舟、钛铝合金变幅杆7和钛铝合金变幅杆支架6的使用温度。

实施例3：

如图5所示，本实施例提供的超声振动活化辅助烧结推杆炉的烧结段极长，且超声振动活化装置为底装形式，变幅杆支架6与变幅杆7的材质为石墨，变幅杆7的顶端接触输送带2底部，随输送带2的运动在其底部凹槽内移动，变幅杆7下部穿过安装在炉壳1底部安装孔内的中空圆柱状的变幅杆支架6，变幅杆7和变幅杆支架6之间紧密接触但可以滑动，变幅杆7底部与炉壳1外的超声换能器5以螺纹连接，后者工作频率为50kHz，超声换能器5以电线方式连接至超声波发生器4；超声波发生器4的工作频率设定为50kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器4控制；由于烧结段长度极大，故增加超声振动活化装置数量到五个，使整个烧结段覆盖的超声场强度较为均匀。待烧压坯在烧舟内进入烧结段后，启动超声波发生器4，根据压坯的材质和烧结温度调整超声功率，所有压坯烧结完毕离开烧结段后关闭超声波发生器4。本实施例中最高烧结温度应低于推杆炉的额定工作温度以及烧舟、石墨变幅杆7和石墨变幅杆支架6的使用温度。

实施例4：

本实施例提供的超声振动活化辅助烧结推杆炉的超声振动活化装置为底装形式，变幅杆7和变幅杆支架6采用氧化铝陶瓷材质，变幅杆7顶端接触输送带2底部，随输送带2的运动在其底部凹槽内移动，变幅杆7下部穿过安装在炉壳1底部安装孔内的中空圆柱状的变幅杆支架6，变幅杆7和变幅杆支架6之间紧密接触但可以滑动，变幅杆7底部与炉壳1外的超声换能器5以螺纹连接，后者工作频率为80kHz，超声换能器5以电线方式连接至超声波发生器4；超声波发生器4的工作频率设定为80kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器4控制；由于烧结段长度较大，采用三个超声振动活化装置以提供足够的超声振动能量，使整个烧结段覆盖的超声场强度较为均匀；待烧压坯在烧舟内进入烧结段后，启动超声波发生器4，根据压坯的材质和烧结温度调整超声功率，所有压坯烧结完毕离开烧结段后关闭超声波发生器4。本实施例中最高烧结温度应低于推杆炉的额定工作温度以及烧舟、氧化铝陶瓷变幅杆7和氧化铝陶瓷变幅杆支架6的使用温度。纯氧化铝熔点在2000℃以上，若推杆炉本身的额定工作温度允许，且烧舟采用石墨或者氧化铝等同样耐高温较好的材质，那么本实施例的最高烧结温度可达1600℃。

实施例5：

本实施例提供的超声振动活化辅助烧结推杆炉的超声振动活化装置为底装形式，变幅杆7和变幅杆支架6采用高温合金钢材质，变幅杆7顶端接触输送带2底部，随输送带2的运动在其底部凹槽内移动，变幅杆7下部穿过安装在炉壳1底部安装孔内的中空圆柱状的变幅杆支架6，变幅杆7和变幅杆支架6之间紧密接触但可以滑动，变幅杆7底部与炉壳1外的超声换能器5以螺纹连接，后者工作频率为140kHz，超声换能器5以电线方式连接至超声波发生器4；超声波发生器4的工作频率设定为140kHz，超声振动功率和加载时间通过超声波发生器4控制；由于烧结段长度较大，采用三个超声振动活化装置以提供足够的超声振动能量，使整个烧结段覆盖的超声场强度较为均匀。待烧压坯在烧舟内进入烧结段后，启动超声波发生器4，根据压坯的材质和烧结温度调整超声功率，所有压坯烧结完毕离开烧结段后关闭超声波发生器4。本实施例中最高烧结温度应低于推杆炉的额定工作温度以及烧舟、高温合金钢变幅杆7和高温合金钢变幅杆支架6的使用温度。高温合金钢的使用温度可达600-1500℃，若推杆炉本身的额定工作温度允许，且烧舟采用石墨、氧化铝等比高温合金钢可耐更高温的材质，那么本实施例的最高烧结温度可达1250℃。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型的原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本实用新型的保护范围。