CZ31496U1

CZ31496U1 - Equipment for heat treatment of alloys by powder metallurgy

Info

Publication number: CZ31496U1
Application number: CZ2017-34356U
Authority: CZ
Inventors: Otakar Bárta; Milan Semmler; Radek Mazáč; Alexandr Krička; David Krička
Original assignee: UJP PRAHA a.s.; MABAVE, s.r.o.; CLASIC CZ, spol. s r.o.
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2017-11-16
Publication date: 2018-02-20

Description

Zařízení pro tepelné zpracování slitin metodou práškové metalurgieEquipment for heat treatment of alloys by powder metallurgy method

Oblast technikyTechnical field

Technické řešení se týká komplexu pecí pro užití v práškové metalurgii a řeší problematiku tepelného zpracování převážně wolframových slitin s vysokou mechanickou odolností metodou práškové metalurgie. Tepelné zpracování je složeno ze tří na sobě vzájemně závislých procesů sintrace, kalení a žíhání.The technical solution concerns a complex of furnaces for use in powder metallurgy and solves problems of heat treatment of mostly tungsten alloys with high mechanical resistance by powder metallurgy method. The heat treatment consists of three interdependent sintering, quenching and annealing processes.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Použití práškové metalurgie je jeden z historicky nejstarších způsobů výroby kovů. V současné době je prášková metalurgie používána především v oblastech, kde je obtížné nalézt vhodný konstrukční materiál pro standardní odlévání v tavící peci, neboť taviči teplota přesahuje hodnotu dvou a více tisíc stupňů Celsia. Druhou významnou oblastí pro použití práškové metalurgie je výroba slitin z materiálů, ze kterých není možné standardně vytvořit slitinu vzhledem k jejich výrazně rozdílným teplotám tání nebo chemickým vlastnostem.The use of powder metallurgy is one of the historically oldest methods of metal production. Presently, powder metallurgy is mainly used in areas where it is difficult to find a suitable construction material for standard casting in a melting furnace because the melting temperature exceeds two or more thousand degrees Celsius. The second important field for the use of powder metallurgy is the production of alloys from materials from which it is not possible to standardize an alloy due to their significantly different melting points or chemical properties.

Prvním krokem tepelného zpracování je sintrace neboli spékání zhutněné homogenní práškové směsi prvků tvořících budoucí slitinu. V současné době existuje několik typů sintračních pecí. Základním typem je vertikální zvonová pec, v níž jsou vzorky určené k sintraci pokládány na pevnou, zpravidla kruhovou podstavu, která je zasunuta do statické válcové pece a tvoří její dolní pasivní izolační část. Tvar pece není omezen na kruhovou podstavu, je možné využívat i například obdélníkovou podstavu, u tohoto typu pecí je však daleko obtížnější zajistit teplotní homogenitu v celém požadovaném objemu.The first step of heat treatment is sintering, or sintering the compacted, homogeneous powder mixture of future alloying elements. There are currently several types of sintering furnaces. The basic type is a vertical bell furnace, in which the samples to be sintered are placed on a solid, usually circular base, which is inserted into a static cylindrical furnace and forms its lower passive insulating part. The shape of the furnace is not limited to a circular base, it is also possible to use, for example, a rectangular base, but in this type of furnace it is far more difficult to ensure temperature homogeneity throughout the required volume.

Dalším používaným typem jsou horizontální válcové statické pece. V těchto pecích jsou sintrované vzorky vkládány do statické válcové trubice, kolem níž je vytvořeno homogenní teplotní pole. Vlastní proces sintrace je analogický jako ve zvonové peci.Another type used are horizontal cylindrical static furnaces. In these furnaces, sintered samples are fed into a static cylindrical tube around which a homogeneous temperature field is formed. The actual sintering process is analogous to the bell furnace.

Po ukončení sintrace je druhým technologickým procesem kalení. Kalení probíhá za řádově nižších teplot než slinování. Nejprve je kalicí pec vakuována a poté kalení pokračuje v inertní atmosféře a je ukončeno klasickým rychlým zchlazením kaleného vzorku ve vodě. Pro kalení je možné použít zvonovou i válcovou statickou pec.After sintering is finished, the second technological process is hardening. Hardening takes place at orders of magnitude lower than sintering. First, the quenching furnace is vacuumed, and then quenching continues under an inert atmosphere and is terminated by the classical rapid quenching of the quenched sample in water. For quenching it is possible to use bell and cylindrical static furnace.

Posledním teplotním procesem je žíhání, které probíhá v řádově nižších teplotách ve vakuu. Žíhání je obvykle prováděno ve válcových pecích, nicméně je možné je použít i pece zvonové.The last temperature process is annealing, which takes place at lower temperatures in vacuum. Annealing is usually carried out in cylindrical furnaces, but bell furnaces may also be used.

Nevýhodou standardních řešení je unifikace každé z použitých technologií pecí, což přináší výrazné finanční náklady na zajištění široké palety náhradních dílů a navazující následnou údržbu. Dalším výrazným omezením je velice složitá možnost zajištění robotické automatizace výroby, neboť každý ze článků tohoto technologického procesu vyžaduje speciální robotickou jednotku. Podstata technického řešeníThe disadvantage of standard solutions is the unification of each of the used furnace technologies, which brings significant financial costs for providing a wide range of spare parts and subsequent maintenance. Another significant limitation is the very complex possibility of providing robotic production automation, as each of the elements of this technological process requires a special robotic unit. The essence of the technical solution

Technické řešení spočívá ve vytvoření komplexu pecí pro užití v práškové metalurgii, který na společné základní platformě zajistí veškeré potřebné technologické procesy - sintraci, kalení i žíhání válcových polotovarů kovových pseudoslitin.The technical solution consists in creating a complex of furnaces for use in powder metallurgy, which on a common basic platform will ensure all necessary technological processes - sintering, quenching and annealing of cylindrical semi-products of metal pseudo-alloys.

Podstatou technického řešení je nový typ základního rámu pro všechny typy pecí a unifikovaný ochranný plášť pece s analogickým způsobem vkládání a vyjímaní vzorků, což umožňuje vytvoření komplexní automatické technologické linky s jednotným robotickým vybavením.The essence of the technical solution is a new type of basic frame for all types of furnaces and a unified protective casing of the furnace with an analogous way of loading and unloading samples, which enables the creation of a complex automatic technological line with uniform robotic equipment.

Základní univerzální rám tvoří svařená konstrukce ze železných profilů ve tvaru obdélníkového stolu, na které jsou umístěny jednotlivé technologické prvky dle typu pece. Základní univerzální rám je dostatečně dimenzován na hmotnost použité technologie.The basic universal frame consists of a welded construction of iron profiles in the shape of a rectangular table, on which the individual technological elements are placed according to the type of furnace. The basic universal frame is sufficiently dimensioned for the weight of the technology used.

Dalším společným konstrukčním prvkem je vnější ochranný plášť pece, v němž jsou horizontálně umístěny válcové teplotní komory obklopené soustavou topných spirál a tepelným stíněním. Součástí vnějšího pláště pece jsou otvory pro napojení plynového hospodářství otvory pro vakuováníAnother common structural element is the outer protective jacket of the furnace, in which cylindrical temperature chambers are placed horizontally surrounded by a set of heating coils and thermal shielding. The outer casing of the furnace includes openings for connecting the gas management to the vacuum openings

-1 CZ 31496 Ul vnitřního objemu a pro umístění řídicích termočlánků. Pece mají unifikovaný vnitřní průměr a analogickou sadu tepelně izolačních přírub.Internal volume and for the placement of control thermocouples. The furnaces have a unified inner diameter and an analogous set of thermal insulating flanges.

Pod pláštěm v dolní části základního rámuje umístěna technologie pro řízení teplotních procesů. Základem jsou tyristorové regulátory, včetně řídicích jednotek. Dle typu pece - sintrační, kalící nebo žíhací, jsou pak v dolní části rámu umístěny specifické technologické prvky pro každý daný proces. Rozmístění technologických prvků je unifikované pro všechny pece, pokud je některý prvek využíván v různých procesech jako například vakuování, pak jsou vakuové pumpy umístěny vždy na témže místě jednotného základního rámu.Under the jacket at the bottom of the base frame is located technology for controlling thermal processes. They are based on thyristor controllers, including control units. Depending on the type of furnace - sintering, quenching or annealing, there are specific technological elements for each given process at the bottom of the frame. The layout of the technological elements is unified for all furnaces, if any element is used in different processes such as vacuuming, then the vacuum pumps are always located at the same location of the uniform base frame.

Analogická situace s umístěním je pro elektrické regulační prvky a ovládací ventily, kabelové trasy, přívody provozních plynů. Izolační příruby jsou otvírány automatizovaným systém otvírání. Veškerá technologie je řízena řídicí automatizovanou jednotkou, která je napojena na centrální řídicí technologický panel, který integruje všechny automatizované jednotky a tvoří komunikační rozhraní člověk-stroj.An analogous situation with the location is for the electrical control elements and control valves, cable routes, operating gas supply. Insulating flanges are opened by an automated opening system. All technology is controlled by an automated control unit that is connected to a central control technology panel that integrates all automated units and forms a human-machine communication interface.

Navrhované řešení komplexu pecí pro užití v práškové metalurgii odstraňuje nevýhody dosavadního stavu techniky, neboť všechny pece jsou postaveny na jednotné technologické platformě, která je modifikována pouze konkrétním osazením funkčními prvky specifickými pro danou fázi technologického procesu. Všechny pece mají unifikovaný vnější vzhled stejně jako způsob vkládání a vyjmutí vzorků. Tato uniformita navíc umožňuje využití identických robotických jednotek pro řešení libovolné části technologického procesu tepelného zpracování wolframových slitin.The proposed solution of the furnace complex for use in powder metallurgy eliminates the disadvantages of the prior art, since all furnaces are built on a unified technological platform, which is modified only by a specific installation of functional elements specific for a given stage of the technological process. All furnaces have a unified external appearance as well as a method of loading and unloading samples. This uniformity also enables the use of identical robotic units to solve any part of the technological process of heat treatment of tungsten alloys.

Komplex pecí umožňuje vytvoření poloautomatické zpracovatelské linky s vysokou efektivitou výroby a výrazně sníženým množství vzniklého odpadu.The furnace complex enables the creation of a semi-automatic processing line with high production efficiency and significantly reduced waste generated.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Technické řešení bude dále objasněno pomocí přiložených výkresů, kde se na Obr. 1 nachází schematicky komplex sintračních a kalicích pecí. Obr. 2 znázorňuje ve schématu komlpex žíhacích pecí. Na Obr. 3 je znázorněn základní univerzální rám. Umístění unifikovaného ochranného vnějšího pláště na základní rám je zobrazeno na Obr. 4. Obr. 5 schématický znázorňuje řez centrální horizontální válcovou teplotní komorou. Na Obr. 6 je znázorněno rozmístění technologických prvků na základním rámu. Propojení aktivních prvků pro řízení, automatické zpracovatelské jednotky a nadstavbového řídicího systému je zobrazeno na Obr. 7. Obr. 8 znázorňuje sestavu s uzavíracím manipulátorem.The technical solution will be further elucidated by means of the attached drawings. 1 schematically finds a complex of sintering and hardening furnaces. Giant. 2 shows a diagram of the annealing furnaces komlpex. In FIG. 3 shows the basic universal frame. The location of the unified protective outer shell on the base frame is shown in FIG. 4. FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a central horizontal cylindrical temperature chamber. In FIG. 6 shows the arrangement of the technological elements on the base frame. The interconnection of the active control elements, the automatic processing unit and the superstructure control system is shown in FIG. 7. FIG. 8 shows an assembly with a closing manipulator.

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solutions

Příkladem konkrétního řešení je soustava tří pecí - sintrační pec 21, kalicí pec 22 a žíhací pec 23. Pece jsou takto řazeny za sebou. Pece mají jednotný základní nosný rám 2 a společný vnější ochranný plášť 3 pece, ve kterém jsou umístěny válcové teplotní komory 4 s podélnou osou v horizontálním směru. Plášť 3 je opatřen řídicími termočlánky 9 propojenými s řídicí automatizovanou jednotkou 19 napojenou na centrální řídicí technologický panel 20. V rámu 2 je umístěna technologie pro řízení teplotních procesů, obsahující tyristorové regulátory 11 s řídicími jednotkami 12, elektrické regulační prvky 14, ovládací ventily 15. kabelové trasy 16 a přívody 17 provozních plynů.An example of a particular solution is a set of three furnaces - a sintering furnace 21, a quenching furnace 22 and an annealing furnace 23. The furnaces are thus arranged in series. The furnaces have a uniform base support frame 2 and a common outer protective jacket 3 of the furnace in which the cylindrical temperature chambers 4 with the longitudinal axis are located in the horizontal direction. The housing 3 is provided with control thermocouples 9 connected to a control automation unit 19 connected to a central control technology panel 20. In the frame 2 there is a temperature control technology comprising thyristor controllers 11 with control units 12, electrical control elements 14, control valves 15. cable routes 16 and process gas inlets 17.

Proces tepelného zpracování je zahájen sintrací. Před vlastní sintrací jsou vylisované vzorky prášku umístěny do zásobníku 24 výlisků. Každá sintrační pec 21 může mít vlastní zásobník 24 nebo může být několik pecí obsluhováno jedním společným zásobníkem 24. Ze zásobníku 24 jsou pomocí automatického podavače 25 výlisků vsunuty vzorky do sintrační pece 21, v níž je umístěna vnitřní vložka 26, do které jsou automatický vkládány výlisky práškového polotovaru mixované práškové směsi. Sintrační pec 21 může pracovat ve statickém nebo rotačním režimu s kontinuálním řízením rychlosti otáčení vnitřní vložky 26. Sintrační pec 21 je uzavřena tepelně izolační přírubou 10, která ji automaticky hermeticky uzavírá pomocí uzavíracího manipulátoruThe heat treatment process is initiated by sintering. Prior to sintering, the molded powder samples are placed in a container of 24 moldings. Each sintering furnace 21 may have its own container 24, or several furnaces may be operated by a single common container 24. Samples are inserted from the container 24 by means of the autofeeder 25 into the sintering furnace 21, in which the inner liner 26 is placed into which the moldings are automatically inserted. a powdered semi-finished product of a mixed powder mixture. The sintering furnace 21 can operate in a static or rotary mode with continuous control of the rotational speed of the inner liner 26. The sintering furnace 21 is closed by a heat insulating flange 10 which automatically closes it by means of a closing manipulator

27. Tepelně izolační příruba 10 dále zajišťuje rotační funkci sintrační pece 21. Po ukončení procesu sintrace jsou kovové slitiny automaticky vyjmuty z objemu sintrační pece 21 a pomocí automatického podavače 28 slinků přemístěny do kalicí pece 22. Tato kalicí pec 22 má analogické27. The thermally insulating flange 10 further ensures the rotational function of the sintering furnace 21. After the sintering process, the metal alloys are automatically removed from the volume of the sintering furnace 21 and transferred to the quenching furnace 22 by means of an automatic clinker feeder 22. This quenching furnace 22 has analogous

-2CZ 31496 Ul výkonové parametry jako žíhací pec 23, není v ní však instalováno vodíkové hospodářství. Po tepelné přípravě je kalený vzorek automatickým vynašečem 29 kalených vzorků rychle vhozen do vodní chladicí lázně a po prudkém zchlazení na pokojovou teplotu je první část tepelného zpracování ukončena. Výsledný polotovar je poté mechanicky opracován - obráběn, kován, broušen, atd. a následně je provedena poslední fáze tepelného zpracování a to žíhání. Vzorky připravené k žíhání jsou vloženy do žíhacího zásobníku 30, z něhož jsou automatickým podavačem 29 opracovaných polotovarů přemístěny do žíhací pece 23. Z žíhací pece 23 jsou vzorky vyjmuty automatickým vynašečem 31 žíhaných vzorků, který celý technologický proces zakončuje.-2GB 31496 U1 performance parameters as annealing furnace 23, but no hydrogen management is installed. After the heat treatment, the quenched sample is automatically thrown into the water cooling bath by the automatic quencher 29 of the quenched samples, and after quenching to room temperature, the first portion of the heat treatment is completed. The resulting semi-finished product is then machined - machined, forged, grinded, etc., and then the last phase of heat treatment, ie annealing, is carried out. The samples ready for annealing are placed in the annealing container 30, from which they are transferred to the annealing furnace 23 by the automatic feeder 29 of the machined semi-finished products.

Vzájemnou vazbu jednotlivých pecí 21, 22, 23 lze spatřit na Obr. 1. a na Obr. 2. Prvním technologickým článkem je sintrační pec 21. Sintračm pec 21 je základním prvkem komplexu 1, neboť v ní probíhá nej složitější technologický proces - sintrace. Sintrační pec 21 je dimenzována na teplotu do 1 600 °C. Druhým prvkem je kalící pec 22, která je svým řešením podobná sintračm peci 22 s tím rozdílem, že v ní není nutné řešit problematiku vodíkového hospodářství a teplotní pole dosahuje mezních hodnot pod 1 300 °C. Třetím typem komplexu I je žíhací pec 23, která je konstrukčně nej jednodušší, neboť primárním požadavkem pro ni je udržení vysokého stupně vakua při teplotách do 600 °C. Vzájemné přechody mezi jednotlivými prvky komplexu 1 pecí 21, 22, 23 tvoří automatické podavače, které zajišťují možnost celý technologický proces automatizovat. Základní univerzální rám 2, je v základní verzi technického řešení zobrazen na Obr. 3. Na základní univerzální rám 2 se umisťuje unifikovaný ochranný vnější plášť 3 pece. Schématický řez vnitřní částí každé pece je uveden na Obr. 5. Ve střední části je dutý obdélníkový prostor, který tvoří centrální horizontální válcovou teplotní komoru 4, v níž probíhají veškeré teplotní procesy. Vně komory 4 jsou umístěny soustavy topných prvků 5 - spirál, které od ochranného vnějšího pláště 3 pece odděluje tepelné stínění 6. V ochranném vnějším plášti 3 jsou umístěny otvory 7 pro napojení plynového hospodářství, další otvory 8 pro vakuování vnitřního objemu vakuovou pumpou 13 a pro umístění termočlánků 9.The interconnection of the individual furnaces 21, 22, 23 can be seen in FIG. 1 and FIG. 2. The first technological element is the sintering furnace 21. The sintering furnace 21 is an essential element of the complex 1 because it is the most complex technological process - sintering. The sintering furnace 21 is sized up to 1600 ° C. The second element is the quenching furnace 22, which is similar to the sintering furnace 22, except that there is no need to address the issue of hydrogen economy and the temperature field reaches limit values below 1300 ° C. The third type of complex I is the annealing furnace 23, which is the simplest in construction, since the primary requirement is to maintain a high degree of vacuum at temperatures up to 600 ° C. The mutual transitions between the individual elements of the complex 1 of the furnaces 21, 22, 23 form automatic feeders, which ensure the possibility of automating the entire technological process. The basic universal frame 2 is shown in FIG. 3. A unified protective outer casing 3 of the furnace is placed on the basic universal frame 2. A schematic cross-section of the interior of each furnace is shown in FIG. 5. In the central part there is a hollow rectangular space which forms the central horizontal cylindrical temperature chamber 4 in which all the temperature processes take place. Outside the chamber 4 there are arranged heating elements 5 - coils separating the thermal shield 6 from the furnace protective outer casing 3. placement of thermocouples 9.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Průmyslové využití komplexu pecí pro užití v práškové metalurgii lze očekávat především na pracovištích požadujících vysokou míru flexibility a automatizace v oblasti práškové metalurgie rotačně symetrických válcových slitin. Uniformita a jednotný způsob rozmístění technologických prvků pro různé typy pecí zaručují relativně snadné využití robotické automatizace při následném spojení pecí do komplexního technologického řetězce.Industrial use of the furnace complex for use in powder metallurgy can be expected especially in workplaces requiring a high degree of flexibility and automation in the field of powder metallurgy of rotationally symmetrical cylindrical alloys. The uniformity and uniform way of deployment of technological elements for different types of furnaces guarantee the relatively easy use of robotic automation in the subsequent connection of furnaces into a complex technological chain.

Claims

PROTECTION REQUIREMENTS

An apparatus for heat treatment of alloys by the powder metallurgy method, characterized in that it comprises a complex (1) of furnaces (21, 22, 23) for thermal sintering, quenching and annealing operations, the furnaces having a uniform base support frame (2) and a common an outer protective sheath (3) of the furnace in which cylindrical temperature chambers (4) with a longitudinal axis in the horizontal direction are surrounded, surrounded by a set of heating elements (5) and thermal shielding (6) and the sheath (3) is provided with openings (7) a gas connection, additional openings (8) for evacuating the interior space and control thermocouples (9) connected to the control automation unit (19).

Device according to claim 1, characterized in that the cylindrical temperature chambers (4) are provided with an inner liner (26) for a stationary heat treatment method.

Device according to claim 1, characterized in that the cylindrical temperature chambers (4) are provided with an inner liner (26) for a rotary heat treatment method.

Apparatus according to any one of the preceding claims, characterized in that the furnaces are provided with a uniform inside diameter and analogous thermal insulating flanges (10).

-3EN 31496 Ul

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the frame (2) is equipped with a temperature control technology comprising thyristor controllers (11) with control units (12), electrical control elements (14), control valves (14). 15), cable routes (16) and process gas inlets (17).

5

Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the thermal insulation flanges (10) are provided with an automated opening system (18).