[发明专利]炉内气氛活化方法及其装置

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求了2007年5月9日提交的美国临时专利申请No.60/928,385的权利，其详细阐述内容被引入这里供参考。

背景技术

本发明涉及金属或金属陶瓷材料和工件部件的的高温、热处理和使用反应气氛的炉子或反应器。在本发明的范围内，所述气氛和处理包括渗碳、氮化、碳氮共渗、渗碳氮化、渗硼、非氧化退火或氧化还原、用于硬钎焊、软钎焊和烧结的还原性气氛、用于相变合金的中性热处理的碳势气氛、固溶化、时效、球化处理、硬化、应力消除处理、正火、惰性退火等等。所述气氛的组分可以包括氮气(N₂)、氢气(H₂)、烃气(HC)如：甲烷(CH₄)、乙炔(C₂H₂)、乙烯(C₂H₄)、丙烷(C₃H₈)和许多较大分子量的烃类、氨(NH₃)、脱水醇如甲醇(CH₃OH)或乙醇(C₂H₅OH)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、水蒸气(H₂O)、和惰性气体如氩(Ar)和氦(He)。所述气氛附加组分可以包括反应副产物和由炉膛热负荷或炉壁和/或加热部件产生的气体以及从炉子外面泄漏入的气体，例如空气。保护气体可以是以混合物的形式引入所述炉子，在进入炉子之前利用气体流量控制装置预混合或可在炉腔里面混合。对保护气体供给的其他选择可以包括采用吸热和放热发生器产生的气流，例如吸热的混合物通过用空气重整CH₄得到的20％CO、40％H₂和40％N₂(除非另有说明，在此申请中所有的百分数一致将应理解为体积比)、分离NH₃、或喷射和蒸发液体例如CH₃OH。

在高温热处理中使用气氛时有三个普遍的工艺控制问题：(1)缓慢动力学作用或稳定性的气体引入，(2)装入炉子工件原料的表面状态，和(3)环境空气渗漏。例如，把CH₄注入到炉子中渗碳可以缓慢地与氧气(O₂)或二氧化碳起化学反应同时除去不希望有的氧气(O₂)或二氧化碳，和/或可以转移炉内气氛的热势、和/或可以仅仅进行临界的分离和反应，除非炉温很高；然而，高温会增大装入的金属材料或工件部件受损危险几率。在使用H₂、NH₃和其他HCs时，或大或小程度上会发生相似的情况。同样地，装入炉子的原料或工件表面可能覆着氧化皮、铁锈或水基油的残留物厚膜，原始气氛的活性可能不能满足于除去此膜所需要的处理时间和温度范围。最终，炉内气氛外泄和另一个包含O₂的污染源可能需要附加的还原，时常向气氛中引入渗碳气体，甚至大多数期望气氛对具有特定的热转变工艺的部件来说为惰性环境，也就是一种不包括还原和/或渗碳气体的气氛。上述的原位吸气技术受到许多考虑因素的限制。例如，用于在印刷电路板上软钎焊重熔的N₂气氛中添加H₂的量，为了安全必须控制低于5％，即消除开口或半开口的重熔烘箱爆炸的风险，和温度必须保持低水平，一般低于250℃，以防止仪表板和元件损坏。采用这些低温和浓度，由于缓慢还原动力学，所述H₂吸气和去除氧化皮的效果才能勉强够格达到限度。同样的局限性可以在钢件采用没有吸热、包含CO气氛的天然气渗碳时发现。例如，CH₄热分解并且迅速的在钢表面发生化学反应，工业上引人注意的速度仅仅高于1000℃，但是许多钢在上述高温处理显示出不希望得到晶粒长大。