一种电加热及快速淬火的装置和方法 |
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| 申请号 | CN202410087530.8 | 申请日 | 2024-01-22 | 公开(公告)号 | CN117904402A | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 上海交通大学; 上海交通大学安徽(淮北)陶铝新材料研究院; | 发明人 | 夏培康; 王晓猛; 李宇罡; 耿继伟; 陈东; 王浩伟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于金属 热处理 技术领域，具体公开了一种电加热及快速淬火的装置和方法。所述装置包括淬火池、一对龙 门 架、一对夹持部件、四个 丝杠 ；所述龙门架包括并排设置在所述淬火池上方的可移动龙门架和固定龙门架；两个夹持部件分别安装于所述前龙门架和后龙门架， 工件 夹装在两个夹持部件之间且工件的两端与夹持部件之间夹设有加热 垫片 ；所述夹持部件包括两个侧立部以及两个侧立部之间的横接部，所述侧立部与龙门架之间通过丝杠连接，所述丝杠带动夹持部件升降。本发明采用电加热方式，可实现工件快速加热，避免传统 马 弗炉 升温缓慢的缺点；通过本发明装置，工件能够在1s内浸入淬火介质，实现快速淬火，提升工件性能。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电加热及快速淬火的装置，其特征在于：包括： |
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| 说明书全文 | 一种电加热及快速淬火的装置和方法技术领域背景技术[0002] 目前，金属材料产品仍是制造业的主流，包括钢铁、铝合金等在内的大多数金属产品在制造过程中都需要进行多次热处理，热处理是否得当对最终产品性能有决定性影响。要实现金属产品性能的提高，其中热处理装备的升级必不可少。然而，目前国内使用最多的还是传统的马弗炉，主要缺点如下：控温不精确；加热缓慢，容易导致晶粒长大，降低性能； 能耗高，不利于节能减排；淬火时工件转移时间长，无法实现快速淬火。 发明内容[0003] 为解决上述问题，本发明提供了一种电加热及快速淬火的装置和方法，能够同时实现快速加热和快速淬火，降低能耗，有效提升控制精度、工件性能以及生产效率。 [0004] 为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下： [0005] 本发明的第一方面，是提供一种电加热及快速淬火的装置，其包括： [0006] 淬火池，内装淬火介质； [0007] 龙门架，包括并排设置在所述淬火池上方的可移动龙门架和固定龙门架；每个龙门架具有左右两个立柱，所述立柱内部中空且侧方开口设置； [0008] 夹持部件，具有两个，分别安装于所述前龙门架和后龙门架，每个夹持部件包括两个侧立部以及两个侧立部之间的横接部；所述侧立部由所述立柱的开口处置入其内部，工件夹装在两个所述夹持部件的横接部之间，且工件的两端与横接部之间夹设有与电源连接的加热垫片； [0009] 丝杠，设有四个，穿设于所述侧立部并由所述龙门架的顶部伸出，随其转动带动所述夹持部件进行升降。 [0010] 上述结构中，通过龙门架的平移调节两个夹持部件之间的距离，进而将不同长度的工件夹持固定，工件通过两端的加热垫片进行电加热后，通过丝杠带动夹持部件的升降使快速平稳进出淬火池，实现工件的快速淬火和转移。 [0012] 优选的，所述热电偶焊接于所述工件的中间部位，两个热电偶的焊接区间距为0.8～1.3mm，以实现对工件温度的准确测量。 [0014] 优选的，所述加热垫片为纯铜或黄铜制作，目的是提高导电性；所述加热垫片与工件接触面的粗糙度为Ra0.8～Ra3.2，目的是降低工件与加热垫片之间的接触电阻；所述加2 热垫片与工件之间的接触面积为100～10000mm。 [0015] 优选的，所述电源电压在1～100V范围内可调，最大功率分为10kW、50kW、200kW三档，电压最小调节单位为1mV，最快响应时间为0.1ms，使得所述电源对所述工件加热的加热速度为1～1000℃/s。 [0016] 优选的，所述淬火池的左右两侧设有一对下滑轨，所述下滑轨的上方与其正对的位置设有一对上滑轨；所述固定龙门架的底端和顶端分别与所述下滑轨和上滑轨固定连接；所述可移动龙门架的底端和顶端分别与所述下滑轨和上滑轨滑动连接，且可移动龙门架的底部和顶部的前端分别连接有两个驱动其滑动的支架控制电机。 [0017] 优选的，所述丝杠的顶部套接有从动齿轮；所述可移动龙门架和固定龙门架的顶部分别设有一丝杠驱动电机，所述丝杠驱动电机具有左右两个输出轴，所述输出轴的外端套接有与所述丝杠顶部的从动齿轮啮合连接的主动齿轮。 [0018] 优选的，所述计算机对丝杠控制电机进行控制，使所述工件上下移动速度为1～3m/s，带动工件在1s内进入淬火池。 [0019] 优选的，所述夹持部件中，横接部的内侧开设有供所述工件的端部架置的台阶，以便于工件的放置，能够避免工件的掉落，提高操作便利性和安全性。 [0020] 优选的，所述淬火池中安装有加热管和搅拌器，所述搅拌器位于淬火池内远离固定龙门架的一端，所述加热管位于所述搅拌器的两侧，确保淬火池内温度均匀。 [0021] 优选的，所述夹持部件采用绝缘材料制备，可以是粘土质陶瓷板、石英板、玻璃板中的一种。 [0022] 优选的，所述淬火池中液体可以是水、液氮、PAG(聚烷撑乙二醇)、无机盐溶液或淬火油中的一种。 [0023] 优选的，所述淬火池的液面与所述工件下表面之间的距离为0.2～1.5m。 [0024] 优选的，所述淬火池中的温度范围是‑196～150℃。 [0025] 本发明的第二方面，是提供采用上述装置实现快速加热及快速淬火的方法，包括如下步骤： [0026] S1.调整可移动龙门架位置，在夹持部件之间安装加热垫片和工件，使得工件固定于夹持部件之间，且工件与加热垫片之间接触良好，使得工件可以导通电流，实现快速加热； [0027] S2.在淬火池中加入淬火介质，使得工件进入淬火池中可以完成淬火； [0028] S3.将淬火介质加热至所需温度，使得工件可以在设定温度下进行淬火； [0029] S4.在计算机里设定加热速度、目标温度和保温时间、工件移动速度、工件移动距离； [0030] S5.电源对工件加热，凭借热电偶的反馈信号，计算机调控电源输出功率，使得工件被快速加热，且温度被精确控制； [0031] S6.保温结束后，电源停止加热，计算机通过丝杠控制电机和丝杠使工件移动至设定的位置，工件进入淬火介质中，使得工件完成快速淬火。 [0032] 优选的，步骤S6中，从停止加热到工件进入淬火介质中的时间间隔小于1s。超过1s，工件性能下降。 [0033] 优选的，步骤S3和S5中，淬火介质和工件的控温精度为±0.5℃。 [0034] 传统马弗炉采用循环空气加热，属于间接加热，电能利用效率低；加热速度受限于空气与工件之间的热传导和热辐射过程，加热速度缓慢。本发明采用电加热方式，属于直接加热，工件在电流作用下直接发热，避免了热传导过程，电能利用效率高，加热速度仅受电源功率限制。本发明采用大功率快速响应电源，最快响应时间为0.1ms，通过热电偶对工件温度进行直接高频采样(最快达50000Hz)并反馈给电源，并采用计算机控制整个加热过程，可实现工件的快速加热，最快加热速度达1000℃/s。传统热处理装置工件放置于封闭腔室内，淬火时需打开腔室，取出工件，再浸入淬火介质中进行淬火，转移过程一般需要5～30s时间，无法实现快速淬火。本发明中计算机控制电机，驱动丝杠转动，带动工件上下移动，使工件在1s内进入淬火池中，实现快速淬火。 [0035] 本发明具有以下有益效果： [0036] 本发明能够同步实现快速加热和快速淬火；快速加热能够缩短加热时间，避免显微组织粗化和性能降低，还能够降低加热工件需要的能耗，提高生产效率；快速淬火能够增大工件显微组织中的固溶过饱和度，提升工件性能。此外，本发明装置操作简便，适用于不同规格尺寸的工件加工，适用范围广；工件夹持位置能够得到精确控制，且升降平稳，能够保证工件加工质量的稳定性以及加工的安全性。附图说明 [0037] 图1是本发明具体实施方式中电加热及快速淬火装置的示意图。为清楚展示示意图，图1中未包含计算机、热电偶、电源等部件。 [0038] 图2是本发明具体实施方式中电加热及快速淬火装置的局部示意图一。 [0039] 图3是本发明具体实施方式中电加热及快速淬火装置的局部示意图二。 [0040] 图4是本发明具体实施方式中电加热及快速淬火装置中淬火池的俯视图。 [0041] 图5是本发明电加热及快速淬火工艺流程图。 [0042] 图中：1‑淬火池，2‑可移动龙门架，3‑固定龙门架，4‑下滑轨，5‑上滑轨，6‑支架控制电机，7‑夹持部件，8‑丝杠，9‑丝杠控制电机，10‑工件，11‑加热垫片，12‑热电偶，13‑电缆线，14‑电源，15‑计算机，16‑加热管，17‑搅拌器；701‑侧立部，702‑横接部，703‑台阶。 具体实施方式[0043] 以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的说明。 [0044] 实施例1 [0045] 一种电加热及快速淬火装置，如1‑4所示，包括淬火池1、可移动龙门架2、固定龙门架3、下滑轨4、上滑轨5、四个支架控制电机6、一对夹持部件7、四个丝杠8、两个丝杠控制电机9、工件10、一对加热垫片11、一对热电偶12、电缆线13、电源14、计算机15、加热管16、搅拌器17。 [0046] 所述可移动龙门架2和固定龙门架3并排设置在所述淬火池1的上方，每个龙门架具有左右两个立柱以及连接两个立柱的顶部横梁，所述立柱内部中空且侧方开口设置。所述夹持部件7呈U型，包括两个侧立部701以及两个侧立部701之间的横接部702；所述侧立部701由所述立柱的开口处置入其内部，使得立柱能对侧立部701起到导向限位作用，提高结构和运行稳定性；工件10夹装在两个所述夹持部件7的横接部702之间，且所述横接部702的内侧开设有供所述工件10的端部架置的台阶703，台阶703的设置一方面便于工件10的放置，避免掉落风险，提高操作的便利性和安全性，另一方面起到对工件10的定位作用，当多个工件10同步加工时，确保夹装高度的一致性，进而确保工件批量加工的质量稳定性。 [0047] 所述工件10的两端与横接部702之间分别夹设有加热垫片11，所述加热垫片11通过电缆线13与所述电源14连接；所述热电偶12的一端焊接于所述工件10的中间部位，另一端与所述电源14连接，实现对工件温度的测量；所述电源14与所述计算机15连接，以实现对加热过程的控制与监测。 [0048] 所述下滑轨4设置在所述淬火池1的左右两侧，所述上滑轨5在所述下滑轨4的上方与其正对设置。所述固定龙门架3的底端和顶端分别与所述下滑轨4和上滑轨5固定连接。所述可移动龙门架2的底端和顶端分别与所述下滑轨4和上滑轨5滑动连接，且可移动龙门架2的底部和顶部的前端分别连接有两个驱动其滑动的支架控制电机6。可移动龙门架2在四个支架控制电机6的作用下沿下滑轨4和上滑轨5前后移动，以夹持不同长度的工件10；四个支架控制电机6同时工作，可确保可移动龙门架2平稳移动。 [0049] 所述丝杠8穿设于所述夹持部件7的侧立部701并由龙门架的顶部伸出，伸出端套接有从动齿轮；所述可移动龙门架2和固定龙门架3的横梁顶部分别架置有一与所述计算机15电性连接的丝杠驱动电机9，所述丝杠驱动电机9具有左右两个输出轴，所述输出轴的外端套接有与所述丝杠8顶部的从动齿轮啮合连接的主动齿轮。所述丝杠驱动电机9通过齿轮传动带动丝杠8转动，进而带动所述夹持部件7进行升降。每对丝杠8由同一个丝杠驱动电机 9控制，通过两个丝杠驱动电机9同步工作，实现工件10两端同时移动，使工件10整体平稳进入淬火池1进行淬火。 [0050] 所述淬火池1内安装有加热管16和搅拌器17，所述搅拌器17位于淬火池1内远离固定龙门架3的一端，所述加热管16位于所述搅拌器17的两侧，确保淬火池内温度均匀。 [0051] 所述加热垫片11为纯铜制作，与工件10接触面的粗糙度为Ra0.8，所述加热垫片112 与所述工件10的接触面积为100mm 。两热电偶12焊接区间距为0.8mm。所述工件10与淬火池 1的距离为0.2m。所述计算机15对温度的采样频率为10Hz。所述夹持部件7的材质为陶瓷板。 所述淬火池1中液体为液氮。所述淬火池1中的温度为‑196℃。 [0052] 工件材料为2024铝合金。 [0053] 在本实施例中，如图5所示，具体实施步骤如下： [0054] S1.调整可移动龙门架2的位置，在两个夹持部件7之间安装加热垫片11并固定工件10； [0055] S2.在淬火池1中加入液氮； [0056] S3.开启加热管16和搅拌器17，维持淬火池1中温度至‑196℃； [0057] S4.在计算机15里设定加热速度为400℃/s，目标温度500℃，升温时间1.2s，保温时间10min，工件移动速度1m/s，工件移动距离0.5m； [0058] S5.电源14对工件10加热，凭借热电偶12的反馈信号，计算机15调控电源14的输出功率，精确控制工件10的温度； [0059] S6.保温结束后，电源14停止加热，丝杠控制电机9驱动丝杠8转动，工件10向下移动，进入淬火池1中，完成快速淬火。从停止加热到工件10进入淬火池1，耗时0.3s。 [0060] 完成淬火后，对所述工件10在时效炉中进行时效处理，时效温度和时间分别为180℃和16h。时效处理后对工件力学性能进行测试，所得结果见表1。 [0061] 对比例1 [0062] 本对比例中，采用的电加热和快速淬火装置、工件材料与实施例1基本相同，不同之处仅在于：在加热结束后，采用人工手动方式将工件10取下并放入淬火池1中进行淬火。为避免人为误差，经操作人员多次试验，从停止加热到工件10进入淬火池1，耗时为3.5‑ 5.2s。造成人工手动方式耗时较长的原因主要有两点：1)工件温度高，存在烫伤危险，需要以较慢速度操作；2)操作人员需要使用带笨重的高温防护手套和夹钳移动工件，进一步降低了操作速度。转移速度延长，会造成工件温度快速下降，使材料淬火后的过饱和固溶度降低，对材料性能产生影响。 [0063] 对工件力学性能进行测试，所得结果见表1。可以看出，实施例1工件性能优于对比例1，淬火转移时间对工件性能的影响明显。 [0064] 表1实施例1和对比例1中铝合金力学性能测试结果 [0065] 实施例 淬火转移时间/s 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/％ 硬度/HV实施例1 0.3 421±11 516±16 15.3±1.4 150.8±6对比例1 3.5‑5.2 395±15 470±12 16.7±1.1 138.2±5 [0066] 实施例2 [0067] 本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于： [0068] 本实施例中，所述加热垫片11与所述工件10的接触面积为10000mm2，电源14对所述工件10加热的加热速度为800℃/s，所述淬火池1的液面与所述工件10下端面之间的距离为1m，所述淬火池1中淬火介质是水，所述淬火池1中的温度是80℃。 [0069] 所述加热垫片11为黄铜制作。 [0070] 工件材料为35CrMoV合金结构钢。 [0071] 在本实施例中，具体实施步骤如下： [0072] S1.调整可移动龙门架2的位置，在两个夹持部件7之间安装加热垫片11并固定工件10； [0073] S2.在淬火池1中加入水； [0074] S3.开启加热管16和搅拌器17，维持淬火池1中温度至80℃； [0075] S4.在计算机15里设定加热速度为800℃/s，目标温度900℃，升温时间1.1s，保温时间30min，工件移动速度3m/s，工件移动距离1m； [0076] S5.电源14对工件10加热，凭借热电偶12的反馈信号，计算机15调控电源14的输出功率，精确控制工件10的温度； [0077] S6.保温结束后，电源14停止加热，丝杠控制电机9驱动丝杠8转动，工件10向下移动，进入淬火池1中，完成快速淬火。从停止加热到工件10进入淬火池1，耗时0.4s。 [0078] 完成淬火后，对所述工件力学性能进行测试，所得结果见表2。 [0079] 对比例2 [0080] 本对比例中，采用的电加热和快速淬火装置、工件材料与实施例2基本相同，不同之处仅在于：在加热结束后，采用人工手动方式将工件10取下并放入淬火池1中进行淬火。为避免人为误差，经操作人员多次试验，从停止加热到工件10进入淬火池1，耗时为3.5‑ 5.2s。 [0081] 对工件力学性能进行测试，所得结果见表2。可以看出，实施例2工件性能优于对比例2，淬火转移时间对工件性能的影响明显。 [0082] 表2实施例2和对比例2中35CrMoV合金结构钢的力学性能测试结果 [0083] 实施例 淬火转移时间/s 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/％ 硬度/HBW实施例2 0.4 933±56 1085±67 10.1±1.5 241±13对比例2 3.5‑5.2 852±45 984±51 11.2±0.9 138±9 [0084] 实施例3 [0085] 本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于： [0086] 本实施例中，所述加热垫片11与所述工件10的接触面积为500mm2，电源14对所述工件10加热的加热速度为500℃/s，所述淬火池1的液面与所述工件10下端面之间的距离为0.5m，所述淬火池1中淬火介质是水，所述淬火池1中的温度是20℃。 [0087] 工件材料为7050铝合金。 [0088] 在本实施例中，具体实施步骤如下： [0089] S1.调整可移动龙门架2的位置，在两个夹持部件7之间安装加热垫片11并固定工件10； [0090] S2.在淬火池1中加入水； [0091] S3.开启加热管16和搅拌器17，维持淬火池1中温度至20℃； [0092] S4.在计算机15里设定加热速度为1000℃/s，目标温度472℃，升温时间0.5s，保温时间10min，工件移动速度2m/s，工件移动距离0.7m； [0093] S5.电源14对工件10加热，凭借热电偶12的反馈信号，计算机15调控电源14的输出功率，精确控制工件10的温度； [0094] S6.保温结束后，电源14停止加热，丝杠控制电机9驱动丝杠8转动，工件10向下移动，进入淬火池1中，完成快速淬火。从停止加热到工件10进入淬火池1，耗时0.4s。 [0095] 完成淬火后，对所述工件10在时效炉中进行时效处理，时效温度和时间分别为120℃和24h。时效处理后对工件力学性能进行测试，所得结果见表3。 [0096] 对比例3 [0097] 本对比例中，采用的电加热和快速淬火装置、工件材料与实施例3基本相同，不同之处仅在于：在计算机里设定加热速度为10℃/s，升温时间45s。 [0098] 对所述工件力学性能进行测试，所得结果见表3。可以看出，实施例3工件性能优于对比例3，电加热速度对工件性能的影响明显。 [0099] 表3实施例3和对比例3中铝合金力学性能测试结果 [0100] 实施例 升温时间/s 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后延伸率/％ 硬度/HV实施例3 0.5 550±28 655±23 13.5±2.1 226±10对比例3 45 472±19 583±21 15.1±1.4 190±8 |
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