CN101151395B - 采用大功率微波对大金属试样的快速和均匀热处理 - Google Patents
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Abstract
一种用于对大金属试样(14)热处理的系统，包括微波加热设备，该微波加热设备具有波导管(8)、用于监视和测量温度的装置和用于保持金属试样(14)的保持装置，其中，所述保持装置包括箱(11)构造，其由低密度氧化铝纤维板(13)制成并用低密度氧化铝纤维材料包裹，以限定出一个腔，且沿着该腔内壁设有感受器。
Description
技术领域
本发明涉及采用微波对金属试样热处理的方法。
本发明还涉及采用微波对大金属试样进行快速均匀热处理的方法。
背景技术
作为金属热处理的最关键阶段之一，加热必须被精确地控制，以获得所需的性能并避免会导致使用过程中失效的性能变化。
微波加热采用微波来加热大块金属零件。与加热金属件的常规工艺相比，微波加热是一种非常快速和有效的工艺。微波加热能被成功地用于一系列材料，包括金属，比如各种钢以及铜、铝的合金等。该工艺的优点包括：明显更快的加热速率、均匀的机械性能、节能、对温度和过程的即时和良好的控制。但是，大部分试样很难在微波中加热，这主要是由于金属上的表面电荷积累造成的。商用的微波系统在2450MHz工作，在空气中的波长为4.8″。各种材料对微波场的反应是不同的。各个材料中的极性分子通过以旋转运动振荡的方式响应微波场。该运动所产生的能量使这些物质被加热。介质损耗和损耗因数决定了微波的有效吸收，并从而决定了微波的加热特性。金属粉末压实件取决于它们的介电常数(permissivity)。但是，大块金属反射微波，并且表面加热的机理主要由涡电流决定。在导电表面中，这伴随有电荷积累和随之而来的电压积累，导致与腔壁之间起弧。
微波能量在各种应用中已经使用超过50年了，例如通讯、食物处理、橡胶硫化、纺织品和木制品、以及陶瓷粉末的干燥。微波在陶瓷烧结中的应用是相当新的。美国宾州大学的实验室出版物首次报导了金属粉末压实件可被烧结，并继续演示了不同金属系统的烧结，并且还建造了惰性气体烧结系统。基于该开发，Dennis工具已经适于碳化钨工具刀头的商业化生产。用于烧结金属粉末的一些惰性气体烧结系统已经被开发，以促进金属粉末压实件的烧结。但是，采用微波来对金属热处理在本领域中还是未知的。尽管早已认识到采用微波来处理陶瓷的许多潜在优点，但该领域仅仅是现在才最终显示出处于起飞阶段，尤其是对于一些特种陶瓷(包括复合材料)的商品化来说。但是，在该领域中对金属热处理是未知的，并且没有被真正认识到。因此，需要提供一种系统来专门满足通过提供围绕物体的大功率微波吸收边界来加热金属零件的需要，以便内壁温度与零件表面温度匹配。此外，该边界不应允许零件与腔壁之间起弧。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提出一种采用微波来对大金属试样热处理的方法，以便能提供均匀和更快的热处理。
本发明的另一目的是提出一种采用微波来对金属试样热处理的方法，其简单、易于操作且成本有效。
本发明的又一目的是提出一种采用微波来对金属试样热处理的方法，其能快速地建立平衡温度并且使从表面损失的热量最小。
通过以下的描述，本发明的这些和其它目的将清楚。
根据本发明，提供了一种用于对大金属试样热处理的系统，其包括微波加热设备，该微波加热设备具有波导管、用于监视和测量温度的装置和用于保持金属试样的保持装置，其中，所述保持装置包括箱构造，其由低密度氧化铝纤维板制成并用低密度氧化铝纤维材料包裹，以限定出一个腔，且沿着该腔的内壁设有感受器。
根据本发明，还提供了一种采用特殊箱装置来烧结陶瓷体的系统。
根据本发明，用于烧结金属体的系统包括由微波发生器构成的微波加热设备，其具有波导管、用于安置试样的保温装置、用于监视和测量温度的装置以及容纳有特殊箱装置的腔。
材料的微波加热依赖于实际上是加热元件的试样的吸收性，并且还依赖于围绕试样的感受器的吸收性。没有适当的装置的话，很难加热试样和控制过程，特别是在下部温区，在下部温区试样不能有效地吸收微波。
通过用于金属热处理的特殊箱装置，实现了本发明的目的。该箱装置由低密度氧化铝纤维板制成，并用低密度纤维材料包裹。采用SiC感受器来包围试样，以便部分地吸收微波并且受热，以提供等温边界。这有助于在均热过程中精确地控制温度。例如，在热处理周期的均热阶段，在6KW系统中可以容易地使温度波动在1℃范围内。
附图说明
下面将借助附图来更详细地介绍本发明，其中：
图1为典型的6KW微波加热系统。
图2为用于在6KW系统中进行热处理的箱。
图3为典型的用微波热处理的大金属试样。
图4为用于均匀和有效地加热大金属试样的典型加热速率曲线。
图5为由微波加热和常规电阻加热来热处理的试样的冲击强度对奥氏体化温度的典型曲线。
图6为由微波加热和常规电阻加热来热处理的试样的拉伸强度对奥氏体化温度的典型曲线。
具体实施方式
图1显示了由微波加热炉和控制器构成的6KW微波加热系统。
图2显示了用于在6KW微波加热炉中进行热处理的箱，它由包在低密度纤维材料中的氧化铝块构成。
图3显示了150×30×15mm的试样，其在微波加热炉中热处理，然后在空气中冷却。一次可以把5到6个这种试样一起放入炉中，以进行统一的热处理。
已对P91材料进行了实验，并且通过在微波加热炉中以控制的速率(图4)加热已取得了非常均匀的特性。
图1显示了采用大功率微波进行热处理所用的6KW系统的典型布置，图2显示了本发明的箱装置。该系统包括至少一个用于供能和控制的磁控管装置(1)，仿真载荷(4)，正向功率和逆功率监视器(6)，调谐器(7)，多个感受器(3)，波导管(8)，布料器(9)以及搅拌器(10)，具有功率可调反射器(6)的仿真载荷设置在感受器(3)之间。箱(11)置于室中。
材料的微波加热依赖于实际上是加热元件的试样(14)的吸收性，并且还依赖于包围试样(14)的感受器(3)的吸收性。没有适当的装置的话，很难加热试样(14)的下部区域，在下部区域，材料不能有效地吸收微波。试样座装置是重要的。用于试样座的箱装置是由可铸造级58A的低密度氧化铝制成，并与中等尺寸的SiC砂粒按2∶1的比例混合。采用由PVC管制成的简单固定装置将该湿混合物浇注到缸中。由于氧化铝浇铸件中存在的粗大气泡，即使加热到1750℃也没有收缩。24小时后，浇铸的试样座变坚固并且可以备用。在用1450℃级的低密度纤维材料将其包裹成2″的厚度之后，箱装置就完成了。为此目的，采用低密度氧化铝纤维板(13)。在箱中设有用于温度测量的观察口(12)(图2)。
图4显示了在微波中的加热速率应该如图说明那样是最佳。微波加热是一个很快的过程。因此，如果以很快的速率把试样连续加热以达到所需温度，试样将不能被均匀地加热，并且在整个试样中可能会有温度梯度。与P91钢的常规热处理相比，该常规热处理要花几乎3到4小时来达到均匀的溶解(奥氏体化)温度，而微波加热仅需30到40分钟。
图5是通过微波以及常规电阻加热被热处理的试样的冲击强度对奥氏体化温度的曲线图。发现当在900℃以上奥氏体化时，冲击性能随着奥氏体化温度或晶粒尺寸的增加而减小。
图6是通过微波以及常规电阻加热被热处理的试样的拉伸强度对奥氏体化温度的曲线图。发现当在900℃以上奥氏体化时拉伸性能随着奥氏体化温度或晶粒尺寸的增加而增加，而冲击性能表现为相反的趋势，并随着奥氏体化温度或晶粒尺寸的增加而减小(图5)。
为了实现前述和其它的目的，并且根据本发明的目的，本文体现和宽泛描述了一种采用微波加热炉来对金属试样进行热处理的方案。
对P91钢的热处理是这样来进行的：在800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃保持1小时来溶解P91钢，随后，在760℃保持2小时来对试样回火，以表现或模拟在焊接过程中热影响区(HAZ)所遇到的各种微观结构状态，即过度回火、临界间状态、细晶粒和粗晶粒。
在常规电阻加热炉中也进行类似的过程。这两种过程的结果在图5和图6中给出，并且确切匹配地证明了微波加热的效果。
因此，通过采用根据本发明的系统，通过微波加热在更短时间内进行对P91钢的热处理是可行的，这是由于加热快速和均匀。
冲击强度和拉伸强度测试结果的极佳匹配证明了微波热处理的效果，并且由常规加热和微波加热所获得的微观结构和晶粒尺寸是相同的。
另外，该方法提供了对大件金属均匀和一致的热处理。吸收边界传递部分的微波能量，且该方法提供了能保证从由微波加热的物体的表面的热损失可忽略不计的边界，这是由于所创造的等温条件而导致的，从而实现了均匀加热的目的。该方法还可以灵活地节能和省时，以及获得可与常规工艺相比拟或甚至优于常规工艺的机械性能。
Claims (4)
1.一种用于对大金属试样热处理的系统，包括微波加热设备，该微波加热设备具有波导管、用于监视和测量温度的装置和用于保持金属试样的保持装置，其中，所述保持装置包括箱构造，该箱构造是由可铸造级58A的低密度氧化铝制成，并与中等尺寸的SiC砂粒按2∶1的比例混合，并用低密度氧化铝纤维材料包裹而成的，以限定出一个腔，且沿着该腔内壁设有感受器，所述感受器由碳化硅制成。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述微波加热设备是微波发生器和控制器。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述保持装置将要进行热处理的试样容纳在所述腔中。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述纤维材料是1450℃级低密度纤维材料。
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