CN102492812B - 一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备 - Google Patents

Abstract

一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，本发明为立式真空水淬热处理炉。炉体分为上下两个区域。上面的区域为真空区炉体。真空区炉体分为两部分，真空区上部为加热区炉体，真空区下部为工件支架区炉体，工件支架区炉体上部与加热区炉体连接，下部与淬火水槽炉体连接。加热区炉体通过真空管道开关阀门和真空管道连接装置与抽真空装置连接。工件支架区炉体设有中间可分开的淬火工件放置平台支架。工件支架区炉体下部设置可迅速开启的热屏蔽金属片。淬火水槽炉体通过树脂薄膜密封。本发明可以杜绝真空加热后的高温工件从真空室转移到淬火水槽过程中与气体的接触，极大地缩短了淬火转移时间。

Description

一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备

技术领域：本发明涉及一种热处理设备，特别是一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备。

背景技术：随着航空航天、能源、汽车、电子、机械等各个行业对热处理工艺需求的不断提高。国内外开发了多种真空热处理设备，包括真空油淬炉、超长卧式真空退火炉、台车式真空退火炉、真空渗氮炉等。

真空热处理具有无氧化、无脱碳、无烟尘、无明火、无污染、节能、环保、清洁、安全等特点与优势。特别适用于加热时对氧、碳、氮、氢等气体元素敏感的金属材料。其中，真空淬火是获得特种金属材料的新技术。通过真空淬火可以获得特殊性能的材料，例如超细晶组织、高强度、高塑性和韧性等。真空淬火热处理技术主要用于钛合金、精密合金、沉淀硬化型不锈钢和其他稀有金属材料的真空固溶处理。目前成熟的真空淬火技术有利用氩气、氦气等惰性气体作为淬火介质的真空气淬，以及用油作为淬火介质的真空油淬等。

但是，目前的真空淬火工艺由于淬火介质的散热能力有限，使得金属材料的淬透能力受到了限制。一些材料需要水淬才能达到所需的性能要求。为了进一步提高材料的性能，人们开发了真空水淬热处理技术，利用水及水溶液作为淬火介质进行真空淬火。

目前的真空水淬炉处理主要有卧式双室和立式真空水淬方式，它们都需要两个隔离的区域，一个区域为加热区，是真空区；另一个区域为水淬区，是正常气压区。真空区和非真空区之间由密封炉门隔离。但是，目前的真空水淬炉都不具备在真空状态下工件直接快速进入水介质的淬火能力。其原因是由于在抽真空过程中，暴露的水介质将因大气压力降低而挥发。因此，目前的真空水淬炉必须在淬火前充入与水淬区大气压力相等的惰性气体，然后才能打开真空区和非真空区之间的密封炉门，转移工件进入水介质，而这个过程大大增加了淬火转移时间，使工件的淬火温度有一定程度上的降低，对热处理工艺的效果有显著影响。另外淬火前引入不纯惰性气体也增大了处于高温状态的金属材料与氢气、氧气等有害气体的接触时间。

发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，本发明为立式真空水淬热处理炉。炉体分为上下两个区域。上面的区域为真空区炉体。真空区炉体分为两部分，真空区上部为加热区炉体(8)，加热区炉体(8)内设有加热装置(25)，加热装置(25)与控温加热电源(22)连接。真空区下部为工件支架区炉体(3)，工件支架区炉体(3)上部与加热区炉体(8)连接，下部与淬火水槽炉体(2)连接。加热区炉体(8)通过真空管道开关阀门(14)和真空管道连接装置(15)与抽真空装置(17)连接。

工件支架区炉体(3)设有中间可分开的淬火工件放置平台支架(27)，平台由两部分组成，每部分平台外侧与支架为轴连接，两部分平台通过销钉锁闭连接，炉外的机械臂A(21)与销钉连接。工件支架区炉体(3)下部设置可迅速开启的热屏蔽金属片(30)。炉体外的机械臂B(20)与热屏蔽金属片(30)连接。

淬火水槽炉体(2)内装入淬火水介质(19)。淬火水槽炉体(2)内设有淬火工件收集篮筐(18)，篮筐下部设置有带弹簧的篮筐支架(29)。淬火水槽炉体(2)通过树脂薄膜(28)密封。

本发明可以杜绝真空加热后的高温工件从真空室转移到淬火水槽过程中与气体的接触，极大地缩短了淬火转移时间。同时高温工件免除了接近大气压力的惰性气体中暴露的时间，从而避免了表面的氧化，也避免了氢等有害气体在高温时通过晶界渗透到金属材料的内部而造成对材料力学性能的损害，从而大大提高钛合金、高温合金、不锈钢及有色金属材料等金属及合金的水淬热处理工艺水平和材料性能。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明内部的结构示意图。

图3是本发明的分体示意图

具体实施方式：

如图1-图3所示：本发明为立式真空水淬热处理炉。炉体横截面为圆环状。炉体分为上下两个区域。上面的区域为真空区炉体。真空区炉体为两部分，真空区上部为加热区炉体8，加热区炉体8内设有对淬火工件进行加热的交流感应加热或电阻加热装置25，加热装置25与控温加热电源22连接。加热区炉体下部设有密封环。真空区下部(即整个炉子的中部)为工件支架区炉体3，工件支架区炉体3上部设有带胶圈的密封环，下部也设有密封环，可分别与上部加热区炉体8和下部分淬火水槽炉体2相互对接。加热区炉体8通过真空管道开关阀门14和真空管道连接装置15与抽真空装置17连接。为提高真空度，抽真空装置17由机械泵和扩散泵或分子泵组合而成。

工件支架区炉体3设有中间可分开的淬火工件放置平台支架27，平台由两部分组成，每部分平台外侧与支架为轴连接，两部分平台通过销钉锁闭连接，可以通过炉外的机械臂21迅速开启销钉，当销钉分开时，平台中间落下，其上放置的淬火工件26随之落下。工件支架区炉体下部设置可迅速开启的热屏蔽金属片30。炉体外的机械臂B20与热屏蔽金属片30连接。

真空区炉体之下为非真空炉体，其中盛装淬火水介质，简称淬火水槽炉体2。淬火水槽炉体2上部设有带胶圈的密封环，可与工件支架区炉体3下部设置的密封环相互对接，实现密封。水槽炉体2内设有淬火工件收集篮筐18，篮筐下部设置有带弹簧的篮筐支架29，以对下落的淬火工件进行缓冲。

真空和非真空区的环状炉体，即工件支架区炉体3和淬火水槽炉体2可密封对接，中间用树脂薄膜28隔离。利用有一定厚度的树脂薄膜28对水槽进行密封保护，与上面炉体的真空系统隔离，从而防止了水槽炉体中的淬火水介质19的挥发。树脂薄膜28可采用聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯以及其他树脂制成的薄膜。

水槽炉体2是密闭的。由于树脂薄膜具有一定的强度，在抽真空过程中向真空一侧在一定程度上均匀地凸起而无超出其承受能力的应力集中发生，因此并不由于抽真空后水介质侧产生的压力差而破坏。

测温方式分别有两种，热电偶测温和红外测温。当温度较低时(约1200℃以下)，热电耦测温装置24的热电耦与工件26接触，进行测温；当温度较高时：采用红外测温装置11进行非接触式测温，不与工件26接触。通过测温装置反馈的电信号给控温加热电源22来控制炉温。

控温加热电源22与加热装置25和控温装置24连接。加热区炉体8上端设有测温窗10，工件发出的光可通过测温窗达到红外测温装置11。加热区炉体8上设有真空计23。

加热区炉体8和工件支架区炉体3通过加热区升降及侧移装置13和工件支架区升降及侧移装置4与龙门支架9连接。龙门支架9的下端设有地脚1，上端设有起重机12。加热区炉体8的表面设有观察窗7、惰性气体进气/排气阀6和加热区炉体循环冷却水接口5。工件支架区炉体3和淬火水槽炉体2上设有循环冷却水接口16。

三部分炉体均为双层炉体结构，炉体中间通入循环冷却水，及时带走加热过程的热量，使炉体温度没有明显升高，从而对设备进行保护。为了防止工件加热过程产生的热辐射使树脂薄膜发生软化甚至损坏树脂薄膜，造成真空破坏，利用工件支架区炉体的金属热屏蔽片对热辐射向加热区进行反射，使树脂薄膜的温度低于其玻璃转化温度。

设备特点

①本发明为立式真空水淬热处理炉，炉体分为三个区：加热区炉体(上部)、工件支架区炉体(中部)和水槽炉体(下部)；

②加热区炉体、工件支架区炉体、水槽炉体均为双层炉体，炉体夹层通入循环冷却水以便对热处理过程产生的热量进行散热，保护炉体和密封圈；

③加热区炉体下部、工件支架区炉体上部和下部、水槽炉体上部均设有密封环，其中，工件支架区炉体上部和水槽炉体上部密封环都设有胶圈。三个炉体可两两对接密封。工件支架区炉体和水槽炉体的两个密封环之间在每次热处理准备过程设置树脂薄膜，对真空区和非真空区进行隔离；

④设置升降及侧向移动炉体的龙门支架，分别升降加热区炉体、工件支架区炉体，以便安装工件、放置热电偶、电极等操作。通过电动螺杆转动使炉体升降及侧移装置可用装置实现炉体的上升和下降，以及向侧面移出。龙门支架上设有可在龙门机架上移动的升降起重机，用于放置和取出工件；

⑤淬火工件加热方式采用交流感应加热或电阻加热两种。利用交流感应加热的感应线圈为纯铜空心线圈，线圈内部通入循环冷却水。利用控温系统不断调整电源输入功率，保证淬火工件温度符合热处理工艺要求的参数。利用电阻加热时，金属导线与工件连接，炉体要可靠接地。工件温度测定采用接触式，以提高测温的精度，同时用红外测温作为参考测温进行监控；

⑥抽真空过程中可反复数次适量通入高纯氩气或氦气等惰性气体，以最大限度地降低氧气的含量。在淬火加热前也可适量通入惰性气体，使工件在惰性气体环境中进行加热和保温；

⑦淬火工件达到热处理工艺参数要求的加热、保温程序后，通过开启工件支架平台和热屏蔽金属片，工件直接落到树脂薄膜上并使其熔化破坏，然后工件直接落入淬火水介质中。因此，从工件下落到入水时间与自由落体时间相近，其过程非常快，一般小于1秒钟，保证了工件完成加热后不明显降低温度，从而保证了热处理工艺效果和材料的力学性能；

⑧工件支架区炉体内设置可迅速开启的热屏蔽金属片，开启方式可采用类似照相机光圈原理的光圈式结构。通过观察窗观察操作，工件支架销钉开启机械臂与销钉中间通过旋转实现连接和分离(工件放置前就要安好销钉，但此时加热炉体是上升的，机械臂不能与销钉连接，只有放下炉体后，才能通过旋转连接。)；

⑨淬火水介质侧炉体是密闭的。其上的密封用树脂薄膜具有一定的强度，在真空区炉体抽真空过程中向真空一侧在一定程度上均匀地凸起，树脂薄膜可以承受一定的真空度造成的压力而不破坏，从而保证了水槽炉体与真空炉体空气的隔离。加热前通过观察窗确认树脂薄膜，真空室内无水汽。水槽炉体内设置水位传感器，一旦水位异常，可自动停止抽真空设备和加热电源；

⑩为降低淬火水介质飞溅，淬火时可通入高压高纯惰性气体以降低真空度。淬火后淬火水介质将回流入水槽循环重复利用。真空管道阀门前的真空管道设计为从炉体向外向上倾斜，以利于水的回流。真空计设有开闭阀门，放置水蒸气进入真空计；

(11)各个阀门可设计为手动或自动。销钉开启装置和热屏蔽金属片开启装置可设计为手动或自动。

设备主要参数

炉体外径：300mm～3000mm；

炉体高度：500mm～10000mm；

极限真空度：1×10^-3Pa；

加热温度上限：1700℃；

淬火转移时间：小于1秒。

树脂薄膜的厚度：0.1～20mm。

工作过程

升起加热区炉体到高处，将工件支架平台闭合，用销钉锁闭，利用起重机将待淬火工件放置在工件支架上，确认工件不超出加热区域。如果采用交流感应加热方式，在加热区炉体安装感应线圈。如果采用电阻加热方式加热，在工件上安装电极。升起工件支架炉体到高处，将树脂薄膜拉紧放置在水槽炉体上，降下工件支架炉体，使工件支架炉体和水槽炉体严密闭合。降下加热区炉体，使加热区炉体与工件支架炉体严密闭合，将工件支架销钉开启机械臂A与销钉进行旋转连接。用机械臂B关闭热屏蔽金属片。将真空管道连接装置进行连接。

关闭气体阀门，抽真空，检查树脂薄膜是否完好。当上部真空区的加热区炉体内的真空度达到要求后，关闭真空管道阀门。淬火工件按淬火工艺被加热并保温后，关闭加热电源，从炉体外部通过机械臂B开启金属热屏蔽片，同时通过机械臂A迅速移去淬火工件平台的销钉。高温淬火工件将下落到树脂薄膜上，树脂薄膜在瞬间被高温工件加热融化而破坏，淬火工件将落入淬火水介质中。从而实现工件的水淬热处理。淬火后打开气体阀门，使炉内真空度与大气压力一致，升起并侧移加热区炉体和工件支架炉体。利用起重机将工件取出。

淬火后飞溅的淬火水介质最后回流到水槽中，可以循环使用。

Claims (4)

1.一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，采用立式真空水淬热处理炉，其特征在用于：炉体分为上下两个区域，上面的区域为真空区炉体，真空区炉体分为两部分，真空区上部为加热区炉体，加热区炉体内设有加热装置，加热装置与控温加热电源连接，真空区下部为工件支架区炉体，工件支架区炉体上部与加热区炉体连接，下部与淬火水槽炉体连接，加热区炉体通过真空管道开关阀门和真空管道连接装置与抽真空装置连接；工件支架区炉体设有中间可分开的淬火工件放置平台支架，平台由两部分组成，每部分平台外侧与支架为轴连接，两部分平台通过销钉锁闭连接，炉外的机械臂A与销钉连接，工件支架区炉体下部设置可迅速开启的热屏蔽金属片，炉体外的机械臂B与热屏蔽金属片连接；淬火水槽炉体内设有淬火工件收集篮筐，篮筐下部设置有带弹簧的篮筐支架，淬火水槽炉体通过树脂薄膜密封。

2.如权利要求1所述的一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，其特征在于：所述的加热装置为交流感应加热或电阻加热装置。

3.如权利要求1所述的一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，其特征在于：抽真空装置由机械泵和扩散泵或分子泵组合而成。

4.如权利要求1所述的一种树脂薄膜密封保护水介质真空直接水淬热处理的设备，其特征在于：加热电源和加热装置与控温装置连接。

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