CN108279718B - 一种高通量锻造热控制方法 - Google Patents

Abstract

一种高通量锻造热控制技术，属于材料塑性加工热控制领域包括加热系统和热电控制系统及隔热耐压陶瓷台和底金属台；加热棒、加热室、导热增强样品台、隔热板、整体式保温装置构成了加热系统；温度传感器、可控硅调压器、温度显示仪、电流电压检测表、固态继电器、熔断器构成热电控制系统；加热室内部放置加热棒，加热室上方为导热增强样品台，下方为隔热耐压陶瓷台，各个加热室通过温度传感器、可控硅调压器、继电器、熔断器、电流电压检测表对温度进行实时监测和控制，各样品台之间通过隔热板分隔，样品台外部通过整体保温罩隔热保温。本发明能实现快速筛选最优试样及最佳锻造工艺参数，大大缩短材料研发周期，降低研发成本。

Description

一种高通量锻造热控制方法

技术领域

本发明属于材料塑性加工热控制领域，特别是涉及一种高通量锻造热控制方法。

技术背景

随着材料基因组工程的深入发展，要求研究人员以更短的时间、更低的成本，致力于新材料的研发，材料的高通量实验就应用而生。材料高通量实验是在短时间内完成批量样品的制备与表征，其关键思想是将传统材料研究中的顺序迭代改为并行处理，来提升材料研究效率。通过高通量实验，不仅可以快速建立材料的成分-结构-性能之间的关系，加速材料的开发和研究，还可以为材料模拟计算提供实验验证，使计算模型更加准确。

锻造是一种广泛应用的材料塑性加工工艺，变形温度对合金的塑性加工行为有显著影响，因此控制变形温度对于塑性加工工艺显得尤为重要。目前主要通过Gleeble试验机压缩热模拟实验代替普通锻造镦粗热模拟实验，但Gleeble试验机一次只能做一个压缩热模拟实验、效率较低，无法满足高通量热压缩模拟要求，另外传统的锻造液压机不设置加热系统，工件在加热炉中加热到一定温度后再放入液压机中锻压，这种方法温度下降明显而且操作困难，因此设计一套高通量锻造热模拟实验的加热控制系统可以更好的满足高通量实验的需要。

本发明提供一种高通量锻造热控制方法，利用该技术可以一次加热多个样品，可以设定多组温度并控制，批量完成不同温度参数下的锻造热模拟实验，得到多个样品不同工艺条件下的数据。该技术是高通量锻造实验中热控制的关键技术，是高通量锻造实验的必备条件，只有掌握好热控制方法，才能实现快速筛选最优试样及其最佳锻造工艺参数，从而大大缩短材料研发周期，降低研发成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高通量锻造热控制方法，可以在液压机上安装热控制系统，设定多组温度，控制一次加热多组样品，达到给定值后进行锻造实验。该热控制系统不仅可为高通量锻造模拟的每个样品提供热源，还可以分别控制温度，从而满足高通量锻造的加热要求。

一种高通量锻造热控制方法，其特征在于包括加热系统和热电控制系统及隔热耐压陶瓷台和底金属台；加热棒、加热室、导热增强样品台、隔热板、整体式保温装置构成了加热系统；温度传感器、可控硅调压器、温度显示仪、电流电压检测表、固态继电器、熔断器构成了热电控制系统；加热室内部放置加热棒，加热室上方设计导热增强样品台用于快速加热样品，下方设计隔热耐压陶瓷台用于减少底部散热，同时各个加热室通过温度传感器、可控硅调压器、继电器、熔断器、电流电压检测表对温度进行实时监测和控制，各个样品台之间通过隔热板分隔，整个样品台外部通过整体保温罩隔热保温，热电控制系统中各个部件能根据样品种类不同而灵活更换。

优选地，所述电阻加热棒为五组相互独立的加热棒，分别给每组样品提供热源，并控制温度，它的可控温度范围为20-1100℃。

优选地，所述加热室内部设计特殊圆孔槽用于放置加热棒，并通过减小加热室上壁厚度，增大下壁厚度，使得热量集中向上传递，向下散热减少，实现定向导热。

优选地，所述导热增强样品台选用导热性能好，高温强度高的材料，该材料可以根据试样种类的不同进行更换，五个导热增强样品台高度呈阶梯型；每个加热室上方设计固定卡槽，导热增强样品台通过卡槽固定在每个加热室的上方，增强向上方向的定向导热。

优选地，所述隔热耐压陶瓷台选用导热系数低的材料，加工成带有五个凹槽的隔热平台，放置在加热室下方，其中的凹槽用于与加热室固定；在隔热陶瓷台下方，通过再添加一个模具钢材料的凹槽台，保证了隔热陶瓷台与基座连接。

优选地，所述温度传感器，用于采集样品的实时温度信号，可根据测量温度的不同进行更换；温度显示仪将温度结果反馈显示于屏幕；可控硅调压器用于调整控制加热棒的电压和功率。

优选地，所述固态继电器可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路；电流电压检测表，用于检测电流、电压并控制固态继电器；熔断器用于对加热控制系统进行过流保护。

优选地，所述隔热装置采用陶瓷纤维隔热板，使得样品台分隔成独立控温的空间，隔热板最高使用温度1300℃。

优选地，所述整体保温罩选用陶瓷纤维保温材料，材料可以根据试样种类的不同进行更换；保温装置带有手柄，并且预留圆孔用于控制系统的引线；保温罩外层为硅酸铝纤维棉，可以进一步增强保温效果。

本发明具有的优点和积极效果是:通过采用上述技术方案，高通量锻造实验的热条件得到满足。本发明与传统技术相比较，由于采用了直接在液压机上安装热控制装置，因此极大地减少了锻造中的热量损失；同时由于每个加热棒上都增加了温度检测装置，因此研究人员可以对加热棒的工作状态进行有效控制，一方面提高了加热的效率，另外一方面提高了系统的安全性能；同时由于每个加热棒分别控制温度，且采用隔热装置，形成一个个相对封闭的独立空间，彼此之间互不影响，满足高通量实验不同温度范围的要求。热电控制系统中各个部件可以根据样品种类不同进行更换，操作方便、灵活，工艺适应性强，可满足不同高通量实验需求。

附图说明

图1是本发明高通量锻造热控制系统示意图，图中包括样品1、导热增强样品台2、加热室3、隔热耐压陶瓷台4、隔热板5、底金属台6、加热棒7、下模座8。

图2是高通量锻造热控制系统电路框图，图中包括熔断器9、电流电压检测表10、可控硅调压器11、固态继电器12、温度显示仪13、温度传感器14。

图3是高通量锻造热控制系统中保温装置图，图为整体保温罩15。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1和图2，一种高通量锻造热控制方法，包括加热系统和热电控制系统及隔热耐压陶瓷台4和底金属台6；加热棒7、加热室3、导热增强样品台2、隔热板5、整体式保温装置15构成了加热系统；温度传感器14、可控硅调压器11、温度显示仪13、电流电压检测表10、固态继电器12、熔断器9构成了热电控制系统；加热室内部放置加热棒，加热室上方设计导热增强样品台用于快速加热样品，下方设计隔热耐压陶瓷台用于减少底部散热，同时各个加热室通过温度传感器、可控硅调压器、继电器、熔断器、电流电压检测表对温度进行实时监测和控制，各个样品台之间通过隔热板分隔，整个样品台外部通过整体保温罩隔热保温，热电控制系统中各个部件能根据样品种类不同而灵活更换。

所述高通量锻造加热平台的搭建都能够根据锻造样品的种类不同，而进行相应的调整。例如导热增强样品台、温度传感器、保温装置材料是灵活可以更换的，当高通量锻造高温材料时，导热增强样品台材料选用高温合金，温度传感器选用K型热电偶，保温装置材料选用多晶莫来石陶瓷纤维；当高通量锻造中低温材料时，导热增强样品台更换为抗压强度较低且导热性较好的陶瓷，温度传感器选用J型热电偶，保温装置材料选用硅酸铝纤维。

所述高通量锻造加热室3一次可以加热多个样品，设定多组温度并控制。(温度范围在20—1100℃)加热室中加热棒7的热量通过导热增强样品台2，快速传热给样品，实现样品的加热。加热室由陶瓷材料构成，为了防止短路，加热棒不能直接接触金属，所以实验采用抗压强度高的氧化铝陶瓷材料，抗压强度约为2500Mpa，导热系数为25W/(m·K)。加热室3设计卡槽固定，将导热增强样品台2固定在加热室上部，增强向上方向的定向导热。加热室内部特殊设计圆孔位置插入加热棒，通过减小加热室上壁厚度，并增大下壁厚度，使得热量集中向上传递，向下散热减少，实现定向导热。该加热室中的圆孔位置距离加热室上壁2mm，距离下壁20mm。

所述导热增强样品台为阶梯型，材料选用导热性能较好的材料并且有高的高温强度。当样品为强度较高的钢及其他合金时，实验采用W/Cu合金作为导热增强材料，其高温压缩屈服强度较高，高温导热系数在140W/(m·K)左右。当样品为强度较低的铝及其他材料时，实验采用碳化硅陶瓷作为导热增强材料，其高温压缩屈服强度较低，在200MPa左右，高温导热系数在80W/(m·K)左右。在样品台上，样品可以同时放置多行，每行可以放置多个，样品台每行的高度呈阶梯式均匀分布。

所述加热棒，由五组相互独立的电阻加热棒分别给每组样品提供热源，并控制温度。选择14mm直径的硅碳棒，电流为50A，电压40V，单只功率在2kW左右，它具有冷端部电阻小、发热部红热均匀、抗氧化性能好、抗腐性强、抗热震性能好、热膨胀系数小、抗蠕变性能良好、辐射能力强、升温速度快、热效率高等优点。

所述隔热耐压陶瓷台4选用导热系数低的材料，加工成带有五个凹槽的隔热平台，放置在加热室下方，其中的凹槽用于与加热室固定。同时，高通量锻造实验要求装置具有优良的抗压强度，所以热控制系统决定采用抗压强度好，低热传导率的氧化锆陶瓷材料作为加热室的隔热平台，氧化锆陶瓷导热系数低，在2W/(m·K)左右。

所述底金属台6，选用模具钢材料，并设计凹槽，保证了上面隔热陶瓷台与下面基座8连接。

所述温度传感器14，用于采集样品的实时温度信号；温度显示仪13将温度结果反馈显示于屏幕；可控硅调压器11用于调整控制加热棒电压和功率。

所述熔断器9,设置于加热控制系统与市电的连接导线上，用于对加热控制系统进行过流保护；固态继电器12可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路；电流电压检测表10，用于检测电流、电压并控制固态继电器。

所述隔热板5采用陶瓷纤维，使得每行样品台分隔成独立控温的空间，隔热板最高使用温度1300℃。

所述整体保温罩15采用陶瓷纤维保温材料，加工成带手柄的保温罩，并且预留孔用于控制系统的引线；保温罩外层为硅酸铝纤维棉，可以进一步增强保温效果。当锻造温度较高时，采用多晶莫来石陶瓷纤维保温材料，可以耐热1500℃并且具有低的导热率；锻造温度较低时，采用硅酸铝纤维保温材料；硅酸铝纤维棉耐热1260℃，导热率0.03W/(m·K)，成本低廉。

本发明的工作过程为:将多个样品按矩阵式排列在加热室上面的导热增强样品台，能够一次完成多组样品加热控制工艺。实验具有5个加热棒，因此可以同时对5组样品分别进行加热，在每个加热室中间设置隔热板，这样可以尽量减少热的相互传递，使得每组温度互不影响。

在高通量锻造的加热过程中，温度传感器对加热棒的工作温度进行实时监控，并将监控到的温度信息发送给温度控制显示仪，在温度控制显示仪上设置有加热棒的工作温度闺值，在本具体实施例，当加热棒的工作温度大于设定值时，温度控制显示仪将信号发送给固态继电器和可控硅调压器，进而对加热管的工作状态进行调整。加热室下部采用热传导系数低的耐压陶瓷台隔热，减少热量的向下传递。在加热过程中，整体保温装置罩在加热平台上，加热到目标温度后，均热保温，开始高通量锻造时，保温装置移开，实现高通量锻造成形。

实施例一

本实施例以S34MnV钢为例来说明高通量锻造热控制方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，鉴于S34MnV钢在高通量锻造时会受到较大的应力，所以导热增强样品台选择在高温下抗压强度高的W/Cu合金材料，将它和加热室定位，通过凹槽固定在加热室上方。

B2，将加热棒插入加热室的圆孔中，加热室外部接线，连接热电控制系统中的固态继电器，可控硅调压器、K型铠装热电偶、温度显示仪、电流电压检测表、熔断器。

C3，将各加热室和隔热耐压陶瓷台进行定位并且通过凹槽固定。

D4，将隔热耐压陶瓷台和下模座固定，通过中间设计的模具钢凹槽台，一边通过凹槽固定隔热台，一边通过螺纹连接下模座。

E5，将同一成分30个大小为

的S34MnV样品按照6×5排列放置在导热增强样品台上，目标加热温度分别为800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃，均热保温时间相同都是1min。

F6，将锻造上模固定在液压机的滑块上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

G7，将多晶莫来石材料的整体保温罩覆盖在加热平台上，开通加热电源，加热到目标温度，均热保温1min。

H8，开启压机电源，按照设定的压下行程和行程速度，运行压机，进行高通量锻造实验。

实施例二

本实施例以6061铝合金为例来说明高通量锻造热控制方法。本实施例的具体步骤如下：

A1，鉴于6061铝合金在高通量锻造时受到的应力较小，所以导热增强样品台选择在抗压强度比较小的碳化硅陶瓷材料，将它和加热室定位，通过凹槽固定在加热室上方。

B2，将加热棒插入加热棒插入加热室的圆孔中，加热室外部接线，连接热电控制系统中的固态继电器，可控硅调压器、J型热电偶、温度显示仪、电流电压检测表、熔断器。

C3，将各加热室和隔热耐压陶瓷台进行定位并且通过凹槽固定。

D4，将隔热耐压陶瓷台和下模座固定，通过中间设计的模具钢凹槽台，一边通过凹槽固定隔热台，一边通过螺纹连接下模座。

E5，将同一成分30个大小为

的6061铝合金样品按照6×5排列放置在导热增强样品台上，目标加热温度分别为440℃、450℃、460℃、470℃、480℃，均热保温时间相同都是1min。

F6，将锻造上模固定在液压机的滑块上，使得锻造上模可以在行程导杆的引导下上下移动。

G7，将硅酸铝纤维材料的整体保温罩覆盖在加热平台上，开通加热电源，加热到目标温度，均热保温1min。

H8，开启压机电源，按照设定的压下行程和行程速度，运行压机，进行高通量锻造实验。

本发明可以一次加热多个样品，可以设定多组温度并控制，批量完成不同温度参数下的锻造热模拟实验，得到多个样品不同工艺条件下的数据。该技术是高通量锻造实验中热控制的关键技术，是高通量锻造实验的必备条件。

以上所述的具体实施例，对本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高通量锻造热控制方法，其特征在于包括加热系统和热电控制系统及隔热耐压陶瓷台和底金属台；加热棒、加热室、导热增强样品台、隔热板、整体式保温装置构成了加热系统；温度传感器、可控硅调压器、温度显示仪、电流电压检测表、固态继电器、熔断器构成了热电控制系统；加热室内部放置加热棒，加热室上方设计导热增强样品台用于快速加热样品，下方设计隔热耐压陶瓷台用于减少底部散热，同时各个加热室通过温度传感器、可控硅调压器、继电器、熔断器、电流电压检测表对温度进行实时监测和控制，各个样品台之间通过隔热板分隔，整个样品台外部通过整体保温罩隔热保温，热电控制系统中各个部件能根据样品种类不同而灵活更换；

电阻加热棒为五组相互独立的加热棒，分别给每组样品提供热源，并控制温度，可控温度范围为20-1100℃；

加热室内部设计圆孔槽用于放置加热棒，并通过减小加热室上壁厚度，增大下壁厚度，使得热量集中向上传递，向下散热减少，实现定向导热；

导热增强样品台选用导热性较强的材料，该材料可以根据试样种类的不同进行更换，样品台高度呈阶梯型；每个加热室上方设计固定卡槽，导热增强样品台通过卡槽固定在每个加热室的上方，增强向上方向的定向导热；

每行样品台所用隔热装置采用陶瓷纤维隔热板，使得样品台分隔成独立控温的空间，隔热板最高使用温度1300℃。

2.如权利要求1所述的高通量锻造热控制方法，其特征在于，隔热耐压陶瓷台选用导热系数低的材料，加工成带凹槽的隔热平台，放置在加热室下方，其中的凹槽用于与加热室固定；在隔热陶瓷台下方，通过再添加一个模具钢材料的凹槽台，保证了隔热陶瓷台与基座连接。

3.如权利要求1所述的高通量锻造热控制方法，其特征在于，热电控制系统中的固态继电器能按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路；电流电压检测表，用于检测电流、电压并控制固态继电器。

4.如权利要求1所述的高通量锻造热控制方法，其特征在于，温度传感器，用于采集样品的实时温度信号；温度显示仪将温度结果反馈显示于屏幕；可控硅调压器用于调整控制加热棒电压和功率；熔断器用于对加热控制系统进行过流保护。

5.如权利要求1所述的高通量锻造热控制方法，其特征在于，整体保温罩采用陶瓷纤维保温材料，整体保温罩带有手柄并且预留孔用于控制系统的引线；外层为硅酸铝纤维棉。

Images