CN108531702A - 用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统。所述热处理装置包括：加热炉体，包括炉壁、炉壳与炉膛，所述炉膛内侧到所述炉壳之间依次布设有加热体和线圈，所述加热体用于对工件进行加热，所述线圈用于为工件提供电磁场；冷却水系统，与所述线圈连接，用于对所述线圈进行冷却；辊道，位于所述加热炉体内部的中空位置上，用于放置铝合金工件；电动机，与所述辊道连接，用于将铝合金工件运送至炉膛内；控制电源柜，位于所述炉壳的外壁上，用于控制电磁场的工作时间、炉壁内的温度、辊道的运动速度。采用本发明的装置、方法或系统在缩短时效时间的同时使材料性能达到指标要求，提高了热处理生产效率。

Description

用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统

技术领域

本发明涉及材料时效领域，特别是涉及一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统。

背景技术

最早的7xxx系铝合金时效工艺是T6峰值时效，单纯追求高强度开发出的时效制度，强度可以达到峰值，但晶界分布较细小的连续链状质点，这种晶界组织对应力腐蚀和剥落腐蚀十分敏感。其时效温度一般为100～140℃，保温时间一般为8～36h。双级时效就是对固溶处理后的合金在不同温度进行两次时效处理，常规的双级处理是先在低温进行预时效，然后再进行高温时效。低温预时效相当于成核阶段，高温时效为稳定化阶段。这种时效工艺打破了晶界析出相的连续性，使组织得到改善，减小了应力腐蚀和剥落腐蚀敏感性，也提高了断裂韧性，与此同时，由于晶粒内的质点发生粗化，因此提高抗应力腐蚀是以牺牲强度作为代价。7XXX铝合金的双级时效制度一般为(100～125)℃/(6～24)h+(155～175)℃/(8～30)h。回归再时效(RRA)处理：热处理制度是20世纪70年代初Cina公司为改善7075合金的SCR而提出的。经过RRA处理后，合金在保持T6状态强度的同时拥有T73状态的抗SCC性能。RRA工艺需要被处理的工件在高温下短时加热，因而只能应用于小零件。

国内外学者对该系铝合金热处理工艺进行了大量的研究并积累了相当的经验和理论。但对热处理工艺的研究，时效处理局限于较传统的工艺，对快速时效热处理研究报道更是少见。一些学者对7A04铝合金热处理采用了分级固溶以及快速二级时效制度，但时效时间仍在7h以上；还有学者将电脉冲运用到材料领域对Cu-Ni-Si合金进行快速时效，但电脉冲在施加高密度电流时效时容易引起瞬时温升使材料产生过时效。

超硬铝是目前发展潜力最大的铝合金之一，由于其强度相当于超强度钢(高达680Mpa)，并且重量轻等特点，广泛应用于制作飞机蒙皮、翼肋、起落架等。由于7XXX铝合金的热处理制度不仅对合金的组织和性能有很大影响，而且也影响着合金的热处理生产效率,所以制定合理的热处理工艺对材料的性能及生产效率发挥着很重要的作用。

近几年，一些学者将脉冲磁场运用到铝合金铸造晶粒细化技术中，并提出电磁能可降低均匀形核的临界吉布斯自由能，使体系更容易形核，铝合金的时效过程就是溶质原子从过饱和固溶体中析出的过程，析出的过程也是原子形核长大的过程；在此基础上，将电磁能可以促进形核这一理论推广化，运用到铝合金的时效处理过程中，在相同的时效温度下，通过施加磁场后缩短时效时间，促进形核，使材料分布于基体内的析出相更加弥散均匀，使材料的性能达到技术指标并且提高热处理生产效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统，通过采用电磁场，缩短了时效时间，提高了热处理生产效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，所述热处理装置包括：

加热炉体，包括炉壁、炉壳与炉膛，所述炉膛内侧到所述炉壳之间依次布设有加热体和线圈，所述加热体用于对工件进行加热，所述线圈用于为工件提供电磁场；

冷却水系统，与所述线圈连接，用于对所述线圈进行冷却；

辊道，位于所述加热炉体内部的中空位置上，用于放置铝合金工件；

电动机，与所述辊道连接，用于将铝合金工件运送至炉膛内；

控制电源柜，位于所述炉壳的外壁上，用于控制电磁场的工作时间、炉壁内的温度、辊道的运动速度。

可选的，所述线圈为实心铜线圈或者空心铜线圈。

可选的，所述辊道的传动方式为集体传动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种应用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置的方法，所述方法包括：

设置加热炉体的温度阈值范围；

对所述加热炉体进行加热操作；

获取加热操作后的加热炉体的炉温；

判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

若是，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若否，则返回至对所述加热炉体进行加热操作步骤。

可选的，所述温度阈值范围为60℃～270℃。

可选的，所述对所述铝合金工件施加电磁能时效的时间范围为10s～300min。

可选的，所述对所述加热炉体进行加热操作，具体包括：

对所述加热炉体进行分段控制式加热操作。

可选的，所述获取加热操作后的加热炉体的炉温，具体包括：

采用热电偶分段式方法获取加热操作后的加热炉体的炉温。

可选的，所述对所述铝合金工件施加电磁能时效，具体包括：

对所述铝合金工件施加磁场频率为5Hz～100Hz的电磁能时效。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理系统，所述系统包括：

温度阈值范围设定模块，用于设置加热炉体的温度阈值范围；

加热模块，用于对所述加热炉体进行加热操作；

炉温获取模块，用于获取加热操作后的加热炉体的炉温；

温度判断模块，用于判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

电磁能时效模块，用于所述炉温达到温度阈值范围，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若所述炉温未达到温度阈值范围，则返回至加热模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，将铝合金工件放置在通有电磁场的加热炉体内，在铝合金时效过程中实现加热的同时并对其施加电磁能，通过在铝合金时效处理过程中施加磁场的方式，对铝合金的时效析出行为产生作用以加速时效析出进程，促进形核，使析出相更加弥散均匀。在缩短时效时间的同时使材料性能达到指标要求，提高了热处理生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置结构图；

图2为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法流程图；

图3为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理系统结构图；

图4为本发明实施例用于电磁能快速时效7A04铝合金不加磁场与加磁场热处理后伸长率和断面收缩率对比图；

图5为本发明实施例用于电磁能快速时效7A04铝合金不加磁场与加磁场热处理后的抗拉强度对比图；

图6为本发明实施例用于7A04铝合金时效热处理加磁场与不加磁场析出物分布微观组织形貌图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置结构图。如图1所示，一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，所述热处理装置包括：

加热炉体1，包括炉壁、炉壳与炉膛，所述炉膛内侧到所述炉壳之间依次布设有加热体2和线圈3，所述加热体2用于对工件进行加热，所述线圈3用于为工件提供电磁场；

冷却水系统，与所述线圈3连接，用于对所述线圈3进行冷却；

辊道4，位于所述加热炉体1内部的中空位置上，用于放置铝合金工件；

电动机，与所述辊道4连接，用于将铝合金工件运送至炉膛内；

控制电源柜5，位于所述炉壳的外壁上，用于控制电磁场的工作时间、炉壁内的温度、辊道4的运动速度。

所述线圈2为实心铜线圈或者空心铜线圈。可根据实际生产需要设定，线圈内置于炉壳与炉膛之间并相互绝缘，线圈与外接专用电源柜独立连接。所述辊道4的传动方式为集体传动，传动速度范围为0～30m/min，辊道间距可根据实际生产设定，如处理尺寸较小工件，需放置在顺磁性材料载物台上，再由辊道移入加磁热处理炉内。

所述热处理装置还包括石英管6，石英管用于保证加热体2的时效温度。

辊道4采用集体传动的方式外接电动机，传动过程中将工件运送至炉膛内；加热炉体1组成元件由炉膛内侧到炉壳外部依次分布为：石英管6、加热体2和线圈3，炉膛内侧由石英管6进行保护，将加热体2、线圈3与炉膛内所放工件分隔开，石英管6外侧分布加热体，使其能够在热处理过程中达到时效温度；加热体2外根据实际生产需要设置一定匝数的线圈，实现在时效热处理的同时施加电磁能，线圈2与冷却水系统连接，以达到对线圈2冷却的目的，并外接专用电源，最外侧由炉壳进行包裹，上述辊道速度、工作温度及时间均由控制电源柜5部分进行控制。

本发明提供一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，将铝合金工件放置在通有电磁场的加热炉体内，在铝合金时效过程中实现加热的同时并对其施加电磁能，通过在铝合金时效处理过程中施加磁场的方式，对铝合金的时效析出行为产生作用以加速时效析出进程，促进形核，使析出相更加弥散均匀。在缩短时效时间的同时使材料性能达到指标要求，提高了热处理生产效率。

图2为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法流程图。如图2所示，用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法包括：

步骤201：设置加热炉体的温度阈值范围；

步骤202：对所述加热炉体进行加热操作；

步骤203：获取加热操作后的加热炉体的炉温；

步骤204判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

步骤205：若是，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若否，则返回至对所述加热炉体进行加热操作步骤。

所述温度阈值范围为60℃～270℃。所述对所述铝合金工件施加电磁能时效的时间范围为10s～300min。对所述加热炉体进行分段控制式加热操作。采用热电偶分段式方法获取加热操作后的加热炉体的炉温。对所述铝合金工件施加磁场频率为5Hz～100Hz的电磁能时效，施加的磁场参数为：峰值电流50A～300A。

在相同的时效温度下，通过施加磁场后缩短时效时间，促进形核，使材料分布于基体内的析出相更加弥散均匀，使材料的性能达到技术指标并且提高热处理生产效率。

设定磁场热处理炉时效温度参数，设定施加电磁能磁参数，确保在保温时效过程中同时进行加磁作用。

根据工艺规程，当炉温升到设定温度时，将材料由辊道移入加磁热处理炉内，使材料在加磁热处理炉内受热均匀，同时根据工艺规程开启电源对工件进行电磁能时效。所述的电磁能是通过加磁热处理炉装置所发生，所述加磁热处理炉是由辊道、石英管、加热体、炉膛与炉壳之间的内置线圈以及控制电源柜构成。

在铝合金时效的过程中，不仅能够通过磁场热处理炉监测炉内实时温度并同时对试样施加电磁能。加热温度最高可达400℃。工作温度精度控制范围为±5℃。

图3为本发明实施例用于铝合金电磁能快速时效的热处理系统结构图。如图3所示，用于铝合金电磁能快速时效的热处理系统包括：

温度阈值范围设定模块301，用于设置加热炉体的温度阈值范围；

加热模块302，用于对所述加热炉体进行加热操作；

炉温获取模块303，用于获取加热操作后的加热炉体的炉温；

温度判断模块304，用于判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

电磁能时效模块305，用于所述炉温达到温度阈值范围，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若所述炉温未达到温度阈值范围，则返回至加热模块。

本发明用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置、方法和系统，具体有以下优点：

(1)本发明可以快速时效热处理铝合金，常规单级时效热处理时间为12h以上，本发明可将时效时间缩减至60min以内，并且可使材料的性能达到指标要求；可热处理时效不同组织的铝合金，显著提高了铝合金的热处理生产效率。

(2)本发明不受铝合金成分限制，即可热处理时效不同系列的铝合金材料。

(3)无污染，本发明的磁场非直接接触铝合金材料，不会对铝合金本身产生任何污染，也不会对环境产生污染。

(4)本发明的磁场热处理设备采用低频，设备简单，操作安全，对材料尺寸没有要求且节约成本和投资。

具体实施例1：

实施例1中使用的材料为具有“超硬铝”之称的7A04铝合金。在铝合金热处理的单级时效制度基础上，对其时效过程中施加电磁能，通过调节磁场参数，时效温度及时间也会相应改变。实施例1中，磁场作用参数为峰值电流100A，峰值电流占空比为20％，频率为20Hz。

电磁能加速7A04铝合金时效的工艺方法。

将7A04铝合金拉伸工件固定在刚玉载物台，将炉温由25℃升温到110℃，开启冷却水系统，待炉温稳定后将拉伸工件装炉，使试样处于炉膛的中心位置处，同时开启电源柜施加磁场，110℃加磁时效60min后将工件取出空冷，关闭磁场及冷却水系统。之后将拉伸工件在WDW3200微控电子万能试验机上进行拉伸实验。拉伸实验数据表明，加磁时效后材料的抗拉强度达到506.07Mpa，伸长率达到17.10％，断面收缩率为23.35％。图4为本发明实施例用于电磁能快速时效7A04铝合金不加磁场与加磁场热处理后伸长率和断面收缩率对比图。

具体实施例2：

磁场强度对7A04铝合金时效后硬度的影响。

将7A04铝合金试样在磁场热处理炉进行110℃/60min的加磁时效，分别对三个试样施加不同强度的电磁能，电磁能时效工艺分别是：①110℃/60min，磁场参数(f＝20hz I峰＝100A D＝20％)②110℃/60min，磁场参数(f＝10hz I峰＝143AD＝48％)③110℃/60min，磁场参数(f＝10hz I峰＝200A D＝50％)；时效后检测其维氏硬度值。在时效温度及时间不变的情况下，通过改变磁场强度参数，时效后硬度值分别是129HV、138HV、114HV；随着磁场强度的改变，材料加磁时效后的硬度也会随之改变，在实际生产中，根据生产要求通过调节磁场参数可达到材料的指标要求。图5为本发明实施例用于电磁能快速时效7A04铝合金不加磁场与加磁场热处理后的抗拉强度对比图。

具体实施例3：

电磁能对铝合金时效析出物的影响。

将7A04铝合金锻后试样进行切割，加工为Φ＝5mm×20mm的小圆柱试样，固溶淬火后在磁场热处理炉内进行加磁时效，对试样分别施加不同强度的电磁能，当磁感应强度B＝22.3mT时析出物分布较均匀弥散，其形状大部分呈圆形；当磁感应强度增加到B＝37.52mT时析出物的分布虽没有发生较大的变化但其形状发生改变，有椭圆形以及不规则的析出物出现，并且析出物的尺寸相比磁感应强度B＝22.3mT时明显增大，当磁感应强度增加到B＝50.54mT时，析出物的形状以及分布状态发生了明显的变化，析出物的分布明显不均匀且尺寸较大。当其形状随着施加矩形波磁场的磁感应强度由B＝22.3mT增加到B＝50.54mT时；析出物尺寸也从0.183um增加到0.553um。图6为本发明实施例用于7A04铝合金时效热处理加磁场与不加磁场析出物分布微观组织形貌图。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，其特征在于，所述热处理装置包括：

加热炉体，包括炉壁、炉壳与炉膛，所述炉膛内侧到所述炉壳之间依次布设有加热体和线圈，所述加热体用于对工件进行加热，所述线圈用于为工件提供电磁场；

冷却水系统，与所述线圈连接，用于对所述线圈进行冷却；

辊道，位于所述加热炉体内部的中空位置上，用于放置铝合金工件；

电动机，与所述辊道连接，用于将铝合金工件运送至炉膛内；

控制电源柜，位于所述炉壳的外壁上，用于控制电磁场的工作时间、炉壁内的温度、辊道的运动速度。

2.根据权利要求1所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，其特征在于，所述线圈为实心铜线圈或者空心铜线圈。

3.根据权利要求1所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置，其特征在于，所述辊道的传动方式为集体传动。

4.一种应用于权利要求1所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理装置的方法，其特征在于，所述方法包括：

设置加热炉体的温度阈值范围；

对所述加热炉体进行加热操作；

获取加热操作后的加热炉体的炉温；

判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

若是，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若否，则返回至对所述加热炉体进行加热操作步骤。

5.根据权利要求4所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法，其特征在于，所述温度阈值范围为60℃～270℃。

6.根据权利要求4所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法，其特征在于，所述对所述铝合金工件施加电磁能时效的时间范围为10s～300min。

7.根据权利要求4所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法，其特征在于，所述对所述加热炉体进行加热操作，具体包括：

对所述加热炉体进行分段控制式加热操作。

8.根据权利要求4所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法，其特征在于，所述获取加热操作后的加热炉体的炉温，具体包括：

采用热电偶分段式方法获取加热操作后的加热炉体的炉温。

9.根据权利要求4所述的用于铝合金电磁能快速时效的热处理方法，其特征在于，所述对所述铝合金工件施加电磁能时效，具体包括：

对所述铝合金工件施加磁场频率为5Hz～100Hz的电磁能时效。

10.一种用于铝合金电磁能快速时效的热处理系统，其特征在于，所述系统包括：

温度阈值范围设定模块，用于设置加热炉体的温度阈值范围；

加热模块，用于对所述加热炉体进行加热操作；

炉温获取模块，用于获取加热操作后的加热炉体的炉温；

温度判断模块，用于判断所述炉温是否达到温度阈值范围；

电磁能时效模块，用于所述炉温达到温度阈值范围，则将铝合金工件运送至炉膛内，对所述铝合金工件施加电磁能时效；

若所述炉温未达到温度阈值范围，则返回至加热模块。