CN113385625B - 一种可精确控制冷速的等温模锻装置及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精确控制冷速的等温模锻装置及其调控方法，其中的等温模锻装置，包括外壳体、设置在外壳体内部的保温隔热系统、位于保温隔热系统内的等温锻造模具、安装在保温隔热系统上端的总排气管、安装在保温隔热系统下端的总进气管、用于向总进气管内通入冷气的冷却气源、设置在等温锻造模具上的温度监测传感器及PLC加热和冷却控制系统；温度监测传感器用于监测等温锻造模具的温度并将温度信号传输至PLC加热和冷却控制系统，PLC加热和冷却控制系统用于根据温度信号调控等温锻造模具的冷速及加热情况。本发明可以实现等温锻造装备内模具的温度精确调控，进而控制型材的显微组织，实现组织均匀性和性能稳定性。

Description

一种可精确控制冷速的等温模锻装置及其调控方法

技术领域

本发明属于稀有金属材料等温模锻技术领域，尤其涉及一种可精确控制冷速的等温模锻装置及其调控方法。

背景技术

性能优异的金属材料是制备大尺寸、复杂结构件的基础，但其往往取决于合金材料的显微组织结构，因此，如何调控复杂结构件的显微组织对制备优异性能的合金型材至关重要。合金的显微组织又跟其相组成息息相关，在相图中，材料从高温至室温，会存在不同相组成区域，因此，在材料的连续冷却过程中会发生明显的相变行为，从而获得不同的显微组织结构。而冷却速率的不同，可能发生的相转变也不同，各种相之间的含量也会相应变化，所以，控制稀有金属材料在冷却过程中的冷速对获得优异性能的金属材料非常重要，因此有必要提出一种可精确控制冷速的等温模锻装备。

目前，等温模锻的冷却方式一般采用随炉冷却或者打开炉门进行空气冷却两种方式，这两种冷却方式受外界温度影响较大(夏天和冬天的室温完全不同)。因此，这对合金显微组织的控制有着严重的影响，可大大影响产品的重复率。

朱小坤等人在发明专利(CN 109898008 A)中提到了采用纯氩气进行高压吹气将合金冷却至室温，这种高压吹气是将氩气直接充进热等静压设备当中，进而对其粉末冶金的高速钢进行组织调控。其成形过程未涉及到对大尺寸的模具冷却和冷速的精确控制。

因此有必要提供一种可精确控制冷速的等温模锻装备，调控金属材料型材组织，提升型材的组织均匀性和性能可控性。

发明内容

本发明提供的可精确控制冷速的等温模锻装置，能够通过实时精确控制锻造模具冷却温度，从而达到控制稀有金属材料型材显微组织的目的，通过数字化精确控制气源系统，以及在等温锻造模具上添加散热通道和温度测试点，从而实现模具温度的精确控制，可以实现不受外界温差影响来调控型材显微组织。

具体的，本发明第一方面提供一种可精确控制冷速的等温模锻装置，包括外壳体、设置在所述外壳体内部的保温隔热系统、位于所述保温隔热系统内的等温锻造模具、位于所述外壳体内且连接在所述等温锻造模具上下两端的上平台和下平台、安装在所述保温隔热系统上端并与其内部连通的总排气管、安装在所述保温隔热系统下端并与其内部连通的总进气管、用于向所述总进气管内通入冷气的冷却气源、设置在所述等温锻造模具上的温度监测传感器及PLC加热和冷却控制系统；

所述温度监测传感器与所述PLC加热和冷却控制系统电连接，所述温度监测传感器用于监测所述等温锻造模具的温度并将温度信号传输至所述PLC加热和冷却控制系统，所述PLC加热和冷却控制系统用于根据所述温度信号调控所述等温锻造模具的冷速及加热情况。

作为本发明的进一步说明，所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统上端内侧的多个分排气孔，所述分排气孔与所述总排气管内连通，所述分排气孔均匀地分布在所述上平台的周围。

作为本发明的进一步说明，所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统下端内侧的多个分进气孔，所述分进气孔与所述总进气管内连通，所述分进气孔均匀地分布在所述下平台的周围。

作为本发明的进一步说明，所述等温锻造模具上设置有用于通入冷气的冷却通道。

作为本发明的进一步说明，所述冷却通道均匀分布在所述等温锻造模具的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述冷却通道均为沿水平方向分布在其上下表面中间的通孔。

作为本发明的进一步说明，所述冷却通道的直径为8mm，且所述冷却通道的数量n与等温锻造模具的最大尺寸L之间满足：n＝0.07L，其中L的单位为mm。

作为本发明的进一步说明，所述温度监测传感器均匀分布在所述等温锻造模具的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述温度监测传感器均为沿水平方向分布在其上下表面中间的传感器。

作为本发明的进一步说明，所述冷却气源中包括空气、氩气、氦气及氮气四种冷却气体中的任一种。

作为本发明的进一步说明，所述冷却气体对应的冷速如下：空气3～6℃/s；氩气30～40℃/s；氦气80～100℃/s；氮气10～20℃/s。

本发明第二方面提供一种精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，包括如下步骤：

将金属材料坯料置于上述的等温模锻装置中进行等温锻造；

通过所述PLC加热和冷却控制系统精确调控所述金属材料型材的冷速及加热情况，从而实现不受外界温差影响来精确调控所述金属材料型材的显微组织。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明针对等温模锻过程中型材冷却速率无法精确控制问题，设计了一种等温模锻设备内的冷却系统及冷却气源，开发了具有通孔和测温点的等温锻造模具，制备了冷速可控的等温锻造装备。该装备内的冷却组件采用不同冷源和速率控制方式，与加热系统相耦合，即时反馈温度数据，进行温度控制和冷速调节。可以实现等温锻造装置内模具的温度精确调控，进而控制型材的显微组织结构，实现组织均匀性和性能稳定性。

附图说明

图1是本发明提供的可精确控制冷速的等温模锻装置的结构示意图；

图2本发明提供的带冷却通道的等温锻造模具结构示意图。

附图标记说明：

总排气管1、保温隔热系统2、等温锻造模具3、总进气管4、上平台5、分排气孔6、PLC加热和冷却控制系统7、分进气孔8、下平台9、温度监测传感器10、冷却通道11、等温锻造模具内腔12、气流方向13、外壳体14。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案加以解释。

实施例一

如图1所示，提供一种可精确控制冷速的等温模锻装置，包括外壳体14、设置在所述外壳体14内部的保温隔热系统2、位于所述保温隔热系统2内的等温锻造模具3、位于所述外壳体14内且连接在所述等温锻造模具3上下两端的上平台5和下平台9、安装在所述保温隔热系统2上端并与其内部连通的总排气管1、安装在所述保温隔热系统2下端并与其内部连通的总进气管4、用于向所述总进气管4内通入冷气的冷却气源、设置在所述等温锻造模具3上的温度监测传感器10及PLC加热和冷却控制系统7；

所述温度监测传感器10与所述PLC加热和冷却控制系统7电连接，所述温度监测传感器10用于监测所述等温锻造模具3的温度并将温度信号传输至所述PLC加热和冷却控制系统7，所述PLC加热和冷却控制系统7用于根据所述温度信号调控所述等温锻造模具3的冷速及加热情况。

上述可精确控制冷速的等温模锻装置，能够通过实时精确控制等温锻造模具3的冷却温度，从而实现控制稀有金属材料型材显微组织的目的。

具体的，所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统2上端内侧的多个分排气孔6，所述分排气孔6与所述总排气管1内连通，所述分排气孔6均匀地分布在所述上平台5的周围，上述分排气孔6的设置能够充分保证冷却气体同时同量的冷却等温锻造模具3后排出，不会造成冷却后的气体流速不均匀的问题。

所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统2下端内侧的多个分进气孔8，所述分进气孔8与所述总进气管4内连通，所述分进气孔8均匀地分布在所述下平台9的周围；上述分进气孔8的设置能够充分保证冷却气体同时同量的冷却等温锻造模具3，从而精确控制冷模具的冷却速率，控制型材的显微组织。

在一种可实现的方式中，如图2所示，所述等温锻造模具3上设置有用于通入冷气的冷却通道11；

所述冷却通道11均匀分布在所述等温锻造模具3的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述冷却通道11均为沿水平方向分布在其上下表面中间的通孔。

优选的，所述冷却通道11的直径为8mm，且所述冷却通道11的数量n与等温锻造模具3的最大尺寸L之间满足：n＝0.07L，其中L的单位为mm。

上述冷却通道11的设置，能够保证冷气均匀且充分地通入等温锻造模具3，进而达到对金属材料型材的均匀高效冷却，且可以根据金属材料型材的形状调整等温锻造模具3的尺寸及等温锻造模具3内的冷却通道11(包含通道的尺寸和通道的数量)。

为了有效提升所述模具的精确冷速控制，所述温度监测传感器10均匀分布在所述等温锻造模具3的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述温度监测传感器10均为沿水平方向分布在其上下表面中间的传感器；上述均匀分布的温度监测传感器10，使得等温锻造模具3上形成多个均匀分布的测温点，从而使得监测温度更加准确可靠，且保证整个模具的测温均匀性。

上述可精确控制冷速的等温模锻装置通过在等温锻造模具上添加散热通道和测温点，从而实现模具温度的精确控制，可以实现不受外界温差影响来调控型材显微组织。本发明可实现在不同冷却速率下对型材进行整体冷却，并精确地控制冷却速率，这主要是由于等温锻造模具3内均匀分布的多个测温点和整个冷却系统的交互作用。

在一种可实现的方式中，所述冷却气源中包括空气、氩气、氦气及氮气四种冷却气体中的任一种，其中，四种气体的冷却效率从高到低依次为氦气、氩气、氮气、空气。

上述冷却气源接入总进气管4内，可根据冷速的不同需求来选择冷却气体类型，并通过冷速控制和最大气流量两种方式来匹配冷速选择。

所述的冷却气源一般对应的冷速如表1所示。

表1不同冷却气源的一般冷速

气源	冷速
		氦气	80～100℃/s
氩气	30～40℃/s
		氮气	10～20℃/s
空气	3～6℃/s

依据以上的气源冷速参考值，可以选择控制方式(模具冷速控制和最大气流量控制，)，从而获得自己想要的冷却速率，上述冷却气源也可交替使用，达到模锻型材的不同冷速的多步冷却方式，从而获得期待的组织类型。

实施例二

一种精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，包括如下步骤：

将金属材料型材置于实施例一所述的等温模锻装置中进行等温锻造；

通过所述PLC加热和冷却控制系统精确调控所述金属材料型材的冷速及加热情况，从而实现不受外界温差影响来精确调控所述金属材料型材的显微组织。

在金属材料型材等温锻造过程中，通过温度监测传感器10准确的监测金属材料型材的温度，并利用PLC加热和冷却控制系统能够对金属材料型材的目标加热温度值及加热速率等参数进行具体设置；此外，更重要的是，PLC加热和冷却控制系统能够根据温度监测传感器10反馈的温度值与金属材料型材所要达到目标冷却温度值及冷却速率需要等，选择冷却气源的通入类型及通入的气流速度等参数，从而实时精确控制等温锻造模具冷却温度，进而达到精确控制稀有金属材料型材显微组织的目的。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述等温模锻装置包括外壳体(14)、设置在所述外壳体(14)内部的保温隔热系统(2)、位于所述保温隔热系统(2)内的等温锻造模具(3)、位于所述外壳体(14)内且连接在所述等温锻造模具(3)上下两端的上平台(5)和下平台(9)、安装在所述保温隔热系统(2)上端并与其内部连通的总排气管(1)、安装在所述保温隔热系统(2)下端并与其内部连通的总进气管(4)、用于向所述总进气管(4)内通入冷气的冷却气源、设置在所述等温锻造模具(3)上的温度监测传感器(10)及PLC加热和冷却控制系统(7)；

所述温度监测传感器(10)与所述PLC加热和冷却控制系统(7)电连接，所述温度监测传感器(10)用于监测所述等温锻造模具(3)的温度并将温度信号传输至所述PLC加热和冷却控制系统(7)，所述PLC加热和冷却控制系统(7)用于根据所述温度信号调控所述等温锻造模具(3)的冷速及加热情况；

所述等温锻造模具(3)上设置有用于通入冷气的冷却通道(11)；

所述冷却通道(11)均匀分布在所述等温锻造模具(3)的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述冷却通道(11)均为沿水平方向分布在其上下表面中间的通孔；

所述冷却通道(11)的直径为8mm，且所述冷却通道(11)的数量n与等温锻造模具(3)的最大尺寸L之间满足：n＝0.07L，其中L的单位为mm；

所述方法包括：

将金属材料型材置于所述等温模锻装置中进行等温锻造；

通过设置的所述冷却通道(11)，保证冷气均匀且充分地通入等温锻造模具(3)，进而达到对所述金属材料型材的均匀高效冷却，且能够根据所述金属材料型材的形状调整所述等温锻造模具(3)的尺寸及所述等温锻造模具(3)内的所述冷却通道(11)；

在所述金属材料型材等温锻造过程中，通过所述温度监测传感器(10)准确的监测所述金属材料型材的温度，并利用所述PLC加热和冷却控制系统对所述金属材料型材的目标加热温度值及加热速率进行具体设置；所述PLC加热和冷却控制系统还能够根据所述温度监测传感器(10)反馈的温度值与所述金属材料型材所要达到目标冷却温度值及冷却速率，选择所述冷却气源的通入类型及通入的气流速度，从而实时精确控制等温锻造模具冷却温度，进而达到精确控制稀有金属材料型材显微组织的目的。

2.根据权利要求1所述的通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统(2)上端内侧的多个分排气孔(6)，所述分排气孔(6)与所述总排气管(1)内连通，所述分排气孔(6)均匀地分布在所述上平台(5)的周围。

3.根据权利要求1所述的通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述等温模锻装置还包括设置在所述保温隔热系统(2)下端内侧的多个分进气孔(8)，所述分进气孔(8)与所述总进气管(4)内连通，所述分进气孔(8)均匀地分布在所述下平台(9)的周围。

4.根据权利要求1所述的通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述温度监测传感器(10)均匀分布在所述等温锻造模具(3)的上模具和下模具中，且位于所述上模具和所述下模具内的所述温度监测传感器(10)均为沿水平方向分布在其上下表面中间的传感器。

5.根据权利要求1所述的通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述冷却气源中包括空气、氩气、氦气及氮气四种冷却气体中的任一种。

6.根据权利要求5所述的通过等温模锻装置精确调控稀有金属材料型材显微组织的方法，其特征在于：所述冷却气体对应的冷速如下：空气3～6℃/s；氩气30～40℃/s；氦气80～100℃/s；氮气10～20℃/s。

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