CN216514003U - 一种金属构件热处理装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种金属构件热处理装置，特别涉及金属构件热处理技术领域，以解决现有真空热处理效率低、成本高的问题。所述金属构件热处理装置，包括热处理炉、氨分解器、换气管和点火嘴，热处理炉用于在其内部放置金属构件并进行热处理；氨分解器用于裂解产生氢气与氮气；换气管连接在氨分解器与热处理炉之间，用于将氢气与氮气的混合气体输入热处理炉，将热处理炉内的空气置换出来，换气管上设置有置换阀；点火嘴设置在热处理炉上，用于将热处理炉与外界连通以排出热处理炉内的空气，并在热处理炉内的氢氮混合气体稳定后，点燃外溢的氢气。本实用新型用于代替真空热处理炉，实现空气热处理炉的升级改造，同时可实现表层氧化金属件的还原。
Description
技术领域
本实用新型涉及热处理技术领域，尤其涉及一种金属构件热处理装置。
背景技术
激光选区熔化增材制造(俗称3D打印)金属零构件和精密铸造金属构件绝大多数为净成形构件，一般不需要再二次加工，但为了达到零部件的最终使用性能，后续需要进行真空热处理，称为控性过程，且不允许表层氧化。
但目前这些净成形的金属构件，控性过程采用的都是真空热处理技术，即采用具有一定真空度的热处理炉(真空炉)，抽真空后从室温升温至800℃，然后通入氩气分压，再继续升温至所需温度，保温后进行降温，降温方式为炉冷或吹氩气快速风冷。
真空热处理技术对设备密封性、耐压性等控制要求高，且氩气成本高，热处理过程中一旦出现真空度不足或漏气就会导致含氧量增高，则金属构件表层就会被氧化，影响外观甚至性能。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种金属构件热处理装置，用于热处理后不但可以达到控性的目的，同时可将金属构件表面的氧化层还原。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种金属构件热处理装置，包括：
热处理炉，用于在其内部放置金属构件并进行热处理；
氨分解器，用于裂解产生氢气与氮气；
换气管，换气管连接在氨分解器与热处理炉之间，用于将氢气与氮气的混合气体输入热处理炉，将热处理炉内的空气置换出来，换气管上设置有控制管路启闭的置换阀；
点火嘴，设置在热处理炉上，用于将热处理炉与外界连通以排出热处理炉内的气体，并在热处理炉内的氢气与氮气的混合气体稳定后，点燃外溢氢气。
与现有技术相比，本实用新型采用氨分解生成的氮气和氢气的混合气体，利用不参与反应的氮气作为保护性介质，兼用氢气作为还原性介质，对表层实施还原，与单独用氢气或其他惰性气体热处理炉相比，液氨分解的混合性气体无需分离，原料氨容易得到，具有原料消耗少、投资小、效率高等优点，且对密封性要求不高，无需抽真空即可实现净成形金属构件的控性处理和表层还原。
在一种实现方式中，还包括充气管，充气管的两端分别连接在热处理炉与氨分解器之间，充气管上设置有加压装置，用于提高氢气与氮气的混合气体输入热处理炉中的流速，以快速冷却金属构件，充气管上设有控制管路启闭的充气阀。在此情况下，若金属构件调节性能需要淬火或固溶，即快速冷却，则开启充气阀使混合气体气压达到2Bar～6Bar之间所需高压压力，若该材质构件调节性能需要缓慢冷却，则无需开启充气阀，保持置换阀畅通即可，冷却后得到零件终态。
在一种实现方式中，加压装置为压缩机或增压泵。如此设置，通过增压泵加压，或通过压缩机将混合的氮气和氢气液化使其体积变小，再经充气阀释放时体积膨大气化，由于释放时的空间是有限的即实现了加压。
在一种实现方式中，还包括控制器，用于实现对所述热处理炉的自动化供气过程，置换阀、充气阀及压缩机或增压泵均与控制器电连接。
在一种实现方式中，热处理炉包括外仓和内仓，外仓中设有用于向内仓输送气体的导气机构，换气管、充气管均与外仓连通，内仓中设置有对金属构件加热的加热区。
在一种实现方式中，导气机构包括风机、导气通道和风嘴，风机用于将经过充气管输入的混合气体送入导气通道，导气通道设置在外仓与内仓之间，导气通道的进风口与风机对应，导气通道的出风口设置有风嘴，且风嘴围绕加热区设置在内仓周围。如此设置，通过风机迅速将混合气体送入内仓中的加热区，通过风嘴对金属构件全方位的风冷降温。
在一种实现方式中，外仓与内仓之间设置有隔热层，用于保护风机。
在一种实现方式中，还包括泄压管，泄压管与外仓连通，用于在热处理完成后将热处理炉内的压力泄至与炉外大气压等同，泄压管上设有泄压阀，泄压阀与控制器电连接。如此设置，通过设置泄压管，可将炉内气体排出，将压力泄至与炉外大气压等同，以利于打开炉门取出构件。
在一种实现方式中，内仓中设有温度传感器，用于检测加热区的温度，温度传感器与控制器电连接。如此设置用于监测加热区里的温度，便于根据炉温安排操作流程。
在一种实现方式中，内仓中还设有氧含量测定仪，氧含量测定仪与控制器电连接，用于检测热处理炉内氧含量小于500PPM时，启动所述控制器设定的热处理程序。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型的氨分解工作原理。
图3是本实用新型的控性还原热处理工艺流程。
图中：
1-热处理炉；11-外仓；111-风机；112-导气通道；113-风嘴；12-内仓；13-隔热层；14-加热区；2-氨分解器；3-换气管；31-置换阀；4-点火嘴；5-充气管；51-充气阀；52-加压装置；6-泄压管；
具体实施方式
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，本实用新型实施例公开了一种金属构件热处理装置，包括：热处理炉1、氨分解器2、换气管3和点火嘴4，热处理炉1用于在其内部放置金属构件并进行热处理；氨分解器2用于裂解产生氢气与氮气的混合气体；换气管3连接在氨分解器2与热处理炉1之间，用于将氢气与氮气的混合气体输入热处理炉1，将热处理炉1内的空气置换出来，换气管3上设置有置换阀31；点火嘴4设置在热处理炉1上，用于将热处理炉1与外界连通，将热处理炉1内的空气排出，并在热处理炉1内的氢气与氮气混合气体稳定后，点燃外溢氢气。
使用时，首先将表层氧化的金属构件放入热处理炉1内的加热区，关闭炉门，采用氨分解器2将原材料液氨分解为氢气和氮气，开启置换阀31将来自氨分解器2的氢气和氮气的混合气体以1Bar常压通入热处理炉1，逐渐将炉内的空气通过点火嘴4排出至炉外，实现炉内空气和氢气和氮气混合气体的置换，待5～10分钟后，在点火嘴4处做鸣爆试验，成功鸣爆后，则说明炉内空气已经排出，氢气和氮气的混合气体稳定，这时将点火嘴4溢出的氢气点燃，防止氢气外溢到空气中,如果浓度在4.1％-74.2％之间时，遇火源会爆炸。
与现有技术相比，本实用新型采用氨分解生成的氮气和氢气的混合气体，利用不参与反应的的氮气作为保护性介质，兼用氢气作为还原性介质，对表层实施还原，与单独用氢气或其他惰性气体热处理炉相比，液氨分解的混合性气体无需分离，原料氨容易得到，具有原料消耗少、投资小、效率高等优点，且对密封性要求不高，无需抽真空即可实现净成形金属构件的控性处理和表层还原。
如图2所示，本实施例中氨分解器采用现有技术，包括顺次连接的氨瓶、汽化器、换热器、裂解器、纯化器、干燥器和过滤器，氨瓶中的液氨经汽化器汽化为氨气，然后通过换热器进入裂解器，氨气被加热至800℃左右，在镍催化剂的作用下，发生裂解反应：2NH3＝3H2+N2，经裂解后产生的氢氮混合气再经冷却器冷却后，进入装有分子筛的纯化器和干燥器进行残氨、微量水的深度吸附干燥，最终经过滤器获得纯净的氢氮混合气体(75％的氢气和25％的氮气)。
优选的，还包括充气管5，充气管5的两端分别连接在热处理炉1与氨分解器2之间，充气管5上设置有加压装置52，用于提高氢气与氮气的混合气体输入热处理炉1中的流速，以快速冷却金属构件，充气管5上设有设有控制管路启闭的充气阀51。使用时，若金属构件调节性能需要淬火或固溶，即快速冷却，则关闭置换阀31，开启充气阀51使混合气体气压达到2Bar～6Bar之间所需高压压力，若需要缓慢冷却，则无需开启充气阀51，保持置换阀31畅通即可，冷却后得到零件终态。
可选的，加压装置52为压缩机或增压泵。如此设置，首先将混合的氢气和氮气经压缩机液化使其体积变小，再经充气阀51释放时体积膨大气化，由于释放时的空间是有限的即实现了加压；或通过增压泵直接加压。
优选的，还包括控制器，用于实现对热处理炉1的自动化供气过程，置换阀31、充气阀51、压缩机或增压泵均与控制器电连接。通过控制器实现对热处理过程的自动控制。
具体的，热处理炉1包括外仓11和内仓12，外仓11中设有用于向内仓12输送气体的导气机构，充气管5、换气管3均与外仓11连通，内仓12中设置有对金属构件加热的加热区14。使用时，氢气与氮气的混合气体经过换气管3或充气管5进入外仓，然后气体再逐渐渗入内仓12，内仓12为加热区外围的炉胆，固溶或淬火时通过将外仓11内的气体高速送入吹风嘴，对加热区14的金属构件实现快速冷却。
在一些实施例中，导气机构包括风机111、导气通道112和风嘴113，风机111用于将经过充气管5输入的混合气体送入导气通道112，导气通道112设置在外仓11与内仓12之间，导气通道112的进风口与风机111对应，导气通道112的出风口设置有风嘴113，且风嘴113围绕加热区14设置在内仓12周围。如此设置，通过风机111迅速将混合气体送入内仓12中的加热区14，通过风嘴113对金属构件全方位的风冷降温。
进一步的，外仓11与内仓12的连接处设置有隔热层13，隔热层13对风机111进行保护，防止高温损坏。
在一些实施例中，还包括泄压管6，泄压管6与外仓11连通，用于在热处理完成后将将热处理炉1内的压力泄至与炉外大气压等同，泄压管6上设有泄压阀，泄压阀与所述控制器电连接。如此设置，待炉内温度降至设定温度后，关闭充气阀51和置换阀31，开启泄压阀，通过设置泄压管6，可将炉内气体排出，将压力泄至与炉外大气压等同，以利于打开炉门取出处理后的金属构件。
在一些实施例中，内仓12中设有温度传感器，温度传感器与控制器电连接，用于检测加热区的温度，便于根据炉温启动相应的热处理操作流程。
具体的，内仓中还设有氧含量测定仪，氧含量测定仪与控制器电连接，用于检测热处理炉内氧含量小于500PPM时启动控制器设定的热处理程序，防止氧气含量过高与氢气发生爆炸，能安全的进行升温和保温。
基于上述的一种金属构件热处理装置，本实用新型实施例还公开了一种热处理还原技术，主要包括以下步骤：
S1:金属构件置入：首先将表层氧化的金属构件放入热处理炉内的加热区，关闭炉门。
S2:混合气体生成：采用氨分解器将原材料液氨分解为氮气和氢气的混合气体。
S3:通气点火：保持热处理炉设备间的烟尘排风系统畅通，开启置换阀将来自氨分解器的混合气体以1Bar常压通入热处理炉，逐渐将炉内的空气通过点火嘴排出至炉外，实现炉内空气和氨分解混合气的置换，待5～10分钟后，在点火嘴处做鸣爆试验，成功鸣爆后，则说明炉内空气已经排出，氮氢混合气体稳定，这时将点火嘴溢出的氢气点燃。
S4:设置加热程序：按照不同材质的金属构件调节性能所需的热处理工艺，设置加热程序。
S5:热处理还原：通过仪表检测炉内氧含量为500PPM以下时，启动热处理程序，进行升温和保温，在此过程中，金属构件表面的氧化层发生还原反应，MxOy+yH2＝xM+yH2O，混合气体中的氢气将金属氧化层中的氧置换出来，成为金属本体和水蒸气，水蒸气会随着混合气体通过点火嘴排出至炉外。
S6:开启充气阀降温：若该材质构件调节性能需要淬火或固溶，即快速冷却，则开启充气阀使混合气体气压达到2Bar～6Bar之间所需高压压力，若该材质构件调节性能需要缓慢冷却，则无需开启充气阀，保持置换阀畅通即可，冷却后得到零件终态。
S7:开启泄压阀取出构件：待炉温降至80℃后，关闭充气阀和置换阀、开启泄压阀，将炉内气体压力泄至与炉外大气压等同，打开炉门取出构件，得到表层还原为金属层并经性能调控热处理的金属构件。
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：GH4099合金净成形零件控性和还原热处理
S1:金属构件置入：首先将表层氧化或未氧化的GH4099合金构件放入热处理炉内的加热区，关闭炉门；
S2：混合气体生成：开启氨分解器将原材料液氨分解为氮气和氢气的混合气体；
S3：通气点火：保持热处理炉设备间的烟尘排风系统畅通，开启置换阀将来自氨分解器的混合气体以1Bar常压通入热处理炉，逐渐将炉内的空气通过点火嘴排出至炉外，实现炉内空气和氨分解混合气的置换，待5～10分钟后，在点火嘴处做鸣爆试验，成功鸣爆后，则说明炉内空气已经排出，氮氢混合气体稳定，这时将点火嘴溢出的氢气点燃；
S4：设置“固溶+时效”加热程序：按照10℃/min的升温速率升温至1120℃并保温1h后风冷至室温，再以6℃/min的升温速度升温至900℃并保温6h后炉冷至室温的“固溶+时效”热处理工艺设置加热程序；
S5：热处理及还原：通过仪表检测炉内氧含量为500PPM以下时，启动热处理程序，进行“固溶”阶段的升温和保温，在此过程中，金属构件表面的氧化层开始发生还原反应，MxOy+yH2＝xM+yH2O，混合气体中的氢气将金属氧化层中的氧置换出来，成为金属本体和水蒸气，水蒸气会随着混合气体通过点火嘴排出至炉外；
S6：固溶降温：“固溶”阶段的保温结束后，立即开启充气阀使混合气体气压达到2Bar高压压力，并开启风机，通过流道和风嘴将混合气体送至加热区的金属构件，直至构件冷却至室温时关闭充气阀；
S7：时效降温：继续执行S4的时效程序，进行升温、保温和降温，直至构件随炉缓慢冷却至室温，得到零件终态；
S8：开启泄压阀取出构件：待炉温降至室温后，关闭置换阀并开启泄压阀，将炉内气体压力泄至与炉外大气压等同，打开炉门取出构件，得到表层还原为金属层并经性能调控热处理的金属构件。
GH4099合金，经1120℃固溶1h+900℃时效6h后的900℃高温拉伸性能为：抗拉强度330-460MPa，延伸率27-43％。
实施例2：TA15钛合金净成形零件控性和还原热处理
S1：金属构件置入：首先将表层氧化或未氧化的TA15钛合金构件放入热处理炉内的加热区，关闭炉门；
S2：混合气体生成：开启氨分解器将原材料液氨分解为氮气和氢气的混合气体；
S3：通气点火：保持热处理炉设备间的烟尘排风系统畅通，开启置换阀将来自氨分解器的混合气体以1Bar常压通入热处理炉，逐渐将炉内的空气通过点火嘴排出至炉外，实现炉内空气和氨分解混合气的置换，待5～10分钟后，在点火嘴处做鸣爆试验，成功鸣爆后，则说明炉内空气已经排出，氮氢混合气体稳定，这时将点火嘴溢出的氢气点燃；
S4：设置“退火”加热程序：按照5℃/min的升温速度升温至860℃并保温2h后随炉冷却至80℃出炉空冷的“退火”热处理工艺设置加热程序；
S5：升温保温和还原：通过仪表检测炉内氧含量为500PPM以下时，启动热处理程序，进行“退火”阶段的升温和保温，在此过程中，金属构件表面的氧化层发生还原反应，MxOy+yH2＝xM+yH2O，混合气体中的氢气将金属氧化层中的氧置换出来，成为金属本体和水蒸气，水蒸气会随着混合气体通过点火嘴排出至炉外；
S6：“退火”阶段的降温：继续执行S4的“退火”程序，随炉缓慢冷却至80℃；
S7：开启泄压阀取出构件：待炉温降至80℃后，关闭置换阀并开启泄压阀，将炉内气体压力泄至与炉外大气压等同，打开炉门取出构件空冷，得到表层还原为金属层并经性能调控热处理的金属构件。
激光选区熔化成形TA15钛合金零件860℃保温2h后炉冷至80℃出炉空冷的室温拉伸性能：抗拉强度1116-1122MPa，延伸率17-20％；500℃高温拉伸性能：抗拉强度720-743MPa，延伸率17-18％；500℃、400MPa下的高温持久性能：持续时间209-219h，断面收速率30-60％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种金属构件热处理装置，其特征在于，包括：
热处理炉，用于在其内部放置金属构件并进行热处理；
氨分解器，用于裂解产生氢气与氮气；
换气管，所述换气管连接在所述氨分解器与所述热处理炉之间，用于将氢气与氮气的混合气体输入所述热处理炉，并将所述热处理炉内的空气置换出来，所述换气管上设置有控制管路启闭的置换阀；
点火嘴，设置在所述热处理炉上，用于将所述热处理炉与外界连通以排出所述热处理炉内的气体，并在所述热处理炉内的氢气与氮气的混合气体稳定后，点燃外溢氢气。
2.根据权利要求1所述的金属构件热处理装置，其特征在于，还包括充气管，所述充气管的两端分别连接在所述热处理炉与所述氨分解器之间，所述充气管上设置有加压装置，用于提高氢气与氮气的混合气体输入热处理炉中的流速，以快速冷却金属构件，所述充气管上设有控制管路启闭的充气阀。
3.根据权利要求2所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述加压装置为压缩机或增压泵。
4.根据权利要求3所述的金属构件热处理装置，其特征在于，还包括控制器，用于实现对所述热处理炉的自动化供气过程，所述置换阀、所述充气阀及所述压缩机或增压泵均与所述控制器电连接。
5.根据权利要求4所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述热处理炉包括外仓和内仓，所述外仓中设有用于向所述内仓输送气体的导气机构，所述换气管、所述充气管均与所述外仓连通，所述内仓中设置有对金属构件加热的加热区。
6.根据权利要求5所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述导气机构包括风机、导气通道和风嘴，所述风机用于将经过充气管输入的混合气体送入所述导气通道，所述导气通道设置在所述外仓与所述内仓之间，所述导气通道的进风口与所述风机对应，所述导气通道的出风口设置有所述风嘴，且所述风嘴围绕所述加热区设置在内仓周围。
7.根据权利要求6所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述外仓与所述内仓之间设置有隔热层，用于保护所述风机。
8.根据权利要求5所述的金属构件热处理装置，其特征在于，还包括泄压管，所述泄压管与所述外仓连通，用于在热处理完成后将压力泄至与炉外大气压等同，所述泄压管上设有泄压阀，所述泄压阀与所述控制器电连接。
9.根据权利要求5所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述内仓中设有温度传感器，用于检测加热区的温度，所述温度传感器与所述控制器电连接。
10.根据权利要求9所述的金属构件热处理装置，其特征在于，所述内仓中还设有氧含量测定仪，所述氧含量测定仪与所述控制器电连接，用于检测热处理炉内氧含量小于500PPM时启动所述控制器设定的热处理程序。
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|---|---|---|---|
| CN202122761516.6U CN216514003U (zh) | 2021-11-11 | 2021-11-11 | 一种金属构件热处理装置 |
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Family Applications (1)
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2021
- 2021-11-11 CN CN202122761516.6U patent/CN216514003U/zh active Active
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