專利名稱：脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置及熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置及其熱處理方法，屬于材料加工及特種熱處理方法技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
材料熱處理工藝對材料的內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)均有影響。隨著社會的發(fā)展，人類對材料的要求也越來越高，常規(guī)熱處理工藝已經(jīng)不能完全滿足材料科學(xué)的發(fā)展要求，特種熱處理工藝應(yīng)運而生。其中磁場熱處理對材料組織性能的影響非常顯著，是一種很有發(fā)展前景的特種熱處理方法。常用的磁場熱處理方法是，將材料放入磁場，保溫一段時間或以一定速度在磁場中冷卻的熱處理過程。通過磁場熱處理可以使材料的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)方向有序，從而產(chǎn)生各向異性，滿足宏觀性能要求。一些軟磁材料(如硅鋼)經(jīng)過磁場熱處理后，可以提高磁感應(yīng)強度，降低鐵損；永磁材料(如釹鐵硼)經(jīng)磁場熱處理后可提高剩磁和矯頑力。磁場熱處理也可以用于改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。如在球墨鑄鐵石墨球化的過程中施加磁場，可以增加石墨的球形度，還可使石墨分布更加彌散。在非晶薄帶晶化的過程中施加磁場，可以降低晶化溫度，提高其力學(xué)性能。近些年來，關(guān)于磁場下熱處理的研究越來越廣泛，涉及到不同的材料、不同的熱處理工藝。諸多資料報道，在較低溫度下磁場并不起作用，當(dāng)溫度在居里點附近時，磁場效果最明顯。理想處理工藝是使樣品在磁場中迅速達到預(yù)定溫度，現(xiàn)有設(shè)備很難滿足此要求，常常研究升溫全過程施加磁場或者在樣品達到預(yù)定溫度后施加磁場的作用效^ ο強磁場設(shè)備復(fù)雜，為了達到高的磁場強度，一般其產(chǎn)生磁場的腔體較小，熱處理設(shè)備放入其中受到空間限制，保溫層較薄，保溫效果不好，樣品隨爐升溫較慢，升溫的過程中， 由于溫度較低，激活能不夠，磁場作用較小，但材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)卻一直在發(fā)生變化，會掩蓋部分磁場處理效果，使磁場處理效率降低。一方面，希望將樣品直接在居里點附近進行磁場熱處理，另一方面，受制于磁場空間，只能讓樣品緩慢加熱到預(yù)定溫度。本發(fā)明可以很好地解決這樣的矛盾。高玉來等人公開了“脈沖磁場條件下非晶薄帶熱處理工藝與裝置”(CN 101717901 A)中，樣品和熱電偶放在石英管內(nèi)一同放入加熱爐管，進行磁場處理，樣品到達預(yù)定溫時間縮短，但由于放入的東西較多，熱容較大，達到預(yù)定溫度需要的熱量多，而爐膛保溫層受制于磁場空間比較薄，熱量存儲較少，使樣品無法迅速達到預(yù)定溫度。沒有保護套的控溫?zé)犭娕?，還會受到脈沖磁場的電磁干擾，使溫度測量不準。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免緩慢升溫過程中磁場作用效率低的缺點，提供一種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置及其熱處理方法，是一種樣品快速達到磁場最有效處理溫度的熱處理裝置及方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)的。
—種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置，由磁場線圈、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、送料裝置組成，所述磁場線圈與高壓脈沖電流源相連，在其腔體內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場；所述加熱系統(tǒng)包括保溫材料、石英爐殼、石英爐管、鎧裝熱電偶和支架，所述石英爐管外側(cè)以雙螺旋的方式纏繞電阻絲，所述石英爐殼與所述石英爐管之間填充所述保溫材料，所述鎧裝熱電偶置于所述石英爐管內(nèi)，控制所述石英爐管的溫度，所述石英爐殼左右兩端分別有一個所述支架支撐，將所述加熱系統(tǒng)置于所述磁場線圈的中部；所述密封系統(tǒng)包括第一法蘭組、第二法蘭組、動密封法蘭盤和橡膠圈，所述第一法蘭組與所述第二法蘭組通過若干螺釘夾緊各法蘭盤之間的所述橡膠圈，將所述石英爐管密封，所述鎧裝熱電偶穿過所述第一法蘭組并焊接在所述第一法蘭組上，所述動密封法蘭盤與所述第二法蘭組之間安裝所述橡膠圈，并用螺釘緊固密封，所述第一法蘭組上有出氣口閥門，所述第二法蘭組上有抽氣口閥門和進氣口閥門；所述送料裝置包括送料桿、銅塊、螺母、墊片、動密封橡膠圈，所述送料桿依次穿過所述螺母，所述墊片，所述動密封橡膠圈和所述銅塊，插入所述石英爐管內(nèi)，所述送料桿可往復(fù)運動，所述銅塊鑲嵌于所述動密封法蘭盤中，所述螺母安裝在所述動密封法蘭盤上，壓緊所述墊片，使所述動密封橡膠圈變形，密封所述送料桿。一種脈沖磁場下快速加熱熱處理方法，應(yīng)用上述脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置，具體實施步驟如下
1)將樣品固定在所述送料桿前端，將所述動密封法蘭盤與所述第二法蘭組用所述螺釘連接緊固；
2)關(guān)閉所述出氣口閥門，關(guān)閉所述進氣口閥門，打開所述抽氣口閥門，并連接機械泵對所述石英爐管抽真空，抽氣5分鐘后，關(guān)閉所述抽氣口閥門，打開所述進氣口閥門，向所述石英爐管內(nèi)充入特定熱處理氣氛，重復(fù)以上操作4飛次，保證所述石英爐管內(nèi)殘留較少空氣；
3)待所述石英爐管達到預(yù)定溫度后，將所述螺母略微擰松，使所述送料桿可以往復(fù)運動，又不影響所述石英爐管內(nèi)的真空，推動所述送料桿將樣品送入所述石英爐管及磁場中心，擰緊所述螺母，在所述磁場線圈中通入高壓脈沖電流，在其腔體內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場，使樣品在脈沖磁場下熱處理并計時；
本方法實現(xiàn)真空或特定氣氛下的脈沖磁場熱處理，脈沖磁場強度(Γ5Τ，脈沖寬度 (T300ms，脈沖頻率(TlOOHz，熱處理溫度50°C ^lOOO0C，均溫區(qū)長度200mm，實現(xiàn)樣品快速到達設(shè)定溫度，并保溫若干小時。本發(fā)明的原理是，在熱處理的過程中施加脈沖磁場，利用材料與磁場的交互作用及磁場的各向異性特點改變材料的組織結(jié)構(gòu)以獲得所需要的性能。利用送料桿將樣品送至石英爐管中心鎧裝熱電偶附近，金屬送料桿熱容小吸熱少，可快速達到預(yù)定溫度。本發(fā)明的優(yōu)點如下
1.材料快速達到所需磁場熱處理溫度，提高磁場作用效率。2.在磁場中實現(xiàn)真空環(huán)境或保護氣氛環(huán)境中樣品的快速到溫，快速冷卻。3.鎧裝熱電偶外的不銹鋼套管屏蔽了脈沖磁場對溫度測量信號的影響，并能夠?qū)崟r控制、顯示樣品附近溫度。


圖1為本發(fā)明脈沖磁場熱處理裝置整體示意圖。圖2為本發(fā)明脈沖磁場熱處理裝置法蘭組鎧裝熱電偶一側(cè)示意圖。圖3為本發(fā)明脈沖磁場熱處理裝置法蘭組送料桿一側(cè)示意圖。圖4為普通電阻爐退火樣品和脈沖磁場退火樣品的歐拉圖，(a)普通退火，(b)磁場退火。圖5為普通電阻爐退火樣品和脈沖磁場退火樣品的ODF ( Φ2=45° )圖，(a)普通退火，(b)磁場退火。圖1、2、3中各數(shù)字代號表示如下
1-磁場線圈，2-保溫材料，3-石英爐殼，4-石英爐管，5,6-法蘭組，7-支架，8-鎧裝熱電偶，9-送料桿，10-動密封法蘭盤，11-樣品，12-抽氣口閥門，13-進氣口閥門，14-銅塊， 15-螺母，16-墊片，17-動密封橡膠圈，18-出氣口閥門，19-螺釘，20-橡膠圈。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例結(jié)合附圖進一步說明如后。如圖1，圖2，圖3所示，一種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置，由磁場線圈、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、送料裝置組成，所述磁場線圈1與高壓脈沖電流源相連，在其腔體內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場；所述加熱系統(tǒng)包括保溫材料2、石英爐殼3、石英爐管4、鎧裝熱電偶8和支架7，所述石英爐管4外側(cè)以雙螺旋的方式纏繞電阻絲，所述石英爐殼3與所述石英爐管4之間填充所述保溫材料2，所述鎧裝熱電偶8置于所述石英爐管4內(nèi)，控制所述石英爐管4的溫度， 所述石英爐殼3左右兩端分別有一個所述支架7支撐，將所述加熱系統(tǒng)置于所述磁場線圈 1的中部；所述密封系統(tǒng)包括第一法蘭組5、第二法蘭組6、動密封法蘭盤10和橡膠圈20，所述第一法蘭組5與所述第二法蘭組6通過若干螺釘19夾緊各法蘭盤之間的所述橡膠圈20， 將所述石英爐管4密封，所述鎧裝熱電偶8穿過所述第一法蘭組5并焊接在所述第一法蘭組5上，所述動密封法蘭盤10與所述第二法蘭組6之間安裝所述橡膠圈20，并用螺釘19緊固密封，所述第一法蘭組5上有出氣口閥門18，所述第二法蘭組6上有抽氣口閥門12和進氣口閥門13 ；所述送料裝置包括送料桿9、銅塊14、螺母15、墊片16、動密封橡膠圈17，所述送料桿9依次穿過所述螺母15，所述墊片16，所述動密封橡膠圈17和所述銅塊14，插入所述石英爐管4內(nèi)，所述送料桿9可往復(fù)運動，所述銅塊14鑲嵌于所述動密封法蘭盤10中， 所述螺母15安裝在所述動密封法蘭盤10上，壓緊所述墊片16，使所述動密封橡膠圈17變形，密封所述送料桿9。利用本發(fā)明對冷軋硅鋼進行了脈沖磁場熱處理和普通熱處理的對比實驗。將同一批次冷軋硅鋼分為兩組，分別進行脈沖磁場下初次退火和普通電阻爐初次退火。普通電阻爐熱處理，退火溫度為740V，保溫120分鐘。脈沖磁場熱處理，脈沖頻率5Hz.，磁場強度為 2T，脈寬100ms，處理時間120分鐘，處理溫度為740°C。將樣品11固定在送料桿9前端， 將動密封法蘭盤10與第二法蘭組6用螺釘連接緊固，關(guān)閉出氣口閥門18，關(guān)閉進氣口閥門 13，打開抽氣口閥門12，并連接機械泵對所述石英爐管4抽真空，抽氣5分鐘后，關(guān)閉抽氣口閥門12，關(guān)閉機械泵，打開進氣口閥門13，向石英爐管4內(nèi)充入氬氣。重復(fù)以上操作4飛次，可保證石英爐管4內(nèi)殘留較少空氣。待石英爐管4達到預(yù)定溫度(本例740°C)后，將螺母15略微擰松，使送料桿9可以往復(fù)運動，又不影響石英爐管4內(nèi)的真空；推動送料桿9將樣品送入爐膛及磁場中心。擰緊螺母15，開啟高壓脈沖電源，給磁場線圈1供電，使樣品11 在脈沖磁場下熱處理并計時。普通電阻爐熱處理過程與脈沖磁場熱處理類似，但最后不加磁場。熱處理結(jié)束后，擰松螺母15，將送料桿9抽出，待樣品冷卻，將動密封法蘭盤10與法蘭組6的緊固螺釘去除，取下樣品11。樣品經(jīng)過電解拋光后進行EBSD (背散射電子衍射) 檢測。圖4 (a)、(b)分別為普通電阻爐退火樣品和脈沖磁場退火樣品的歐拉圖，其中RD表示樣品軋向，TD表示樣品橫向?？梢园l(fā)現(xiàn)，磁場退火后的晶粒尺寸明顯大于普通電阻爐退火，普通退火樣品晶粒平均尺寸為12. 6mm，磁場退火樣品晶粒平均尺寸為17.3mm。說明磁場提供了額外的驅(qū)動力促進了晶粒的長大過程。圖5 (a)、(b)分別為普通電阻爐退火樣品和脈沖磁場退火樣品的ODF ( Φ2=45° )圖，由圖可知脈沖磁場退火樣品的織構(gòu)也與普通退火織構(gòu)不同。普通退火樣品中主要為(111)<110>取向晶粒，而磁場退火增加了(111)〈112〉 取向晶粒。此結(jié)果說明應(yīng)用本發(fā)明所示設(shè)備可以實現(xiàn)通過脈沖磁場控制改變材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的目的。
權(quán)利要求
1.一種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置，由磁場線圈、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、送料裝置組成，其特征在于所述磁場線圈(1)與高壓脈沖電流源相連，在其腔體內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場； 所述加熱系統(tǒng)包括保溫材料(2)、石英爐殼(3)、石英爐管(4)、鎧裝熱電偶(8)和支架(7)， 所述石英爐管(4)外側(cè)以雙螺旋的方式纏繞電阻絲，所述石英爐殼(3)與所述石英爐管(4) 之間填充所述保溫材料(2)，所述鎧裝熱電偶(8)置于所述石英爐管(4)內(nèi)，控制所述石英爐管(4)的溫度，所述石英爐殼(3)左右兩端分別有一個所述支架(7)支撐，將所述加熱系統(tǒng)置于所述磁場線圈(1)的中部；所述密封系統(tǒng)包括第一法蘭組(5)、第二法蘭組(6)、動密封法蘭盤(10)和橡膠圈(20)，所述第一法蘭組(5)與所述第二法蘭組(6)通過若干螺釘 (19)夾緊各法蘭盤之間的所述橡膠圈(20)，將所述石英爐管(4)密封，所述鎧裝熱電偶(8) 穿過所述第一法蘭組(5 )并焊接在所述第一法蘭組(5 )上，所述動密封法蘭盤(10 )與所述第二法蘭組(6)之間安裝所述橡膠圈(20)，并用螺釘(19)緊固密封，所述第一法蘭組(5) 上有出氣口閥門(18)，所述第二法蘭組(6)上有抽氣口閥門(12)和進氣口閥門(13)；所述送料裝置包括送料桿(9)、銅塊(14)、螺母(15)、墊片(16)、動密封橡膠圈(17)，所述送料桿(9)依次穿過所述螺母(15)，所述墊片(16)，所述動密封橡膠圈(17)和所述銅塊(14)，插入所述石英爐管(4 )內(nèi)，所述送料桿(9 )可往復(fù)運動，所述銅塊(14 )鑲嵌于所述動密封法蘭盤(10)中，所述螺母(15)安裝在所述動密封法蘭盤(10)上，壓緊所述墊片(16)，使所述動密封橡膠圈(17 )變形，密封所述送料桿(9 )。
2.一種脈沖磁場下快速加熱熱處理方法，應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置，其特征在于，具體實施步驟如下1)將樣品(11)固定在所述送料桿(9)前端，將所述動密封法蘭盤(10)與所述第二法蘭組(6)用所述螺釘(19)連接緊固；2)關(guān)閉所述出氣口閥門(18)，關(guān)閉所述進氣口閥門(13)，打開所述抽氣口閥門(12)， 并連接機械泵對所述石英爐管(4)抽真空，抽氣5分鐘后，關(guān)閉所述抽氣口閥門(12)，打開所述進氣口閥門(13)，向所述石英爐管(4)內(nèi)充入特定熱處理氣氛，重復(fù)以上操作4飛次， 保證所述石英爐管(4)內(nèi)殘留較少空氣；3)待所述石英爐管(4)達到預(yù)定溫度后，將所述螺母(15)略微擰松，使所述送料桿(9) 可以往復(fù)運動，又不影響所述石英爐管(4)內(nèi)的真空，推動所述送料桿(9)將樣品(11)送入所述石英爐管(4)及磁場中心，擰緊所述螺母(15)，在所述磁場線圈(1)中通入高壓脈沖電流，在其腔體內(nèi)產(chǎn)生脈沖磁場，使樣品(11)在脈沖磁場下熱處理并計時；本方法實現(xiàn)真空或特定氣氛下的脈沖磁場熱處理，脈沖磁場強度(Γ5Τ，脈沖寬度 (T300ms，脈沖頻率(TlOOHz，熱處理溫度50°C ^lOOO0C，均溫區(qū)長度200mm，實現(xiàn)樣品(11)快速到達設(shè)定溫度，并保溫若干小時。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種脈沖磁場下快速加熱熱處理裝置及其熱處理方法，該裝置由磁場線圈、加熱系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、送料裝置組成，該方法可實現(xiàn)真空或特定氣氛下的脈沖磁場熱處理，其原理是，在熱處理的過程中施加脈沖磁場，利用材料與磁場的交互作用及磁場的各向異性特點改變材料的組織結(jié)構(gòu)以獲得所需要的性能。利用送料桿將樣品送至石英爐管中心鎧裝熱電偶附近，金屬送料桿熱容小吸熱少，可快速達到預(yù)定溫度并保溫若干小時。本發(fā)明改變了磁場熱處理中樣品只能緩慢加熱的現(xiàn)狀，提高了磁場熱處理的效率。
文檔編號C21D1/00GK102560014SQ20121004316
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者劉立華, 夏強強, 李仁興, 李莉娟, 翟啟杰, 龔永勇 申請人:上海大學(xué)