一种高温紧邻金属热处理装置及方法

本发明属于金属热处理相关技术领域，更具体地，涉及一种高温紧邻金属热处理装置及方法。

背景技术：

热处理是将金属材料以一定速率加热到目标温度，保温一定时间，在介质中以一定速率降温到常温或更低，从而达到调控材料微观组织结构及性能的过程，大多用于金属材料特别是钢材的处理，包含正火、退火、淬火、回火和表面硬化等，也包含有色金属(比如al合金、mg合金、ti合金)等材料的热处理及时效处理等。热处理是金属结构件开发应用过程中至关重要的一环，通过合理巧妙的设计热处理制度可以调节材料的微观组织结构，从而获得优异的性能，不仅能满足各种特殊应用，而且安全性和使用寿命得到很好的保证。

热处理的核心控制因素有：升温方式及速度，保温时间，降温方式及速度，以及热处理制度方式和次数等。比如，45号钢一般需要进行调质处理，即为淬火及回火的热处理过程，其中(1)淬火：将45号钢以约10℃/min升温到800℃保温1-2小时，然后在水中淬火以实现超快速降温淬火处理；(2)回火：淬火后，将45号钢以约10℃/min升温到500℃，保温20分钟至2小时，然后随炉冷却至室温，即完成回火过程。经过调质处理的45号钢，性能得到了极大的提升，拥有优良的力学强度及韧性。

传统的金属热处理一般是在电阻炉中进行，通过加热炉体实现对金属材料的热处理过程。电阻炉通常有较慢的升降温速率(一般5-10℃/min)、高温的限制(一般<1200℃)以及能耗大(>100kw)等缺点，使得金属热处理一般以较慢的方式进行，普遍花费几个小时甚至几天，不仅花费巨大的时间和能耗成本，而且热处理的可调控范围及方式也有限，从而阻碍了金属材料性能的进一步提升。高频感应加热、激光加热和电流加热是新兴的快速加热技术，它们都具有能量集中，加热速度快等优点。但是高频感应加热和电流加热对待处理材料本身性质及形状是有要求的，且都需要特殊的夹具，激光加热耗能大，不适合广泛应用。这几种技术对单工件可实现快速加热处理，但是都不具备批量处理能力。公开号为cn112094995a的发明专利通过直接对金属材料通电的方法对金属材料进行加热，但是金属材料优异的导电性通常导致加热效果非常不理想且耗电量巨大，需要高真空进行保护，设备安全性和易操作性是极大的挑战。其次，金属件必须制备成为专门的形状以确保与正负极接触并有好的加热效果，而接触处热处理效果欠佳。再次，因为高真空下直接通电加热，故一次只能对一个样品处理，无法实现批量化处理。因此，寻找一种能快速加热、适用性广、批量处理效果好的新型金属热处理技术成为亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高温紧邻金属热处理装置及方法，利用紧邻热辐射加热对金属材料进行高温快速热处理，提供一种速度快、能耗低且能精准控制得到所需金属材料性能的热处理方法，而且该方法适用性广、批量处理效果好。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种高温紧邻金属热处理装置，该装置包括相对设置的上下两块极板，其中，上下两块极板结构的材料均为焦耳热材料，待处理工件放置在上下两块极板之间，在上下两块极板中通入电流后，该上下极板快速升温，并将温度传递给所述热处理零件，断开电流后，该上下极板快速降温，使得待处理工件中温度下降，以此实现待处理工件的热处理。

进一步优选地，所述上下两块极板距离工件之间的距离小于等于10mm,并且可以根据待处理工件高度进行调节，如有必要可在工件四周设置更多极板进行均匀加热。

进一步优选地，所述待处理工件的材料为单种金属、合金或金属基复合材料。

进一步优选地，所采用的焦耳热材料的升温速率范围为10³～10⁵℃/s，降温速率范围为10℃/s～10⁴℃/s；其中，降温也可采用主动降温方式，如将工件置于流通空气、液氮、冷却液等媒介或者导热传热装置等以增加降温速率。

进一步优选地，所述焦耳热材料为碳及碳复合材料或导电陶瓷、导电金属。

进一步优选地，所述热处理装置中可以一次放置一个或者多个待处理工件，以此实现对一个或多个零件的热处理。

进一步优选地，所述上下极板快速升温的温度范围为300℃～3000℃之间。

一种利用上述所述的热处理装置进行热处理的方法，该方法包括下列步骤：

s1将待处理工件放置在所述热处理装置的上下两块极板之间；

s2在所述上下两块极板之间通入电流，以此使得所述上下两块极板快速升温，通过热传导将热量传递给待处理工件，实现待处理工件的快速升温；

s3断电，使得所述上下两块极板快速降温，同时待处理工件也快速降温，以此实现待处理工件的热处理过程。

进一步优选地，多次重复步骤s1-s3，以此实现热处理过程，提高热处理效果。

进一步优选地，所述通入的电流为直流电或交流电，所述热处理的氛围为惰性气氛或空气。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明通过实现秒级(10³～10⁵℃/s)快速升温，可升至3000℃的高温，从升降温过程和金属工件处理时间两方面缩短了处理时间；实现快速、精确、大范围可调的辐射热处理技术，同时最大温度大于等于3000℃，突破现在小范围热处理的局限性，实现材料性能更大范围调控和优化，在热处理过程中，原子扩散、相转变、晶粒长大等过程都符合热激活过程，故可以通过高温提供更快的反应动力学，实现热处理时间的指数级缩短；

2.本发明中通过采用焦耳材料的极板，对极板进行加热，通过将待处理工件设置在极板之间，实现紧邻焦耳材料的热传导过程，实现全部或局部热处理，避免直接加热金属材料对金属材料本身带来的损坏，通过精细化的可控热处理过程，实现工件不同区域不同位置的性能差异化处理，以适配不同使用环境；

3.本发明中通过高通量或连续在线热处理，因为加热时间短且工件不需固定，实现在工件制造的同时直接进行在线热处理，避免专门热处理设备及过程设计，从而进一步大幅削减时间成本和能耗，推动节能制造过程；另外，由于处理速度快，更有利于进行高通量的批量化数据获取及研究，实现快速参数探索及数据驱动的智能寻优，从而大大加速热处理工艺的优化及智能化删选过程，在快速节能热处理的同时得到性能优异的材料并精细调控所需性能；对待处理工件没有特殊要求，只要能放入传送带就能实现快速热处理，能实现工件的批量快速热处理。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的高温紧邻金属热处理装置热处理多个工件的示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的高温紧邻金属热处理装置的结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的快速升温热处理与传统热处理过程中能耗和时间对比示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的温度和反应速率的关系图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的高温紧邻金属热处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和2所示，本发明提供一种高温紧邻金属热处理装置，该装置包括相对设置的上下两块极板，其中，上下两块极板结构的材料均为焦耳热材料，待处理工件放置在上下两块极板之间，在上下两块极板中通入电流后，该上下极板快速升温，并将温度传递给所述热处理零件，断开电流后，该上下极板快速降温，使得待处理工件中温度下降，以此实现待处理工件的热处理。

如图5所示，本发明的热处理流程为：(1)将金属工件置于加热装置中；(2)对焦耳热材料通电进行快速升温；(3)在所需温度进行短时间保温；(4)利用改变通入电流大小及介质冷却的方式进行降温；(5)如有需要，重复进行升温、保温、降温等步骤；(6)最后降温到室温得到所需性能的金属工件。

优选地，用于通电加热的材料选取无特殊限制，包括但不限于碳及碳复合材料、导电陶瓷以及其他电阻合适的焦耳热材料。其中，碳材料尤为合适，不仅便宜易得，而且在惰性气氛下可以快速加热(10⁵℃/s)到3000℃以上，同时降温速率在10⁴℃/s量级，可提供极高的热处理温度和极大的升降温速率范围。

优选地，通电方式可以选择直流或者交流，也可以是二者的组合，仅需要提供一定电压以及一定大小的电流即可实现通电加热。

优选地，电流大小可以根据焦耳热材料的电阻进行调整以实现不同的温度和升降温速率控制。

优选地，热处理时间可以通过控制传送带的速率和极板的宽度来控制。

优选地，热处理环境可以为惰性气氛或者空气，根据焦耳热材料以及热处理工件的条件进行选择，若焦耳热材料和热处理工件高温下在空气中稳定，则可以在空气中进行处理；若所处理的工件在高温下容易氧化则可以在惰性氛围下进行。

优选地，热处理时间及工艺流程可以根据所需金属工件的性能进行调整和设计。

优选地，辐射加热区域可以根据需求进行设计，包括进行全部工件或者局部加热等方式。

优选地，工件可以一次一个处理或者一次多个处理，同时可以通过连续运输的方式，送样进入加热区域，进行高通量或连续在线热处理。

优选地，该装置可以扩展多段加热区、降温区实现对工件热处理制度中包含的热处理条件通过一道工序完成。

优选地，快速热处理获得的数据可以结合机器学习及人工智能技术，用于热处理及工件性能的智能化预测及寻优等。

如图3所示，本发明所述的高温紧邻金属热处理装置可实现快速升温及降温，如对工件在1700℃进行60s热处理，其整个过程可控制在120s以内；如采用传统电阻炉进行热处理，其整个流程需要5h以上，并且传统电阻炉很难达到1700℃。

如图4所示，在热处理过程中，原子扩散、相转变、晶粒长大等过程都符合热激活过程，其原理符合反映化学反应速率常数与温度关系的阿伦尼乌斯方程即在同样的反应能垒ea下，温度t越高，反应常数k则指数级升高，从而使得反应所需要的时间指数级降低。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例1：45号钢的回火处理，将45号钢的淬火原材料放置于图3所示的典型装置图的焦耳热极板之间，对极板进行通电加热至725℃，保温10s后取出工件，即完成45号钢的高温回火过程，得到的回火45号钢具有与传统电炉热处理相一致的性能。

实施例2：铝合金的时效处理，将7000系列铝合金的生胚放置于图3所示的典型装置图的焦耳热极板之间，对极板进行通电加热至425℃，保温10s后取出工件，即完成7000系铝合金的时效过程，得到的7000系铝合金具有与传统电炉热处理相一致的强度。

实施例3：钛合金的固溶强化，将钛合金的退火原材料tc4放置于图3所示的典型装置图的焦耳热极板之间，对极板进行通电加热至725℃，保温10s后取出工件，即完成钛合金tc4的固溶强化过程，得到的tc4钛合金具有与传统电炉热处理相一致的强度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。