专利名称：金属钛卷材真空热处理炉及其热处理方法
技术领域：
本发明涉及一种金属热处理领域的设备及其热处理方法，具体是一种金属钛 真空热处理炉及其处理方法。
背景技术：
钛及钛合金强度高，耐高温、耐腐蚀性好，具有良好的低温韧性，生物相容 性，因而被广泛应用于国防、化工、能源、航空航天和生物工程等领域。但钛在 加工过程中，经轧制、拉拔后会出现加工硬化的现象，易和许多材料发生粘着磨 损，从而限制了它更广泛的应用。
钛在加工时会产生加工硬化，塑性降低。通过退火可以消除加工硬化并可产 生再结晶，使材料软化，塑性提高。其中不产生再结晶，只是消除加工应变的称 为消除应力退火。为了提高耐蚀性和加工时的表面耐蚀性以及利用其干涉色的表 面着色处理，有时也将钛的表面进行氧化处理。
经对现有技术的文献检索发现，雷霆等在《稀有金属》，2007年第31期第 126-130页上发表的"精密异型钛材加工的热处理工艺研究"对精密异型钛材进 行热处理的工艺进行了研究。选择外热式真空退火炉，对精密异型钛材进行退火 处理。具体的工艺过程可分为两个阶段热处理前的预处理，包括清洗、碱洗、 酸洗。目的是清除材料表面的氧化皮、吸气层以及残留的润滑剂等污染物；热处 理过程真空退火，确定退火工艺，对钛材进行真空退火处理。其缺点是功率不
大，每次热处理的钛材质量较少，效率低，投资和单位成本都很大。其次，对真
空炉的真空度要求较高，热处理前的预处理较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种大型真空热处理设备及其热处理方法， 通过这种大型真空热处理设备，可以一次性处理大量的金属钛及其合金，处理后 的产品颜色保持光亮，对钛巻材进行热处理时，层与层之间不会粘结在一起，保 证巻材各部分硬度均匀。
金属钛巻材真空热处理炉，它包括抽真空系统、电加热系统、内循环冷却系 统、检测监控和操作系统，其特征是炉体包括上炉盖、炉身和能与炉身活动连接的下炉座；炉身中设多层隔热反射屏包围的炉膛，炉膛内壁上设电加热组件，电 加热组件之间设温度监测元件，炉身设在台架上，下炉座内设物料承重盘，下炉 座在炉底升降机上，设于台架下的炉底升降机的上升或下降，使下炉座与炉身密 封闭合或分离。
金属钛巻材真空热处理方法，其特征包括以下步骤
a、 对已装好物料的真空热处理炉抽真空，首先启动机械泵工作，至机械泵 抽真空阀门关闭时扩散泵打开，真空度到达6.67><10-3 6.67><104帕时停止；
b、 对上述已抽真空的料炉进行通电加热，加热到700~850°C、真空度为 6.67xl0'2 6.67x10—3帕时保温10 15小时，随炉自然冷却；
c、 当上述炉温降到400 35(TC时，由内循环冷却系统通入纯度为99.99%的 氩气进行快速冷却；
d、 当上述炉温降到8(TC以下时，把内循环冷却的氩气完全排空，物料出炉。 本发明针对目前的金属钛热处理炉效率低，每次只能处理少量金属钛，而且
单位产品的成本很高，以及真空度要求很高等方面的不足，提供了一种比较优异 的金属钛热处理方法。可以极大的提高热处理效率，降低产品的成本，可以一次 性处理大量的金属钛，而且处理后的产品颜色保持光亮。同时对钛巻材进行热处 理时，层与层之间不会粘结在一起，保证巻材各部分硬度均匀。该发明进行热处 理所需时间短，工作效率高。比目前绝大多数的金属钛热处理炉都具有更高的效 率和更低的单位成本。本发明可以对金属钛巻和冷轧钛材进行真空热处理。
图1为真空热处理炉系统结构图。
图2为炉体剖面图。
图3为下炉座和升降机示意图，其中a表示液压水平移动装置，b表示液压 升降。
图4为抽真空系统示意图。 图5为内循环冷却系统示意图。
具体实施例方式
图1所示的真空热处理炉系统结构，包括炉体l，支撑炉体的台架2，升降 机3，水平移动物料车4，内循环冷却系统5，抽真空系统6，炉体水冷循环系统 7,检测监控和操作系统在图中未描出。
炉体1包括上炉盖16、炉身17和下炉座18。
5上炉盖16壁采用双层夹壁结构，由双层标准封头及法兰盘组焊而成，夹层 内循环冷却水进行冷却，内封头和法兰盘采用优质不锈钢材料制造，内封头内壁 采用内抛光工艺，上炉盖16同炉身17连接采用多个螺栓紧固密封连接结构；
上炉盖的隔热反射屏101采用全金属隔热反射屏的形式，由四层耐高温不锈 钢板和一层耐热不锈钢板固定框架组成。
防爆装置9用来在冷却时当炉内充入氩气压力过高时，自动泄压自行启动并 保证工作安全；
一支测温热电偶13装在上炉盖16中间伸进炉膛内，以测量物料件心部的温度。
炉身17装有双层壳体、隔热反射屏102、电加热组件11和控温热电偶14等。
炉身壁采用双层夹壁结构，由双层内外炉筒及法兰盘组焊而成，夹层内循 环冷却水进行冷却，内炉筒和法兰盘采用优质不锈钢材料制造，内壁采用内抛光 工艺，上炉盖16同炉身17连接采用多个螺栓连接结构，下炉座18同炉身17连 接采用多个可拆卸密封扣紧连接；
隔热反射屏102采用全金属隔热反射屏的形式，由四层耐高温不锈钢板和 一层耐热不锈钢板固定框架组成。在隔热屏下部设有若干快冷喷气口，设备进行 快冷工艺时可使气流均匀喷向热处理物件，并在隔热屏上部设有若干快冷喷气回 流口 ，设备进行快冷工艺时可使气流均匀回流到内冷却循环风机进口处；
电加热组件11由电加热元件111和水冷电极112串连组成，电加热元件111 选用镍铬电阻(Cr20Ni80)合金扁带，串挂在隔热反射屏内壁上，通过设在炉膛 夹层壁的水冷电极112与外接电源相连接。炉膛内设六件以上电加热元件111， 每三件电热加热元件设一支控温的热电偶14，热电偶与外设的温度监控和操作 系统相连接，根据温度变化调控热处理炉的工作状态。
参看图3所示，下炉座18包括炉底座、隔热反射屏103及物料承重盘架15。 炉底座采用双层夹壁结构，由双层标准封头及法兰盘组焊而成，夹层内循环 冷却水进行冷却，内封头和法兰盘采用优质不锈钢材料制造，内封头内壁采用内抛光工艺，下炉座同加热炉体连接采用多个可拆卸式密闭扣紧连接结构；
下炉座18隔热反射屏103采和全金属隔热反射的形式，由四层耐高温不锈 钢板和一层耐热不锈钢板固定框架组成。固定框架上设承载物料12的物料承重 盘15。
物料承重盘15为陶瓷制品，用来放置热处理件，它对热处理件和炉膛无污染。 隔热反射屏IO包括上炉盖16内和下炉座18内的圆板形隔热反射屏101和
103及炉身17内的圆环壁隔热反射屏102，上、下圆板与圆环壁相盖合形成加热炉膛。
下炉座18由液压升降机支撑升降，下炉座18上升到炉身的下法兰盘底平 面为止，用扣紧装置敲紧固定，下降时到物料车4的搁架41上为止。
台架2采用型钢及钢板焊合而成，用于支撑包括上炉盖和炉身结构，在台 架一边装有操作工上下梯子，用来方便操作和维修。
炉底座升降机3采用液压升降机构，用油缸活塞31支撑下炉座18、物料承 重盘15及物料12，用来升降炉底座及被处理物料之用。升降机3左右有由导向 横杆23、导向轴承22和导向杆21组成的导向装置，使炉底座能沿着固定的导 轨杆21进行上下升降并能准确自动定位。液压油缸32设在台架2下的地坑24 里，以便油缸活塞下降至最低点时，下炉座正好搁放在水平移动物料车上。
物料车4由水平轨道42承载，采用液压水平推拉机构43移动炉底座装卸 物料，方便物料装卸。
参看图4所示，真空系统6由机械泵61、罗茨泵62、扩散泵63、真空管道 及阀门等组成。机械泵61与罗茨泵62串连，罗茨泵62与扩散泵63串连，扩散 泵63连接于炉身17进出气口。
抽真空系统的工作状态是首先开始用机械泵抽真空，由于机械泵自身的 特点，真空度达不到要求。此时机械泵的阀门关闭。扩散泵的阀门打开，开始继 续抽真空。它是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。这种泵 的极限真空为104 10—5帕，工作压力范围为1(^ 104帕，抽速范围为几十至十 几万升/秒。油扩散泵是获得高真空的主要设备，所用的真空炉中只要真空度达到6.67X 10'3帕就可以满足设备的需求；
参看图5所示，内循环冷却系统5包括氩气进气阀50、热交换器51、真空 气动阀52、真空压力表54、高压风机55和风管道53。氩气由高压风机55引入 炉体的炉膛内，经炉体1外的热交换器51交换热量后，经真空气动阀52，再进 入高压风机55循环使用。
热交换器51采用铜制翅片式结构，热交换效率比较高，能迅速降低流经氩 体的温度，保证被处理工件所需工艺气体的要求。
现以金属钛巻材的退火处理为例，简述退火工艺步骤的操作过程
1、 移动物料车把炉底座移动到装卸物料位，装好巻材后，采用液压行走机 构把移动物料车行走到加热炉体正下方，到位停止；
2、 然后由炉底座升降机构把炉底座自动上升到与炉身的下法兰盘底平面为 止相接，并用扣紧装置敲紧固定；
3、 抽真空，首先启动机械泵工作，至机械泵抽真空阀门关闭时扩散泵打开， 真空度到达6.67X 1(^ 6.67xlO^Pa后，结束抽真空；
4、 到真空度后进行电加热，加热到700 85(TC真空度为6.67Xl(T2Pa 6.67 X10—3pa时，保温10 15个小时，随炉自然冷却；
5、 当上述炉温降到400 350'C时，经由内循环冷却系统通入纯度为99.99%
的氩气进行快速冷却；
6、 当上述炉温降到80'C以下时，把内循环冷却系统氩气排空排完，物料出
炉；
7、 先打开扣紧装置，然后启动炉底座升降机构进行下降，自动下降到移动 物料车上，用液压水平推拉机构把移动物料小车移动到装卸工件位，再后把工件 用专用吊具吊出，重新装炉，这样反复使用。
实例一纯钛巻料O1530xl300mm约5吨重光亮退火。装炉后抽真空，真 空度抽到6.67xl0's 6.67xl(^Pa后结束抽真空，到真空度后进行加热，加热到 700 750。C进行保温此时热态真空度为6.67xl0^ 6.67xl0,a，保温时间为10 15个小时，到时随炉冷却。降温到400 35(TC时，经内循环冷却系统通入纯度
8为99.99%氩气进行快速冷却，冷却降温到80'C以下方可出炉。出炉时须把内循 环冷却系统氩气排空排完为止。
实例二钛合金巻料cD1450xl250mm约4.5吨重光亮退火。装炉后抽真空， 真空度抽到极限真空度6.67xl(^ 6.67xl(^Pa后结束抽真空，到真空度后进行 加热，加热到750 850。C进行保温此时热态真空度为6.67xl(T2 6.67xl(T3Pa， 保温时间为10 15个小时，到时随炉冷却。降温到400 350'C时，经内循环冷 却系统通入纯度为99.99%氩气进行快速冷却，冷却降温到80'C以下方可出炉。 出炉时须把内循环冷却系统氩气排空排完为止。
权利要求
1、金属钛卷材真空热处理炉，它包括抽真空系统、电加热系统、内循环冷却系统、检测监控和操作系统，其特征是炉体包括上炉盖、炉身和能与炉身活动连接的下炉座；炉身中设多层隔热反射屏包围的炉膛，炉膛内壁上设电加热组件，电加热组件之间设温度监测元件，炉身设在台架上，下炉座内设物料承重盘，下炉座在炉底升降机上，设于台架下的炉底升降机的上升或下降，使下炉座与炉身密封闭合或分离。
2、 根据权利要求l所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是炉体(1)内的隔热反射屏(10)采用四层耐高温不锈钢板和一层耐热不锈钢板固定框架组成。
3、 根据权利要求1或2所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是隔热反射屏(10)包括上炉盖(16)内和下炉座(18)内的圆板形隔热反射屏(101和103)及炉身(17)内的圆环壁隔热反射屏(102)。
4、 根据权利要求l所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是下炉座(18)由液压升降机(3)支撑升降，下炉座(18)上升到炉身(17)的下法兰盘底平面为止，下降时到物料车4的搁架41上为止。
5、 根据权利要求1所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是内循环冷却系统(5)包括氩气进气阀(50)、热交换器(51)、真空气动阀(52)、真空压力表(54)、高压风机(55)和风管道(53)，氩气由高压风机(55)引入炉体(1)的炉膛内，经炉体(1)外的热交换器交换热量后，经真空气动阀(52)，再进入高压风机(55)循环使用。
6、 根据权利要求1所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是真空系统(6)由机械泵(61)、罗茨泵(62)、扩散泵(63)、真空管道及阀门组成，机械泵(61)与罗茨泵(62)串连，罗茨泵(62)与扩散泵(63)串连，扩散泵(63)连接于炉身(17)进出气口。
7、 根据要利要求1所述的金属钛巻材真空热处理炉，其特征是电加热组件(11)由电加热元件(111)和水冷电极(112)相串连组成，所述电加热元件(lll)为镍铬合金扁带。
8、 金属钛巻材真空热处理炉的热处理方法，其特征包括以下步骤a、对已装好物料的真空热处理炉抽真空，首先启动机械泵工作，至机械泵抽真空阀门关闭时扩散泵打开，真空度到达6.67xl(^ 6.67xl(^帕时停止；b、 对上述己抽真空的料炉进行通电加热，加热到700 850'C、真空度为6.67xl(T2 6.67xl(T3帕时保温10 15小时，随炉自然冷却；c、 当上述炉温降到400 350'C时，由内循环冷却系统通入纯度为99.99%的氩气进行快速冷却；d、 当上述炉温降到8(TC以下时，把内循环冷却的氩气完全排空，物料出炉。
9、 根据权利要求8所述的金属钛巻材真空热处理炉的热处理方法，其特征是纯钛巻料经抽真空至6.67xl0J 6.67xl(^后，加热到700 75(TC进行保温。
10、 根据权利要求8所述的金属钛巻材真空热处理炉的热处理方法，其特征是纯钛巻料经抽真空至6.67xl0J 6.67xl(^后，加热到700 850。C进行保温。
全文摘要
一种金属钛卷材真空热处理炉，它包括抽真空系统、电加热系统、内循环冷却系统、检测监控和操作系统，炉体包括上炉盖、炉身和能与炉身活动连接的下炉座；炉身中设多层隔热反射屏包围的炉膛，炉膛内壁上设电加热组件，电加热组件之间设温度监测元件，炉身设在台架上，下炉座内设物料承重盘，下炉座在炉底升降机上，设于台架下的炉底升降机的上升或下降，使下炉座与炉身密封闭合或分离。本发明可以提高热处理效率，降低产品的成本，可以一次性处理大量的金属钛，而且处理后的产品颜色保持光亮。同时对钛卷材进行热处理，层与层之间不会粘结在一起，保证卷材各部分硬度均匀。进行热处理所需时间短，工作效率高。
文档编号C22F1/18GK101481786SQ20091009594
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月21日 优先权日2009年2月21日
发明者周国展, 张龙方 申请人:奉化市光亮热处理电炉有限公司