高真空水淬固溶炉系统的制作方法

本发明涉及高真空水淬固溶炉系统，尤其与能够提高处理过程中真空度的高真空水淬固溶炉系统的结构有关。

背景技术：

钛合金以比重小、强度高的特点，在航空工业及部分民用领域内得到广泛应用。在钛合金零件的加工成型后，要达到高强度，必须进行固溶处理。另外一些特殊合金材料，为获得所需的金相组织，或达到合金成分均匀的效果，以保证零件的设计性能，也需要进行固溶处理。固溶处理是将合金加热到固态相变点以上的温度，然后进行急速冷却的热处理工艺。合金材料的固溶处理有3个要点：1、需要在高真空状态下进行加热，因为出现氧化或微量的氧含量将导致合金性能的明显下降；2、要有极快的冷却速度，常规处理中最快的冷却方式是水冷；3、零件从热区转移到水槽里时间要快，过长的时间会导致零件温度下降，局部低于固溶所需温度，则达不到预期处理效果。

采用全金属隔热屏的真空热处理炉，配置带扩散泵的高真空机组，可以满足钛合金高真空下加热的要求。然而，真空热处理常采用的气冷、油冷的方式，难以满足合金材料固溶处理对冷却速度的需要，水冷是合金材料固溶处理最理想的冷却方式。但是，水的饱和蒸汽压较高，极容易汽化，有水的环境下无法获得高真空，这是真空水淬固溶炉最根本的难点所在。

图1示出了目前该领域采用的真空水淬固溶炉1，其基本采用真空双室油淬炉改装而成，将油槽中的淬火油换成水。如图1所示，真空水淬固溶炉1的一侧是加热室11，另一侧是冷却室12，中间通过可密封和隔热的闸板阀13隔开，冷却室12底部是冷却水槽121。工件14在加热室11内的高真空环境下进行加热后，打开中间闸板阀13，利用转运机构15将工件14从加热室11转运至冷却室12冷却水槽121的上方，关闭中间闸板阀13后，将工件14 沉入冷却水槽121进行冷却。这种设备由于没有解决有水环境下的抽空问题，无法在工件14转运过程中，使冷却室12达到高的真空状态，所以存在很多无法克服的问题。

1、冷却室12内因为有水存在，只能获得8000Pa(绝对压强)左右的真空度。这个真空度对热态的大多数合金材料来说，是会造成严重氧化的。因为大部分工件在加热过程中所需的真空度是10-2～10-3Pa级的，相比kPa级的真空度，存在5～6个数量级的差别，所以冷却室8000Pa左右的真空度对工件处理而言，是严重不足的。

2、从加热室11将工件转运至冷却室12时，需要先将中间的闸板阀13打开。闸板阀13打开时，冷却室12内残余的大量氧化性气体(空气和水汽)将进入高温(1000℃左右)的加热室11，加热室11内的加热元件和隔热材料将被严重氧化。这会引起加热室11内元器件的过渡损耗，极大影响了加热元件和隔热元件的寿命，导致加热室11更换周期极短，设备的运行成本非常高。

3、加热室11内被反复氧化的金属隔热屏和加热元件光亮度丧失，表面吸附的气体较多，会影响后期处理时的抽空性能，设备的真空指标将快速退化。在实际工作中，就需要更长的抽真空时间来保证工件14处理所需的真空指标，或者降低指标使用，这将导致设备生产效率严重下降或处理工件14品质下降。

4、负责冷却室12抽空的真空机组，由于抽出大量的水汽，这些水汽进入泵腔后，会重新变成液态，在与真空泵油混合后，使真空泵油失效。真空泵油失效造成的结果是真空泵的抽空性能急剧下降，以及真空泵的转子磨损，甚至很快就损坏。

目前的设备有的采用在打开中间闸板阀13时，向加热室11充入高纯氮气的办法，来缓解这些问题，但效果并不明显。因为冷却室12残余的氧化性气体太多，工件14又必须要进入到冷却室12内，因此对于工件14氧化的帮助不大。另外，中间闸板阀13开口较大，冷却室12和加热室11之间的气体相互扩散避免不了，加热室11内高温元器件的氧化虽然会有所缓解，但也仅仅是略有改善而已。通常这类设备加热室11整体更换的周期会缩短到正常寿命的1/10。

为了克服上述问题，还有的合金零件生产采取另一个办法，在零件加工之前，直接在常规设备里面对原材料进行固溶处理，然后加工成零件。采用这种方式加工零件，对原材料的浪费较大，处理后的合金材料机加工也比较困难，零件的总制造成本非常高。

此外，常规的真空水淬固溶炉1在工件14从加热室11转移至冷却水槽121时，需经过开闸板阀13——转运机构15进入加热室11——转运机构15托起工件14——转运机构15退出加热室11——关闭闸板阀13——转运机构15下沉入水几个动作。从“转运机构15退出”动作开始，直到工件14入水，这几个动作需要在短时间内完成，且越快越好。因为工件14进入冷却室12后，温度会急剧下降，当工件14的温度下降至相变点以下，固溶处理的效果就受到很大影响，特别是小型零件。目前的设备能做到8～10s完成动作，这个速度对小型零件来说是不够的。

由于真空水淬固溶炉没有解决以上问题，目前市场上并不存在真正意义上的真空水淬固溶炉。广大用户所使用的设备都是简单的利用真空双室油淬炉，将油槽内的油换成水来使用的。这种设备处理效果不好，故障率高，加热室寿命短，因此，研发真正意义上的高真空水淬固溶炉对航空、军工、特种材料等行业有着十分重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种能够提高处理过程中真空度，从而提高产品质量、延长设备寿命的高真空水淬固溶炉系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高真空水淬固溶炉系统，包括相互之间能够通断的加热室和冷却室，所述冷却室内设置有冷却水槽和储水箱，所述储水箱位于所述冷却水槽上方，并在冷却工件时向所述冷却水槽方向快速注水，所述冷却水槽在非冷却工件时，排空冷却水并干燥处理。

在一可选的实施例中，所述储水箱朝向所述冷却水槽的方向上设置有控制注水的挡板阀组。

在一可选的实施例中，所述冷却水槽设置有排水装置和水槽加热装置，所述排水装置用于排出所述冷却水槽中的冷却水，所述水槽加热装置用于对 所述冷却水槽进行烘干。

在一可选的实施例中，所述冷却室还包括有水循环系统，所述水循环系统一端连通所述排水装置，另一端连通所述储水箱。

在一可选的实施例中，所述系统还包括有转运机构，所述转运机构将位于所述加热室中的工件转运至所述冷却室中，并放入所述冷却水槽中。

在一可选的实施例中，所述转运机构上设置有料筐，所述工件放置于所述料筐中。

在一可选的实施例中，所述转运机构承载所述工件至所述冷却室后，所述加热室与所述冷却室之间断开连通，然后所述储水箱向所述工件注水。

在一可选的实施例中，所述加热室与所述冷却室之间设置有闸板阀，所述闸板阀通过开启和关闭通断所述加热室与所述冷却室之间的连通。

在一可选的实施例中，所述加热室连通设置有加热室真空机组，所述冷却室连通设置有冷却室真空机组。

在一可选的实施例中，所述冷却室采用风冷式真空泵抽真空。

本发明的有益效果在于，本发明与现有技术相比，本发明中储水箱位于冷却水槽上方，并在冷却工件时向冷却水槽方向快速注水，冷却水槽在非冷却工件时，排空冷却水并干燥处理，使得冷却室在储水箱注水前保持干燥，冷却室真空度高，在加热室与冷却室连通后，不会影响加热室的真空度，从而可以保证工件的固溶质量，并提高加热室的部件寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1为现有的真空水淬固溶炉的结构示意图；

图2为本发明的高真空水淬固溶炉系统一具体实施例的结构示意图；

图3为本发明的高真空水淬固溶炉系统一具体实施例的工作原理示意图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的 范围，且其中的说明及附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明的高真空水淬固溶炉系统包括相互之间能够通断的加热室和冷却室，冷却室内设置有冷却水槽和储水箱，储水箱位于冷却水槽上方，并在冷却工件时向冷却水槽方向注水，冷却水槽在非冷却工件时，排空冷却水并干燥处理。通过该结构，可以实现在冷却室与加热室连通时，冷却室内无水汽产生，从而保证冷却室与加热室同处高真空度环境，提高工件固溶质量，还能够保证加热室中部件不受氧化作用影响。本发明中，加热室和冷却室的具体结构并不作限制，只要能够满足上述功能即可。下面结合一个具体的实施例，对本发明做展开说明，但本发明并不限于下述实施例的具体结构：

本实施例的高真空水淬固溶炉系统2结构如图2所示，工作原理如图3所示。

本实施例的高真空水淬固溶炉系统2采用双室结构，即包括加热室21和冷却室22，加热室21与冷却室22之间通过闸板阀23隔开。实际上，本发明的高真空水淬固溶炉系统可以有立式和卧式两种结构，立式结构时顶部是加热室，底部是冷却室，同时兼做冷却水槽；卧式结构时后端是加热室，前端是冷却室，冷却室底部为冷却水槽。本实施例的结构如图2所示为卧式结构。

本实施例中，加热室21的部分为双层夹套结构，内部通水冷却，用于保证炉体外壁的温度。加热室21采用全金属反射屏的保温隔热结构211以及合金加热元件212，加热,21采用全金属反射屏隔热，由3层钼反射屏和3层不锈钢反射屏组成。该结构放气量少，具有良好的真空性能。采用钼加热器，最高工作温度可达1300℃，对材料的适用范围较广，可用于各种牌号的钛合金、不锈钢、以及其他合金材料。通过配置带扩散泵的高真空机组216，保证工件24加热过程中达到10^-3Pa级的真空度。

本实施例中，闸板阀23具有密封和隔热性能，可将加热室21和冷却室22有效隔离，采用气动驱动，同时具有较快的启闭速度，可缩短关闭闸板阀23所需的时间。闸板阀23采用气缸驱动，上开下闭的工作方式。在气压和重力的双重作用下关闭，可保证最大的关闭速度，节省动作时间。

本实施例中，冷却室22内的冷却水槽内在加热和工件24转运过程中先不加水，待工件24转运过来后再向冷却水槽221内加水。这样可以保证冷却 室22在工件24加热和转运过程中，可以抽到高等级的真空度。

本实施例中，冷却室22的顶部设有一个大储水箱222，用于储存冷却所需的水。并设有多个大口径的气动挡板阀223，保证能够将储水箱222中的水以极快的速度注入冷却水槽221中。

本实施例中，采用特殊结构的料筐26用以盛装工件24，料筐26内部衬一层不锈钢孔板。当顶部储水箱222里的水快速注入料筐26时，可保持料筐26内处于满水的状态。转运机构25将装有工件24的料筐26转入冷却室22，大口径气动挡板阀223就位于料筐26上方。从顶部储水箱222流下的水直接落入料筐26中，料筐26可临时充当水槽的作用。工件24在沉入冷却水槽221前就已经开始快速冷却，这样可缩短工件24入水的时间。

本实施例中，冷却水槽221底部设有循环水泵225将水槽中的水抽出，并输送回顶部的储水箱222中，从而起到循环搅拌的效果。工件24冷却结束后，可将冷却水槽221中的水抽回顶部储水箱222中，冷却水槽221内又处于无水状态。

本实施例中，冷却水槽221外壁贴上电加热板224，可将冷却水槽221的槽壁加热至70～80℃。待冷却水槽221中的水抽干后，对冷却水槽221进行加热烘烤，将冷却水槽221壁上附着的残余水分彻底烘干，从而保证下一处理时冷却室22能达到高真空。

本实施例中，冷却室22为单层结构，整体需按照设备的工作压强条件进行强度设计。全不锈钢制作，可防止与水接触后发生锈蚀，并可减少气体吸附，提高真空性能。

本实施例中，加热室21配置带扩散泵的高真空机组，可获得10^-4Pa级的高真空，确保加热过程中，工件得到很好的保护。冷却室22配置一套双级真空机组，可获得10^-1Pa级的真空度。在工件24加热完成后，进行转运前，可将冷却室22抽至10^-1Pa级的真空度。在闸板阀23打开后，利用加热室21的扩散泵机组，可将加热室21和冷却室22同时抽至10^-3Pa的真空，对工件24和加热室21内元器件进行很好的保护。

本实施例中，冷却室22内的转运机构25采用全不锈钢制作，可保证与水接触后不发生锈蚀。顶部设置的储水箱222也采用不锈钢材质，通过多个大口径气动挡板阀223与冷却室隔离。其中一个阀正对盛装工件24的料筐 26的位置，放水时可直接落入料筐26内。大口径的挡板阀223开启时，加上1个大气压的压力差，可迅速将储水箱222中的水注入底部的冷却水槽221中。

本实施例中，冷却室22的双级真空机组226，前级采用风冷旋片泵，由于这类泵泵温较高，具备较强的水汽排除能力。在冷却水槽221烘烤时，通过机组抽真空排除残余水汽，可获得深度干燥效果，保证冷却室22可达到高真空。因为残余的水分较少，抽出的水汽可通过旋片泵自身的排水汽能力直接排出，而不会影响泵的性能。

本发明中，冷却水槽采用后注水方式工作，使得冷却室22可以实现高真空。这对于钛合金类零件的固溶处理非常有益，也从根本上解决了真空水淬固溶炉真空方面的难题。相比常规的真空水淬炉，具有以下优点：

1、通过冷却水槽221后注水，加上外部加热烘烤，可将冷却室22内的水分彻底排除。冷却室22能达到深度干燥，可以实现冷却室22和加热室21达到同等级的高真空。相比传统真空水淬炉，带水状态抽空，可将真空度提高5～6个数量级。

2、冷却室22达到10^-2～10^-3Pa级的高真空后，工件24在高温下转移至冷却室22就能得到很好的保护，不会被氧化，从而能保证工件24处理的效果。这是常规真空水淬炉不可能达到的。

3、冷却室22达到10^-2～10^-3Pa级的高真空后，在转移工件24，打开闸板阀23时，就不存在冷却室22有氧化性气体进入加热室21内的问题。这保证了加热室21内高温元器件处于正常的工作条件，从而能够延长其使用寿命。

4、工件24装运至冷却室22，关闭闸板阀23后，可立即打开挡板阀223向盛放工件24的料筐26中注水进行冷却，在工件24下降至冷却水槽221前就开始冷却，而不必下降至冷却水槽221才开始冷却。相比传统真空水淬炉，可减少一个动作的时间，从而缩短工件24的转运时间，获得更好的处理效果。

5、冷却水采用泵进行循环，冷却水槽221中的水是循环流动的，相比常规设备采用搅拌器搅拌，具有更好的冷却均匀度。本发明没有常规设备上的搅拌器，因此也就没有相应的传动机构、密封装置，免去了相关部件的维修、 保养工作。

6、冷却室22平时处于无水状态，内部的转运机构25进行维修、保养时比较方便，不必向常规设备那样先要放水，才能进行维修。

7、全部构件均采用不锈钢制作，可避免与水接触后发生锈蚀的问题，基本可做到免维护。

本发明的技术方案已由可选实施例揭示如上。本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。