CN114150240B - 一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法 - Google Patents

一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法，装置包括微波输出单元；至少一个微波发射单元；旋转载物平台；旋转电机；热电偶；保护气体输入管；真空管；屏蔽罩。热处理过程中，试样置于旋转载物平台上，在微波场中进行固溶处理或时效处理。本发明装置及方法针对镁合金比热容低，传热慢等问题，突破以传统热能辐射对镁合金进行热处理时样品受热不均匀、传热慢及易氧化等缺点，根据微波穿透能力强、选择性加热和高效节能等特点，既能在固溶处理时加速中间相的溶解，抑制晶粒的长大，也能细化时效过程中非连续以及连续析出相，提升时效热处理对材料的强化效果，工艺简单，操作方便，生产效率高，适合工业化应用。

Description

一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法
技术领域
本发明属于镁合金热处理技术领域，尤其涉及一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法。
背景技术
一般而言，镁合金铸态晶粒组织比较粗大且合金成分不均匀，对其进行适当的合金化或微合金化能够起到细化晶粒以及改善合金性能的作用，但其改善效果仍不能达到应用所需的要求，因此，需要通过固溶、时效等热处理手段对合金进一步地加工，使镁合金的强化效果最大化。热处理的主要目的是改善合金的工艺性能和使用性能，充分发挥合金材料的潜力。目前，镁合金常用的热处理方法包括固溶处理和时效处理。
固溶处理是将溶质溶入溶剂的晶胞中，由于两者之间的原子尺寸差别，引起晶胞中的点阵畸变，又由于位错存在，两者发生交互作用而使合金强度提高。传统的固溶方法是通过对流、传导或辐射的方式将热能传递至材料表面再由表面传导至材料内部。但此法具有明显的缺点，由于热能传递呈递进式，在固溶过程中会导致材料受热不均，局部区域晶粒异常长大，性能差异性较大。
在时效处理过程中存在被公认为顽疾的长大为粗大层片状，对力学性能产生恶化后果。与之相应的是，连续析出相在晶内析出，尺寸细小，对力学性能有利。因此，合理调控或消除非连续相、并且协同细化连续析出相，是提高镁合金强度的关键。
经文献检索表明，中国专利“一种镁合金铸件固溶冷却装置”(申请号CN2015183752U)，该专利的特点是通过铸件旋转，保证了铸件各区域固溶冷却效果一致，保证了铸件性能的均匀性，但是该方法解决不了镁合金固溶过程升降温速率慢的问题，会导致镁合金在固溶过程中晶粒异常长大，从而影响材料的力学性能；此外，中国专利“一种镁合金淬火-时效一体装置”(申请号CN105755230A)，该专利的特点是实现淬火及时效同时进行，可以缩短工时，减少工序，降低镁合金材料的淬火开裂概率，但是该方法中铸件受热不均的问题得不到解决，且无法调控界面的扩散特性，从而影响材料的力学性能。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法，针对镁合金比热容低，传热慢等问题，突破以传统热能辐射的方式对镁合金进行热处理所存在的瓶颈，工艺简单，受热均匀；借助微波穿透力强、选择性加热和高效节能等特点，微波场的加入既能在固溶处理时加速中间相的溶解，抑制晶粒的长大，也能细化时效过程中非连续以及连续析出相，提升时效热处理对材料的强化效果，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种微波辅助镁合金热处理装置，包括微波输出单元、微波发射单元、旋转载物平台、旋转电机、热电偶和屏蔽罩；
所述微波输出单元包括依次电连接的变压器、磁控管、微波混频器和微波激励腔，所述变压器用于调整试验所需的电压，所述磁控管用于将恒定电场的电能转变成微波能，在微波混频器调整微波频率后，通过微波激励腔将微波能直接导入炉腔内；
所述屏蔽罩为壳体结构，内部形成镁合金热处理所在的炉腔，所述微波发射单元安置于屏蔽罩的内壁上，与微波输出单元的微波激励腔之间采用扼流连接的方式进行连接，用于向炉腔内定向发射微波场；
所述旋转载物平台安装在屏蔽罩腔体底部中央，与微波发射单元之间保持距离以保证样品处于微波场的中央；
所述旋转电机置于屏蔽罩外部，用于带动旋转载物平台转动；
所述热电偶位于炉腔内部，布置于样品上方、底部及远离样品的空间处，用于测试样品表面、底部以及炉腔体内部的温度。
第二方面，一种微波辅助镁合金热处理装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一、固溶处理：根据镁合金固溶工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行固溶处理，同时通过微波发射单元施加微波场，固溶处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温；
步骤二、时效处理：根据镁合金时效工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行时效处理，通过微波发射单元施加微波场，时效处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温，关闭热处理炉电源。
根据本发明提供的一种微波辅助镁合金热处理装置及其使用方法，具有以下有益效果：
本发明方法首先根据镁合金固溶工艺参数设定热处理炉参数，将镁合金置于热处理炉内进行固溶处理，通过微波发射单元施加微波场，固溶处理结束后关闭热处理炉电源，取出快速淬火；根据镁合金时效工艺参数设定热处理炉参数，将镁合金置于热处理炉内进行时效处理，通过微波发射单元施加微波场，时效处理结束后关闭热处理炉电源，取出快速淬火。热处理过程中，镁合金置于旋转载物平台上，并且转动。本装置及方法突破以传统热能辐射的方式对镁合金进行热处理所存在的瓶颈，微波场的介入既能在固溶处理时加速中间相的溶解，抑制晶粒的长大，也能细化时效过程中非连续以及连续析出相，提升时效热处理对材料的强化效果，工艺简单，操作方便。
附图说明
图1为本发明提供的一种微波辅助镁合金热处理装置的结构示意图；
图2是微波输出单元的内部结构示意图；
图3是旋转载物平台的结构示意图；
图4是屏蔽罩的结构示意图。
附图标号说明：
1-微波输出单元；2-微波发射单元；3-旋转载物平台；4-旋转电机；5-热电偶；6-保护气体输入管；7-真空管；8-屏蔽罩；9-变压器；10-磁控管；11-微波混频器；12-微波激励腔；13-辅助加热层；14-金属层；15-陶瓷纤维板；16-吸波发热层。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种微波辅助镁合金热处理装置，包括微波输出单元1、微波发射单元2、旋转载物平台3、旋转电机4、热电偶5和屏蔽罩8；
所述微波输出单元1包括依次电连接的变压器9、磁控管10、微波混频器11和微波激励腔12，所述变压器9用于调整试验所需的电压，所述磁控管10用于将恒定电场的电能转变成微波能，在微波混频器11调整微波频率后，通过微波激励腔12将微波能直接导入炉腔内；
所述屏蔽罩8为壳体结构，内部形成镁合金热处理所在的炉腔，所述微波发射单元2安置于屏蔽罩8的内壁上，与微波输出单元1的微波激励腔12之间采用扼流连接的方式进行连接，用于向炉腔内定向发射微波场；所述微波发射单元2可选用但不限于单频道微波发射单元、宽频道微波发射单元；
所述旋转载物平台3安装在屏蔽罩腔体底部中央，与微波发射单元2之间保持距离以保证样品处于微波场的中央；
所述旋转电机4置于屏蔽罩外部，用于带动旋转载物平台3转动；
所述热电偶5为K型热电偶，位于屏蔽罩内部，布置于样品上方、底部及远离样品的空间处，用于测试样品表面、底部以及炉腔体内部的温度。
在一种优选的实施方式中，所述变压器9的电压转化率为连续可调，试验的过程中可通过调节电压值，来调整试验所需功率，从而控制炉腔内部的升降温；所述微波混频器11为平衡型微波混频器或非平衡型微波混频器，通过该装置可根据实际需求改变微波的波长，调整微波的加热功率和穿透能力。
在一种优选的实施方式中，所述旋转载物平台3表面铺有一层粉末状辅助加热层13，加热层厚度为2～10mm，粉末粒径为50～200μm，所用材料为碳纤维、碳基复合材料、碳化硅、石墨材料或由上述材料的任意组合。
在一种优选的实施方式中，所述屏蔽罩8内壁布置有多个安装微波发射单元2的卡槽，供多个微波发射单元2变换位置或同时工作。
在一种优选的实施方式中，所述屏蔽罩8从外至内包括屏蔽微波的金属层14、陶瓷纤维板15、吸波发热层16；所述金属层14所用材料为铜、铁、铅等微波屏蔽效果较好的材料，厚度为5～20mm；所述陶瓷纤维板15所用材料为硅酸铝或氧化铝，厚度为5～20mm；所述吸波发热层16所用材料为碳纤维、碳基复合材料、碳化硅或石墨材料，厚度为5～20mm。
在一种优选的实施方式中，所述屏蔽罩8上安装有保护气体输入管6和真空管7；所述保护气体输入管6从屏蔽罩8上部通过小孔延伸至屏蔽罩8内部，并以带有小孔的环形管道的形式均匀分布于炉腔上方，材料在热处理前通过真空管7将屏蔽罩8内空气抽离，再通过保护气体输入管6向炉内充入保护气体。所述保护气体选自氩气、氦气、二氧化碳、氢气、六氟化硫、二氧化硫中的一种或任意体积比例的组合。
根据本发明的第二方面，提供了一种微波辅助镁合金热处理装置的使用方法，包括如下步骤：
步骤一、固溶处理：根据镁合金固溶工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行固溶处理，同时通过微波发射单元施加微波场，固溶处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温；
步骤二、时效处理：根据镁合金时效工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行时效处理，通过微波发射单元施加微波场，时效处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温，关闭热处理炉电源。
在一种优选的实施方式中，所述镁合金在固溶以及时效处理的过程中，合金置于旋转载物平台上，并使其转动，转速为10-1000r/min。
在一种优选的实施方式中，所述镁合金固溶工艺参数包括固溶温度和固溶时间，所述镁合金时效工艺参数包括时效温度和时效时间，所述热处理装置提供最高固溶温度和时效温度为600℃，最高固溶时间和时效时间为30天，升温速率10～100℃/min。
在一种优选的实施方式中，所述微波发射单元的微波输出功率为500～3000W，微波输出频率为1～3GHz。
实施例
实施例1与实施例2中采用的微波辅助镁合金热处理装置如图1所示，包括微波输出单元1、微波发射单元2、旋转载物平台3、旋转电机4、热电偶5、保护气体输入管6、真空管7和屏蔽罩8；微波输出单元1包括依次电连接的变压器9、磁控管10、微波混频器11和微波激励腔12，电压值可根据试验所需通过变压器进行调整，磁控管将恒定电场中获得的电能转变成微波能，再通过微波混频器11调整微波频率，最后通过微波激励腔12将微波能直接导入炉腔内，且变压器9的电压转化率为连续可调，试验的过程中可通过调节电压值，来调整试验所需功率，从而控制炉腔内部的升降温。微波发射单元2安置于屏蔽罩腔体内两侧，微波发射单元为市场现有产品，用于输出微波，与微波输出单元1之间采用扼流连接的方式进行连接，且微波输出功率为500～3000W，微波输出频率为1～3GHz；旋转载物平台3安装在炉腔底部中央，旋转载物平台3与微波发射单元2之间保持一定距离以保证样品处于微波场的中央，旋转载物平台3的转速为10-1000r/min，且旋转载物平台3表面铺置一层粉末状辅助加热层13，加热层厚度为6mm，粉末粒径为50～200μm，所用材料为石墨；旋转电机4置于屏蔽罩8外部，用于带动旋转载物平台3转动；热电偶5为K型热电偶，布置于样品上方、底部及远离样品的空间处，用于测试样品表面、底部以及炉腔体内部的温度；保护气体输入管6从屏蔽罩8上部通过小孔延伸至炉腔内部，并以带有小孔的环形管道的形式均匀分布于屏蔽罩腔体上方，材料在热处理前通过真空管7将屏蔽罩8内空气抽离，并通过保护气体输入管6向内充入保护气体，保护气体为氩气；屏蔽罩8从外至内为封闭微波的金属层14、陶瓷纤维板15和吸波发热层16，金属层14所用材料为铅材料，厚度为10mm，陶瓷纤维板15所用材料为硅酸铝，厚度为5mm，吸波发热层16所用材料为碳基复合材料，厚度为10mm。
实施例1
(1)先进行微波场辅助固溶处理：将铸态AZ91镁合金进行固溶处理，固溶工艺为415℃×20h；在整个固溶过程中，施加微波场，将样品固定在旋转载物平台上，开动旋转电机使其转动。开启微波发射单元，微波输出功率为1250kw，频率为2.42GHz；固溶效果以完全将第二相溶解为准；固溶处理结束后将镁合金样品转移至水冷箱进行水冷处理，然后取出空冷至室温。
(2)再进行微波场辅助时效处理：将已固溶的AZ91镁合金随之进行时效处理，时效工艺为200℃×60h；在整个时效处理过程中，施加微波场，将样品固定在旋转载物平台上，开动旋转电机使其转动。开启微波发射单元，微波输出功率为1210kw，频率为2.4GHz；时效处理结束后后将镁合金样品转移至水冷箱进行水冷处理，然后取出空冷至室温。
(3)观察对比未施加微波场与施加微波场的两种铸态AZ91镁合金样品，发现施加微波场的铸态AZ91镁合金晶粒尺寸下降了20％，非连续析出相的面积分数下降了15％，同时连续析出相面积分数增多，表明起到了较好的热处理改性效果。
实施例2
(1)先进行微波场辅助固溶处理：将铸态VW63Z镁合金进行固溶处理，固溶工艺为480℃×15h；在整个固溶过程中，施加微波场，将样品固定在旋转载物平台上，开动旋转电机使其转动。开启微波发射单元，微波输出功率为1280kw，频率为2.45GHz；固溶效果以完全将第二相溶解为准；固溶处理结束后将镁合金样品取出进行快速淬火。
(2)再进行微波场辅助时效处理：将已固溶的VW63Z镁合金随之进行时效处理，时效工艺为220℃×60h；在整个时效处理过程中，施加微波场，将样品固定在旋转载物平台上，开动旋转电机使其转动。开启微波发射单元，微波输出功率为1230kw，频率为2.42GHz；时效处理结束后关闭电源，将镁合金样品取出进行快速淬火。
(3)观察对比未施加微波场与施加微波场的两种铸态VW63Z镁合金样品，发现施加微波场的铸态VW63Z镁合金晶粒尺寸下降了25％，非连续析出相的面积分数下降了10％，同时连续析出相面积分数增多，表明起到了较好的热处理改性效果。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：包括微波输出单元(1)、微波发射单元(2)、旋转载物平台(3)、旋转电机(4)、热电偶(5)和屏蔽罩(8)；
所述微波输出单元(1)包括依次电连接的变压器(9)、磁控管(10)、微波混频器(11)和微波激励腔(12)，所述变压器(9)用于调整试验所需的电压，所述磁控管(10)用于将恒定电场的电能转变成微波能，在微波混频器(11)调整微波频率后，通过微波激励腔(12)将微波能直接导入炉腔内；
所述屏蔽罩(8)为壳体结构，内部形成镁合金热处理所在的炉腔，所述微波发射单元(2)安置于屏蔽罩(8)的内壁上，与微波输出单元(1)的微波激励腔(12)之间采用扼流连接的方式进行连接，用于向炉腔内定向发射微波场；
所述旋转载物平台(3)安装在屏蔽罩腔体底部中央，与微波发射单元(2)之间保持距离以保证样品处于微波场的中央；
所述旋转电机(4)置于屏蔽罩外部，用于带动旋转载物平台(3)转动；
所述热电偶(5)位于炉腔内部，布置于样品上方、底部及远离样品的空间处，用于测试样品表面、底部以及炉腔体内部的温度。
2.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述变压器(9)的电压转化率为连续可调，试验的过程中通过调节电压值，来调整试验所需功率，从而控制炉腔内部的升降温；和/或
所述微波混频器(11)为平衡型微波混频器或非平衡型微波混频器，通过该装置可根据实际需求改变微波的波长，调整微波的加热功率和穿透能力。
3.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述微波发射单元(2)的微波输出功率为500～3000W，微波输出频率为1～3GHz。
4.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述旋转载物平台(3)表面铺有一层粉末状辅助加热层(13)，加热层厚度为2～10mm，粉末粒径为50～200μm，所用材料为碳纤维、碳基复合材料、碳化硅、石墨材料或由上述材料的任意组合。
5.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述屏蔽罩(8)内壁布置有多个安装微波发射单元(2)的卡槽，供多个微波发射单元(2)变换位置或同时工作。
6.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述屏蔽罩(8)从外至内包括金属层(14)、陶瓷纤维板(15)、吸波发热层(16)；
所述金属层(14)所用材料为铜、铁、铅材料，厚度为5～20mm；
所述陶瓷纤维板(15)所用材料为硅酸铝或氧化铝，厚度为5～20mm；
所述吸波发热层(16)所用材料为碳纤维、碳基复合材料、碳化硅或石墨材料，厚度为5～20mm。
7.根据权利要求1所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述屏蔽罩(8)上安装有保护气体输入管(6)和真空管(7)；所述保护气体输入管(6)从屏蔽罩(8)上部通过小孔延伸至屏蔽罩(8)内部，并以带有小孔的环形管道的形式均匀分布于炉腔上方，材料在热处理前通过真空管(7)将屏蔽罩(8)内空气抽离，再通过保护气体输入管(6)向炉内充入保护气体。
8.根据权利要求7所述的一种微波辅助镁合金热处理装置，其特征在于：所述保护气体选自氩气、氦气、二氧化碳、氢气、六氟化硫、二氧化硫中的一种或任意体积比例的组合。
9.一种微波辅助镁合金热处理装置的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、固溶处理：根据镁合金固溶工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行固溶处理，同时通过微波发射单元(2)施加微波场，固溶处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温；
步骤二、时效处理：根据镁合金时效工艺参数设定热处理装置的工作参数，将镁合金置于热处理装置内进行时效处理，通过微波发射单元(2)施加微波场，时效处理结束后取出转移至冷却设备进行冷却，然后空冷至室温，关闭热处理炉电源。
10.根据权利要求9所述的一种微波辅助镁合金热处理装置的使用方法，其特征在于：所述镁合金在固溶以及时效处理的过程中，试样固定在旋转载物平台(3)上，并使其转动，转速为10-1000r/min；和/或
所述镁合金固溶工艺参数包括固溶温度和固溶时间，所述镁合金时效工艺参数包括时效温度和时效时间，所述热处理装置提供最高固溶温度和时效温度为600℃，最高固溶时间和时效时间为30天，升温速率10～100℃/min。
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