採用大功率微波對大金屬試樣的快速和均勻熱處理的製作方法
2023-12-02 15:52:36
專利名稱：採用大功率微波對大金屬試樣的快速和均勻熱處理的製作方法
採用大功率微波對大金屬試樣的快速和均勻熱處理技術領域法。
背景技術：
作為金屬熱處理的最關鍵階段之一，加熱必須被精確地控制，以 獲得所需的性能並避免會導致使用過程中失效的性能變化。微波加熱採用微波來加熱大塊金屬零件。與加熱金屬件的常規工 藝相比，微波加熱是一種非常快速和有效的工藝。微波加熱能被成功 地用於一系列材料，包括金屬，比如各種鋼以及銅、鋁的合金等。該工藝的優點包括明顯更快的加熱速率、均勻的機械性能、節能、對 溫度和過程的即時和良好的控制。但是，大部分試樣很難在微波中加 熱，這主要是由於金屬上的表面電荷積累造成的。商用的微波系統在 2450MHz工作，在空氣中的波長為4.8"。各種材料對微波場的反應是 不同的。各個材料中的極性分子通過以旋轉運動振蕩的方式響應微波 場。該運動所產生的能量使這些物質被加熱。介質損耗和損耗因數決 定了微波的有效吸收，並從而決定了微波的加熱特性。金屬粉末壓實 件取決於它們的介電常數(permissivity)。但是，大塊金屬反射微波， 並且表面加熱的機理主要由渦電流決定。在導電錶面中，這伴隨有電 荷積累和隨之而來的電壓積累，導致與腔壁之間起弧。微波能量在各種應用中已經使用超過50年了，例如通訊、食物處 理、橡膠疏化、紡織品和木製品、以及陶瓷粉末的乾燥。微波在陶瓷 燒結中的應用是相當新的。美國賓州大學的實驗室出版物首次報導了 金屬粉末壓實件可被燒結，並繼續演示了不同金屬系統的燒結，並且
還建造了惰性氣體燒結系統。基於該開發，Dennis工具已經適於碳化 鴒工具刀頭的商業化生產。用於燒結金屬粉末的一些惰性氣體燒結系 統已經被開發，以促進金屬粉末壓實件的燒結。但是，釆用微波來對 金屬熱處理在本領域中還是未知的。儘管早已認識到採用微波來處理 陶瓷的許多潛在優點，但該領域僅僅是現在才最終顯示出處於起飛階 段，尤其是對於一些特種陶瓷(包括複合材料)的商品化來說。但是， 在該領域中對金屬熱處理是未知的，並且沒有被真正認識到。因此， 需要提供一種系統來專門滿足通過提供圍繞物體的大功率微波吸收邊 界來加熱金屬零件的需要，以便內壁溫度與零件表面溫度匹配。此外， 該邊界不應允許零件與腔壁之間起弧。發明內容因此，本發明的一個目的是提出一種釆用微波來對大金屬試樣熱 處理的方法，以便能提供均勻和更快的熱處理。本發明的另 一 目的是提出 一種採用微波來對金屬試樣熱處理的方 法，其簡單、易於操作且成本有效。本發明的又一目的是提出一種採用微波來對金屬試樣熱處理的方 法，其能快速地建立平衡溫度並且使從表面損失的熱量最小。通過以下的描述，本發明的這些和其它目的將清楚。根據本發明，提供了一種用於對大金屬試樣熱處理的系統，其包 括微波加熱設備，該微波加熱設備具有波導管、用於監視和測量溫度 的裝置和用於保持金屬試樣的保持裝置，其中，所述保持裝置包括箱 構造，其由低密度氧化鋁纖維板製成並用低密度氧化鋁纖維材料包裹， 以限定出一個腔，且沿著該腔的內壁設有感受器。根據本發明，還提供了 一種採用特殊箱裝置來燒結陶瓷體的系統。根據本發明，用於燒結金屬體的系統包括由微波發生器構成的微 波加熱設備，其具有波導管、用於安置試樣的保溫裝置、用於監視和 測量溫度的裝置以及容納有特殊箱裝置的腔。材料的微波加熱依賴於實際上是加熱元件的試樣的吸收性，並且還依賴於圍繞試樣的感受器的吸收性。沒有適當的裝置的話，很難加 熱試樣和控制過程，特別是在下部溫區，在下部溫區試樣不能有效地 吸收微波。通過用於金屬熱處理的特殊箱裝置，實現了本發明的目的。該箱裝置由低密度氧化鋁纖維板製成，並用低密度纖維材料包裹。採用SiC感受器來包圍試樣，以便部分地吸收微波並且受熱，以提供等溫邊界。 這有助於在均熱過程中精確地控制溫度。例如，在熱處理周期的均熱階段，在6KW系統中可以容易地使溫度波動在1。C範圍內。
下面將藉助附圖來更詳細地介紹本發明，其中圖1為典型的6KW微波加熱系統。圖2為用於在6KW系統中進4亍熱處理的箱。圖3為典型的用微波熱處理的大金屬試樣。圖4為用於均勻和有效地加熱大金屬試樣的典型加熱速率曲線。圖5為由微波加熱和常規電阻加熱來熱處理的試樣的衝擊強度對 奧氏體化溫度的典型曲線。圖6為由微波加熱和常規電阻加熱來熱處理的試樣的拉伸強度對 奧氏體化溫度的典型曲線。
具體實施方式
圖1顯示了由微波加熱爐和控制器構成的6KW微波加熱系統。圖2顯示了用於在6KW微波加熱爐中進行熱處理的箱，它由包 在低密度纖維材料中的氧化鋁塊構成。圖3顯示了 150x30xl5mm的試樣，其在微波加熱爐中熱處理， 然後在空氣中冷卻。 一次可以把5到6個這種試樣一起放入爐中，以 進行統一的熱處理。已對P91材料進行了實驗，並且通過在微波加熱爐中以控制的速 率(圖4)加熱已取得了非常均勻的特性。
圖1顯示了採用大功率微波進行熱處理所用的6KW系統的典型 布置，圖2顯示了本發明的箱裝置。該系統包括至少一個用於供能和 控制的磁控管裝置(l)，仿真載荷(4)，正向功率和逆功率監視器(6)， 調諧器(7)，多個感受器(3)，波導管(8)，布料器(9)以及攪拌器 (10 ),具有功率可調反射器(6 )的仿真載荷設置在感受器(3 )之間。 箱(11)置於室中。材料的微波加熱依賴於實際上是加熱元件的試樣(14 )的吸收性， 並且還依賴於包圍試樣(14)的感受器(3)的吸收性。沒有適當的裝 置的話，很難加熱試樣(14)的下部區域，在下部區域，材料不能有 效地吸收微波。試樣座裝置是重要的。用於試樣座的箱裝置是由可鑄 造級58A的低密度氧化鋁製成，並與中等尺寸的SiC砂粒按2:l的比 例混合。釆用由PVC管制成的簡單固定裝置將該溼混合物澆注到缸 中。由於氧化鋁澆鑄件中存在的粗大氣泡，即使加熱到1750。C也沒有 收縮。24小時後，澆鑄的試樣座變堅固並且可以備用。在用1450。C級 的低密度纖維材料將其包裹成2"的厚度之後，箱裝置就完成了。為此 目的，採用低密度氧化鋁纖維板(13)。在箱中設有用於溫度測量的觀 察口 (12)(圖2)。圖4顯示了在微波中的加熱速率應該如圖說明那樣是最佳。微波 加熱是一個很快的過程。因此，如果以很快的速率把試樣連續加熱以 達到所需溫度，試樣將不能被均勻地加熱，並且在整個試樣中可能會 有溫度梯度。與P91鋼的常規熱處理相比，該常規熱處理要花幾乎3 到4小時來達到均勻的溶解(奧氏體化)溫度，而微波加熱僅需30 到40分鐘。圖5是通過微波以及常規電阻加熱被熱處理的試樣的衝擊強度對 奧氏體化溫度的曲線圖。發現當在900。C以上奧氏體化時，衝擊性能 隨著奧氏體化溫度或晶粒尺寸的增加而減小。圖6是通過微波以及常規電阻加熱被熱處理的試樣的拉伸強度對 奧氏體化溫度的曲線圖。發現當在900。C以上奧氏體化時拉伸性能隨 著奧氏體化溫度或晶粒尺寸的增加而增加，而衝擊性能表現為相反的
趨勢，並隨著奧氏體化溫度或晶粒尺寸的增加而減小(圖5)。為了實現前述和其它的目的，並且根據本發明的目的，本文體現和寬泛描述了一種採用微波加熱爐來對金屬試樣進行熱處理的方案。 對P91鋼的熱處理是這樣來進行的在800。C、 900。C、 1000。C、U00。C、 1200。C、 1300。C保持1小時來溶解P91鋼，隨後，在760°C保持2小時來對試樣回火，以表現或模擬在焊接過程中熱影響區 (HAZ)所遇到的各種微觀結構狀態，即過度回火、臨界間狀態、細晶氺立和粗晶淨立。在常規電阻加熱爐中也進行類似的過程。這兩種過程的結果在圖 5和圖6中給出，並且確切匹配地證明了^:波加熱的效果。因此，通過釆用根據本發明的系統，通過微波加熱在更短時間內 進行對P91鋼的熱處理是可行的，這是由於加熱快速和均勻。衝擊強度和拉伸強度測試結果的極佳匹配證明了微波熱處理的效 果，並且由常規加熱和微波加熱所獲得的微觀結構和晶粒尺寸是相同 的。另外，該方法提供了對大件金屬均勻和一致的熱處理。吸收邊界 傳遞部分的微波能量，且該方法提供了能保證從由微波加熱的物體的 表面的熱損失可忽略不計的邊界，這是由於所創造的等溫條件而導致 的，從而實現了均勻加熱的目的。該方法還可以靈活地節能和省時， 以及獲得可與常規工藝相比擬或甚至優於常規工藝的機械性能。
權利要求
1、一種用於對大金屬試樣熱處理的系統，包括微波加熱設備，該微波加熱設備具有波導管、用於監視和測量溫度的裝置和用於保持金屬試樣的保持裝置，其中，所述保持裝置包括箱構造，其由低密度氧化鋁纖維板製成並用低密度氧化鋁纖維材料包裹，以限定出一個腔，且沿著該腔內壁設有感受器。
2、 如權利要求l所述的系統，其中，所述微波加熱設備是微波發 生器和控制器。
3、 如權利要求l所述的系統，其中，所述保持裝置將要進行熱處 理的試樣容納在所述腔中。
4、 如權利要求1所述的系統，其中，所述感受器是碳化矽感受器。
5、 如權利要求1所述的系統，其中，所述纖維材料是1450。C級 低密度纖維材料。
全文摘要
一種用於對大金屬試樣(14)熱處理的系統，包括微波加熱設備，該微波加熱設備具有波導管(8)、用於監視和測量溫度的裝置和用於保持金屬試樣(14)的保持裝置，其中，所述保持裝置包括箱(11)構造，其由低密度氧化鋁纖維板(13)製成並用低密度氧化鋁纖維材料包裹，以限定出一個腔，且沿著該腔內壁設有感受器。
文檔編號C22F1/00GK101151395SQ200680010874
公開日2008年3月26日 申請日期2006年2月23日 優先權日2005年3月31日
發明者尼馬爾·夏爾馬, 庫維爾·辛格, 斯瓦米納坦·戈帕蘭, 賈帕爾·R·古爾拉姆 申請人:布哈拉特強電有限公司