本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，涉及金屬及合金擠壓坯料加熱工藝，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)等溫變速擠壓的坯料溫度梯度分布的熱處理爐及熱處理方法。

背景技術(shù)：

擠壓是有色金屬材料成形加工的重要方法。隨著汽車輕量化、航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)高性能擠壓材的需求不斷提高。目前，隨著鋁擠壓工業(yè)和技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了舌型模擠壓、平面組合模擠壓、大斷面擠壓、水冷模擠壓、扁擠壓、寬展擠壓、精密氣、水(霧)冷卻在線淬火擠壓、高效反向擠壓、等溫?cái)D壓等技術(shù)。但對(duì)于變形性能較差的鋁合金(如2000系和7000系合金)和大部分鎂合金來說，由于其熱塑性較差、熱裂傾向性強(qiáng)，只能在較窄的變形工藝條件下加工。因此，只有采用等溫?cái)D壓工藝，才能獲得長度方向上組織性能均勻的產(chǎn)品，以滿足高性能擠壓材的嚴(yán)格要求。近年來，等溫?cái)D壓技術(shù)的相關(guān)研究和開發(fā)逐漸受到重視。通過等溫?cái)D壓，不僅能獲得尺寸形狀穩(wěn)定、組織均勻的產(chǎn)品，還能提高其成品率和生產(chǎn)效率，滿足鋁合金型材整體具備高比強(qiáng)、高比模和高韌性的力學(xué)性能，避免型材出現(xiàn)扭曲，裂紋等嚴(yán)重的現(xiàn)象。

目前，等溫?cái)D壓技術(shù)通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是采用速度控制等溫?cái)D壓，即通過調(diào)節(jié)擠壓速度，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的擠出溫度保持不變，如中國發(fā)明專利(公開號(hào)：CN103100575A)公開的是一種速度分段控制的等溫?cái)D壓方法，但是，這種通過擠壓速度曲線控制的方法，由于鋁合金鑄棒在擠壓過程中，擠壓容室和鋁合金鑄棒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了摩擦熱，如果鋁合金鑄棒進(jìn)入擠壓容室的溫度沿長度方向恒定，擠壓過程中擠壓速度保持不變，鋁合金鑄棒后部材料在經(jīng)歷了較長路徑的摩擦過程，進(jìn)入變形區(qū)域時(shí)的溫度已經(jīng)升高，從而導(dǎo)致前端出口處鋁合金擠壓型材溫度和力學(xué)性能沿長度方向變化；另一種是采用溫度呈梯度分布的坯料的等溫?cái)D壓，即利用變形熱補(bǔ)償坯料尾部的低溫區(qū)域，使得坯料在模具出口的溫度保持不變。產(chǎn)生溫度呈梯度分布的坯料有兩種方法，分別是梯溫加熱法和梯溫水冷法。

然而，研究表明在溫度呈梯度分布的坯料的等溫?cái)D壓擠壓過程中，摩擦熱對(duì)型材斷面溫度分布不均勻性的影響最大，超過了塑性變形熱和金屬與工模具之間的傳熱【侯文榮.鋁合金型材擠壓過程的傳熱行為與溫度控制研究[D].北京科技大學(xué),2015.】。另外，鋁合金的擠壓研究表明，，材料的平均摩擦系數(shù)隨溫度升高300℃-500℃，從2.1降低到1.6【張明.6061鋁合金熱擠壓過程中摩擦磨損行為等效表征研究[D].湖南大學(xué),2014:22】。摩擦系數(shù)的減小能顯著降低設(shè)備能耗，也會(huì)降低摩擦熱，從而更準(zhǔn)確的控制擠壓變形區(qū)域的溫度。

因此，等溫?cái)D壓擠壓過程中摩擦熱對(duì)溫度梯度的影響，不僅增加能量消耗、縮短擠壓筒壽命，也無法達(dá)到精確度高的等溫?cái)D壓效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為克服以上技術(shù)問題，本發(fā)明的目的之一設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐，得到溫度分布為：軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的擠壓坯料。

本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理方法，得到溫度分布為：軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的擠壓坯料。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐，依次由以下三部分組成：燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐設(shè)置燃?xì)饧訜釁^(qū)作用是對(duì)坯料均勻加熱使坯料溫度均勻分布；熱處理爐設(shè)置風(fēng)冷區(qū)作用是對(duì)坯料進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)坯料軸向頭高尾低溫度梯度；熱處理爐設(shè)置感應(yīng)加熱區(qū)的作用是對(duì)坯料進(jìn)行二次加熱，實(shí)現(xiàn)坯料徑向的外高內(nèi)低溫度梯度。

優(yōu)選的，燃?xì)饧訜釁^(qū)擠壓坯料頭部一端設(shè)置燃燒機(jī)，燃燒機(jī)與天然氣液儲(chǔ)罐連接，將天然氣通入燃燒機(jī)內(nèi)燃燒加熱。

優(yōu)選的，在風(fēng)冷區(qū)擠壓坯料的尾部一端設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)。

優(yōu)選的，風(fēng)冷區(qū)鼓風(fēng)機(jī)另一端通過管道與燃燒機(jī)連接，風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣通過燃機(jī)中天然氣加熱進(jìn)入燃?xì)饧訜釁^(qū)。

本發(fā)明將風(fēng)冷區(qū)擠壓坯料的頭部一端通過管道與燃燒機(jī)連接，風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣通過燃機(jī)中天然氣加熱對(duì)擠壓坯料進(jìn)行加熱保溫，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣循環(huán)利用到燃?xì)饧訜釁^(qū)，通過熱空氣的重復(fù)循環(huán)利用，起到了節(jié)能效果。

優(yōu)選的，所述實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐內(nèi)還安裝有棒料輸送機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)，所述熱處理爐的側(cè)壁還設(shè)有觀察窗。

實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐的測溫裝置用于檢測棒料的不同區(qū)域的溫度，使棒料在熱處理爐相應(yīng)的燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)達(dá)到設(shè)定的溫度，實(shí)現(xiàn)坯料的軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的溫度梯度分布。

通過測溫裝置、棒料輸送機(jī)構(gòu)通過耐高溫導(dǎo)線與外部自動(dòng)控制裝置連接，測溫裝置將棒料溫度實(shí)時(shí)反映，自動(dòng)控制裝置控制棒料輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)行及制動(dòng)，進(jìn)而控制棒料在熱處理爐相應(yīng)的燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)的加熱時(shí)間。

優(yōu)選的，所述棒料輸送機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、棒料停放架、導(dǎo)軌、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置，所述機(jī)架通過車輪與導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置安裝在機(jī)架上，所述測溫裝置、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置通過耐高溫導(dǎo)線與外部自動(dòng)控制裝置連接。

本發(fā)明的棒料置于機(jī)架上的棒料停放架上，機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)機(jī)架沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)將棒料依次輸送到燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)，機(jī)架制動(dòng)裝置對(duì)機(jī)架進(jìn)行制動(dòng)使機(jī)架?？吭谙鄳?yīng)的區(qū)域設(shè)定的加熱時(shí)間，滿足棒料的梯度加熱要求。

優(yōu)選的，所述棒料為鎂合金或鋁合金。

優(yōu)選的，所述燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱溫度高于棒料的再結(jié)晶溫度50-200℃。

優(yōu)選的，所述風(fēng)冷區(qū)坯料的頭尾目標(biāo)溫差為10-30℃

優(yōu)選的，所述感應(yīng)加熱區(qū)加熱溫度低于材料的過燒溫度10-20℃，加熱深度為2-20mm。

一種利用上述熱處理爐實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理方法，具體步驟如下：

步驟1：將棒材放置到燃?xì)饧訜釁^(qū)，加熱溫度為到高于棒材再結(jié)晶溫度50-200℃，加熱保溫時(shí)間1-5h；

步驟2：將棒材放置到風(fēng)冷區(qū)，在風(fēng)冷區(qū)利用鼓風(fēng)機(jī)對(duì)擠壓坯料的尾部吹風(fēng)冷卻1-10min，使坯料的尾部溫度降低10-30℃。

步驟3：將棒材放置到感應(yīng)加熱區(qū)，在電磁感應(yīng)加熱區(qū)以感應(yīng)頻率1-10KHZ，加熱時(shí)間1-20s，加熱溫度為低于材料的過燒溫度10-20℃，加熱深度為2-20mm。

優(yōu)選的，所述棒材為鋁合金或鎂合金。

優(yōu)選的，所述鋁合金棒材在燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱到350-500℃，保溫時(shí)間2h。

優(yōu)選的，所述鎂合金棒材在燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱溫度為250-400℃，保溫時(shí)間為1.5-3h。

優(yōu)選的，所述風(fēng)冷區(qū)鼓風(fēng)機(jī)的流量1-20m³/min，根據(jù)擠壓型材的及模具形狀，設(shè)置不同形式的冷卻風(fēng)道。

優(yōu)選的，所述鋁合金棒材在電磁感應(yīng)加熱區(qū)的加熱溫度為480℃。

優(yōu)選的，所述鎂合金棒材在電磁感應(yīng)加熱區(qū)的加熱溫度為420℃。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益技術(shù)效果為：

1、采用本發(fā)明的熱處理爐加熱擠壓坯料，可以實(shí)現(xiàn)其溫度的梯度分布：即軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低。這種坯料有利于等溫?cái)D壓過程中擠壓變形區(qū)域溫度更準(zhǔn)確的控制，并且能夠降低擠壓過程中坯料與擠壓筒的摩擦力，從而降低能耗，提高擠壓筒的壽命。

2、坯料加熱過程中，通過風(fēng)冷區(qū)擠壓坯料的頭部一端通過管道與燃燒機(jī)連接，風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣通過燃機(jī)中天然氣加熱對(duì)擠壓坯料進(jìn)行加熱保溫，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣循環(huán)利用到燃?xì)饧訜釁^(qū)，通過熱空氣的重復(fù)循環(huán)利用，具有明顯的節(jié)能效果。

3、本發(fā)明的加熱爐內(nèi)通過測溫裝置、棒料輸送機(jī)構(gòu)通過耐高溫導(dǎo)線與外部自動(dòng)控制裝置連接，測溫裝置將棒料溫度實(shí)時(shí)反映，自動(dòng)控制裝置控制棒料輸送機(jī)構(gòu)的運(yùn)行及制動(dòng)，進(jìn)而控制棒料在熱處理爐相應(yīng)的燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)的加熱時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)溫度梯度加熱過程的自動(dòng)化，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，在整個(gè)加熱梯度方向的連續(xù)、穩(wěn)定性，減少因人工因素而引起的誤差，大大提高了生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明熱處理爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明棒料輸送機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明在不同熱處理階段的坯料溫度場分布；

圖4為本發(fā)明在不同階段溫度的變化示意圖。

圖中：1、燃?xì)饧訜釁^(qū)，2、風(fēng)冷區(qū)，3、感應(yīng)加熱區(qū)，4、鼓風(fēng)機(jī)，5、燃燒機(jī)，6、天然氣液儲(chǔ)罐，7棒料，8、機(jī)架，9、導(dǎo)軌，10、棒料停放架，11、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置，12、機(jī)架制動(dòng)裝置，13、車輪

具體實(shí)施方式

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，以便于同行業(yè)技術(shù)人員的理解：

實(shí)施例1

本實(shí)施例采用的實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐，依次由以下三部分組成：燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)，熱處理爐內(nèi)還安裝有棒料輸送機(jī)構(gòu)、測溫機(jī)構(gòu)，所述熱處理爐的側(cè)壁還設(shè)有觀察窗，棒料輸送機(jī)構(gòu)包括機(jī)架、棒料停放架、導(dǎo)軌、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置，所述機(jī)架通過車輪與導(dǎo)軌滑動(dòng)連接，機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置安裝在機(jī)架上，所述測溫裝置、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置通過耐高溫導(dǎo)線與外部自動(dòng)控制裝置連接。

本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐的測溫裝置用于檢測棒料的不同區(qū)域的溫度，使棒料在熱處理爐相應(yīng)的燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)達(dá)到設(shè)定的溫度，實(shí)現(xiàn)坯料的軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的溫度梯度分布。風(fēng)冷后和感應(yīng)加熱之后的坯料溫度場分布如圖3所示，不同階段坯料的溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示。

燃?xì)饧訜釁^(qū)在擠壓坯料頭部一端設(shè)置燃燒機(jī)，燃燒機(jī)與天然氣液儲(chǔ)罐連接，將天然氣通入燃燒機(jī)內(nèi)燃燒，實(shí)現(xiàn)擠壓坯料均勻加熱，在風(fēng)冷區(qū)擠壓坯料的尾部一端設(shè)置鼓風(fēng)機(jī)，在風(fēng)冷區(qū)另一端連通管道與燃燒機(jī)連接，風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣通過燃機(jī)中天然氣加熱進(jìn)入燃?xì)饧訜釁^(qū)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷區(qū)流出的高溫空氣循環(huán)利用到燃?xì)饧訜釁^(qū)，通過熱空氣的重復(fù)循環(huán)利用，起到了節(jié)能效果。

棒料置于機(jī)架上的棒料停放架上，機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置推動(dòng)機(jī)架沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)將棒料依次輸送到燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)，機(jī)架制動(dòng)裝置對(duì)機(jī)架進(jìn)行制動(dòng)使機(jī)架?？吭谙鄳?yīng)的區(qū)域設(shè)定的加熱時(shí)間，滿足棒料的梯度加熱要求。通過測溫裝置、機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置通過耐高溫導(dǎo)線與外部自動(dòng)控制裝置連接，測溫裝置將棒料溫度實(shí)時(shí)反映，自動(dòng)控制裝置控制機(jī)架驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架制動(dòng)裝置的運(yùn)行，進(jìn)而控制棒料在熱處理爐相應(yīng)的燃?xì)饧訜釁^(qū)、風(fēng)冷區(qū)、感應(yīng)加熱區(qū)的加熱時(shí)間。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐設(shè)置燃?xì)饧訜釁^(qū)作用是對(duì)坯料均勻加熱使坯料溫度均勻分布；熱處理爐設(shè)置風(fēng)冷區(qū)作用是對(duì)坯料進(jìn)行冷卻，實(shí)現(xiàn)坯料軸向頭高尾低溫度梯度；熱處理爐設(shè)置感應(yīng)加熱區(qū)的作用是對(duì)坯料進(jìn)行二次加熱，實(shí)現(xiàn)坯料徑向的外高內(nèi)低溫度梯度。

本實(shí)施例采用的擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理的主要參數(shù)為：

坯料尺寸：Φ120×L500mm

合金類型：A7075鋁合金

擠壓機(jī)型：800t

燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱溫度及時(shí)間：350℃，2h

坯料頭尾目標(biāo)溫差：30℃

風(fēng)冷機(jī)冷卻速度及時(shí)間：1m³/min，冷卻2min

電磁感應(yīng)加熱溫度及時(shí)間：480℃，8s

電磁感應(yīng)加熱頻率：5KHZ

電磁感應(yīng)加熱深度：5mm

擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐加熱鋁合金棒材的具體工作過程：

步驟1：將鋁合金棒材放到燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱到350℃，保溫2h；

步驟2：在風(fēng)冷區(qū)以1m³/min冷卻2min，尾部溫度降到320℃；

步驟3：在電磁感應(yīng)加熱區(qū)，以感應(yīng)頻率5KHZ，加熱時(shí)間8s，加熱到480℃，加熱深度約為5mm。實(shí)現(xiàn)7075鋁合金的軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的梯溫材料制備。

同時(shí)風(fēng)冷區(qū)的熱空氣通過管道在燃?xì)鈪^(qū)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能的效果。

實(shí)施例2

本實(shí)施例采用的實(shí)現(xiàn)擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐如實(shí)施例1所示。

本實(shí)施例采用的擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理的主要參數(shù)為：

坯料尺寸：Φ100×L500mm

合金類型：AZ31鎂合金

擠壓機(jī)型：800t

燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱溫度及時(shí)間：250℃，1.5h

坯料頭尾目標(biāo)溫差：20℃

風(fēng)冷機(jī)冷卻速度及時(shí)間：1m³/min，冷卻1min

電磁感應(yīng)加熱溫度及時(shí)間：420℃，10s

電磁感應(yīng)加熱頻率：6KHZ

電磁感應(yīng)加熱深度：4mm

擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐加熱鎂合金棒材的具體工作過程：

步驟1：將鎂合金棒材放到燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱到250℃，保溫1.5h；

步驟2：在風(fēng)冷區(qū)以1m³/min冷卻1min，尾部溫度降到230℃；

步驟3：在電磁感應(yīng)加熱區(qū)，以感應(yīng)頻率6KHZ，加熱時(shí)間10s，加熱到420℃，加熱深度約為4mm。實(shí)現(xiàn)AZ31鎂合金的軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的梯溫材料制備。

同時(shí)風(fēng)冷區(qū)的熱空氣通過管道在燃?xì)鈪^(qū)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能的效果。

實(shí)施例3

本實(shí)施例采用的擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理的主要參數(shù)為：

坯料尺寸：Φ180×L500mm

合金類型：ZK61鎂合金

擠壓機(jī)型：800t

燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱溫度及時(shí)間：280℃，3h

坯料頭尾目標(biāo)溫差：30℃

風(fēng)冷機(jī)冷卻速度及時(shí)間：2m³/min，冷卻2min

電磁感應(yīng)加熱溫度及時(shí)間：420℃，10s

電磁感應(yīng)加熱頻率：4KHZ

電磁感應(yīng)加熱深度：6mm

擠壓坯料溫度梯度分布的熱處理爐加熱鎂合金棒材的具體工作過程：

步驟1：將鎂合金棒材放到燃?xì)饧訜釁^(qū)加熱到250℃，保溫1.5h；

步驟2：在風(fēng)冷區(qū)以1m³/min冷卻1min，尾部溫度降到230℃；

步驟3：在電磁感應(yīng)加熱區(qū)，以感應(yīng)頻率6KHZ，加熱時(shí)間10s，加熱到420℃，加熱深度約為4mm。實(shí)現(xiàn)ZK60鎂合金的軸向頭高尾低、徑向外高內(nèi)低的梯溫材料制備。

同時(shí)風(fēng)冷區(qū)的熱空氣通過管道在燃?xì)鈪^(qū)循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能的效果。

以上所述僅為本申請(qǐng)的優(yōu)選實(shí)施例而已，并不用于限制本申請(qǐng)，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本申請(qǐng)可以有各種更改和變化。凡在本申請(qǐng)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本申請(qǐng)的保護(hù)范圍之內(nèi)。