一种连续真空快淬设备及利用该设备进行金属快淬的方法

摘要

本发明提供了一种连续真空快淬设备。该设备在现有的快淬设备基础上增设了过渡腔体、夹持装置、收集装置，以及抽真空装置，改进了现有设备每次工作均需开合主腔体门、手工装载加热体、手工收集淬火产物等问题，能够实现连续工作，从而减少了能量与时间的消耗，提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种连续真空快淬设备及利用该设备进行金属 快淬的方法。

背景技术

为便于使用，由矿石冶炼而成的大块金属，通常首先要粉碎成颗粒、条带或薄片等 形状，再经过烧结或粘结等粉末冶金过程成型，最后加工成为机械电子设备的零部件。

将大块金属破碎成颗粒的方法早期是简单的机械破碎，但这种方法带来的残余应力 很大。后来发展了加钢球和液态介质的球磨、利用高压气流使得物料互相撞击的气流磨、 针对某些稀土合金的吸氢破碎等方法。其中，采用熔体快淬技术将熔融状态的合金液喷 射到水冷的旋转轮盘上，可以很容易地获得颗粒、条带或薄片等形状的合金。而且，由 于这种方法具有极高的冷却速度（每秒约一百万度），可获得自然慢冷过程不可能得到 的非晶态金属，该类材料在电磁性能和机械性能方面显著不同于晶态金属。根据成分和 用途的不同，可以用熔体快淬法制造的功能材料主要有：作为永磁材料的含钕或镨的稀 土合金、作为热电材料的铋系合金、作为开关触头材料的铜铬合金、作为软磁材料的铁 镍合金、作为结构材料的镁合金等。

采用熔体快淬技术将金属材料制成颗粒、条带或薄片状等的设备简称为快淬设备， 包括熔炼、浇注与快淬三个步骤。

按照抗氧化能力的不同，合金的熔炼可在空气、惰性气氛保护或真空中进行，如铜 合金或镍合金就可以在空气中，而稀土合金、镁合金等就必须在真空或惰性气氛保护的 熔炼炉中。除合金成分以外，冷却轮盘的旋转速度、合金液流的流速等工艺参数，均会 影响合金粉末的形态及性能。

按照熔炼合金方式的不同，熔炼装置可分为电弧式和感应式两种。由于合金感应熔 炼时会形成涡流，对熔融状态的合金液起到搅拌的作用，而电弧放电每次只能融化局部 的合金。故与比电弧式熔炼相比，采用感应式熔炼制得的合金更加均匀，不容易产生成 分偏析。因此除小型熔炼炉外，大部分熔炼装置都采用了感应加热的形式。专利号为 ZL92105431.9的中国发明专利《真空快淬炉》披露了一种带冷却辊的制造金属粉末的装 置。它包含有真空壳体、熔炼炉、喷嘴包、喷嘴、快淬辊，以及用于移动喷嘴包以及调 节喷嘴与快淬辊之间间距的喷嘴包移动和控制机构，炉壳分为固定的和可移动的两部 分。

按照合金液浇注方式的不同，快淬设备可分为溢流式和喷射式两种。如公开号为 CN101722311A的中国发明专利《感应溢流快淬法与设备》披露了一种用于生产快淬钕 铁硼磁粉的感应溢流快淬方法与设备，采用中频感应加热，将原料或钕铁硼合金锭熔化 成合金液，然后以一定的速度倾倒在一个特殊设计的中间包内，合金通过中间包的溢流 口至一个高速旋转的水冷钼轮或铜轮上，快速冷却形成钕铁硼快淬薄带。这种浇注方式 最大的问题在于，合金液与冷却辊是面接触。由于合金液表面张力的存在，合金液面总 有某一局部呈现突起或凹陷的弧型，即合金液流的横截面并不平整。这样经过快淬辊冷 却后，仅从外观看合金条带就薄厚不一，而且合金条带各处由于冷却效果不同，性能并 不一致。而喷射式就不存在该问题，从孔口喷射出的合金液与冷却辊的接触面仅为一个 小点。一般地，喷射孔越小，合金条带的均匀性越好。

目前，投入应用的感应喷射式快淬设备绝大部分都是实验室用的小型快淬炉，而适 合批量制造的大型快淬炉少见报道，其存在的最大问题在于喷射孔容易堵塞。主要原因 是采用感应加热方式时，理想的被加热坩埚外径应与加热线圈内径基本相当。而坩埚底 部喷射孔的直径通常只有约1毫米，如果增大孔径会加大合金液流量，但是热容量却过 大，导致冷却辊来不及快速冷却。因此，大型快淬炉中处于狭长孔道内的合金液和加热 线圈的匹配性不佳，当坩埚直径越大越是如此。另外，如果合金液没有被加热到足够的 温度，其流动性就很差，难以通过狭长的喷射孔道。

对此，人们采用了一些办法。如公开号为CN102205417A的中国发明专利《一种快 淬合金的制造方法及设备》披露了一种可制造快淬合金的制造方法及设备，主要特点在 于合金熔炼和快淬分别在两个独立的环境下进行，两个环境的压力可以独立控制。这种 方法试图用加压的方式帮助喷射熔体，但并没有解决以上喷射孔处的合金液因与加热线 圈匹配性差的问题，仍可能发生喷射孔堵塞。

另外，小型快淬炉也存在如下不足之处：（1）炉腔从常压达到高真空往往需要较长 的时间，当腔内容积较大时，需要的时间则更长；（2）快淬后喷射出的合金仍留在炉腔 内，必须打开炉门方能取出产品；另外，一次工作后，须打开炉门，手工重新装载坩埚， 然后关炉门、抽真空后再次工作，如此循环，极大限制了真空快淬设备的连续工作能力， 降低了生产效率。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足，提供一种连续真空快淬设备，以解 决目前熔体快淬技术中存在的问题。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种连续真空快淬设备，包括置于 密封主腔体内的加热体、感应线圈、以及快淬用冷却装置，所述的加热体底部设漏孔， 工作状态时，盛于加热体内的金属经感应线圈感应熔炼为熔体后经漏孔浇注在冷却装置 进行快淬；其特征是：还包括夹持装置、收集装置、抽真空装置，以及至少一个过渡腔 体；

所述的过渡腔体设置两开口端，一开口端位于主腔体内、通过第一端盖13与主腔 体密封隔绝，另一开口端位于主腔体外、通过第二端盖11与外界环境密封隔绝；

所述的夹持装置用于夹持加热体沿水平方向以及垂直方向运动；

所述的抽真空装置用于对主腔体与过渡腔体进行抽真空；

所述的收集装置由储料容器与收集管道组成；所述的储料容器一端开口；所述的收 集管道两端开口，一端与储料容器的开口端相密封连通，另一端与主腔体相密封连通； 所述的收集管道的两开口端之间设置可开合的第一气阀；经冷却装置快淬后撒落的快淬 火产物经收集管道后沉积在储料容器中。

作为一种实现方式，所述的夹持装置由横向夹具与纵向夹具组成；所述的横向夹具 包括沿水平方向运动的中空推拉杆、位于推拉杆端部的第一夹具，以及位于推拉杆中空 部、用于控制第一夹具开合的第一传动机构；所述的中空推拉杆一端穿过第二端盖伸入 过渡腔体内；所述的纵向夹具包括沿垂直方向运动的中空升降杆，位于升降杆端部的第 二夹具，以及位于升降杆中空部、用于控制第二夹具开合的第二传动机构；所述的中空 升降杆一端穿过主腔体壁伸入主腔体内；

作为另一种实现方式，所述的夹持装置为设置在主腔体内的二维机械手。

作为一种实现方式，所述的抽真空装置包括抽气泵，用于连通主腔体与抽气泵的第 一管路，用于连通过渡腔体与抽气泵的第二管路；所述的主腔体设置主腔体进气阀，主 腔体与抽气泵之间设置主腔体抽气阀；所述的过渡腔体设置过渡腔体进气阀，过渡腔体 与抽气泵之间设置过渡腔体抽气阀；

所述的抽气泵的抽气能力与主腔体以及过渡腔体的容积相匹配。作为优选，抽气泵 是机械泵、罗茨泵、扩散泵中的一种或几种的组合。

作为一种实现方式，所述的储料容器的开口端与收集管道开口端通过气密封连通， 所述的储料容器还设置第二气阀，打开该第二气阀后储料容器与收集管道相分离。

所述的加热体材料不限，包括耐高温的陶瓷或玻璃坩埚等。所述的加热体形状不限， 包括圆筒状、直筒状等。所述的加热体直径优选不超过80mm。所述的加热体底部的漏 孔直径优选为1mm。

所述的冷却装置不限，包括冷却辊和转轮电机等。冷却辊为金属材质，内部中空通 入水或油做为冷却介质。转轮电机采用变频器或伺服驱动器，转速从0至6000转每分 钟可调。

作为优选，所述的连续真空快淬设备还包括气压盖，该气压盖位于感应线圈正上方， 该气压盖设置一通孔连通一加压管道，该加压管道一端穿过气压盖，另一端通过腔体壁 穿出主腔体。当加热体进入感应线圈进行加热时，调整加压管道高度将气压盖盖在加热 体开口端，可以防止热量散失，提高加热效率；另外，当金属加热融化为液态后，通过 该加压管道向金属液面吹气加压，能够帮助液滴从加热体底部漏孔喷射，防止漏孔堵塞。

作为优选，在垂直方向，过渡腔体设置在冷却装置上方，以避免冷却装置工作时对 过渡腔体产生影响。

由于快淬后的产物从冷却装置上溅落的轨迹为抛物线，故与主腔体相连通的收集管 的开口端优选设置在冷却装置的侧下方，并且二者之间的距离小于快淬产物的飞行距 离。另外，为方便淬火产物落入储料容器，收集管道的弯曲角度和长度应使得淬火产物 不堆积在收集管道的某处无法落下为宜。

利用本发明连续真空快淬设备对金属进行快淬的过程包括如下步骤：

步骤1：将金属原材料或金属锭装入加热体，打开过渡腔体的第二端盖，将加热体 放入过渡腔体后关闭第二端盖；

步骤2：开启主腔体进气阀和过渡腔体进气阀，打开抽气泵开始抽气，当主腔体和 过渡腔体的气压相同时，打开过渡腔体的第一端盖；

步骤3：通过夹持装置夹持加热体，使其置于感应线圈内；感应线圈通电、冷却装 置开启，打开第一气阀；当金属融化为液体通过漏孔喷出、经冷却装置快淬后甩出，快 淬产物溅落到收集管道，顺着收集管道下滑至储料容器；

步骤4：当加热体内的液体喷射完毕后，感应线圈断电，通过夹持装置夹持加热体， 使其离开感应线圈移至过渡腔体后关闭第一端盖，然后关闭过渡腔体抽气阀，打开过渡 腔体放气阀吸气，待过渡腔体恢复常压后，打开第二端盖，取出加热体；

步骤5：重复以上步骤1至步骤4，直到储料容器内的快淬产物达到一定质量，然 后关闭第一气阀，打开储料容器的第二气阀，待储料容器恢复成常压后，取下储料容 器。

综上所述，本发明改进了现有的真空快淬设备，增加了过渡腔体、夹持装置、收集 装置，以及抽真空装置，具有如下有益效果：

（1）增设了过渡腔体与夹持装置，使加热体通过该过渡腔体进出主腔体，并且能 够通过夹持装置在二维平面自由运动以进入或离开感应线圈，改进了现有设备需要手工 装载加热体，每次工作须开合主腔体门而导致无法连续工作、生产效率低的问题；

（2）增设了抽真空装置，能够对主腔体与过渡腔体高效抽真空，并且由于增设了 过渡腔体，整个工作过程在密封状态下进行，无需主腔体门的多次开合，能够配合工作 进程自动进行抽真空处理；

（3）增设了收集装置，能够自动收集淬火后的样品，并且无需主腔体门开合的情 况下就能够取出样品。

因此，本发明的真空快淬设备可连续工作，使整个快淬工艺过程均无需打开主腔体 门，大大减少了耗时、耗能，提高了生产效率低。

附图说明

图1是本发明实施例1中的连续真空快淬设备的整体结构及主要部件的主视图；

图2是本发明实施例1中的连续真空快淬设备的整体结构及主要部件的侧视图；

图3是本发明实施例1中的连续真空快淬设备的过渡腔体结构示意图；

图4是本发明实施例1中的连续真空快淬设备的收集装置结构示意图；

图5是本发明实施例1中的连续真空快淬设备的抽气装置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1至图5中的附图标记为：主腔体  1、过渡腔体  2、感应线圈  3、升降杆  4、 气压盖  5、加热体  6、推拉杆  7、冷却辊  8、收集管道  9、储料容器  10、第二端盖  11、 滑动孔  12、第一端盖  13、第一夹具  14、第一气阀  15、第二气阀  16、抽气泵  17、主 腔体抽气阀  18、过渡腔体抽气阀  19、主腔体门  20、过渡腔体放气阀  21、主腔体放气阀 22。

实施例1：

本实施例中，如图1与2所示，连续真空快淬设备包括主腔体1，该主腔体1用于 固定装载在其内部的机械部件，并与外界环境如空气、水等隔离。该主腔体1设有主腔 体门20，在需要进行部件装配或维修时打开主腔体门20。在工作状态中，该主腔体1 为密封状。在主腔体1内设置加热体6、感应线圈3、以及快淬用冷却装置。

加热体6为坩埚，坩埚整体呈圆杯状，内径为40～60mm，坩埚材质采用氧化铝、 氧化镁、碳化硅或石英中的一种。坩埚6的底部有一直径约1mm的漏孔。

感应线圈3外观为中空水冷铜管盘成的螺旋状，铜管的两端部分穿过主腔体1连接 加热电源，加热电源通常采用中频或高频。该感应线圈3的内径比坩埚6的外径稍大一 些，当二者匹配程度较好时加热效率高。

冷却装置包括冷却辊8与转轮电机。冷却辊8由转轮电机带动旋转，转轮电机采用 变频器或伺服驱动器带动，电机转速在0～6000转/分钟可调。冷却辊8的结构为中空圆 筒状，其中一端封闭另一端有供冷却水进出的管道。冷却辊8的材质通常为铜、铝或不 锈钢。为增加冷却辊面的耐磨性，可以在外嵌套或涂覆一层含铬或钼的硬质金属。

该连续真空快淬设备还包括过渡腔体2、夹持装置、收集装置，以及抽真空装置。

如图3所示，过渡腔体2设置两开口端，一开口端位于主腔体1内、通过第一端盖 13与主腔体1密封隔绝，另一开口端位于主腔体1外、通过第二端盖11与外界环境密 封隔绝。

夹持装置用于夹持坩埚6沿水平方向以及垂直方向运动。本实施例中，如图1所示， 夹持装置由横向夹具与纵向夹具组成。

横向夹具是由沿水平方向运动的中空推拉杆7、位于推拉杆端部的第一夹具14，以 及位于推拉杆中空部、用于控制第一夹具14开合的第一传动机构组成。该中空推拉杆7 一端穿过第二端盖11伸入过渡腔体2内。与中空推拉杆7进入第二端盖11的位置装有 滑动孔12，滑动孔12的两端装有O型密封圈和紧固器，紧固器压着有一定弹性的O型 密封圈围绕空隙涨开，使得推拉夹7的滑杆通过滑动孔12前进或后退过程中不漏气。

纵向夹具由沿垂直方向运动的中空升降杆4，位于升降杆端部的第二夹具，以及位 于升降杆中空部、用于控制第二夹具开合的第二传动机构组成。该中空升降杆4一端穿 过主腔体壁伸入主腔体1内。与中空升降杆4进入主腔体的位置装有滑动孔，滑动孔的 两端装有O型密封圈和紧固器，紧固器压着有一定弹性的O型密封圈围绕空隙涨开， 使得升降杆4的滑杆通过滑动孔升降过程中不漏气。

如图4所示，收集装置由储料容器10与收集管道9组成。储料容器10一端开口。 收集管道9两端开口，一端与储料容器10的开口端相连通，并且连接部位为密封连接， 另一端与主腔体1相连通，并且连接部为为密封连接。收集管道9的两开口端之间设置 可开合的第一气阀15，该第一气阀15为蝶阀。储料容器10的开口端与收集管道9的开 口端通过气密封连通，储料容器10还设置第二气阀16，打开该第二气阀16使气体进入 后储料容器10与收集管道9自动相分离。由于快淬后溅落的样品温度较高，故储料容 器10可采用双层中通水冷结构便于散热。

如图5所示，抽真空装置用于对主腔体1与过渡腔体2进行抽真空。该抽真空装置 包括抽气泵17，用于连通主腔体1与抽气泵17的第一管路，用于连通过渡腔体2与抽 气泵17的第二管路。主腔体1设置主腔体进气阀18，主腔体1与抽气泵17之间设置第 主腔体抽气阀22。过渡腔体2设置过渡腔体进气阀19，过渡腔体2与抽气泵17之间设 置过渡腔体抽气阀19。即，主腔体抽气阀18、主腔体放气阀22、过渡腔体抽气阀19 以及过渡腔体放气阀21均可以独立开闭，这样当主腔体1和过渡腔体2气压相同时， 过渡腔体2的第一端盖13可打开。

如图1所示，该真空快淬设备还包括气压盖5，该气压盖5位于感应线圈3正上方， 该气压盖5设置一通孔，该通孔连通一加压管道，该加压管道一端穿过气压盖5，另一 端通过主腔体壁穿出主腔体1。当坩埚6进入感应线圈3进行加热时，调整管道高度将 气压盖5盖在坩埚6开口端，可以防止热量散失，提高加热效率，气压盖5与坩埚6的 接触部分为软性材质，如橡胶等，因此二者相压时可形成较好的密封性。另外，当坩埚 6内的金属加热融化为液态后，通过该加压管道向金属液面吹入惰性气体，如氮气、氩 气等进行加压，能够帮助液滴从坩埚6底部漏孔喷射，防止漏孔堵塞。

为了避免冷却辊工作时对过渡腔体产生影响，在垂直方向，过渡腔体2设置在冷却 辊8上方为宜。

由于快淬后的产物从冷却辊8上溅落的轨迹为抛物线，故与主腔体1相连通的收集 管9的开口端设置在冷却辊8的侧下方为宜，并且二者之间的距离小于快淬产物的飞行 距离。为方便淬火产物落入储料容器10，收集管道9的弯曲角度和长度应使得淬火产物 不堆积在收集管道9的某处无法落下为宜。

利用该连续真空快淬设备对金属进行快淬的过程如下：

（1）将金属原材料或金属锭装入坩埚6，打开过渡腔体2的第二端盖11，将坩埚6 放入过渡腔体2后关闭第二端盖11，移动中空推拉杆7靠近坩埚6，然后通过第一传动 机构控制第一夹具14开合，使第一夹具14夹住坩埚6；

（2）开启主腔体进气阀18和过渡腔体进气阀19，打开真空泵组17开始抽气，当 当主腔体1和过渡腔体2的气压相同时，打开过渡腔体2的第一端盖13；

（3）推拉杆7将坩埚6从过渡腔体2推到感应线圈3正上方，然后通过第一传动 机构控制第一夹具14打开后推拉杆7退回至初始位置；中空升降杆4移动靠近坩埚6， 通过第二传动机构控制第二夹具开合，使第二夹具夹住坩埚6，然后升降杆4移动将坩 埚6置于感应线圈3内，这时通过第二传动机构控制第二夹具打开后升降杆4退回至初 始位置；通过加压管道调整加压盖5盖在坩埚6的开口端；

（4）感应线圈3通电，加热坩埚6中的金属，冷却辊8开始按照一定的转速旋转， 打开第一气阀15；当通电一段时间，金属融化为液态后，通过加压管道吹入惰性气体， 使液流从坩埚6底部的漏孔喷出，经冷却辊8快淬后甩出，快淬产物溅落到收集管道9 内，顺着管道下滑到储料容器10；

（5）当坩埚6内的液体喷射完毕后，停止对加压管道吹气，感应线圈3断电停止 加热；加压盖5升起到合适位置，升降杆4移动靠近坩埚6，通过第二传动机构控制第 二夹具开合，使第二夹具夹住坩埚6，然后升降杆4移动将坩埚6提出感应线圈3；通 过第二传动机构控制第二夹具打开后升降杆4退回，通过第一传动机构控制第一夹具14 打开，使第二夹具夹住坩埚6，然后推拉杆7移动将坩埚6移动至过渡腔体；关闭过渡 腔体2的第一端盖13，关闭过渡腔体抽气阀19，打开过渡腔体放气阀21吸气，待过渡 腔体2恢复常压后，打开过渡腔体2的第二端盖13，取出坩埚6。

（6）重复以上步骤1至步骤5，直到储料容器10内的快淬产物达到一定质量后， 关闭第一气阀15，打开储料容器10的第二气阀，待储料容器10恢复成常压后，取下 储料容器10。

以上步骤组成了金属连续快淬的完整工艺流程。容易设想，当设置两个或更多的过 渡腔体时，可将坩埚的金属装填、进出过渡腔体、线圈内升降等过程同时进行，能够进 一步缩短坩埚更换时的等待时间，加快过程进度。

另外，本实施例中采用的推进夹具和升降夹具也可以用机械手代替。如在主腔体内 设置一个可以在互相垂直方向二维运动的机械手，就能实现坩埚从过渡腔体的取放和坩 埚在感应线圈的进出。

最后，以上所有步骤均可通过可编程序控制器，按照预先编制的程序顺次运行，全 流程可无需人工干预。

上述文字对本发明的具体实施方式进行了描述，必须指出的是，本发明所包含的内 容并不局限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以作各种修改、替换和变化， 这些等同形式同样属于本发明权利要求书的限定范围。