本發明屬于金屬材料熱處理領域，尤其涉及一種多區精準控溫的熱處理設備及熱處理方法。

背景技術：

1、在金屬材料的加工過程中，熱處理是一種重要的工藝手段，用于改善金屬材料的組織結構和性能，如提高強度、硬度、韌性、耐磨性等。傳統的熱處理方法存在諸如過程中能源消耗較大，導致生產成本增加、對于一些形狀復雜或尺寸較大的金屬工件，難以實現均勻的熱處理，從而影響產品質量的一致性、加熱速度和冷卻速度難以精確控制，無法滿足一些特殊金屬材料對熱處理工藝的嚴格要求等缺陷。

2、在機械制造、航空航天、軌道交通等眾多工業領域中，軸類元件是傳遞運動和動力的核心零部件，其性能在很大程度上決定了整個機械設備的運行精度、可靠性與使用壽命。軸類元件一般是指長度方向上的尺寸遠遠大于周向尺寸的元件，軸類元件一般都具有尺寸較大、長度較長等的結構特點，且對軸類元件力學性能有著極為嚴苛的要求，軸類元件一般都需要進行淬火+回火等熱處理來改善其內部組織、調控力學性能的關鍵環節，對于軸類元件熱處理的精準性，尤其是升溫、保溫及冷卻階段的溫度控制精度，直接影響著軸類元件的最終質量與使用安全性。但是現有熱處理方法中，由于軸類元件的尺寸、形狀等因素，加熱一般采用臺車式電阻爐、燃氣加熱爐等。由于軸類元件尺寸大、長度長且形狀復雜，爐內溫度場分布易受加熱元件布局、爐腔結構、工件擺放位置等因素影響，從而導致元件不同區域（如端部與中部、表層與芯部）的升溫速率差異顯著。在加熱過程中，軸類元件的表層往往先達到目標溫度，而芯部溫度滯后明顯，這種溫度梯度會在工件內部產生較大的熱應力。此外，部分加熱設備缺乏針對長軸類元件的分段溫控機制，無法根據元件不同部位的熱傳導特性調整加熱功率，進一步加劇了升溫階段的控溫偏差。而在保溫階段，由于軸類元件在長度上較長，但是周向相對較小的特點，其內部組織要完成均勻化轉變則對溫度的穩定性要求極高。然而，現有熱處理設備在保溫過程中，并沒有對其進行分段的精細控制，從而容易導致在兩端部與中間位置的溫度出現不均勻的波動，對于長度超過?3?米的長軸類元件，現有測溫方式（如單點熱電偶測溫）僅能反映局部溫度，無法實時監測元件全長范圍內的溫度分布，導致難以準確判斷整個工件是否達到均勻保溫狀態，進而影響組織轉變質量，造成元件力學性能不均。而在冷卻階段現有技術針對于軸類元件的冷卻方式主要包括油冷、水冷、空冷及等溫冷卻等，但現有冷卻設備普遍存在控溫精度低、冷卻均勻性差的問題。容易導致軸類元件的兩端與中部、表層與芯部冷卻速度差異較大，進而產生較大的內應力，引發工件彎曲、翹曲等變形等技術問題的出現。

3、書籍《真空熱處理技術》（王忠誠著，化學工業出版社，2015?年?10?月）的第三章真空熱處理設備的第3.3節中公開了真空淬火爐，但是其只是泛泛的公開了可以通過真空加熱爐進行加熱、保溫和淬火處理，但是沒有具體實施的細節。

4、中國發明專利公開文本cn114657362a公開了軸類工件真空局部熱處理裝置及方法，通過設置局部的加熱和冷卻部件實現對軸類元件進行局部的加熱和冷卻操作；但是該技術方案無法對整個軸類元件進行具體精確的控溫加熱和高效淬冷。

5、綜上所述，當前針對軸類元件的金屬熱處理技術，在升溫、保溫及冷卻三個核心階段均存在控溫精度不足、均勻性差、適應性弱等問題，難以滿足現代工業對高精度、高性能軸類元件的生產需求，因此，研發一種能夠實現軸類元件精準控溫的升溫、保溫及冷卻的金屬熱處理技術方案，成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現思路

1、本發明的目的在于提供一種金屬材料的高效熱處理方法及設備，能夠降低能源消耗，實現金屬工件的均勻熱處理，精確控制加熱和冷卻速度，提高金屬材料的性能和產品質量。

2、具體通過如下裝置設置和工藝流程實現：

3、一種多區精準控溫的熱處理設備；包括內爐體、外爐體、抽真空部件、加熱控溫部件、冷卻控溫部件、換熱部件、風機部件和噴霧冷卻部件。

4、所述內爐體整體設置于外爐體的內部，內爐體用于對熱處理工件進行承載、加熱、保溫和冷卻處理，包括內爐殼和內爐門。

5、所述外爐體用于對內爐體、換熱部件和風機部件進行承載，包括外爐殼和外爐門，且內爐門與外爐門相對且位置匹配。

6、所述抽真空部件用于對內爐體進行抽真空操作，包括真空管和真空泵，所述真空管的管口設置于內爐殼上。

7、所述加熱控溫部件包括輻射加熱部件、溫度監測部件和溫控部件，輻射加熱部件和溫度監測部件均設置于內爐殼內，輻射加熱部件用于對內爐體內的工件進行熱輻射加熱，溫度監測部件用于對工件的溫度進行實時檢測并將溫度結果傳送至溫控部件，溫控部件用于對輻射加熱部件進行控制實現對工件具體溫度的加熱；所述輻射加熱部件設置有三組，分別設置于內爐殼內的前段、中段和后段，溫控部件分別獨立對三組輻射加熱部件進行溫度控制；溫度監測部件也設置有三組，分別設置于內爐殼內的前段、中段和后段。

8、所述冷卻控溫部件包括氣體噴射管道；氣體噴射管道的噴射口設置于外爐殼上。

9、所述風機部件包括冷卻風機。

10、所述換熱部件包括入水口、出水口和換熱管，所述入水口設置于外爐殼的外底部，所述出水口設置于外爐殼的外頂部，換熱管設置于外爐殼內的入水口和出水口之間，且換熱管設置于冷卻風機和內爐體之間，換熱管設置于遠離內爐門一側的內爐體的外部。

11、所述噴霧冷卻部件包括噴霧噴頭，所述噴霧噴頭設置于內爐殼的內周部，且噴霧噴頭設置有多組，分別設置于內爐殼內的前段、中段和后段。

12、作為優選，所述冷卻控溫部件還包括高壓氣體儲罐和氣體流量控制閥，所述高壓氣體儲罐用于儲存高壓惰性氣體，氣體流量控制閥用于調節惰性氣體的流量和壓力，氣體噴射管道用于將高壓氣體儲罐內的高壓氣體引入至外爐體內；高壓氣體儲罐和氣體流量控制閥設置于外爐殼的外部，氣體噴射管道一端與高壓氣體儲罐連通，另一端通過噴射口與外爐殼內部連通，在氣體噴射管道上設置有所述氣體流量控制閥。

13、作為優選，所述噴霧冷卻部件還包括冷卻液儲罐、冷卻液輸送管和噴霧泵，所述冷卻液儲罐用于儲存冷卻液，冷卻液輸送管連通冷卻液儲罐與噴霧噴頭，在冷卻液輸送管上設置有噴霧泵，噴霧泵用于對冷卻液輸送管內的冷卻液施加壓力，噴霧噴頭用于對輸送來的冷卻液進行霧化后朝向工件進行噴射，實現噴霧冷卻。

14、作為優選，所述溫度監測部件為熱電偶。

15、作為優選，所述噴霧噴頭設置有三組。

16、作為優選，所述輻射加熱部件為石墨加熱管。

17、作為優選，熱處理設備還包括有控制裝置，控制裝置與抽真空部件、加熱控溫部件、冷卻控溫部件、換熱部件、風機部件和噴霧冷卻部件均電連接，用于控制整個熱處理過程。控制裝置能夠根據設置的熱處理工藝參數以及各傳感器傳送來的數據，自動調節各個部件的運行狀態，實現加熱速度、保溫時間、冷卻速度各參數的精確控制，并實時監測和顯示熱處理過程中的各項參數。

18、作為優選，所述加熱控溫部件還包括變壓器和功率調功器，變壓器和功率調功器與輻射加熱部件連接，用于提供輻射加熱所需的電能。通過控制裝置和功率調功器可以調節變壓器的功率，從而對通入輻射加熱部件內的電流進行調節，實現對加熱速度的精確控制。

19、一種軸類工件多區精準控溫的熱處理方法，包括如下步驟：

20、（1）預處理：將軸類工件進行清洗和脫脂處理。去除表面的油污和雜質，以保證熱處理效果。

21、（2）分區加熱：將預處理后的軸類工件橫置的送至熱處理設備的內爐體內，封閉內爐體，對內爐體進行抽真空，待內爐體內的真空度達到0.5~2pa后，同時分別向設置在內爐殼內的前段、中段和后段的三組輻射加熱部件通入電流，通過輻射加熱部件的熱輻射對軸類工件的前段、中段和后段分別進行真空輻射加熱，通過控制電流而控制加熱速度為≤10℃/min，加熱過程中，通過溫度監測部件分別對軸類工件的前段、中段和后段進行實時監測，當發現其中任何一段的加熱速度大于或小于設定的加熱速度后，則通過溫控部件調整該段的電流大小而對加熱熱量進行調整，使得該段的加熱速度滿足設定的加熱速度；待軸類工件的溫度升溫至1025~1035℃后停止加熱。

22、（3）保溫：在1025~1035℃的保溫溫度下保溫55~65min；通過溫度監測部件分別對軸類工件的前段、中段和后段進行實時的溫度監測，當監測到其中任意一段的溫度低于保溫下限閾值后，則通過溫控部件提高向該段設置的輻射加熱部件中通入的電流而對該段軸類工件進行補熱，當溫度監測部件監測到其中任意一端的溫度高于保溫上限閾值后，則降低向該段感應加熱線圈中通入的高頻交變電流，保持保溫溫度在保溫上限閾值和保溫下限閾值之間；保溫結束后破真空；其中保溫下限閾值為低于保溫溫度3℃，保溫上限閾值為高于保溫溫度3℃。

23、（4）淬冷：首先通過高壓惰性氣體對軸類工件進行循環淬冷，利用高壓惰性氣體的快速流動帶走工件表面的熱量，當通過溫度監測部件檢測到軸類工件的前段、中段和后段任意一段低于580~620℃后，則開啟該段的噴霧噴頭，通過噴霧噴頭將冷卻液噴射至軸類工件的該段，進行噴霧冷卻，當監測到軸類工件的任意一段溫度降至100~130℃后，停止該段噴霧冷卻，直至所有段的溫度降至100~130℃后，停止所有噴霧噴頭。

24、（5）將步驟（4）淬冷處理之后的軸類工件取出，得到淬火熱處理后的軸類工件。

25、作為優選，所述熱處理方法采用上述熱處理設備進行。

26、作為優選，在步驟（5）之后還包括如下步驟：

27、（6）回火處理：將步驟（5）取出的軸類工件置入到回火爐內，升溫至175~185℃后，保溫160~195min后，回火爐停止供熱，軸類工件出爐空冷至室溫，得到熱處理后的軸類工件。

28、作為優選，步驟（2）中，設置加熱的功率為140~160w（例如變壓器的功率）（頻率為pid控制），精確控制加熱速度。

29、作為優選，步驟（2）中所述加熱速度為3~10℃/min。

30、作為優選，步驟（4）中，高壓惰性氣體的壓力為1~3bar，惰性氣體流速為0.1~0.5m3/min。

31、通過控制高壓氣體的壓力和流量以及噴霧冷卻液的噴射量和噴射時間，精確控制冷卻速度，避免金屬工件在冷卻過程中產生裂紋或變形。

32、作為優選，步驟（4）中，所述冷卻液的噴射速度為0.05~0.15m3/min，噴射時間為6~12min。

33、作為優選，步驟（4）中，噴霧噴頭噴射的冷卻液在內爐殼內的前段和后段的霧化壓力為0.5~0.8mpa；在內爐殼內的中段處的霧化壓力為0.3~0.6mpa。

34、作為優選，內爐體內的前段長度為l1，中段長度為l2，后段長度為l3，滿足l1：l2：l3=（0.9~1.1）：（1.2~1.8）：（0.9~1.1）。

35、作為優選，所述軸類工件為4cr13鋼、3cr13?鋼、40cr13鋼、9cr18鋼、60crmo3-1或2cr13鋼?材質。

36、本發明所述軸類工件并不限定為直軸類工件，是指在長度方向上的尺寸明顯大于周向尺寸的工件。

37、本發明的技術效果在于：

38、1，本發明通過將?輻射加熱技術與?真空加熱環境?（通過消除氧化性氣體實現無污染加熱，避免金屬工件在加熱過程中的氧化和脫碳現象）的協同作用，更為主要的是結合?分段分區分別控溫技術手段?（針對軸類元件前段、中段、后段獨立配置石墨加熱管及閉環溫控系統），實現了在?加熱階段通過石墨加熱管的高效輻射加熱，使軸類元件表層快速升溫，加熱效率較傳統方式提升40%以上，更為重要的是將針對軸類元件的特點，進行分區單獨控溫進行分區加熱，當某一段監測到偏離升溫速度后，通過單獨調整該段電流而單獨對該段進行溫度調整，從而保證了各段均能穩定升溫；另外由于軸類元件的中段由于位置特點容易形成熱聚集，通過將該段的區域設置相對稍大，而兩端設置相對較小區域實現聚焦加熱，中間段與兩端連接位置實現梯度功率補償，從而使得整體全長溫度保持均勻，全長溫差≤5℃，避免了熱應力變形；同時在保溫處理階段，由于真空環境能夠有效抑制熱輻射損失，通過各分區石墨加熱管單獨結合實時測溫結果對三區石墨加熱管的電流獨立調控進行單獨補熱，實現了保溫階段整體工件溫度波動控制在±2℃以內。

39、2，本發明通過?高壓惰性氣體淬冷?與?噴霧化冷卻液復合冷卻技術?的協同作用，結合?分段分區噴霧冷卻策略?，實現了對軸類元件熱處理過程的精準控冷，在高壓惰性氣體淬冷階段?，通過高壓惰性氣體循環流動作為冷卻介質，配合通水的換熱管的位置設置以及冷卻風機的設置，將前次與軸類元件接觸換熱后的高壓惰性氣體通過與換熱管的接觸后重新循環至軸類元件處，通過氣體動力學原理形成高速氣流層，在工件表面形成均勻的冷卻邊界層，此階段利用氣體在高溫區的熱傳導系數較低的特性，實現相對緩慢的初始冷卻（冷卻速率控制在12~18℃/min左右，有效抑制了工件表層與心部的溫差，避免因過度急冷導致的內應力集中；而當工件溫度降至中溫區（如工件溫度約為600℃左右）時，啟動霧化冷卻系統進行?噴霧化冷卻液階段?，通過高壓噴嘴將冷卻液霧化為粒徑≤50μm的微液滴，利用噴至工件上的液滴在工件表面的蒸發吸熱效應實現快速冷卻（冷卻速率提升至45~55℃/min）。此階段通過調整霧化壓力（0.3~0.8mpa）以及三個區分別設置的環繞在工件四周的噴霧噴頭，確保冷卻液在軸類元件前段、中段、后段的覆蓋均勻性；同時針對軸類元件軸向熱容差異，采用三區獨立控冷策略，實現了在軸類元件的前段和后段（軸頸區）?采用高頻聚焦噴霧，通過設置兩端區域較小，噴霧相對集中而實現調整霧化壓力（0.5~0.8mpa）實現局部快速冷卻，補償該區域因結構復雜導致的散熱不均，而在?中段（軸身區）?采用均勻噴霧（該區域相對較大），通過控制霧化壓力（0.3~0.6mpa）通過環形噴嘴陣列確保冷卻液全周向覆蓋，維持冷卻速率的穩定性（波動≤±10%），使工件全長在淬冷過程中溫差≤5℃，避免因冷卻不均而導致的變形；同時通過高壓氣體與噴霧的分段協同作用，使工件表層與心部溫差控制在≤50℃，有效抑制裂紋萌生；并且通過冷卻速率精準調控使工件硬度分布均勻性（hv波動≤±15），顯著提升疲勞壽命和尺寸穩定性。

40、3.?本發明通過設置溫度監測部件，根據溫度檢測部件傳導來的實時工件溫度而對加熱階段和保溫階段感應加熱線圈的控制而實現補溫和控溫，在淬冷階段能夠根據實時工件溫度來調控噴嘴霧化壓力來進行精準調控，提高了生產效率和產品質量的穩定性。同時本發明將加熱、保溫、淬冷均設置在同一個裝置內，實現了結構緊湊，占地面積小，便于安裝和維護，適用于包括軸類元件在內的類似金屬材料的熱處理加工，具有廣泛的應用前景。