專利名稱：半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法及裝備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法及裝備，屬于金屬材料表面冶金技術(shù)及其設(shè)備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家每年由于金屬的腐蝕而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約占全年國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2～4％。因腐蝕導(dǎo)致失火、爆炸、橋梁坍塌、飛機(jī)墜毀、核反應(yīng)堆泄漏等重大事故時(shí)有發(fā)生，設(shè)備和管道因腐蝕而泄漏，使有毒有害物料進(jìn)入大氣、土壤和水源。國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬腐蝕一般采用兩種方法來(lái)防護(hù)，一種是使用整體耐蝕材料，例如不銹鋼，另一種是使用表面涂層技術(shù)。然而，不銹鋼材料中Ni、Cr元素占很大的比重，這些合金元素資源短缺、日益枯竭，導(dǎo)致不銹鋼材料的價(jià)格高昂。涂層技術(shù)也在鋼鐵的表面防護(hù)中得到廣泛應(yīng)用，例如電鍍與化學(xué)鍍，但涂層與基體的結(jié)合力牢固性不足，在承受載荷時(shí)常常出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。而涂敷作業(yè)也容易帶來(lái)環(huán)境污染問(wèn)題。為此，我們采用等離子表面冶金技術(shù)，在普通碳鋼鋼板表面制備Ni-Cr合金層，形成一種與不銹鋼板耐蝕性能相當(dāng)?shù)牡统杀镜入x子表面冶金鋼板。為實(shí)現(xiàn)其大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，必須發(fā)明專用生產(chǎn)裝備。
我國(guó)學(xué)者發(fā)明的“雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)”(US Patent 4520268、4731539)，該技術(shù)中在一真空容器中設(shè)置由欲滲合金元素制成的源極，工件為陰極，爐壁為陽(yáng)極；施加一定的偏壓后，源極與陰極之間產(chǎn)生輝光放電，由源極濺射出的金屬離子流轟擊金屬板帶表面，加熱工件，在工件表面沉積并滲入其內(nèi)部，形成具有特殊物理、化學(xué)和機(jī)械性能的表面合金層。由該技術(shù)獲得的表面合金層成分呈梯度分布，與基體之間沒(méi)有明顯的界線，因而具有充分可靠的結(jié)合強(qiáng)度。
徐重教授發(fā)明了雙層輝光離子滲金屬爐(ZL87104626.1)，該設(shè)備可用于小型零部件的生產(chǎn)，最大可處理的工件表面積為1m×1m，為雙層輝光離子滲金屬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了保證。對(duì)于表面積大于2m2的工件，現(xiàn)在還無(wú)法處理，限制了雙輝技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法及裝備，以實(shí)現(xiàn)大面積金屬板帶表面冶金的工業(yè)化生產(chǎn)。
一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法，其特征在于包括以下步驟(1)、將待處理工件輸送到預(yù)真空室進(jìn)行真空預(yù)熱；(2)、將經(jīng)過(guò)預(yù)熱的工件輸送到雙層輝光等離子表面冶金室，進(jìn)行等離子表面冶金處理，處理過(guò)程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)與工件之間均設(shè)有的間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行滅弧，其中間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米；(3)、將經(jīng)過(guò)表面冶金處理的工件輸送到冷卻室冷卻；(4)、上述第(1)步預(yù)熱工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷卻工序?yàn)檫B續(xù)作業(yè)形式。
一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備，其特征在于它按生產(chǎn)流程包括預(yù)真空室、雙層輝光等離子表面冶金室和冷卻室，以及工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中預(yù)真空室與雙層輝光等離子表面冶金室、雙層輝光等離子表面冶金室與冷卻室之間均設(shè)置有真空閘閥；雙層輝光等離子表面冶金室內(nèi)工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，該往復(fù)運(yùn)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)與工件之間均設(shè)置有間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)，間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米。
本方法中，工件在冶金室內(nèi)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以0.1-1mm/s的速度作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以保證大面積冶金處理工件表面成分的均勻性。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工件(陰極)之間設(shè)有間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)，可以用來(lái)阻止弧光放電(場(chǎng)致放電)，保證工件表面質(zhì)量。根據(jù)氣體放電理論，間隙寬度設(shè)為0.5-2.0毫米，間隙深度設(shè)為10-20毫米。同時(shí)，在雙層輝光等離子表面冶金室設(shè)置有隔熱裝置，保證溫度場(chǎng)的均勻性。以上措施保證了連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)。經(jīng)過(guò)計(jì)算本發(fā)明的裝備可年產(chǎn)4000-6000噸低成本等離子表面冶金耐蝕鋼板。等離子表面冶金耐蝕鋼板可部分取代不銹鋼板，大幅度降低應(yīng)用領(lǐng)域的使用成本，可滿足火電站、核電站、油氣開(kāi)采、煉油、化工、化肥、環(huán)保、汽車、交通運(yùn)輸、供水、輕工、醫(yī)藥以及航空、航天等部門(mén)對(duì)鋼板耐蝕性、安全性及環(huán)境保護(hù)的要求。


圖1雙層輝光等離子表面冶金室原理圖。
圖2本發(fā)明的三室式半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3本發(fā)明的二室式半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4等離子表面冶金耐蝕鋼板成分分布圖。
圖50.05mol/L H2SO4溶液中腐蝕性能測(cè)試結(jié)果。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1、脈沖滅弧電源，2、爐體，3、直流電源，4、隔熱屏，5、供氣系統(tǒng)，6、工件(陰極)，7、源極，8、真空系統(tǒng)，9、預(yù)真空室，10、雙層輝光等離子表面冶金室，11、冷卻室，12、真空閘閥，13、真空閘閥，14、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，15、工件，16、源極。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為等離子表面冶金的原理。真空容器中設(shè)有合金元素制成的源極7，工件6為陰極，爐壁2為陽(yáng)極。通過(guò)真空泵8將爐腔抽至一定真空度后，反充Ar至工作氣壓并維持，然后由兩個(gè)直流或脈沖電源1、3分別向源極和陰極施加負(fù)偏壓，在源極與陰極之間產(chǎn)生空心陰極輝光放電。為了保證溫度場(chǎng)的均勻性，爐內(nèi)設(shè)置了隔熱屏4，必要時(shí)還可增加電加熱元件。源極中濺射出來(lái)的合金原子在工件表面吸附、擴(kuò)散，從而在工件表面形成所需的合金層。
如圖2所示，為本發(fā)明的三室式半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備的組成。它由預(yù)真空室9、雙層輝光等離子表面冶金室10和冷卻室11組成，預(yù)真空室與雙層輝光等離子表面冶金室之間設(shè)有真空閘閥12，雙層輝光等離子表面冶金室與冷卻室之間設(shè)有真空閘閥13。
預(yù)真空室9內(nèi)設(shè)有一路小排氣量機(jī)械真空泵，以保證1.33-1333Pa的工作氣壓。還設(shè)有工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。預(yù)真空室設(shè)有外加熱源和供氣、排氣系統(tǒng)，可對(duì)工件進(jìn)行真空或氣氛保護(hù)加熱。
參考圖1所示，冶金室10設(shè)置有脈沖滅弧電源1、直流電源3、隔熱屏4、供氣系統(tǒng)5、工件(陰極)6、源極7、真空系統(tǒng)8。其中真空系統(tǒng)設(shè)有兩條分路。其中主分路系機(jī)械增壓泵機(jī)組，以保證爐子的極限真空度達(dá)到1.33-6.65Pa，另一分路是采用小排氣量機(jī)械泵，以保證1.33-1333Pa的工作氣壓。冶金室10內(nèi)也設(shè)有工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且它可以實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
冷卻室11設(shè)有工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，還設(shè)有一路小排氣量機(jī)械真空泵，以保證1.33-1333Pa的工作氣壓。冷卻室設(shè)有供氣、排氣系統(tǒng)，可對(duì)工件進(jìn)行氣氛保護(hù)降溫。
三室結(jié)構(gòu)的工作原理為將工件(金屬板)裝入預(yù)真空室，通過(guò)輔助熱源預(yù)熱工件到規(guī)定溫度；打開(kāi)真空閥，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件送入表面冶金室進(jìn)行表面合金化處理，預(yù)真空室重新裝料；合金化處理完畢后，打開(kāi)表面冶金室與冷卻室之間的真空閥，將工件送到冷卻室冷卻；重復(fù)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)。
下面結(jié)合圖2說(shuō)明利用本發(fā)明進(jìn)行連續(xù)式大面積金屬板材等離子表面冶金生產(chǎn)的方法。采用本專用裝備進(jìn)行金屬板材表面冶金處理的操作過(guò)程如下(1)、將待處理工件輸送到預(yù)真空室進(jìn)行真空預(yù)熱；(2)、將經(jīng)過(guò)預(yù)熱的工件輸送到雙層輝光等離子表面冶金室進(jìn)行處理，處理過(guò)程中使工件在雙層輝光等離子表面冶金室內(nèi)以0.1-1mm/s的速度作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)與工件之間均設(shè)有的間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行滅弧，其中間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米；(3)、將經(jīng)過(guò)表面冶金處理的工件輸送到冷卻室冷卻；(4)上述第(1)步預(yù)熱工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷卻工序?yàn)檫B續(xù)作業(yè)形式。
通過(guò)改變?cè)礃O材料和工藝參數(shù)，以上方法可以用來(lái)在鋼板表面進(jìn)行耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等合金層的制備，具有廣泛的適用面。比如工件為Q235鋼板；源極為Ni80-Cr20合金板源極電壓900-1100V，工件電壓400-700V，工作氣壓30-80Pa，工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度0.1-1mm/s，時(shí)間1-6小時(shí)，溫度800-1100℃，可以制備耐蝕合金層。比如工件為45鋼板；源極為W50-Mo50合金板源極電壓900-1200V，工件電壓400-700V，工作氣壓30-80Pa，工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度0.1-1mm/s，時(shí)間1-6小時(shí)，溫度800-1150℃，可以制備耐磨合金層等。
以下為在普通碳鋼鋼板表面制備Ni-Cr耐蝕合金層的一個(gè)具體實(shí)施例。
1、工件為Q235鋼板；源極為Ni80-Cr20合金板源極電壓1000V，工件電壓600V，工作氣壓45Pa，工件往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度0.5mm。
2、將金屬板材進(jìn)行酸洗并活化處理后裝入預(yù)真空室9，抽真空到10Pa以下，打開(kāi)熱源，預(yù)熱工件(普通碳鋼鋼板)到800-1100℃。雙層輝光等離子表面冶金室抽真空到1Pa以下極限真空度。
3、打開(kāi)預(yù)真空室9與表面冶金室10之間的真空閘閥12，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件送入表面冶金室10。關(guān)閉閘閥12，打開(kāi)預(yù)真空室9的爐門(mén)，裝入新的工件。
4、雙層輝光等離子表面冶金室10中，充少Ar氣，使真空度降至10-20Pa，施加陰極偏壓100～300V，用等離子體轟擊清洗工件。
5、加大Ar流量，使工作氣壓升至20～80Pa，施加源極偏壓1000V，開(kāi)始合金化進(jìn)程。調(diào)節(jié)源極與陰極電流密度使金屬板材與源極之間產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，源極濺射加強(qiáng)。升高陰極電壓到600V，使工件溫度上升并維持在1100℃。維持各工藝參數(shù)并根據(jù)工藝要求時(shí)間進(jìn)行保溫時(shí)間(根據(jù)工藝要求一般為1-5小時(shí))。
6、保溫結(jié)束后打開(kāi)冶金室與冷卻室真空閘閥，將工件送入冷卻室真空冷卻。同時(shí)打開(kāi)預(yù)熱室與表面冶金室之間的真空閘閥，將新工件送入表面冶金室，重復(fù)步驟3-4。
7、工件在真空冷卻室冷卻到200℃以下后，關(guān)閉冷卻室真空系統(tǒng)并將金屬板材取出。
8、重復(fù)1-6實(shí)現(xiàn)半連續(xù)式生產(chǎn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及比較分析Q235鋼板表面制備Ni-Cr耐蝕合金層，源極采用鎳鉻合金板材制成，在1000～1100℃下處理2小時(shí)，Ni-Cr合金層的厚度可以達(dá)到50μm，表面成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Ni50～60％，Cr15～20％，滲層內(nèi)合金元素濃度由表及里逐漸降低，與基體冶金結(jié)合。鋼板截面的成分分布見(jiàn)圖4，與1Cr18Ni9Ti不銹鋼的耐腐蝕性能對(duì)比如圖5，證明本技術(shù)生產(chǎn)的低成本耐蝕鋼板其耐腐蝕性能超過(guò)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼。
為降低設(shè)備成本，適應(yīng)小場(chǎng)房作業(yè)，可將三室結(jié)構(gòu)中的預(yù)真空室與冷卻室合并，簡(jiǎn)化成二室結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)，的原理為將工件(金屬板)裝入預(yù)真空室，通過(guò)輔助熱源預(yù)熱工件到規(guī)定溫度；打開(kāi)真空閥，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件送入表面冶金室進(jìn)行表面合金化處理，預(yù)真空室重新裝料；合金化處理完畢后，打開(kāi)表面冶金室與冷卻室之間的真空閥，將工件送到冷卻室冷卻；重復(fù)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法，其特征在于包括以下步驟(1)、將待處理工件輸送到預(yù)真空室進(jìn)行真空預(yù)熱；(2)、將經(jīng)過(guò)預(yù)熱的工件輸送到雙層輝光等離子表面冶金室，進(jìn)行等離子表面冶金處理，處理過(guò)程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)利用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩側(cè)與工件之間均設(shè)有的間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行滅弧，其中間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米；(3)、將經(jīng)過(guò)表面冶金處理的工件輸送到冷卻室冷卻；(4)、上述第(1)步預(yù)熱工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷卻工序?yàn)檫B續(xù)作業(yè)形式。
2.一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備，其特征在于它按生產(chǎn)流程包括預(yù)真空室(1)、雙層輝光等離子表面冶金室(2)和冷卻室(3)，以及工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；其中預(yù)真空室(1)與雙層輝光等離子表面冶金室(2)、雙層輝光等離子表面冶金室(2)與冷卻室(3)之間均設(shè)置有真空閘閥；雙層輝光等離子表面冶金室(2)內(nèi)工件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)，該往復(fù)運(yùn)動(dòng)式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(14)兩側(cè)與工件之間均設(shè)置有間隙保護(hù)結(jié)構(gòu)，間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)裝備，其特征在于所述的真空室(1)和冷卻室(3)合為一體。
全文摘要
一種半連續(xù)式等離子表面冶金板材批量生產(chǎn)方法及裝備，屬于金屬材料表面冶金技術(shù)及其設(shè)備領(lǐng)域。將工件(金屬板材)裝入預(yù)真空室，通過(guò)輔助熱源預(yù)熱工件到規(guī)定溫度；通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將工件送入表面冶金室進(jìn)行表面合金化處理，工件以0.1－1mm/s的速度作水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，保證了大面積生產(chǎn)中板材表面成分及厚度的均勻性。預(yù)真空室重新裝料；合金化處理完畢后，將工件送到冷卻室冷卻；重復(fù)此過(guò)程，實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)。該方法及裝置能夠?qū)崿F(xiàn)大面積金屬板帶表面冶金的工業(yè)化生產(chǎn)要求。如在普通碳鋼板材表面制備Nr－Cr冶金層，與不銹鋼有同等耐腐蝕性能，可部分代替不銹鋼板材。
文檔編號(hào)C23C4/00GK101070587SQ20071002360
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月12日
發(fā)明者張平則, 徐重, 姚正軍, 繆強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)