專利名稱：交流電場增強(qiáng)粉末法滲鋁的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬零件表面化學(xué)熱處理的方法與裝置，特指一種用于金屬零件表面強(qiáng)化、提高其耐腐蝕性、抗高溫氧化性能與抗?jié)B碳性能的交流電場加速粉末法滲鋁的方法與裝置。
背景技術(shù)：
將鋁元素滲入金屬工件表層形成滲鋁層的化學(xué)熱處理工藝稱為滲鋁。滲鋁層具有很高的抗高溫氧化、抗?jié)B碳、抗大氣腐蝕等耐腐蝕性能?，F(xiàn)用材料制造的零部件經(jīng)過滲鋁處理，其在高溫氧化腐蝕環(huán)境下的使用壽命大幅度提高；通過滲鋁處理，還可以采用價格低廉的碳鋼、低合金鋼代替昂貴的不銹鋼來制作一些耐蝕零部件，在滿足性能的前提下，降低生產(chǎn)成本。所以滲鋁在石油化工、石油開采、航空高溫部件以及公路輔助設(shè)施(如護(hù)欄)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。滲鋁方法可分為固體粉末滲鋁法、熱浸滲鋁法、噴涂滲鋁法、電泳沉積法和氣相沉積滲鋁法等。目前最常用的滲鋁方法為固體粉末法滲鋁(簡稱粉末法滲鋁)。根據(jù)零件性能要求及零件材質(zhì)的不同，一般是在900 1100°C之間進(jìn)行的高溫滲鋁，常用保溫時間6 10 小時不等，獲得幾十至幾百微米厚度的滲鋁層。現(xiàn)行的粉末滲鋁中活性鋁原子的產(chǎn)生是由滲劑的熱分解、相互反應(yīng)而來，產(chǎn)生活性鋁原子的效率較低，其濃度隨滲鋁溫度的提高而提高，但高溫長時間滲鋁不僅能耗高，還會使零件基體材料組織粗化，降低零件基體材料的機(jī)械性能；在一定范圍內(nèi)，增加滲劑中供鋁劑和活化劑、催滲劑含量也可增加活性鋁原子，提高滲速，但一些活化劑、催滲劑價格較昂貴，有些則會在滲鋁過程中產(chǎn)生腐蝕等副作用。在以鋁鐵粉為供鋁劑時，滲鋁層均勻，但鋁鐵粉用量大，在滲劑中的含量一般高達(dá)60%以上， 并且利用率不高。因此現(xiàn)行工藝存在處理溫度高、處理時間長、能耗大、成本高等不足之處。專利申請文獻(xiàn)200810018925. 3公開了一種直流電場加速固體粉末滲鋁的方法。 該方法是在粉末滲劑中以被滲鋁零件作為負(fù)極，以與欲滲鋁面形狀相仿的仿形板狀電極為正極，通過在正、負(fù)極間施加直流電場來強(qiáng)化粉末法滲鋁過程。對于外形復(fù)雜的滲鋁件，要獲得均勻滲層，須制作相應(yīng)復(fù)雜形狀的仿形板狀電極作為正極，增加了工藝復(fù)雜性；對于大型滲鋁件，還需要配套較大功率的直流電源。因此需要進(jìn)一步研究發(fā)明簡便易行、成本低廉的設(shè)備與工藝強(qiáng)化粉末法滲鋁，縮短滲鋁時間，降低滲鋁溫度，提高供鋁劑的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)行粉末法滲鋁工藝存在的上述問題，本發(fā)明通過在粉末滲鋁劑中施加適當(dāng)?shù)慕涣麟妶觯媒涣麟妶龅奈锢碜饔?，極大地促進(jìn)粉末滲劑中供鋁劑的分解、強(qiáng)化滲劑間的化學(xué)反應(yīng)，高效率提供活性鋁原子，增加活性鋁原子的濃度與活性，大幅度提高供鋁劑的利用率，增加被滲工件表層鋁的擴(kuò)散通道，可加快滲速，顯著降低滲鋁溫度，減少零件變形， 避免或減少基材組織的損傷，防止基體機(jī)械性能的降低，減少滲劑中供鋁劑、活化劑的含量。該法與現(xiàn)行粉末法滲鋁相比，在650 950°C范圍的不同溫度，滲速至少可提高0. 5 3倍不等(具體與被滲鋁材料的成分、滲鋁工藝參數(shù)等因素有關(guān))，供鋁劑的用量可減少50% 以上，供鋁劑的利用率提高1倍以上。本發(fā)明所述工作方法，其特征為在由供鋁劑、活化劑、催滲劑、填充劑組成的固體粉末滲鋁劑中放置兩個平行的平板電極，兩極通過導(dǎo)線分別聯(lián)接在一個電壓在0 250 伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上，待處理工件置于兩極之間，工件兩側(cè)分別距離電極 10 100mm，平板電極和零件與滲鋁劑一起密封在滲箱中，將滲箱置于箱式爐中加熱，溫度范圍為650 1050°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在兩極間加上0 250伏之間的50Hz交流電壓。本發(fā)明所述裝置，其特征在于由置于固體粉末滲鋁劑中的兩個平行的平板電極、 盛放固體粉末滲鋁劑、電極與工件的滲箱、電壓在0 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源系統(tǒng)構(gòu)成，交流電源兩極分別連接兩個平板電極，欲滲鋁零件置于兩個平板電極之間。本發(fā)明中所用平板電極厚度范圍0. 2 10mm，采用熔點(diǎn)在1200°C以上的金屬材料制作。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于克服了常規(guī)粉末法滲鋁單純依賴滲劑受熱分解、相互間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生活性鋁原子而造成的一系列不足，利用交流電場的物理作用促進(jìn)滲劑的分解與滲劑間的化學(xué)反應(yīng)，提高反應(yīng)速率與效率，大幅度增加活性鋁原子的濃度與活性，增加被滲工件表層的擴(kuò)散通道，從而提高供鋁劑的利用率，加快滲速，降低滲鋁溫度，獲得厚度均勻的滲鋁層。所以具有如下有益效果1)采用與現(xiàn)行常規(guī)粉末法滲鋁相同的滲劑、溫度和保溫時間時，供鋁劑的利用率提高一倍以上，滲速至少可提高0. 5 3倍不等；欲達(dá)到現(xiàn)行常規(guī)滲鋁層厚度，供鋁劑的用量可以減少50%以上，或保溫時間縮短30%，或處理溫度降低100°C以上，從而節(jié)約能源， 降低生產(chǎn)成本；2)相對于現(xiàn)有其他滲鋁技術(shù)，本發(fā)明裝置簡潔、工藝操作方便。


附圖1為交流電場加速粉末法滲鋁裝置示意圖。1)滲箱蓋，2)耐火泥密封，3)滲箱，4)導(dǎo)電引線，5)粉末滲鋁劑，6)板狀電極，7) 欲滲鋁零件，8)板狀電極，9)電壓連續(xù)可調(diào)交流電源系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明裝置的示意圖如附圖1所示。下面為本發(fā)明的具體實(shí)施例實(shí)施例1被滲材料HP-40Nb奧氏體型耐熱鋼；滲鋁劑構(gòu)成供鋁劑(鋁鐵，含量35% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5%、氯化氨4%)、填充劑(碳化硅，余量)。在上述物質(zhì)組成的固體粉末滲鋁劑(5)中平行放置兩個板狀電極(6)、(8)，被滲試樣(7)和兩側(cè)電極(6)、(8)間距離15mm，兩電極(6)、(8)分別聯(lián)接在一個電壓在0 250伏范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源系統(tǒng)(9)上，電極(6)、(8)和被滲試樣(7)與粉末滲鋁劑(5) —起由耐火泥密封料(2)密封在帶滲箱蓋(1)的滲箱(3)中，將滲箱置于箱式爐中加熱，滲鋁溫度800°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在兩極間加上50伏的50Hz交流電壓，保溫時間4小時。
試驗(yàn)結(jié)果HP_40Nb奧氏體型耐熱鋼獲得52 μ m的滲鋁層，而采用同樣配方滲劑， 采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末滲鋁工藝方法，同樣經(jīng)800°C X 4小時滲鋁，滲鋁層厚度只有約15 μ m。實(shí)施例2被滲材料HP_40Nb奧氏體型耐熱鋼；滲鋁劑構(gòu)成供鋁劑(鋁鐵，含量40% )、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀5%、氯化氨3% )、填充劑(碳化硅，余量)。滲鋁方法及裝置同實(shí)施例1，滲鋁溫度700°C，滲鋁時間4小時，被滲試樣和兩側(cè)板狀電極間距離15mm，在板狀電極間施加50伏特的50Hz交流電場。試驗(yàn)結(jié)果HP_40Nb奧氏體型耐熱鋼獲得40 μ m的滲鋁層；而以同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末滲鋁工藝方法，同樣經(jīng)700°C X4小時滲鋁，基本無滲層形成，經(jīng)900°C X4小時滲鋁，滲鋁層厚度也只有 25 μ m。實(shí)施例3被滲材料12CrlM0V鋼；滲鋁劑構(gòu)成供鋁劑(鋁鐵，含量30% )、活化劑和催滲劑 (氟硼酸鉀5%，氯化銨2% )、填充劑(碳化硅，余量)。滲鋁方法及裝置同實(shí)施例1，滲鋁溫度700°C，滲鋁時間4小時。被滲試樣和兩側(cè)板狀電極間距離10mm，在板狀電極間施加30伏的50Hz交流電場。試驗(yàn)結(jié)果12CrlMoV鋼獲得30 μ m的滲鋁層；而以同樣配方滲劑，采用現(xiàn)有的常規(guī)粉末滲鋁工藝方法，同樣經(jīng)4小時700 V滲鋁，僅形成4 μ m厚度滲鋁層。
權(quán)利要求
1.交流電場加速粉末法滲鋁的方法與裝置，其特征是在由供鋁劑、活化劑、催滲劑和填充劑組成的固體粉末滲鋁劑中放置兩個平行的板狀電極，兩極分別由導(dǎo)線聯(lián)接在一個電壓在O 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上，欲處理零件放置在兩電極之間，零件兩側(cè)分別距離電極10 100mm，板狀電極和零件與滲鋁劑一起密封在滲箱中，將滲箱置于熱處理爐中加熱，溫度范圍為650 1050°C，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在兩極間加上0 250伏之間的交流電壓。
2.實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的的交流電場加速固體粉末滲鋁的裝置，其特征在于由置于粉末滲鋁劑中的兩個平行板狀電極(6) (8)、放置欲滲鋁零件(7)、電極(6) (8)、滲鋁劑(5)的滲箱(3)及其箱蓋(1)與密封(2)、電壓在0 250伏特范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源系統(tǒng)(9)構(gòu)成，交流電源兩極分別由導(dǎo)線⑷連接兩個電極(6) (S)0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流電場加速固體粉末滲鋁的裝置，其特征在于所述板狀電極材料厚度范圍為0. 2 10mm，采用熔點(diǎn)在1200°C以上的金屬材料制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的交流電場增強(qiáng)粉末法滲鋁的裝置，其特征在于板狀電極與欲滲鋁零件之間的距離為10 100mm。
全文摘要
本發(fā)明為一種用于提高金屬零部件抗氧化及抗?jié)B碳能力的交流電場加速粉末法滲鋁的方法與裝置，其采取在粉末滲鋁劑中放置兩個平行的板狀電極，兩電極分別由導(dǎo)線聯(lián)接在一個電壓在0～250伏范圍連續(xù)可調(diào)的50Hz交流電源上，被處理零件位于兩電極之間，電極和零件與滲鋁劑一起密封在滲箱中，置于熱處理爐中加熱，當(dāng)爐溫到設(shè)定值后，在兩極間施加適當(dāng)交流電壓，即可實(shí)現(xiàn)零件的快速滲鋁。該法與現(xiàn)行方法相比，在650～1050℃范圍的不同溫度，滲速至少可提高0.5～3倍。因此，該方法與裝置可提高金屬零件的粉末法滲鋁速度、提高滲鋁劑的利用率、降低滲鋁溫度、減少零件變形。
文檔編號C23C10/48GK102154618SQ20111006966
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者孫力, 潘建偉, 謝飛 申請人:常州大學(xué)