半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備的製作方法

2023-06-08 10:51:46 1

專利名稱：半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備的製作方法
技術領域：
半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備技術領域一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，屬於金屬材料表面冶金技術領域。 技術背景工業發達國家每年由於金屬的腐蝕而造成的直接經濟損失約佔全年國民經濟總產值的 2~4%。因腐蝕導致失火、爆炸、橋梁坍塌、飛機墜毀、核反應堆洩漏等重大事故時有發生， 設備和管道因腐蝕而洩漏，使有毒有害物料進入大氣、土壤和水源。國內外對於金屬腐t蟲一 般採用兩種方法來防護， 一種是使用整體耐蝕材料，例如不鏽鋼，另一種是使用表面塗層技 術。然而，不鏽鋼材料中Ni、 Cr元素佔很大的比重，這些合金元素資源短缺、日益枯竭，導 致不鏽鋼材料的價格高昂。塗層技術也在鋼鐵的表面防護中得到廣泛應用，例如電鍍與化學 鍍，但塗層與基體的結合力牢固性不足，在承受載荷時常常出現剝離現象。而塗敷作業也容 易帶來環境汙染問題。為此，我們採用等離子表面冶金技術，在普通碳鋼鋼板表面製備Ni-Cr 合金層，形成一種與不鏽鋼板耐蝕性能相當的低成本等離子表面冶金鋼板。為實現其大規模 工業生產，必須發明專用生產裝備。我國學者發明的"雙層輝光等離子表面冶金技術"(US Patent 4520268、 4731539)，該技 術中在一真空容器中設置由欲滲合金元素製成的源極，工件為陰極，爐壁為陽極；施加一定 的偏壓後，源極與陰極之間產生輝光放電，由源極濺射出的金屬離子流轟擊金屬板帶表面， 加熱工件，在工件表面沉積並滲入其內部，形成具有特殊物理、化學和機械性能的表面合金 層。由該技術獲得的表面合金層成分呈梯度分布，與基體之間沒有明顯的界線，因而具有充 分可靠的結合強度。徐重教授發明了雙層輝光離子滲金屬爐(ZL87104626.1)，該設備可用於小型零部件的生 產，最大可處理的工件表面積為lmXlm，為雙層輝光離子滲金屬技術的實際應用提供了保證。 對於表面積大於2r^的工件，現在還無法處理，限制了雙輝技術的大規模工業應用。 發明內容本發明的目的在於提供一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，以實現大面積 金屬板帶表面冶金的工業化生產。一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，其特徵在於它按生產流程包括預真 空室、雙層輝光等離子表面冶金室和冷卻室，以及工件傳動機構；其中預真空室與雙層輝光 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置有真空閘閥；雙層輝光 等離子表面冶金室內工件傳動機構為往復運動式傳動機構，該往復運動式傳動機構兩側與工 件之間均設置有間隙保護結構，間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米。本實用新型中，工件在冶金室內通過傳動機構以0.1-lmm/s的速度作水平往復運動，可 以保證大面積冶金處理工件表面成分的均勻性。傳動機構與工件(陰極)之間設有間隙《呆護 結構，可以用來阻止弧光放電(場致放電)，保證工件表面質量。根據氣體放電理論，間隙寬 度設為0.5-2.0毫米，間隙深度設為10-20毫米。同時，在雙層輝光等離子表面冶金室設置有 隔熱裝置，保證溫度場的均勻性。以上措施保證了連續穩定的生產。經過計算本發明的裝備 可年產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 不鏽鋼板，大幅度降低應用領域的使用成本，可滿足火電站、核電站、油氣開採、煉油、化 工、化肥、環保、汽車、交通運輸、供水、輕工、醫藥以及航空、航天等部門對鋼板耐蝕性、 安全性及環境保護的要求。


圖l:雙層輝光等離子表面冶金室原理圖。圖2:本發明的三室式半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備結構示意圖。 圖3:本發明的二室式半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備結構示意圖。 圖4:等離子表面冶金耐蝕鋼板成分分布圖。圖5: 0.05mol/LH2S04溶液中腐蝕性能測試結果。圖中標號名稱1、脈衝滅弧電源，2、爐體，3、直流電源，4、隔熱屏，5、供氣系統， 6、工件(陰極)，7、源極，8、真空系統，9、預真空室，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、傳動機構，15、工件，16、源極。
具體實施方式
如圖l所示，為等離子表面冶金的原理。真空容器中設有合金元素製成的源極7，工件6 為陰極，爐壁2為陽極。通過真空泵8將爐腔抽至一定真空度後，反充Ar至工作氣壓並維持， 然後由兩個直流或脈衝電源1、 3分別向源極和陰極施加負偏壓，在源極與陰極之間產生空心 陰極輝光放電。為了保證溫度場的均勻性，爐內設置了隔熱屏4，必要時還可增加電加熱元 件。源極中濺射出來的合金原子在工件表面吸附、擴散，從而在工件表面形成所需的合金層。如圖2所示，為本發明的三室式半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備的組成。它 由預真空室9、雙層輝光等離子表面冶金室IO和冷卻室11組成，預真空室與雙層輝光等離 子表面冶金室之間設有真空閘閥12，雙層輝光等離子表面冶金室與冷卻室之間設有真空閘閥 13。預真空室9內設有一路小排氣量機械真空泵，以保證1.33-1333Pa的工作氣壓。還設有工 件傳動機構。預真空室設有外加熱源和供氣、排氣系統，可對工件進行真空或氣氛保護加熱。參考圖I所示，冶金室10設置有脈衝滅弧電源1、直流電源3、隔熱屏4、供氣系統5、 工件(陰極)6、源極7、真空系統8。其中真空系統設有兩條分路。其中主分路系機械增壓 泵機組，以保證爐子的極限真空度達到1.33-6.65Pa，另一分路是採用小排氣量機械泵，以保 證1.33-1333Pa的工作氣壓.。冶金室10內也設有工件傳動機構，並且它可以實現水平往復運 動。冷卻室11設有工件傳動機構，還設有一路小排氣量機械真空泵，以保證1.33-1333Pa的 工作氣壓。冷卻室設有供氣、排氣系統，可對工件進行氣氛保護降溫。三室結構的工作原理為將工件(金屬板)裝入預真空室，通過輔助熱源預熱工件到規 定溫度；打開真空閥，通過傳動機構將工件送入表面冶金室進行表面合金化處理，預真空室重新裝料；合金化處理完畢後，打開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；重複此過程，實現半連續化生產。下面結合圖2說明利用本發明進行連續式大面積金屬板材等離子表面冶金生產的方法。採用本專用裝備進行金屬板材表面冶金處理的操作過程如下(1) 、將待處理工件輸送到預真空室進行真空預熱；(2) 、將經過預熱的工件輸送到雙層輝光等離子表面冶金室進行處理，處理過程中使工件 在雙層輝光等離子表面冶金室內以0.1-lmm/s的速度作水平往復運動；同時利用傳動禾幾構 兩側與工件之間均設有的間隙保護結構進行滅弧，其中間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深 度為10-20毫米；(3) 、將經過表面冶金處理的工件輸送到冷卻室冷卻；(4) 上述第(1)步預熱工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷卻工序為連續作 業形式。通過改變源極材料和工藝參數，以上方法可以用來在鋼板表面進行耐磨、耐蝕、抗高 溫氧化等合金層的製備，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，工件往復運動速度 0.1-lmm/s，時間l-6小時，溫度800-1100°C，可以製備耐蝕合金層。比如工件為45鋼板； 源極為W50-Mo50合金板源極電壓卯0-1200V，工件電壓400-700V，工作氣壓30-80Pa， 工件往復運動速度0.1-lmm/s，時間l-6小時，溫度800-1150°C，可以製備耐磨合金層等。 以下為在普通碳鋼鋼板表面製備Ni-Cr耐蝕合金層的一個具體實施例。 1、工件為Q235鋼板；源極為Ni80-Cr20合金板源極電壓IOOOV，工件電壓600V， 工作氣壓45Pa,工件往復運動速度0.5mm。2、 將金屬板材進行酸洗並活化處理後裝入預真空室9，抽真空到10Pa以下，打開熱源， 預熱工件(普通碳鋼鋼板)到800-110(TC。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、 打開預真空室9與表面冶金室10之間的真空閘閥12，通過傳動機構將工件送入表 面冶金室IO。關閉閘閥12，打開預真空室9的爐門，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IOOOV，開始合金化進程。 調節源極與陰極電流密度使金屬板材與源極之間產生空心陰極效應，源極濺射加強。升高陰 極電壓到600V，使工件溫度上升並維持在110(TC。維持各工藝參數並根據工藝要求時間進行保溫時間(根據工藝要求一般為1-5小時)。6、 保溫結束後打開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t丁開 預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，重複步驟3-4。7、 工件在真空冷卻室冷卻到200'C以下後，關閉冷卻室真空系統並將金屬板材取出。8、 重複l-6實現半連續式生產。實驗結果及比較分析Q235鋼板表面製備Ni-Cr耐蝕合金層，源極採用鎳鉻合金板^"制 成，在1000 110(TC下處理2小時，Ni-Cr合金層的厚度可以達到50^n，表面成分(質量分 數)為Ni50~60%， Crl5~20%，滲層內合金元素濃度由表及裡逐漸降低，與基體冶金結合。 鋼板截面的成分分布見圖4，與1Crl8Ni9Ti不鏽鋼的耐腐蝕性能對比如圖5，證明本技術生 產的低成本耐蝕鋼板其耐腐蝕性能超過1Crl8Ni9Ti奧氏體不鏽鋼。為降低設備成本，適應小場房作業，可將三室結構中的預真空室與冷卻室合併，簡^^成 二室結構(見圖3)，的原理為將工件(金屬板)裝入預真空室，通過輔助熱源預熱工ft^到 規定溫度；打開真空閥，通過傳動機構將工件送入表面冶金室進行表面合金化處理，預真空 室重新裝料；合金化處理完畢後，打開表面冶金室與冷卻室之間的真空閱，將工件送到^^卻 室冷卻；重複此過程，實現半連續化生產。
權利要求1、一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，其特徵在於它按生產流程包括預真空室(1)、雙層輝光等離子表面冶金室(2)和冷卻室(3)，以及工件傳動機構；其中預真空室(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)之間均設置有真空閘閥；雙層輝光等離子表面冶金室(2)內工件傳動機構為往復運動式傳動機構(14)，該往復運動式傳動機構(14)兩側與工件之間均設置有間隙保護結構，間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米。
2、根據權利要求l所述的半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，其特徵在於^f述 的真空室(1)和冷卻室(3)合為一體。
專利摘要一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，屬於金屬表面冶金領域。它按生產流程包括預真空室(1)、雙層輝光等離子表面冶金室(2)和冷卻室(3)，以及工件傳動機構；其中預真空室(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)之間均設置有真空閘閥；雙層輝光等離子表面冶金室(2)內工件傳動機構為往復運動式傳動機構(14)，該往復運動式傳動機構(14)兩側與工件之間均設置有間隙保護結構，間隙寬度為0.5-2.0毫米，間隙深度為10-20毫米。該裝置能夠實現大面積金屬板帶表面冶金的工業化生產要求。
文檔編號C23C4/00GK201043189SQ20072003954
公開日2008年4月2日 申請日期2007年6月12日 優先權日2007年6月12日
發明者姚正軍, 張平則, 重 徐, 強 繆 申請人:南京航空航天大學