專利名稱：半連續式等離子表面冶金板材批量生產方法及裝備的制作方法
技術領域：
一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產方法及裝備，屬于金屬材料表面冶金技術及其設備領域。
背景技術：
工業發達國家每年由于金屬的腐蝕而造成的直接經濟損失約占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、核反應堆泄漏等重大事故時有發生，設備和管道因腐蝕而泄漏，使有毒有害物料進入大氣、土壤和水源。國內外對于金屬腐蝕一般采用兩種方法來防護，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。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，導致不銹鋼材料的價格高昂。涂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，但涂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。而涂敷作業也容易帶來環境污染問題。為此，我們采用等離子表面冶金技術，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制成的源極，工件為陰極，爐壁為陽極；施加一定的偏壓后，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，在工件表面沉積并滲入其內部，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)，該設備可用于小型零部件的生產，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的實際應用提供了保證。對于表面積大于2m2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
本發明的目的在于提供一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產方法及裝備，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方法，其特征在于包括以下步驟(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，進行等離子表面冶金處理，處理過程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往復運動；同時利用傳動機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。
一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，其特征在于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。
本方法中，工件在冶金室內通過傳動機構以0.1-1mm/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)之間設有間隙保護結構，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銹鋼板，大幅度降低應用領域的使用成本，可滿足火電站、核電站、油氣開采、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1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50.05mol/L H2SO4溶液中腐蝕性能測試結果。
圖中標號名稱1、脈沖滅弧電源，2、爐體，3、直流電源，4、隔熱屏，5、供氣系統，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。真空容器中設有合金元素制成的源極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后，反充Ar至工作氣壓并維持，然后由兩個直流或脈沖電源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10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1所示，冶金室10設置有脈沖滅弧電源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，另一分路是采用小排氣量機械泵，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，并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；合金化處理完畢后，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；重復此過程，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。采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0.1-1mm/s的速度作水平往復運動；同時利用傳動機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，工件往復運動速度0.1-1mm/s，時間1-6小時，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，工件往復運動速度0.1-1mm/s，時間1-6小時，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耐蝕合金層的一個具體實施例。
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，工件往復運動速度0.5mm。
2、將金屬板材進行酸洗并活化處理后裝入預真空室9，抽真空到10Pa以下，打開熱源，預熱工件(普通碳鋼鋼板)到800-1100℃。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10。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1000V，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，使工件溫度上升并維持在1100℃。維持各工藝參數并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、保溫結束后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。同時打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，重復步驟3-4。
7、工件在真空冷卻室冷卻到200℃以下后，關閉冷卻室真空系統并將金屬板材取出。
8、重復1-6實現半連續式生產。
實驗結果及比較分析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，Ni-Cr合金層的厚度可以達到50μm，表面成分(質量分數)為Ni50～60％，Cr15～20％，滲層內合金元素濃度由表及里逐漸降低，與基體冶金結合。鋼板截面的成分分布見圖4，與1Cr18Ni9Ti不銹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1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼。
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并，簡化成二室結構(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；合金化處理完畢后，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；重復此過程，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方法，其特征在于包括以下步驟(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，進行等離子表面冶金處理，處理過程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往復運動；同時利用傳動機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。
2.一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，其特征在于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。
3.根據權利要求2所述的半連續式等離子表面冶金板材批量生產裝備，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
一種半連續式等離子表面冶金板材批量生產方法及裝備，屬于金屬材料表面冶金技術及其設備領域。將工件(金屬板材)裝入預真空室，通過輔助熱源預熱工件到規定溫度；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，工件以0.1－1mm/s的速度作水平往復運動，保證了大面積生產中板材表面成分及厚度的均勻性。預真空室重新裝料；合金化處理完畢后，將工件送到冷卻室冷卻；重復此過程，實現半連續化生產。該方法及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。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C23C4/00GK101070587SQ20071002360
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月12日 優先權日2007年6月12日
發明者張平則, 徐重, 姚正軍, 繆強 申請人:南京航空航天大學