专利名称：半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备的制作方法
技术领域：
一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，属于金属材料表面冶金技术及其设备领域。
背景技术：
工业发达国家每年由于金属的腐蚀而造成的直接经济损失约占全年国民经济总产值的2～4％。因腐蚀导致失火、爆炸、桥梁坍塌、飞机坠毁、核反应堆泄漏等重大事故时有发生，设备和管道因腐蚀而泄漏，使有毒有害物料进入大气、土壤和水源。国内外对于金属腐蚀一般采用两种方法来防护，一种是使用整体耐蚀材料，例如不锈钢，另一种是使用表面涂层技术。然而，不锈钢材料中Ni、Cr元素占很大的比重，这些合金元素资源短缺、日益枯竭，导致不锈钢材料的价格高昂。涂层技术也在钢铁的表面防护中得到广泛应用，例如电镀与化学镀，但涂层与基体的结合力牢固性不足，在承受载荷时常常出现剥离现象。而涂敷作业也容易带来环境污染问题。为此，我们采用等离子表面冶金技术，在普通碳钢钢板表面制备Ni-Cr合金层，形成一种与不锈钢板耐蚀性能相当的低成本等离子表面冶金钢板。为实现其大规模工业生产，必须发明专用生产装备。
我国学者发明的“双层辉光等离子表面冶金技术”(US Patent 4520268、4731539)，该技术中在一真空容器中设置由欲渗合金元素制成的源极，工件为阴极，炉壁为阳极；施加一定的偏压后，源极与阴极之间产生辉光放电，由源极溅射出的金属离子流轰击金属板带表面，加热工件，在工件表面沉积并渗入其内部，形成具有特殊物理、化学和机械性能的表面合金层。由该技术获得的表面合金层成分呈梯度分布，与基体之间没有明显的界线，因而具有充分可靠的结合强度。
徐重教授发明了双层辉光离子渗金属炉(ZL87104626.1)，该设备可用于小型零部件的生产，最大可处理的工件表面积为1m×1m，为双层辉光离子渗金属技术的实际应用提供了保证。对于表面积大于2m2的工件，现在还无法处理，限制了双辉技术的大规模工业应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，以实现大面积金属板带表面冶金的工业化生产。
一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；(2)、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室，进行等离子表面冶金处理，处理过程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米；(3)、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；(4)、上述第(1)步预热工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷却工序为连续作业形式。
一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备，其特征在于它按生产流程包括预真空室、双层辉光等离子表面冶金室和冷却室，以及工件传动机构；其中预真空室与双层辉光等离子表面冶金室、双层辉光等离子表面冶金室与冷却室之间均设置有真空闸阀；双层辉光等离子表面冶金室内工件传动机构为往复运动式传动机构，该往复运动式传动机构两侧与工件之间均设置有间隙保护结构，间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米。
本方法中，工件在冶金室内通过传动机构以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动，可以保证大面积冶金处理工件表面成分的均匀性。传动机构与工件(阴极)之间设有间隙保护结构，可以用来阻止弧光放电(场致放电)，保证工件表面质量。根据气体放电理论，间隙宽度设为0.5-2.0毫米，间隙深度设为10-20毫米。同时，在双层辉光等离子表面冶金室设置有隔热装置，保证温度场的均匀性。以上措施保证了连续稳定的生产。经过计算本发明的装备可年产4000-6000吨低成本等离子表面冶金耐蚀钢板。等离子表面冶金耐蚀钢板可部分取代不锈钢板，大幅度降低应用领域的使用成本，可满足火电站、核电站、油气开采、炼油、化工、化肥、环保、汽车、交通运输、供水、轻工、医药以及航空、航天等部门对钢板耐蚀性、安全性及环境保护的要求。
图1双层辉光等离子表面冶金室原理图。
图2本发明的三室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备结构示意图。
图3本发明的二室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备结构示意图。
图4等离子表面冶金耐蚀钢板成分分布图。
图50.05mol/L H2SO4溶液中腐蚀性能测试结果。
图中标号名称1、脉冲灭弧电源，2、炉体，3、直流电源，4、隔热屏，5、供气系统，6、工件(阴极)，7、源极，8、真空系统，9、预真空室，10、双层辉光等离子表面冶金室，11、冷却室，12、真空闸阀，13、真空闸阀，14、传动机构，15、工件，16、源极。
具体实施例方式如图1所示，为等离子表面冶金的原理。真空容器中设有合金元素制成的源极7，工件6为阴极，炉壁2为阳极。通过真空泵8将炉腔抽至一定真空度后，反充Ar至工作气压并维持，然后由两个直流或脉冲电源1、3分别向源极和阴极施加负偏压，在源极与阴极之间产生空心阴极辉光放电。为了保证温度场的均匀性，炉内设置了隔热屏4，必要时还可增加电加热元件。源极中溅射出来的合金原子在工件表面吸附、扩散，从而在工件表面形成所需的合金层。
如图2所示，为本发明的三室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备的组成。它由预真空室9、双层辉光等离子表面冶金室10和冷却室11组成，预真空室与双层辉光等离子表面冶金室之间设有真空闸阀12，双层辉光等离子表面冶金室与冷却室之间设有真空闸阀13。
预真空室9内设有一路小排气量机械真空泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。还设有工件传动机构。预真空室设有外加热源和供气、排气系统，可对工件进行真空或气氛保护加热。
参考图1所示，冶金室10设置有脉冲灭弧电源1、直流电源3、隔热屏4、供气系统5、工件(阴极)6、源极7、真空系统8。其中真空系统设有两条分路。其中主分路系机械增压泵机组，以保证炉子的极限真空度达到1.33-6.65Pa，另一分路是采用小排气量机械泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。冶金室10内也设有工件传动机构，并且它可以实现水平往复运动。
冷却室11设有工件传动机构，还设有一路小排气量机械真空泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。冷却室设有供气、排气系统，可对工件进行气氛保护降温。
三室结构的工作原理为将工件(金属板)装入预真空室，通过辅助热源预热工件到规定温度；打开真空阀，通过传动机构将工件送入表面冶金室进行表面合金化处理，预真空室重新装料；合金化处理完毕后，打开表面冶金室与冷却室之间的真空阀，将工件送到冷却室冷却；重复此过程，实现半连续化生产。
下面结合图2说明利用本发明进行连续式大面积金属板材等离子表面冶金生产的方法。采用本专用装备进行金属板材表面冶金处理的操作过程如下(1)、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；(2)、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室进行处理，处理过程中使工件在双层辉光等离子表面冶金室内以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米；(3)、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；(4)上述第(1)步预热工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷却工序为连续作业形式。
通过改变源极材料和工艺参数，以上方法可以用来在钢板表面进行耐磨、耐蚀、抗高温氧化等合金层的制备，具有广泛的适用面。比如工件为Q235钢板；源极为Ni80-Cr20合金板源极电压900-1100V，工件电压400-700V，工作气压30-80Pa，工件往复运动速度0.1-1mm/s，时间1-6小时，温度800-1100℃，可以制备耐蚀合金层。比如工件为45钢板；源极为W50-Mo50合金板源极电压900-1200V，工件电压400-700V，工作气压30-80Pa，工件往复运动速度0.1-1mm/s，时间1-6小时，温度800-1150℃，可以制备耐磨合金层等。
以下为在普通碳钢钢板表面制备Ni-Cr耐蚀合金层的一个具体实施例。
1、工件为Q235钢板；源极为Ni80-Cr20合金板源极电压1000V，工件电压600V，工作气压45Pa，工件往复运动速度0.5mm。
2、将金属板材进行酸洗并活化处理后装入预真空室9，抽真空到10Pa以下，打开热源，预热工件(普通碳钢钢板)到800-1100℃。双层辉光等离子表面冶金室抽真空到1Pa以下极限真空度。
3、打开预真空室9与表面冶金室10之间的真空闸阀12，通过传动机构将工件送入表面冶金室10。关闭闸阀12，打开预真空室9的炉门，装入新的工件。
4、双层辉光等离子表面冶金室10中，充少Ar气，使真空度降至10-20Pa，施加阴极偏压100～300V，用等离子体轰击清洗工件。
5、加大Ar流量，使工作气压升至20～80Pa，施加源极偏压1000V，开始合金化进程。调节源极与阴极电流密度使金属板材与源极之间产生空心阴极效应，源极溅射加强。升高阴极电压到600V，使工件温度上升并维持在1100℃。维持各工艺参数并根据工艺要求时间进行保温时间(根据工艺要求一般为1-5小时)。
6、保温结束后打开冶金室与冷却室真空闸阀，将工件送入冷却室真空冷却。同时打开预热室与表面冶金室之间的真空闸阀，将新工件送入表面冶金室，重复步骤3-4。
7、工件在真空冷却室冷却到200℃以下后，关闭冷却室真空系统并将金属板材取出。
8、重复1-6实现半连续式生产。
实验结果及比较分析Q235钢板表面制备Ni-Cr耐蚀合金层，源极采用镍铬合金板材制成，在1000～1100℃下处理2小时，Ni-Cr合金层的厚度可以达到50μm，表面成分(质量分数)为Ni50～60％，Cr15～20％，渗层内合金元素浓度由表及里逐渐降低，与基体冶金结合。钢板截面的成分分布见图4，与1Cr18Ni9Ti不锈钢的耐腐蚀性能对比如图5，证明本技术生产的低成本耐蚀钢板其耐腐蚀性能超过1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。
为降低设备成本，适应小场房作业，可将三室结构中的预真空室与冷却室合并，简化成二室结构(见图3)，的原理为将工件(金属板)装入预真空室，通过辅助热源预热工件到规定温度；打开真空阀，通过传动机构将工件送入表面冶金室进行表面合金化处理，预真空室重新装料；合金化处理完毕后，打开表面冶金室与冷却室之间的真空阀，将工件送到冷却室冷却；重复此过程，实现半连续化生产。
权利要求
1.一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；(2)、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室，进行等离子表面冶金处理，处理过程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米；(3)、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；(4)、上述第(1)步预热工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷却工序为连续作业形式。
2.一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备，其特征在于它按生产流程包括预真空室(1)、双层辉光等离子表面冶金室(2)和冷却室(3)，以及工件传动机构；其中预真空室(1)与双层辉光等离子表面冶金室(2)、双层辉光等离子表面冶金室(2)与冷却室(3)之间均设置有真空闸阀；双层辉光等离子表面冶金室(2)内工件传动机构为往复运动式传动机构(14)，该往复运动式传动机构(14)两侧与工件之间均设置有间隙保护结构，间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米。
3.根据权利要求2所述的半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备，其特征在于所述的真空室(1)和冷却室(3)合为一体。
全文摘要
一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，属于金属材料表面冶金技术及其设备领域。将工件(金属板材)装入预真空室，通过辅助热源预热工件到规定温度；通过传动机构将工件送入表面冶金室进行表面合金化处理，工件以0.1－1mm/s的速度作水平往复运动，保证了大面积生产中板材表面成分及厚度的均匀性。预真空室重新装料；合金化处理完毕后，将工件送到冷却室冷却；重复此过程，实现半连续化生产。该方法及装置能够实现大面积金属板带表面冶金的工业化生产要求。如在普通碳钢板材表面制备Nr－Cr冶金层，与不锈钢有同等耐腐蚀性能，可部分代替不锈钢板材。
文档编号C23C4/00GK101070587SQ20071002360
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月12日 优先权日2007年6月12日
发明者张平则, 徐重, 姚正军, 缪强 申请人:南京航空航天大学