专利名称：钢表面固体粉末硅－铝－钛三元共渗方法
技术领域：
本发明涉及一种金属表面处理方法，尤其涉及一种金属表面化学热处理的钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法。
背景技术：
对钢表面处理已有成熟工艺，例如渗铝钢，渗钛钢及部分不锈钢，这些经过表面处理的钢其各项性能都可大大提高，但对于在某些要求较高或较严格的领域，则仅靠渗铝钢，渗钛钢及部分不锈钢还不能满足要求；另具一些文献报导，钢表面经硅—铝—钛三元共渗热处理后，钢的表面形成钛铝硅合金扩散层，具有良好的耐热、耐蚀、耐磨性，在柠檬酸、环烷酸等有机溶液中及高温硫、硝酸、盐溶液里具有良好的耐腐蚀性，明显优于渗铝钢，渗钛钢及部分不锈钢，尤其在30％的氢氧化钠溶液中，其耐蚀性超过不锈钢近六倍，在海水中也具有很好的耐盐腐蚀性，因此，硅—铝—钛三元共渗钢在电力、石油、化工、造船等行业具有广泛的应用。目前制备硅—铝—钛三元共渗钢方法采用三步法或二步法两种，即钢表面首先进行渗钛处理，然后再进行渗铝、渗硅表面处理，二步法为在进行渗钛处理后，同时进行硅铝二元共渗处理，此类处理工艺存在以下问题1、在钢表面需要硅-铝-钛三元共渗层时，采用二步法或三步法制作过程复杂，成本极高，所以钢表面的硅-铝-钛三元共渗钢很难在市场上应用推广。
2、由于采用分步法，钢件经多次表面清洁及热处理，使钢件表面及内部组织发生很大变化，这样就会影响了钢件自身的基本性能。
3、由于采用分步法多次热处理，使加工钢件变形，甚至造成无法校正的变形。
4、分步法采用的渗钛技术，对工艺采用的热处理设备要求严格，一般都需要惰性气体保护。
5、分步法工艺操作过程中都有腐蚀性气体排出，直接损伤加热设备及危害人的健康，同时造成大气污染，破坏环境。
为克服上述硅-铝-钛三元共渗钢分步法的缺陷，本发明的目的是提供一种渗剂配方合理、使用设备简单、环保、又能保证产品质量，渗剂又能重复使用的钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法及设备。
本发明的技术方案是以下述方式实现的一种钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，它是将工件置于硅—铝—钛三元共渗剂中、加热、冷却进行硅—铝—钛三元共渗处理，其中加热温度为880～1050℃，时间为5～13小时，然后自然冷却；硅—铝—钛三元共渗剂各成份的重量百分含量为(总量为100)铝粉2～6％钛铁矿粉0～5％氯化氨 0.1～2％四氟化硅3～6％基料余量基料为硅—铝—钛—铁四元合金粉、活性耐火材料粉，两者之间重量百分比为硅—铝—钛—铁四元合金粉∶活性耐火材料粉＝30～65∶70～35。
所述的四元合金粉各组份重量百分含量为(总量为100)硅粉5～15％铝粉5～15％钛粉5～10％铁粉余量所述的活性耐火材料粉是采用耐火铝矿石、经1300℃～1550℃的高温烧制、常温球磨后的粉末，粉末中含二氧化硅、三氧化二锆；二氧化硅、三氧化二锆所占重量百含量为二氧化硅 10％三氧化二锆 ≤40％所述的四氟化硅细度为Φ0.152～0.066mm，钛铁矿粉Φ0.152～0.066mm，铝粉Φ0.152～0.066，硅铝钛铁合金粉Φ0.152～0.066mm，活性耐火材料粉Ф0.152～0.066mm。
本发明钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法专用共渗箱，主要包括有箱盖、箱体，其箱盖具有上下两层盖板，两层盖板之间构成缓冲仓，箱盖上盖板有导气孔，箱盖下盖板有导气孔，箱体内设隔板，隔板下连导气管，隔板上放有用于吸收净化有害气体的氧化钙、碳素粉的混合物。
本发明的发点在于该方法所采用的硅—铝—钛三元共渗剂，特别是基料的配比组份为硅铝钛铁四元合金粉与活性耐火材料粉混合物。物料中加入硅铝钛铁四元合金粉，使得渗剂在工艺加热过程中，有效避免了硅铝钛有效元素的损失，达到渗剂能够重复使用，同时解决了渗剂在工艺热处理过程中的结块现象，保证了渗层的连续性；物料中加入活性耐火材料粉，使渗剂比重大大减小，渗剂各个组分更加容易混合均匀，进一步保证了渗层质量。
渗剂中加入四氟化硅，不但提供了活性硅原子，而且还是很好的催渗剂和洁污剂；渗剂中加入氯化铵起催渗剂作用，使硅—铝—钛三元共渗时间缩短，提高生产效率，同时在工艺反应之中生成的氢气、氮气有效地保护了共渗剂的氧化。
本发明的积极效果是1、经过本发明处理后的钢表面耐高温、耐腐蚀，在碳钢表面进行硅-铝-钛共渗后，经工业实际应用，在240℃----500℃，硫含量在0.5％以上或酸值在0.5mgKOH/g的介质中，其耐腐蚀性至少比相同条件下普通18-8型不锈钢高三倍以上。
2、抗渗氢性强，在铬钼钢上进行硅-铝-钛共渗后，其抗高温氧化和耐腐蚀性可替代不锈钢。在不锈钢和其它高合金钢上进行硅-铝-钛共渗后其使用寿命会成倍提高。硅-铝-钛共渗材料不仅有优异的抗高温氧化性和耐高温硫腐蚀的能力，而且还有很好的抗渗碳性和抗渗氢性，研究表明经处理后的材料的抗渗氢性比非处理材料高3个数量级。
3、具有操作方便、安全、环保低成本的特点。同时新工艺还具有通过对渗剂中添加剂成分的调节，不但可以一次完成硅-铝-钛三元共渗钢的处理，还能直接进行钢表面的渗铝及钢表面的硅铝共渗钢的处理，达到了不但重复使用渗剂且具有多功能渗层处理的特点。
本发明的工艺操作过程首先将所加工钢件放入硅铝钛三元共渗箱内，装入渗剂，封盖，然后将装好的渗箱放置加热炉内，加热温度为880-1050℃，时间为5～13小时，然后自然冷却。
附图为硅铝钛三元共渗箱的结构示意图。
由图1可以看出，本共渗箱的结构主要包括有箱盖1、箱体4，其特征在于箱盖1具有上下两层盖板，两层盖板之间构成缓冲仓5，箱盖上盖板有导气孔6，箱盖下盖板有导气孔(7、8)，箱体内设隔板3，隔板下连导气管(9、10)，隔板3上放有用于吸收净化有害气体的氧化钙、碳素粉的混合物2。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步详细说明实施例一1、选工件为Ф25×1000×2.5毫米无缝钢管，材质为20#钢。
2、四元合金粉的配制、硅、铝、钛、铁各组份重量百分含量为硅粉 5％铝粉 10％钛粉 6％铁粉 余量3、硅—铝—钛三元共渗剂各成份的重量百分比为6％铝粉3％钛铁矿粉2％四氟化硅0.5％氯化铵40％硅铝钛铁合金粉49.5％活性耐火材料粉4、将上述共渗剂加入共渗箱内，将工件埋入共渗剂中，加热温度900℃，时间6小时即可。
共渗表面处理后的工件表面各项指标为
渗层厚度0.12mm渗层表面显微硬度3900MPa渗层表面铝含量 18％(重量百分比)渗层表面硅含量 1.5％(重量百分比)渗层表面钛含量 0.5％(重量百分比)渗件表面美观，呈银灰色，渗层连续致密。
实施例二1、选工件为Φ50×1000×3毫米无缝钢管，材质为10#钢。
2、四元合金粉的配制硅、铝、钛、铁各组份重量百分含量为硅粉15％铝粉5％钛粉10％铁粉余量3、硅—铝—钛三元共渗剂各成份的重量百分比为2％铝粉6％钛铁矿粉3％四氟化硅1％氯化铵53％硅铝钛铁合金粉35％活性耐火材料粉4、将上述共渗剂加入共渗箱内，将工件埋入共渗剂中，加热温度1050℃，时间10小时即可。
共渗表面处理后的工件表面各项指标为渗层厚度 0.20mm渗层表面显微硬度 4500MPa渗层表面铝含量15％(重量百分比)渗层表面硅含量3％(重量百分比)渗层表面钛含量5％(重量百分比)
渗件表面美观，呈银灰色，渗层连续致密。
实施例三1、选工件为50×50×3毫米板材，材质为10#钢。
2、四元合金粉的配制硅、铝、钛、铁各组份重量百分含量为硅粉 10％铝粉 8％钛粉 7％铁粉 余量3、硅—铝—钛三元共渗剂各成份的重量百分比为2％铝粉6％钛铁矿粉3％四氟化硅1％氯化铵53％硅铝钛铁合金粉35％活性耐火材料粉，4、将上述共渗剂加入共渗箱内，将工件埋入共渗剂中，加热温度980℃，时间10小时即可。
共渗表面处理后的工件表面各项指标为渗层厚度0.20mm渗层表面显微硬度3500MPa渗层表面铝含量 22％(重量百分比)渗层表面硅含量 1％(重量百分比)渗层表面钛含量 2.3％(重量百分比)渗件表面美观，呈银灰色，渗层连续致密。
权利要求
1.一种钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，它是将工件置于硅—铝—钛三元共渗剂中，加热、冷却进行硅—铝—钛三元共渗处理，其特征在于加热温度为880～1050℃，时间为5～13小时，然后自然冷却；硅—铝—钛三元共渗剂各成份的重量百分含量(总量为100)铝粉2～6％钛铁矿粉0～5％氯化氨 0.1～2％四氟化硅3～6％基料余量基料为硅—铝—钛—铁四元合金粉、活性耐火材料粉，两者之间重量百分比为硅—铝—钛—铁四元合金粉∶活性耐火材料粉＝30～65∶70～35(重量百分比)。
2.根据权利要求1所述的钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，其特征在于四元合金粉各组份重量百分含量为(总量为100)硅粉5～15％铝粉5～15％钛粉5～10％铁粉余量
3.根据权利要求1或2所述的钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，其特征在于活性耐火材料粉是采用铝矿石、经1300℃～1550℃的高温烧制、常温球磨后的粉末，粉末中含二氧化硅、三氧化二锆；二氧化硅、三氧化二锆重量百含量为二氧化硅 ≤10％三氧化二锆≤40％
4.根据权利要求3所述的钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，其特征在于四氟化硅细度为Φ0.152～0.066mm，钛铁矿粉Φ0.152～0.066mm，铝粉Φ0.152～0.066，硅铝钛铁合金粉Φ0.152～0.066mm，活性耐火材料粉Φ0.152～0.066mm。
5.一种钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法专用共渗箱，主要包括有箱盖(1)、箱体(4)，其特征在于箱盖(1)具有上下两层盖板，两层盖板之间构成缓冲仓(5)，箱盖上盖板有导气孔(6)，箱盖下盖板有导气孔(7、8)，箱体内设隔板(3)，隔板下连导气管(9)(10)，隔板(3)上放有用于吸收净化有害气体的氧化钙、碳素粉的混合物(2)。
全文摘要
本发明公开了一种钢表面固体粉末硅—铝—钛三元共渗方法，它是将工件置于硅—铝—钛三元共渗剂中，加热、冷却进行硅—铝—钛三元共渗处理，其中加热温度为880～1050℃，时间为5～13小时，然后自然冷却；硅—铝—钛三元共渗剂各成分的重量百分比为(总量为100)铝粉2～6％、钛铁矿粉0～5％、氯化氨0.1～2％、四氟化硅3～6％、基料余量基料为硅—铝—钛—铁四元合金粉、活性耐火材料粉，两者之间重量百分比为硅—铝—钛—铁四元合金粉∶活性耐火材料粉＝30～65∶70～35。经过本发明处理后的钢表面耐高温、耐腐蚀，在240℃－500℃，硫含量在0.5％以上或酸值在0.5mgKOH/g的介质中，其耐腐蚀性至少比相同条件下普通18－8型不锈钢高三倍以上。抗渗氢性强，经处理后的材料抗渗氢性提高3个数量级。操作方便、安全、环保。
文档编号C23C10/00GK1570195SQ20041001022
公开日2005年1月26日 申请日期2004年4月23日 优先权日2004年4月23日
发明者赵广亮 申请人:赵广亮