专利名称：交流电场增强粉末法渗铝的方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属零件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于金属零件表面强化、提高其耐腐蚀性、抗高温氧化性能与抗渗碳性能的交流电场加速粉末法渗铝的方法与装置。
背景技术：
将铝元素渗入金属工件表层形成渗铝层的化学热处理工艺称为渗铝。渗铝层具有很高的抗高温氧化、抗渗碳、抗大气腐蚀等耐腐蚀性能。现用材料制造的零部件经过渗铝处理，其在高温氧化腐蚀环境下的使用寿命大幅度提高；通过渗铝处理，还可以采用价格低廉的碳钢、低合金钢代替昂贵的不锈钢来制作一些耐蚀零部件，在满足性能的前提下，降低生产成本。所以渗铝在石油化工、石油开采、航空高温部件以及公路辅助设施(如护栏)等领域得到广泛应用。渗铝方法可分为固体粉末渗铝法、热浸渗铝法、喷涂渗铝法、电泳沉积法和气相沉积渗铝法等。目前最常用的渗铝方法为固体粉末法渗铝(简称粉末法渗铝)。根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在900 1100°C之间进行的高温渗铝，常用保温时间6 10 小时不等，获得几十至几百微米厚度的渗铝层。现行的粉末渗铝中活性铝原子的产生是由渗剂的热分解、相互反应而来，产生活性铝原子的效率较低，其浓度随渗铝温度的提高而提高，但高温长时间渗铝不仅能耗高，还会使零件基体材料组织粗化，降低零件基体材料的机械性能；在一定范围内，增加渗剂中供铝剂和活化剂、催渗剂含量也可增加活性铝原子，提高渗速，但一些活化剂、催渗剂价格较昂贵，有些则会在渗铝过程中产生腐蚀等副作用。在以铝铁粉为供铝剂时，渗铝层均勻，但铝铁粉用量大，在渗剂中的含量一般高达60%以上， 并且利用率不高。因此现行工艺存在处理温度高、处理时间长、能耗大、成本高等不足之处。专利申请文献200810018925. 3公开了一种直流电场加速固体粉末渗铝的方法。 该方法是在粉末渗剂中以被渗铝零件作为负极，以与欲渗铝面形状相仿的仿形板状电极为正极，通过在正、负极间施加直流电场来强化粉末法渗铝过程。对于外形复杂的渗铝件，要获得均勻渗层，须制作相应复杂形状的仿形板状电极作为正极，增加了工艺复杂性；对于大型渗铝件，还需要配套较大功率的直流电源。因此需要进一步研究发明简便易行、成本低廉的设备与工艺强化粉末法渗铝，缩短渗铝时间，降低渗铝温度，提高供铝剂的利用率。
发明内容
针对现行粉末法渗铝工艺存在的上述问题，本发明通过在粉末渗铝剂中施加适当的交流电场，利用交流电场的物理作用，极大地促进粉末渗剂中供铝剂的分解、强化渗剂间的化学反应，高效率提供活性铝原子，增加活性铝原子的浓度与活性，大幅度提高供铝剂的利用率，增加被渗工件表层铝的扩散通道，可加快渗速，显著降低渗铝温度，减少零件变形， 避免或减少基材组织的损伤，防止基体机械性能的降低，减少渗剂中供铝剂、活化剂的含量。该法与现行粉末法渗铝相比，在650 950°C范围的不同温度，渗速至少可提高0. 5 3倍不等(具体与被渗铝材料的成分、渗铝工艺参数等因素有关)，供铝剂的用量可减少50% 以上，供铝剂的利用率提高1倍以上。本发明所述工作方法，其特征为在由供铝剂、活化剂、催渗剂、填充剂组成的固体粉末渗铝剂中放置两个平行的平板电极，两极通过导线分别联接在一个电压在0 250 伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，待处理工件置于两极之间，工件两侧分别距离电极 10 100mm，平板电极和零件与渗铝剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为650 1050°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的50Hz交流电压。本发明所述装置，其特征在于由置于固体粉末渗铝剂中的两个平行的平板电极、 盛放固体粉末渗铝剂、电极与工件的渗箱、电压在0 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源系统构成，交流电源两极分别连接两个平板电极，欲渗铝零件置于两个平板电极之间。本发明中所用平板电极厚度范围0. 2 10mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作。
本发明的主要优点在于克服了常规粉末法渗铝单纯依赖渗剂受热分解、相互间发生化学反应产生活性铝原子而造成的一系列不足，利用交流电场的物理作用促进渗剂的分解与渗剂间的化学反应，提高反应速率与效率，大幅度增加活性铝原子的浓度与活性，增加被渗工件表层的扩散通道，从而提高供铝剂的利用率，加快渗速，降低渗铝温度，获得厚度均勻的渗铝层。所以具有如下有益效果1)采用与现行常规粉末法渗铝相同的渗剂、温度和保温时间时，供铝剂的利用率提高一倍以上，渗速至少可提高0. 5 3倍不等；欲达到现行常规渗铝层厚度，供铝剂的用量可以减少50%以上，或保温时间缩短30%，或处理温度降低100°C以上，从而节约能源， 降低生产成本；2)相对于现有其他渗铝技术，本发明装置简洁、工艺操作方便。
附图1为交流电场加速粉末法渗铝装置示意图。1)渗箱盖，2)耐火泥密封，3)渗箱，4)导电引线，5)粉末渗铝剂，6)板状电极，7) 欲渗铝零件，8)板状电极，9)电压连续可调交流电源系统。
具体实施例方式本发明装置的示意图如附图1所示。下面为本发明的具体实施例实施例1被渗材料HP-40Nb奥氏体型耐热钢；渗铝剂构成供铝剂(铝铁，含量35% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5%、氯化氨4%)、填充剂(碳化硅，余量)。在上述物质组成的固体粉末渗铝剂(5)中平行放置两个板状电极(6)、(8)，被渗试样(7)和两侧电极(6)、(8)间距离15mm，两电极(6)、(8)分别联接在一个电压在0 250伏范围连续可调的50Hz交流电源系统(9)上，电极(6)、(8)和被渗试样(7)与粉末渗铝剂(5) —起由耐火泥密封料(2)密封在带渗箱盖(1)的渗箱(3)中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗铝温度800°C，当炉温到设定值后，在两极间加上50伏的50Hz交流电压，保温时间4小时。
试验结果HP_40Nb奥氏体型耐热钢获得52 μ m的渗铝层，而采用同样配方渗剂， 采用现有的常规粉末渗铝工艺方法，同样经800°C X 4小时渗铝，渗铝层厚度只有约15 μ m。实施例2被渗材料HP_40Nb奥氏体型耐热钢；渗铝剂构成供铝剂(铝铁，含量40% )、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾5%、氯化氨3% )、填充剂(碳化硅，余量)。渗铝方法及装置同实施例1，渗铝温度700°C，渗铝时间4小时，被渗试样和两侧板状电极间距离15mm，在板状电极间施加50伏特的50Hz交流电场。试验结果HP_40Nb奥氏体型耐热钢获得40 μ m的渗铝层；而以同样配方渗剂，采用现有的常规粉末渗铝工艺方法，同样经700°C X4小时渗铝，基本无渗层形成，经900°C X4小时渗铝，渗铝层厚度也只有 25 μ m。实施例3被渗材料12CrlM0V钢；渗铝剂构成供铝剂(铝铁，含量30% )、活化剂和催渗剂 (氟硼酸钾5%，氯化铵2% )、填充剂(碳化硅，余量)。渗铝方法及装置同实施例1，渗铝温度700°C，渗铝时间4小时。被渗试样和两侧板状电极间距离10mm，在板状电极间施加30伏的50Hz交流电场。试验结果12CrlMoV钢获得30 μ m的渗铝层；而以同样配方渗剂，采用现有的常规粉末渗铝工艺方法，同样经4小时700 V渗铝，仅形成4 μ m厚度渗铝层。
权利要求
1.交流电场加速粉末法渗铝的方法与装置，其特征是在由供铝剂、活化剂、催渗剂和填充剂组成的固体粉末渗铝剂中放置两个平行的板状电极，两极分别由导线联接在一个电压在O 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源上，欲处理零件放置在两电极之间，零件两侧分别距离电极10 100mm，板状电极和零件与渗铝剂一起密封在渗箱中，将渗箱置于热处理炉中加热，温度范围为650 1050°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的交流电压。
2.实现权利要求1所述的的交流电场加速固体粉末渗铝的装置，其特征在于由置于粉末渗铝剂中的两个平行板状电极(6) (8)、放置欲渗铝零件(7)、电极(6) (8)、渗铝剂(5)的渗箱(3)及其箱盖(1)与密封(2)、电压在0 250伏特范围连续可调的50Hz交流电源系统(9)构成，交流电源两极分别由导线⑷连接两个电极(6) (S)0
3.根据权利要求2所述的交流电场加速固体粉末渗铝的装置，其特征在于所述板状电极材料厚度范围为0. 2 10mm，采用熔点在1200°C以上的金属材料制作。
4.根据权利要求2所述的交流电场增强粉末法渗铝的装置，其特征在于板状电极与欲渗铝零件之间的距离为10 100mm。
全文摘要
本发明为一种用于提高金属零部件抗氧化及抗渗碳能力的交流电场加速粉末法渗铝的方法与装置，其采取在粉末渗铝剂中放置两个平行的板状电极，两电极分别由导线联接在一个电压在0～250伏范围连续可调的50Hz交流电源上，被处理零件位于两电极之间，电极和零件与渗铝剂一起密封在渗箱中，置于热处理炉中加热，当炉温到设定值后，在两极间施加适当交流电压，即可实现零件的快速渗铝。该法与现行方法相比，在650～1050℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.5～3倍。因此，该方法与装置可提高金属零件的粉末法渗铝速度、提高渗铝剂的利用率、降低渗铝温度、减少零件变形。
文档编号C23C10/48GK102154618SQ20111006966
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者孙力, 潘建伟, 谢飞 申请人:常州大学