专利名称：管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于金属零部件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于管形金属零件内表面改性、提高内表面耐腐蚀、抗高温氧化及耐磨损性能的直流电场增强粉末法渗铬的方法与装置。
背景技术：
一些管形金属零部件工作时内表面与常温、高温腐蚀介质或含硬质颗粒的流体接触，主要以表面腐蚀、氧化及磨损等方式失效。采用整体具有良好耐腐蚀、抗高温氧化和耐磨损性能的高合金材料来制作这些零部件会大幅度增加产品成本。通过渗铬对其内表面进行改性来提高其内表面的耐腐蚀、抗高温氧化和耐磨损性能，从而以廉价碳钢、低合金钢代替昂贵的高合金不锈钢、耐热钢和耐磨钢，是提高这些管形零件性能、延长使用寿命、降低产品成本的十分有效的重要手段。将铬元素渗入零件表层的化学热处理工艺称为渗铬。渗铬层具有很高的耐腐蚀、 抗高温氧化和耐磨损能力。渗铬可分为固体粉末法渗铬、液体法渗铬、气体法渗铬和离子法渗铬等方法。对于管形金属零件(尤其是长/径比大的管形零件)的内壁渗铬，常采用固体粉末法渗铬，这在工艺操作上较方便，且对处理设备要求不高。目前的粉末法渗铬根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在850 1100°C 之间进行的高温渗铬，常用保温时间6 20小时不等，获得20 150 μ m不等厚度的渗铬层。较之其它渗铬法，固体粉末渗铬法设备投资小，工艺简便易行。现行的粉末渗铬中活性铬原子的产生是由渗剂的热分解、相互反应而来，产生活性铬原子的效率较低，其浓度与渗铬温度、渗剂中供铬剂和活化剂含量等有着直接关系，铬向零件表面的扩散也主要依赖于温度作用的热扩散。活性铬原子的浓度随渗铬温度的提高而提高，但高温长时间渗铬不仅能耗高，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，当用后续热处理来调整基体组织时，又会加大变形；在一定范围内，增加渗剂中供铬剂和活化剂、催渗剂含量也可增加活性铬原子，提高渗速，但一些活化剂、催渗剂价格较昂贵，有些则会在渗铬过程中产生腐蚀等副作用，影响表面质量及加快渗箱失效；一般以铬铁粉或铬粉为供铬剂， 渗铬层均勻，但铬铁粉或铬粉用量大，在渗剂中铬铁粉的含量一般高达55%以上，铬粉的含量一般高达50%以上，并且利用率不高。因此现行工艺在对管形金属零件内表面渗铬时，存在处理温度高、处理时间长、能耗大、渗剂利用率不高、成本高、渗铬后工件变形较大等不足之处。
发明内容
针对上述不足，本发明通过强化渗铬剂反应，促进供铬剂的分解，加速活性铬原子的有效扩散和吸收，可显著降低渗铬温度，加快渗速，从而减少渗剂中供铬剂、活化剂的含量，提高供铬剂的利用率，缩短管形零件内壁渗铬时间。该法与管形零件内壁现行粉末法渗铬相比，在700 1000°C范围的不同温度，渗速至少可提高0. 5 4倍不等。本发明克服了常规固体渗铬单纯依赖渗剂受热分解产生活性铬原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性铬原子的浓度与活性，减少腐蚀性活化剂的用量；柱状电极与管形零件内壁相对平行而置，在热扩散的同时，直流电场又加快铝向管形零件(负极)内壁的定向扩散速度；本发明可降低渗铬温度，加快渗速，提高供铬剂的利用率。本发明所述工作方法，其特征为在欲处理管形零件内部填充由供铬剂、活化剂、 催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗铬剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，以柱状电极作为正极，以管形零件作为负极，两极相互平行，极间距离2 50mm(具体根据管件内径确定)，两极由导线分别对应联接在一个电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源的正、负极上；管形零件(含柱状电极与渗铬剂)两端密封、绝缘，通过密封端盖与电源负极相通；密封后的管形零件(含柱状电极与渗铬剂)与防氧化填充剂一起再密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为700 1000°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的直流电压。本发明所述装置，其特征在于由置于管形零件内部填充的固体粉末渗铬剂中的柱形电极、管形零件两端的密封端盖(注必须保证密封端盖与管形零件两端接触良好)与耐高温绝缘组件、放置管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂的渗箱、电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源系统构成，直流电源正负两极分别通过耐高温导线连接柱状电极和一个密封端盖，通过端盖使欲渗铬管形零件与电源负极相通。本发明中所用柱形电极可为实心电极，也可为材料壁厚范围为0.2 IOmm的中空柱形电极，采用熔点在1300°C以上的金属材料制作。采用熔点在1300°C以上的金属材料制作密封端盖。柱形电极与欲渗铬管件内壁之间的距离5 50mm。柱形电极平行于欲渗铬管件内壁。本发明的主要优点在于克服了常规固体渗铬单纯依赖渗剂受热分解产生活性铬原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性铬原子的浓度与活性，在热扩散的同时，直流电场还形成铬向管形零件(负极)内壁的定向扩散，从而可以降低渗铬温度，加快渗速，提高供铬剂的利用率。所以具有如下有益效果1)在采用与现行常规固体粉末渗铬相同的渗剂、温度和保温时间时，采用本方法的渗铬层厚度可增加0. 5 4倍不等(具体取决于所用电场参数及处理温度和渗剂配比)， 供铬剂的利用率相应提高；欲达到现行常规固体粉末渗铬层厚度，采用本方法可以减少供铬剂、活化剂的含量(至少可减少50% )，或缩短保温时间，或降低处理温度，从而节约能源，降低生产成本，提高管形零件的使用性能和寿命；2)相对于现有技术，本发明装置简洁、方便工艺实施。
附图1为管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬装置示意图。1)耐火泥密封，2)渗箱，3)绝缘套管，4)柱形电极，5)密封盖，6)管形零件，7)电压连续可调直流电源系统，8)粉末渗铬剂，9)导电引线，10)耐火泥密封，11)防氧化填料，12)渗箱盖。
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08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm ； 渗铬剂构成供铬剂(铬铁，30%)、活化剂和催渗剂(氯化铵，2%;氟硼酸钾，5%)、疏松剂 (木炭，1%)、填充剂(碳化硅，余量)。将上述物质组成的固体粉末渗铬剂8装填在内壁欲渗铬钢管试样6中，渗剂中放置柱形电极4，柱形电极4和被渗钢管6内壁间距离8mm，钢管6两端及柱形电极4两端安装密封盖5、绝缘套3，再用耐火泥密封料10密封。以该柱形电极4作为正极，钢管6作为负极，两极分别通过耐热导电引线9对应联接在一个电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源系统7的正、负极上，装配密封后的钢管试样6和柱形电极4与防氧化填充剂11 一起由耐火泥密封料1密封在带渗箱盖12的渗箱2中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗铬温度为800°C，当炉温到设定值后，在两极间施加电流强度为4安培的直流电场，渗铬保温时间4 小时。试验结果08Cr2AlMo无缝钢管内壁获得约75 μ m的渗铬层；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗铬工艺，同样经800°C X4小时渗铬，钢管内壁的渗铬层厚度不至Ij 30 μ Hio实施例2被渗材料08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm ； 渗铬剂构成供铬剂(铬铁，40%)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5%;氯化铵，1%)、疏松剂 (木炭，1%)、填充剂(碳化硅，余量)。渗铬方法及装置同实施例1，渗铬温度750°C，渗铬保温时间4小时，柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗钢管间施加电流强度为6安培的直流电场。试验结果08Cr2AlMo钢管内壁获得近55μπι的渗铬层；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗铬工艺，同样经750°C X4小时渗铬，08Cr2AlMo钢管内壁的渗铬层厚度不到10 μ m。实施例3被渗材料20钢材料的焊接钢管，钢管外径30mm、内径24mm、长度30mm ；渗铬剂构成供铬剂(铬铁，含量40%)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5%;氯化铵；1%)、疏松剂(木炭，5% )、填充剂(碳化硅，余量)。渗铬方法及装置同实施例1，渗铬温度800°C，渗铬时间4小时，柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗钢管试样间施加电流强度为6安培的直流电场。试验结果20钢管内壁获得约70μπι的渗铬层，而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗铬工艺，同样经800°C X4小时渗铬，20钢管内壁的渗铬层厚度只有约25 μ m。实施例4被渗材料20钢材料的焊接钢管，钢管外径30mm、内径24mm、长度30mm ；渗铬剂构成供铬剂(铬铁，含量30%)、活化剂和催渗剂(氟硼酸钾，5% ；氟硼酸钠，2% ；氯化铵，2%)、疏松剂(木炭，2%)、填充剂(碳化硅，余量)。 渗铬方法及装置同实施例1，渗铬温度900°C，渗铬时间3小时。柱形正极和被渗钢管试样(负极)间距离8mm，在柱形正极和被渗试样间施加4安培的的直流电场。试验结果钢管内壁获得约85 μ m的渗铬层；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗铬工艺，同样经900°C X3小时渗铬，钢管内壁的渗铬层厚度约30 μ m。
权利要求
1.管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬方法，其特征是在欲处理管形零件内部填充由供铬剂、活化剂、催渗剂、填充剂和疏松剂组成的固体粉末渗铬剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，管形零件两端密封、绝缘；以柱状电极作为正极，以管形零件作为负极，两极相互平行，极间距离5 50mm(具体根据管件内径确定)，两极分别通过耐热导线对应联接在一个电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源的正、负极上；管形零件(含柱状电极)与填充剂一起密封在装填有防氧化填充剂的渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为700 1000°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的直流电压。
2.实现权利要求1所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬方法的装置，其特征在于由置于管形零件(6)内部填充的粉末渗铬剂(8)中的柱形电极0)、管形零件(6) 两端的密封( (10)与绝缘组件(3)、放置管形零件(6)(含柱状电极G))与填充剂(11) 的渗箱O)、箱盖(12)、电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源系统(7)构成，直流电源正负两极分别由耐热导线(9)连接柱状电极(4)与欲渗铬管形零件(6)。
3.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场加速固体粉末渗铬的装置，其特征在于所述柱形电极可为实心电极，也可为材料壁厚范围为0. 2 IOmm的中空柱形电极， 电极直径根据管件内径确定，采用熔点在1300°C以上的 >金属材料制作。
4.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬的装置，其特征在于柱形电极与欲渗铬零件之间的距离5 50mm。
5.根据权利要求2所述的管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铬的装置，其特征在于柱形电极与欲渗铬管形零件内表面之间相互平行放置。
6.采用熔点在1300°C以上的金属材料制作密封端盖。
全文摘要
本发明为一种用于金属管形零件内表面改性强化的直流电场增强粉末法渗铬方法与装置，其采取在欲处理管形零件内部填充粉末渗铬剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，管形零件两端密封、绝缘，以柱状电极作为正极、管形零件作为负极，两极相互平行，管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂一起密封在渗箱中，置于箱式炉中加热，到温后在管件与正极间施加直流电场，即可实现管形零件内表面的快速渗铬。该法与现行方法相比，在700～1000℃范围的不同温度，渗速至少可提高0.5～4倍(取决于具体工艺参数)。该方法与装置可提高金属管形零件内表面的粉末法渗铬的渗速、降低渗铬温度、提高渗铬剂的利用率。
文档编号C23C10/38GK102424947SQ20111039062
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者潘建伟, 谢飞 申请人:常州大学