专利名称：一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料表面镀层技术领域，特别是一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法及其装置。
背景技术：
在金属工件表面热浸镀铝或铝合金是金属工件表面防腐和延长使用寿命的有效途径之一，目前，热浸镀铝或铝合金的方法很多，但主要有气体保护法和溶剂法两大类。专利文献 CN1020928C、AU696077B1、EP0698671A1、EP0467749A1、KR2007/006720 等给出了气体保护法连续热浸镀铝及铝合金的工艺，但该方法仅适合单一产品的大批量连续生产，如Sendzimir法、改良Sendzimir法、美钢联法等,这类方法设备投资大、工艺要求高、不能随时停产、生产难度大。相反，专利文献CN1243121C、CN1069703C、CN1381607A等给出了溶剂法热浸镀铝及铝合金的工艺，这类方法设备投资相对较低、工艺要求不高、产品灵活多样，但溶剂法热浸镀铝及铝合金仍然存在一系列问题，例如:(I)镀前必须进行酸洗和助镀，助镀剂价格较高，氟盐有毒性，不但增加了浸镀成本，同时也污染环境；(2)助镀剂盐膜易吸潮，镀前必须充分干燥，否则易产生漏镀和针孔，影响表面质量和耐蚀性能；(3)镀液表面必须覆盖熔盐，熔盐易老化挥发，损害人员身体健康；(4)镀后工件表面附着熔盐，清洗比较困难，增加成本，污染环境。
发明内容
本发明提供了一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法及其装置，利用该方法及装置，可以在金属工件内外表面免酸洗的情况下低成本高质量地浸镀一层铝或铝合金防护层，提高金属工件的使用寿命。本发明提供的一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法通过以下技术方案实现。一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法，其特征在于该方法包括以下步骤:a.上料:将金属工件表面的油污、泥溃等用中性洗涤剂和净水清洗干净后烘干，然后悬挂在上料机构上，将金属工件与上料机构一起吊装在冷却炉体上方，然后使用连接螺栓将上料机构与冷却炉体紧固密封；将工业铝锭或铝合金锭加入到熔铝炉中，加入量为熔铝炉高度的70% 80%，然后采用螺栓将熔铝炉与还原炉密封连接；b.抽真空扫炉:关闭进气阀、上排气阀和下排气阀，通过旋转主动转轴打开密封阀盖，同时打开换向阀，使冷却炉排气管和还原炉排气管均呈开启状态，启动真空泵，对整个炉膛抽真空，当真空度达到5Pa IX 10_2Pa时，对还原炉进行升温加热；c.金属工件还原:启动卷扬电机，将料盘及金属工件下降到还原炉中央位置，对金属工件进行加热，然后先关闭换向阀，使冷却炉排气管和还原炉排气管均呈关闭状态，再打开进气阀和下排气阀，向整个炉膛内通入还原性气体，对金属工件表面氧化层进行还原，还原反应后的气体由下排 气阀排出炉膛；
d.熔化铝液:关闭进气阀和下排气阀，打开换向阀，使冷却炉排气管和还原炉排气管均呈开启状态，对整个炉膛再次抽真空，当真空度达到5Pa I X IO-2Pa时，利用加热器对熔铝炉进行升温加热，将熔铝炉中的铝锭或铝合金锭加热熔化，控制熔融液体温度达到650°C 780°C时保温待镀；e.热浸镀铝或铝合金:当金属工件表面氧化层还原完毕后，再次启动卷扬电机，使料盘及还原后的金属工件缓慢下降，直到金属工件浸入铝液或铝合金液中为止，对金属工件表面进行热浸镀铝或铝合金；f.冷却金属工件:待金属工件浸镀完成后，反向启动卷扬电机，将金属工件提升至冷却炉中央，依靠冷却壁内部的冷却水对金属工件进行辐射冷却，同时转动主动转轴，关闭密封阀盖，切换换向阀，使冷却炉排气管呈关闭状态，使还原炉排气管均呈开启状态，然后打开进气阀和上排气阀，向冷却炉中充入氮气，加强金属工件的冷却，换热后的气体由上排气阀排出冷却炉；g.取出金属工件:当金属工件温度冷却到120°C以下时，打开上料机构与冷却炉之间的连接螺栓，然后将上料机 构和金属工件提升至炉膛外，再卸下金属工件，可得到表面镀层完好的金属工件，重复步骤a g可连续对金属工件进行热浸镀铝或铝合金。上述步骤c中所述的还原炉为圆形密封性炉体，炉体采用耐热钢制成，炉体长度为I 18米，炉体外部采用电阻加热或煤气加热；上述步骤c中所述的还原性气体为氢气，或氨分解的氮气与氢气的混合气体，或一氧化碳气体和氢气的混合气体；上述步骤c中所述的还原工艺是指工件表面的氧化铁皮在还原性气氛中被还原成金属铁的过程，还原温度在550°C 950°C范围，还原时间控制在Imin 20min范围；上述步骤d中所述的熔铝炉为圆形密封性炉体，炉体采用普碳钢制成，炉体长度为I 16米，炉体外部采用电阻加热或采用煤气加热；上述步骤e中所述的热浸镀铝或铝合金是指工件浸入熔融铝液或铝合金液至工件被提出的过程，浸镀时间可以控制在I秒 5分钟时间，浸镀温度可以控制在650°C 780°C范围，浸镀过程中可以在铝液中提升或下降工件；上述步骤f中所述的冷却炉为圆形密封性炉体，炉体采用不锈钢制成，炉体长度为I 18米，炉体外部的冷却壁采用不锈钢制成，在冷却壁与炉体之间通水冷却。一种金属工件真空热浸镀铝及铝合金方法采用的装置，其特征在于该装置包括:真空泵、换向阀、还原炉排气管、冷却炉排气管、进气阀、冷却水出口、连接螺栓、卷扬电机、钢丝绳、上料机构、料盘、上排气阀、冷却炉、冷却壁、冷却水进口、密封阀盖、主动转轴、还原炉、加热元件、还原炉保温层、下排气阀、熔融铝液、熔铝炉、加热器和熔铝炉保温层。其中，冷却炉位于最上面，熔铝炉位于最下面，还原炉位于冷却炉和熔铝炉之间，冷却炉、还原炉和熔铝炉之间采用螺栓密封连接；上料机构为盘状钢板，位于冷却炉体的上方，钢板的下面装设有卷扬电机，卷扬电机旋转后可以缠绕或放开钢丝绳，带动料盘上升或下降，料盘上挂有被镀金属工件，随料盘的上升和下降，金属工件依次通过冷却区、还原区和浸镀区；密封阀盖设置在还原炉炉体顶部，密封阀盖可以绕主动转轴旋转，通过主动转轴的旋转达到开关状态，密封阀盖打开时整个炉膛相互贯通，密封阀盖关闭时冷却炉炉膛与还原炉炉膛隔开，炉膛内呈真空状态，充入惰性气体或充入还原性气体，当密封阀盖完全打开时，上料机构可以携带金属工件下降或上升，顺利通过还原区和浸镀区，当密封阀盖完全关闭时，冷却炉与还原炉隔开，以确保还原炉和熔铝炉内呈真空状态，冷却炉内充满惰性气体，便于对金属工件进行强制冷却和打开上料机构并提出金属工件。所述的冷却炉体采用不锈钢制作，料盘、密封阀盖和还原炉采用耐热钢制成，熔铝炉采用普碳钢制成，冷却炉与还原炉及熔铝炉之间采用螺栓密封连接；所述的冷却壁包围在冷却炉外部，与冷却炉炉体之间形成水冷夹层，冷却用水由冷却水进口进入，由冷却水出口排出，对炉体进行冷却；所述的还原炉外部包围有还原炉保温层，在还原炉保温层与还原炉炉体之间设置有加热元件，加热元件对还原炉炉体进行升温加热，以保证金属工件还原和预热所需温度；所述的熔铝炉外部包围有熔铝炉保温层，在熔铝炉保温层与熔铝炉炉体之间设置有加热器，加热器对熔铝炉炉体进行升温加热和保温，以熔化熔铝炉中的铝锭，确保金属工件能够在650°C 780°C范围内进行热浸镀铝及铝合金；本发明突出的实质性特点和显著的进步体现在:(1)在金属工件表面的氧化层还原后直接在真空状态下对金属工件进行热浸镀铝或铝合金，减少了普通熔盐覆盖法热浸镀铝时金属工件表面附着的气体，减少了针孔、漏镀、结瘤等缺陷，增加了铝液与金属工件表面之间的界面结合力，提高了镀层质量；(2)将金属工件表面的氧化层还原后直接进行热浸镀铝或铝合金，省去了普通熔盐覆盖法热浸镀铝前的表面酸洗、助镀和钝化等工序，简化了生产工艺，降低了生产成本；(3)将金属工件表面的氧化层还原后直接进行热浸镀铝或铝合金，省去了覆盖在铝液表面的熔盐， 减少了熔盐消耗，使生产在绝对环保状态下进行；(4)将金属工件表面的氧化层还原后直接进行热浸镀铝或铝合金，省去了普通熔盐覆盖法热浸镀铝后工件表面熔盐清理工作，大大简化了工艺，降低了生产成本；(5)在真空状态下对金属工件进行热浸镀铝，避免了金属工件在镀铝前后的表面氧化问题，提高了镀层质量；(6)在真空状态下对金属工件进行还原后再热浸镀铝或铝合金，提高了铝液与金属工件表面之间的附着力，提高了镀层质量；(7)在真空状态下对金属工件进行热浸镀铝或铝合金完成后，可以迅速将金属工件提升至冷却炉内进行吹氮冷却，提高了金属工件的冷却速度，从而提高金属工件的力学十生倉泛;(8)本发明采用的还原性气体可以是工业纯氢气，可以是氨分解产生的氢气，可以是氢气和一氧化碳的混合气体，在对钢铁材质的金属工件表面氧化层进行还原的同时，还可利用CO调节气氛中的[C]浓度，以此控制钢铁材质的金属工件表面的碳含量；(9)在真空状态下对金属工件进行热浸镀铝或铝合金，避免了金属工件在镀后的表面氧化，待工件冷却后可直接进行二次或三次复镀，以增加镀层的厚度。
图1是金属工件真空热浸镀铝及铝合金方法及其装置示意图。图2是密封阀盖位置的放大图，图中实线的密封阀盖为完全密封状态，虚线的密封阀盖为完全开启状态。
具体实施例方式下面通过实施例详细描述本发明。如图1所示，一种金属工件真空热浸镀铝及铝合金装置，由真空泵1、换向阀2、还原炉排气管3、冷却炉排气管4、进气阀5、冷却水出口 6、连接螺栓7、卷扬电机8、钢丝绳9、上料机构10、料盘11、上排气阀12、冷却炉13、冷却壁15、冷却水进口 16、密封阀盖17、主动转轴18、还原炉19、加热元件20、还原炉保温层21、下排气阀22、熔融铝液23、熔铝炉24、力口热器25和熔铝炉保温层26组成。采用所述装置，将热轧之后的普碳钢无缝钢管(以下简称钢管)作为金属工件进行还原后真空热浸镀铝，首先将钢管14表面的油污、泥溃等用中性洗涤剂和净水清洗干净后烘干，然后悬挂在上料机构10上，将钢管14与上料机构10 —起吊装在冷却炉13上方，然后使用连接螺栓7将上料机构10与冷却炉13紧固密封；将工业铝锭加入到熔铝炉24中，铝锭的加入量应使熔化后熔融铝液23达到熔铝炉高度的70% 80%，然后采用连接螺栓7将熔铝炉13与还原炉19密封连接；此时，关闭进气阀5、上排气阀12及下排气阀22，通过旋转主动转轴18打开密封阀盖17，同时打开换向阀2，使冷却炉排气管4和还原炉排气管3均呈开启状态，启动真空泵1，对整个炉膛抽真空，当真空度达到IXKT1Pa时，对还原炉19进行升温加热；然后启动卷扬电机8，通过放开钢丝绳9将料盘11及钢管14下降到还原炉19的中央位置，利用加热元件20对钢管14进行升温加热，然后先关闭换向阀2，使冷却炉排气管4和还原炉排气管3均呈关闭状态，再打开进气阀5，向整个炉膛内通入还原性气体氢气，对钢管14表面氧化层进行还原，还原反应后的水蒸气和过量氢气由下排气阀22排出炉膛；此时，关闭进气阀5、上排气阀12及下排气阀22，打开换向阀2，使冷却炉排气管4和还原炉排气管3均呈开启状态，对整个炉膛再次抽真空，当真空度达到I X IO-1Pa时，利用加热器25对熔铝炉24进行升温加热，将熔铝炉24中的铝锭加热熔化，形成熔融铝液23，控制熔融铝液23的温度在750V 7 60°C范围；再次启动卷扬电机8，通过放开钢丝绳9使料盘11及还原后的钢管14缓慢下降，直到钢管14浸入熔融铝液23中为止，对钢管14表面进行热浸镀铝；待钢管14浸镀完成后，反向启动卷扬电机8，通过缠绕钢丝绳9将钢管14提升至冷却炉13中央，冷却水从冷却水进口 16进入冷却壁15中，从冷却水出口 6排出冷却壁15，依靠冷却壁15内部的冷却水对金属工件14进行辐射冷却，同时转动主动转轴18，关闭密封阀盖17，切换换向阀2，使冷却炉排气管4呈关闭状态，使还原炉排气管3均呈开启状态，打开进气阀5和上排气阀12，向冷却炉13中充入氮气，强化钢管14的冷却，换热后的气体由上排气阀12排出冷却炉13 ;当钢管14的温度冷却到120°C以下时，打开上料机构10与冷却炉13之间的连接螺栓7，将上料机构10和钢管14提升至炉膛外，再卸下钢管14，可得到表面镀层完好的钢管14，重复以上步骤可连续对钢管进行热浸镀铝。上述具体实施例表明，采用本方法和装置可以无污染、低成本地在钢管内外表面热浸镀一层光滑致密的耐腐蚀的铝薄膜。需要说明的是，这些例子仅是本技术方法和装置的一些应用范例，不能理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
权利要求
1.一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法，其特征在于该方法包括以下步骤: a.上料:将金属工件表面的油污、泥溃等用中性洗涤剂和净水清洗干净后烘干，然后悬挂在上料机构上，将金属工件与上料机构一起吊装在冷却炉体上方，然后使用连接螺栓将上料机构与冷却炉体紧固密封，将工业铝锭或铝合金锭加入到熔铝炉中，加入量为熔铝炉高度的70% 80%，然后采用螺栓将熔铝炉与还原炉密封连接； b.抽真空扫炉:关闭进气阀、上排气阀和下排气阀，通过旋转主动转轴打开密封阀盖，同时打开换向阀，使冷却炉排气管和还原炉 排气管均呈开启状态，启动真空泵，对整个炉膛抽真空，当真空度达到5Pa lX10_2Pa时，对还原炉进行升温加热； c.金属工件还原:启动卷扬电机，将料盘及金属工件下降到还原炉中央位置，对金属工件进行加热，然后先关闭换向阀，使冷却炉排气管和还原炉排气管均呈关闭状态，再打开进气阀和下排气阀，向整个炉膛内通入还原性气体，对金属工件表面氧化层进行还原，还原反应后的气体由下排气阀排出炉膛； d.熔化铝液:关闭进气阀和下排气阀，打开换向阀，使冷却炉排气管和还原炉排气管均呈开启状态，对整个炉膛再次抽真空，当真空度达到5Pa I X IO-2Pa时，利用加热器对熔铝炉进行升温加热，将熔铝炉中的铝锭或铝合金锭加热熔化，控制熔融液体温度达到650°C 780°C时保温待镀； e.热浸镀铝或铝合金:当金属工件表面氧化层还原完毕后，再次启动卷扬电机，使料盘及还原后的金属工件缓慢下降，直到金属工件浸入铝液或铝合金液中为止，对金属工件表面进行热浸镀铝或铝合金； f.冷却金属工件:待金属工件浸镀完成后，反向启动卷扬电机，将金属工件提升至冷却炉中央，依靠冷却壁内部的冷却水对金属工件进行辐射冷却，同时转动主动转轴，关闭密封阀盖，切换换向阀，使冷却炉排气管呈关闭状态，使还原炉排气管均呈开启状态，然后打开进气阀和上排气阀，向冷却炉中充入氮气，加强金属工件的冷却，换热后的气体由上排气阀排出冷却炉； g.取出金属工件:当金属工件温度冷却到120°C以下时，打开上料机构与冷却炉之间的连接螺栓，然后将上料机构和金属工件提升至炉膛外，再卸下金属工件，可得到表面镀层完好的金属工件，重复步骤a g可连续对金属工件进行热浸镀铝或铝合金。
2.根据权利要求1所述的一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法，其特征在于步骤c中所述的还原炉为圆形密封性炉体，炉体采用耐热钢制成，炉体长度为I 18米，炉体外部采用电阻加热或煤气加热；所述的还原性气体为氢气，或氨分解产生的氮气和氢气的混合气体，或一氧化碳气体和氢气的混合气体；所述的还原工艺是指工件表面的氧化铁皮在还原性气氛中被还原成金属铁的过程，还原温度在550°C 950°C范围,还原时间控制在Imin 20min范围；步骤d中所述的熔铝炉为圆形密封性炉体，炉体采用普碳钢制成，炉体长度为I 16米，炉体外部采用电阻加热或采用煤气加热；步骤e中所述的热浸镀铝或铝合金是指工件浸入熔融铝液或铝合金液至工件被提出的过程，浸镀时间可以控制在I秒 5分钟时间，浸镀温度可以控制在650°C 780°C范围；步骤f中所述的冷却炉为圆形密封性炉体，炉体采用不锈钢制成，炉体长度为I 18米，炉体外部的冷却壁采用不锈钢制成，在冷却壁与炉体之间通水冷却。
3.一种金属工件真空热浸镀铝及铝合金方法采用的装置，其特征在于该装置包括:真空泵、换向阀、还原炉排气管、冷却炉排气管、进气阀、冷却水出口、连接螺栓、卷扬电机、钢丝绳、上料机构、料盘、上排气阀、冷却炉、冷却壁、冷却水进口、密封阀盖、主动转轴、还原炉、加热元件、还原炉保温层、下排气阀、熔融铝液、熔铝炉、加热器和熔铝炉保温层，其中，冷却炉位于最上面，熔铝炉位于最下面，还原炉位于冷却炉和熔铝炉之间，冷却炉、还原炉和熔铝炉之间采用螺栓密封连接；上料机构为盘状钢板，位于冷却炉体的上方，钢板的下面装设有卷扬电机，卷扬电机旋转后可以缠绕或放开钢丝绳，带动料盘上升或下降，料盘上挂有被镀金属工件，随料盘的上升和下降，金属工件依次通过冷却区、还原区和浸镀区；密封阀盖设置在还原炉炉体顶部，密封阀盖可以绕主动转轴旋转，通过主动转轴的旋转达到开关状态，密封阀盖打开时整个炉膛相互贯通，密封阀盖关闭时冷却炉炉膛与还原炉炉膛隔开，炉膛内呈真空状态，充入惰性气体或还原性气体，当密封阀盖完全打开时，上料机构携带金属工件下降或上升，当密封阀盖完全关闭时，冷却炉与还原炉隔开，还原炉和熔铝炉内呈真空状态，冷却炉内充满惰性气体。
4.根据权利要求3所述的一种金属工件真空热浸镀铝及铝合金方法采用的装置，其特征在于其中的冷却炉体采用不锈钢制作，料盘、密封阀盖和还原炉采用耐热钢制成，熔铝炉采用普碳钢制成，冷却炉与还原炉及熔铝炉之间采用螺栓密封连接；之间采用螺栓密封连接；所述的冷却壁包围在冷却炉外部，与冷却炉炉体之间形成水冷夹层，冷却用水由冷却水进口进入，由冷却水出口排出；所述的还原炉外部包围有还原炉保温层，在还原炉保温层与还原炉炉体之间设置有加热元件；所述的熔铝炉外部包围有熔铝炉保温层，在熔铝炉保温层与熔铝炉炉体之间设置有加热器。`
全文摘要
本发明公开了一种金属工件真空热浸镀铝或铝合金的方法及其装置，能够有效提高金属工件的使用寿命。该方法步骤包括上料、抽真空扫炉、金属工件还原、熔化铝液、热浸镀铝或铝合金、冷却金属工件和取出金属工件；该装置包括真空泵、换向阀、还原炉排气管、冷却炉排气管、进气阀、冷却水出口、连接螺栓、卷扬电机、钢丝绳、上料机构、料盘、上排气阀、冷却炉、冷却壁、冷却水进口、密封阀盖、主动转轴、还原炉、加热元件、还原炉保温层、下排气阀、熔融铝液、熔铝炉、加热器和熔铝炉保温层。采用本发明可以消除漏镀缺陷，提高浸镀速度；浸镀过程中可通过真空对镀液进行防氧化和除气处理，消除针孔、结瘤等缺陷，提高浸镀质量。
文档编号C23C2/02GK103243286SQ20131013664
公开日2013年8月14日 申请日期2013年4月18日 优先权日2013年4月18日
发明者井玉安, 覃毅, 臧晓明, 李英红, 宋华 申请人:辽宁科技大学