一种非真空环境下的渗锌工艺及设备的制作方法

本发明属于金属表面化学处理和金属材料扩散处理设备技术研发和应用技术领域，具体地说，本发明涉及一种非真空环境下的渗锌工艺及设备。

背景技术：

渗锌是用热扩散方法在金属工件表面获得锌铁合金层的表面保护工艺，是将渗锌剂与金属工件等共置于渗锌炉中，在预定工艺温度下，锌原子由金属工件表面向内部渗透，同时铁原子则由内向外扩散，借此，在金属工件表层形成一层均匀的锌－铁化合物，即渗锌层，通过渗锌层对金属工件实现阴极保护。

目前，对金属工件表面的粉末渗锌处理，主要是在密闭的真空环境下进行的，具体有如下两种方式：

一是采用密封炉“静态”渗锌，即将金属工件、锌粉和各种助渗剂装入密封炉内，令金属工件埋于复合粉剂中，加热到预定工艺温度后，保温一定时间，实现“静态”下扩散式渗锌，渗锌结束之后，降温到预定温度后出炉。

该种渗锌方式，由于在渗锌前需要进行填炉密封操作，在处理后又需要开封出炉，因此，其处理工艺只能是逐炉处理的方式，加之每一炉均需要在处理前升温，并在处理后降温，每一炉的全程处理时间大约需要6～8小时，其渗锌处理无效时间花费过长，造成工艺处理效率低下，升温、降温过程浪费了大量的时间、能源和劳动力。

二是采用旋转式渗锌炉“动态”渗锌。旋转式渗锌炉主要由托轮、炉膛本体、加热元件、密封旋转式渗锌罐、滚筒电机组成；操作时，将金属工件、锌粉、各种助剂、惰性冲击介质一并装入密封旋转式渗锌罐中，然后将密闭的渗锌罐吊装放入炉膛本体内，并架设于两侧托轮上，由滚筒电机带动渗锌罐旋转，同时对渗锌罐进行加热，在预定温度下处理预定时间后，关闭加热元件，渗锌罐随炉冷却到预定温度，随后关闭滚筒电机并吊出渗锌罐，最后打开渗锌罐取出处理后的工件。当金属工件批量大时，也可将大量工件一次分装至几个渗锌罐内，将几个渗锌罐同时吊装至网带传输式渗锌炉内处理，并集中进行下罐取件。

该种渗锌方式，借助渗锌罐的滚动，使得锌粉颗粒与金属工件之间形成机械摩擦，以加快锌原子与金属工件表面原子的反应，达到机械助渗的效果，但是，受渗锌罐滚动转速所限制，获得的动能能量小，不能有效地激发锌原子的活化能，而且，由于在渗锌前需要进行填炉密封操作，在处理后又需要开封出炉，因此，其处理工艺仍然只能是逐炉处理，加之每一炉均需要在处理前升温，并在处理后降温，每一炉零件的全程处理时间仍需要5～6小时，其通过机械旋转助渗的方式以期提高渗锌效率效果依然有限，很难满足连续化、大规模生产的节拍要求。

另外，虽然旋转式渗锌炉通过将密封旋转式渗锌罐与炉膛分开的结构，可以借助渗锌罐的滚动提高渗锌效率，但是，由于密封旋转式渗锌罐的旋转运动使得其不能实现内部加热，而只能是通过设于炉膛与密封旋转式渗锌罐之间的加热元件，先对密封旋转式渗锌罐从外部加热，然后再由渗锌罐将热量传输给其内部的金属工件，这就导致，加热元件辐射的热量会被炉胆消耗一部分，不能快速有效地传导至金属工件，延长了加热金属工件所需的时间(同时也延长了降温时间)，降低了效率，使得每一罐的整体处理时间变长，同时，加热和冷却渗锌罐又因额外增加了热量的损耗而造成能源浪费，以及增加了对环境的热污染。

由此可知，现有渗锌技术，由于设备和工艺的局限性，其只能分炉处理，且单炉处理量少、时间长，以每炉处理300～800千克、6～8小时每炉计算，每天最多也只能处理3吨，生产效率十分低下，不能满足大规模生产的需要，而且还难以保证产品品质的均一性，同时，其金属工件装炉、出炉操作频繁，劳动力消耗大，而且，每一炉均需要升温、降温，不仅浪费了大量的能源，还可能会带来对环境的污染，不符合节能减排的环保趋势。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种非真空环境下的渗锌工艺，其无需在真空环境下进行渗锌处理，使得不再局限于只能在密封环境下渗锌，还可以在开放环境下渗锌，可以克服现有技术只能逐炉处理的局限。

本发明还提供一种非真空环境下的渗锌设备，其无需在真空环境下进行渗锌处理，使得不再局限于只能在密封环境下渗锌，还可以在开放环境下渗锌，可以克服现有技术只能逐炉处理的局限。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种非真空环境下的渗锌工艺，其是在预定浓度的气体(例如惰性气体、氮气等在渗锌环境下不易与锌、铁发生化学反应的气体)保护氛围下对金属工件进行渗锌处理。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：预定浓度的气体保护氛围包括氧浓度不超过预定值。较佳的，氧浓度不超过7％～10％(体积)。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：预定浓度的气体保护氛围包括保护气体浓度不低于预定值。较佳的，保护气体浓度不低于90％～93％(体积)。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：预定浓度的气体保护氛围包括氧浓度不超过预定值(7％～10％体积)和保护气体浓度不低于预定值(90％～93％体积)。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：预定浓度的气体保护氛围是在一个封闭空间中形成的。

进一步的，封闭空间中的保护气体压力不超过一个标准大气压。

更进一步的，封闭空间中的气压不超过一个标准大气压。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：预定浓度的气体保护氛围是在一个开放的空间中形成的。

进一步的，预定浓度的气体保护氛围是由动态流动的保护气体形成的。

更进一步的，动态流动包括沿第一方向流动、沿第二方向流动和/或沿第三方向流动，其中，第一方向、第二方向和/或第三方向为直线方向或非直线方向。

上述任一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中：渗锌处理指的是粉末渗锌。

一种非真空环境下的渗锌设备，其包括：

开放式渗锌室，其具有渗锌空间以及与渗锌空间连通的开放式工件入口和开放式工件出口；

保护气体施加装置，用于向渗锌空间中充填保护气体，以在其中形成气体保护氛围。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其中：保护气体施加装置包括入口保护气体填充节，用于由工件入口向渗锌空间中充填保护气体。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其中：保护气体施加装置包括出口保护气体填充节，用于由工件出口向渗锌空间中充填保护气体。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其中：保护气体施加装置包括中部保护气体填充部，用于由工件入口与工件出口之间向渗锌空间中充填保护气体。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其中：保护气体施加装置包括：

入口保护气体填充节，用于由工件入口向渗锌空间中充填保护气体；

出口保护气体填充节，用于由工件出口向渗锌空间中充填保护气体；

中部保护气体填充部，用于由工件入口与工件出口之间向渗锌空间中充填保护气体。

本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其中：开放式渗锌室中设置有氧气浓度检测计和压力检测计。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的非真空环境下的渗锌工艺和设备，其无需在真空环境下进行渗锌处理，使得不再局限于只能在密封环境下渗锌，还可以在开放环境下渗锌，可以克服现有技术只能逐炉处理的局限，可以实现连续渗锌，显著提高生产效率，且无需每炉升温、降温，可以始终保持渗锌空间的温度，只需进出零件即可，由于仅需对零件升温、降温，其能耗显著降低，另外，连续式生产还有助于保证处理后零件的均一性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备结构框图；

图2为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备的整体结构示意图；

图3为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备中的入口保护气体填充节的结构示意图；

图4为本发明另一个实施例的非真空环境下的渗锌设备中的入口保护气体填充节的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备中的渗锌室的结构示意图；

图6为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺流程图；

图7为本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺局部流程图；

图8为本发明另一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺局部流程图。

【附图标记说明】

1：入口通道；

2：入口负压节；

3：入口保护气体填充节；

31：保护气体输送管；

32：第一入口；

33：第一出口；

4：预热节；

5：开放式渗锌室；

S：渗锌空间；S1：容置空间；

51：抛丸器；

52：锌粉喷洒器；

53：工件入口；

54：工件出口；

6：输出保温节；

7：出口保护气体填充节；

8：出口负压节；

9：出口通道；

10：中部保护气体填充部；

L：传输链。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

参见图1，本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌设备，其包括：

开放式渗锌室5，其具有渗锌空间S以及与渗锌空间S连通的开放式工件入口53和开放式工件出口54；

保护气体施加装置，用于向渗锌空间S中充填保护气体，以在其中形成气体保护氛围。

借助保护气体施加装置在渗锌空间S中形成预定浓度的气体保护氛围，并在其中对金属工件进行渗锌处理。而由于渗锌空间S可以设置为开放式的，其可以通过工件入口53连续输入金属工件，处理后，又可以经过工件出口54连续输出，可以实现连续渗锌，有利于实现工业化连续生产，可以显著提高效率，同时，由于渗锌空间S无需反复升温、降温，可以显著地节能减排。例如可以通过传输链L连续输送金属工件。

参见图2，本发明的一个实施例中，保护气体施加装置包括入口保护气体填充节3，用于由工件入口53向渗锌空间S中充填保护气体。

借此，可以由工件入口53通入保护气体，再由工件出口54输出，使得渗锌空间S中形成一个流动的气体保护氛围。

其中，入口保护气体填充节3具有一个第一入口32和一个第一出口33，其第一出口33与开放式渗锌室5的工件入口53连接(较佳的为对接，更佳的为二者的开口大小相同)，工件可以经第一入口32、第一出口33和工件入口53进入渗锌空间S，借助保护气体施加装置的入口保护气体填充节3，可以延长工件入口53处的通道长度，有助于保持渗锌空间S中的气体保护氛围的稳定性。

如图3所示，入口保护气体填充节3的第一入口32和第一出口33之间设置若干个气体输送口，例如可以在入口保护气体填充节3的侧壁周向布置6个或8个或18个气体输送口，气体输送口优选为朝向第一出口33的方向，便于保护气体通入渗锌空间S中。

如图4所示，入口保护气体填充节3具有扩张段，气体入口设于扩张段中，便于设置气体入口的开口方向，同时，由于扩张段的内径尺寸较大，使得第一出口33侧的保护气体具有较大的体积，有利于维持渗锌空间S中气体保护氛围的稳定。

较佳的，扩张段延伸至第一出口33位置，较佳的，其内径尺寸大于第一出口33的开口尺寸。

本发明的一个实施例中，保护气体施加装置包括出口保护气体填充节7，用于由工件出口54向渗锌空间S中充填保护气体。

其中，该出口保护气体填充节7可以设置为与前述的入口保护气体填充节3对称的结构，对接于工件出口54位置，延长工件出口54处的通道长度，有助于保持渗锌空间S中的气体保护氛围的稳定性。

本发明的一个实施例中，保护气体施加装置包括中部保护气体填充部10，用于由工件入口53与工件出口54之间向渗锌空间S中充填保护气体。

借此，可以通过由渗锌空间S的中部通入保护气体，再由工件入口53和工件出口54排出保护气体的方式，在渗锌空间S中形成气体保护氛围。

较佳的，中部保护气体填充部10包括若干个气体输送口，分布于渗锌空间S的中部附近，优选为，周向均布。例如，可以上下左右各布置一个或两个，或者在左右两侧各设置3～9个或更多个。

本发明的一个优选实施例中，进一步的，可以在开放式渗锌室5的工件入口53、工件出口54分别设置入口保护气体填充节3和出口保护气体填充节7。

操作时，可以由工件入口53、工件出口54同时通入保护气体，也可以先一后二通气，在渗锌空间S中形成气体保护氛围。此时，可以令保护气体通过工件入口53、工件出口54溢出，既保持保护气体的稳定性，又可以适当提高保护气体的压力，也可以在其他位置设置保护气体出口，以形成稳定的气体保护氛围。

更进一步的，如图1所示，可以在开放式渗锌室5的工件入口53、工件出口54和中部位置分别设置入口保护气体填充节3、出口保护气体填充节7和中部保护气体填充部10。

操作时，可以先由中部向渗锌空间S中通入保护气体，将其中的空气排出，再由工件入口53、工件出口54同时通入保护气体，在渗锌空间S中形成气体保护氛围。

也可以采用其他方式，如同时通入、或先一后二(先由工件入口53或工件出口54通气，再二者同时通气)、或先一后三(先由工件入口53或工件出口54通气，再与中部位置三者同时通气)通入保护气体的方式，在渗锌空间S中形成气体保护氛围。

较佳的，前述各保护气体输送口可以经过保护气体输送管31连接外部的保护气体源。

较佳的，不设置单独的保护气体出口，而是令保护气体通过工件入口53、工件出口54溢出，既可以保持保护气体的稳定性，又可以适当提高保护气体的压力，同时，可以减少保护气体带走的热量，减少能源消耗。

较佳的，在入口保护气体填充节3的第一出口33侧，还设置有预热节4，用于对金属工件进行预热，而由工件入口53排出的保护气体可以经预热节4逸出至入口保护气体填充节3。

例如，预热节4可以设置成具有贯穿通道的两端开口结构，其入口对接入口保护气体填充节3的第一出口33，使得金属工件和保护气体可以在穿过其贯穿通道时得到预热，再进入渗锌空间S。

如图4所示的实施例中，还可以在入口保护气体填充节3中设置加热元件，使其同时作为预热节使用。

较佳的，还可以在入口保护气体填充节3设置入口负压节2，入口负压节2内呈微负压状态，对入口保护气体填充节3进行抽气，借以引导溢出的空气、多余的保护气体、锌粉微尘排出。

例如，入口负压节2可以设置成具有贯穿通道的两端开口结构，其一端开口对接入口保护气体填充节3的第一入口32。较佳的，其中部沿周向设置若干抽气口，各抽气口通过管路连接负压源。

较佳的，出口保护气体填充节7的入口侧还设置有输出保温节6，其出口侧还设置有出口负压节8，可以与预热节4和入口负压节2对称设置。

较佳的，入口负压节2和出口负压节8还分别连接有入口通道1和出口通道9，可以进一步保证气体保护氛围的稳定性。

本发明的一个优选实施例中，为了便于保持渗锌空间S中的气体氛围，工件入口53和工件出口54设置为狭长形，相应的，分别与二者依次对接的预热节4、入口保护气体填充节3、入口负压节2，以及输出保温节6、出口保护气体填充节7、出口负压节8，两端开口的形状与之相同。

更优选为的，工件入口53和工件出口54还设置有挡尘帘，以减少微尘外逸。

本发明的一个优选实施例中，为了保证安全性，避免发生粉尘爆炸，开放式渗锌室5中设置有氧气浓度检测计。以便于根据需要调整通入保护气体的方式和流量，保证渗锌空间S中的氧气浓度低于爆炸阙值。

上述任一实施例中，可以设置为下述任一预定浓度的气体保护氛围：

1、90％体积的惰性气体，余量为空气。

2、93％体积的惰性气体，余量为空气。

3、98％体积的惰性气体，余量为空气。

4、100％体积的惰性气体。

5、90％体积的氮气，余量为氧气。

6、93％体积的氮气，余量为氧气。

7、97％体积的氮气，余量为氧气。

8、99％体积的氮气，余量为氧气。

9、100％体积的氮气。

10、20％体积的惰性气体，70％体积的氮气，余量为氧气。

11、36％体积的惰性气体，56％体积的氮气，余量为氧气。

12、55％体积的惰性气体，36％体积的氮气，余量为氧气。

13、95％体积的惰性气体，余量为氧气。

14、90％体积的惰性气体，余量为氧气。

15、93％体积的惰性气体，余量为氧气。

其中，当为动态气体保护氛围时，惰性气体/氮气含量不低于90％，较佳的，在90％～93％之间，氧气含量不超过10％，较佳的，不超过7％。

参见图5，进一步的，为了便于连续化生产，还设置有锌粉喷洒器52，将锌粉(既可以是纯锌粉，也可以是混合有助渗剂的锌粉混合物)持续均匀地喷洒至金属工件表面。

其中，锌粉施加装置安装在渗锌室外部，喷射出口延伸至渗锌室中。例如可以通过侧壁、顶壁和/或底壁伸入渗锌室中。较佳的，设于顶部。

其中，锌粉施加装置包括料斗、旋转式喷洒器。

锌粉施加装置的料斗可以为焊接结构，外形呈漏斗状，通过焊接型钢支架架设于渗锌室外部顶面，漏斗下端开口与旋转式喷洒器相连，旋转式喷洒器下端伸入渗锌室内部，工作时由此旋转式喷洒器均匀喷洒锌粉至金属工件表面。

其中，锌粉施加装置的喷射出口优选为多个。较佳的，多个喷射口均匀分布于渗锌空间S上方。

其中，多个喷射出口可以对应一个或多个旋转式喷洒器。

其中，多个旋转式喷洒器可以对应一个或多个料斗。

进一步的，为了提高渗锌效率，还可以设置机械助渗装置，用于向工件表面施加颗粒，撞击施加有锌粉的工件表面，利用机械能的辅助提高渗锌效率。

其中，机械助渗装置可以采用抛丸器51。

其中，抛丸器51可以安装在渗锌室外部，并且抛丸器51的抛投出口与渗锌室的室壁相通。

其中，抛丸器51可以为一个或多个。当采用多个时，优选为相邻抛丸器51呈交错布置。通常，同侧相邻抛丸器51间的水平方向间隔不小于250mm。

较佳的，相对侧的抛丸器51交错布置。

其中，抛投出口可以设于渗锌室的侧壁、顶壁和/或底壁。

其中，抛丸器51可以采用变频调速双圆盘机械式进丸抛丸器51。

其中，抛丸器51的入料口连接有料斗，料斗设于渗锌室顶部外侧，通过一个输料管向抛丸器51的入料口供料。

较佳的，还可以设置分离回收锌粉和颗粒的分离回收装置。

分离回收装置可以设置有：

振动筛，用于将来自渗锌空间S的锌粉和颗粒相分离；

锌粉回收机构，用于将分离后的锌粉提供给锌粉喷洒器52；和颗粒回收机构，用于将分离后的颗粒提供给抛丸器51。

借此，可以将锌粉和颗粒进行回收再利用，避免浪费，还可以将回收的锌粉和颗粒再次使用，降低材料消耗，节约成本。

其中，振动筛的入料口可以设于渗锌室的底部(在渗锌室的底部设置出料口)，接收锌粉与颗粒的混合物，锌粉回收机构的入料口对应振动筛的锌粉出口，锌粉回收机构的出料口对应锌粉喷洒器52的入料口，锌粉回收机构的入料口与出料口通过耐温锌粉提升机构连接。

进一步的，耐温锌粉提升机构穿过渗锌室设置，以使回收的锌粉保温，节能减排。

更进一步的，颗粒回收机构的入料口对应振动筛的颗粒出口，颗粒回收机构的出料口对应抛丸器51的入料口，颗粒回收机构的入料口与出料口通过穿过渗锌室的耐温颗粒提升机构连接，以使回收的颗粒保温，节能减排。

其中，颗粒回收机构可以将回收的颗粒输送至抛丸器51入料口的料斗中。

通过锌粉和颗粒的分离回收，不仅可以节约资源，还有助于实现连续工业化生产。

参加图6，本发明还提供一种非真空环境下的渗锌工艺，其主要包括如下步骤：

S1、形成一个气体保护氛围；

S3、在气体保护氛围下进行渗锌处理。

参见图7，本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中，步骤S1包括如下步骤：

S11、在一个渗锌空间中输入保护气体，直至其中的保护气体达到预定压力；

S12、封闭渗锌空间，形成密闭的气体保护氛围。

参见图8，本发明一个实施例的非真空环境下的渗锌工艺，其中，步骤S1包括如下步骤：

S11＇、在一个开放式渗锌空间中输入保护气体，直至排净其中的空气，至其中充满保护气体；

S12＇、保持保护气体的持续输入，形成动态的气体保护氛围。

较佳的，步骤S11＇中，氧气含量低于预定值，以避免发生粉末爆炸。

较佳的，步骤S11＇中，包括由渗锌空间的中部位置通入保护气体，将渗锌空间中的空气排出，以形成气体保护氛围。

较佳的，步骤S11＇中，包括由渗锌空间的工件入口和/或工件出口位置通入保护气体，将渗锌空间中的空气排出，以形成气体保护氛围。

较佳的，步骤S11＇中，渗锌空间中多余的保护气体由工件入口和/或工件出口排出，以形成动态的气体保护氛围。

其中，步骤S3中，向步骤S12＇中形成的动态的气体保护氛围中连续输入金属零件，使其在气体保护氛围下进行渗锌反应。借此，可以实现连续式工业化生产，效率显著提高。

较佳的，步骤S3中，将锌粉喷洒至金属工件表面，以便于实现连续渗锌，并使工件表面渗锌均匀。

较佳的，步骤S3中，还包括抛投颗粒撞击施加有锌粉的工件表面，以提高渗锌效率。

其中，步骤S3之前还包括步骤S2、将气体保护氛围加热至渗锌工艺温度。

较佳的，保持气体保护氛围在工艺温度，持续输入待处理的金属工件、并输出处理后的金属工件。借此，可以只升温、降温金属工件即可，实现节能减排。

其中，步骤S3之前还对金属工件进行预热处理，较佳的，预热处理的热量一部分来自保护气体由渗锌空间中带出的热量。例如利用由渗锌空间的工件入口排出的保护气体对金属工件进行预热。

其中，步骤S3之后还对金属工件进行降温处理，较佳的，由渗锌空间的工件出口排出的保护气体与金属工件一起排出，共同降温。

综上所述，由于本发明的渗锌设备可以借助保护气体施加装置在渗锌空间中形成预定浓度的气体保护氛围，并在其中对金属工件进行渗锌处理，而该种渗锌工艺使得不仅局限于在封闭环境下进行渗锌处理，还可以在非密封环境下进行渗锌，即可以在开放式的环境下进行渗锌处理，而由于渗锌空间可以为开放式的，其可以通过工件入口连续输入金属工件，处理后，又可以经过工件出口连续输出，即渗锌处理可以连续进行，能够实现渗锌的连续式工业化生产，可以显著提高生产效率。同时，由于连续化生产时渗锌空间无需反复升温、降温，只需升温、降温金属工件即可，可以显著地降低能源消耗和降低排放，实现节能减排。