專利名稱：管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于金屬零部件表面化學熱處理的方法與裝置，特指一種用于管形金屬零件內表面改性、提高內表面耐腐蝕、抗高溫氧化及耐磨損性能的直流電場增強粉末法滲鉻的方法與裝置。
背景技術：
一些管形金屬零部件工作時內表面與常溫、高溫腐蝕介質或含硬質顆粒的流體接觸，主要以表面腐蝕、氧化及磨損等方式失效。采用整體具有良好耐腐蝕、抗高溫氧化和耐磨損性能的高合金材料來制作這些零部件會大幅度增加產品成本。通過滲鉻對其內表面進行改性來提高其內表面的耐腐蝕、抗高溫氧化和耐磨損性能，從而以廉價碳鋼、低合金鋼代替昂貴的高合金不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼，是提高這些管形零件性能、延長使用壽命、降低產品成本的十分有效的重要手段。將鉻元素滲入零件表層的化學熱處理工藝稱為滲鉻。滲鉻層具有很高的耐腐蝕、 抗高溫氧化和耐磨損能力。滲鉻可分為固體粉末法滲鉻、液體法滲鉻、氣體法滲鉻和離子法滲鉻等方法。對于管形金屬零件(尤其是長/徑比大的管形零件)的內壁滲鉻，常采用固體粉末法滲鉻，這在工藝操作上較方便，且對處理設備要求不高。目前的粉末法滲鉻根據零件性能要求及零件材質的不同，一般是在850 1100°C 之間進行的高溫滲鉻，常用保溫時間6 20小時不等，獲得20 150 μ m不等厚度的滲鉻層。較之其它滲鉻法，固體粉末滲鉻法設備投資小，工藝簡便易行。現行的粉末滲鉻中活性鉻原子的產生是由滲劑的熱分解、相互反應而來，產生活性鉻原子的效率較低，其濃度與滲鉻溫度、滲劑中供鉻劑和活化劑含量等有著直接關系，鉻向零件表面的擴散也主要依賴于溫度作用的熱擴散。活性鉻原子的濃度隨滲鉻溫度的提高而提高，但高溫長時間滲鉻不僅能耗高，還會使零件基體材料組織粗化，降低零件基體材料的機械性能，當用后續熱處理來調整基體組織時，又會加大變形；在一定范圍內，增加滲劑中供鉻劑和活化劑、催滲劑含量也可增加活性鉻原子，提高滲速，但一些活化劑、催滲劑價格較昂貴，有些則會在滲鉻過程中產生腐蝕等副作用，影響表面質量及加快滲箱失效；一般以鉻鐵粉或鉻粉為供鉻劑， 滲鉻層均勻，但鉻鐵粉或鉻粉用量大，在滲劑中鉻鐵粉的含量一般高達55%以上，鉻粉的含量一般高達50%以上，并且利用率不高。因此現行工藝在對管形金屬零件內表面滲鉻時，存在處理溫度高、處理時間長、能耗大、滲劑利用率不高、成本高、滲鉻后工件變形較大等不足之處。

發明內容
針對上述不足，本發明通過強化滲鉻劑反應，促進供鉻劑的分解，加速活性鉻原子的有效擴散和吸收，可顯著降低滲鉻溫度，加快滲速，從而減少滲劑中供鉻劑、活化劑的含量，提高供鉻劑的利用率，縮短管形零件內壁滲鉻時間。該法與管形零件內壁現行粉末法滲鉻相比，在700 1000°C范圍的不同溫度，滲速至少可提高0. 5 4倍不等。本發明克服了常規固體滲鉻單純依賴滲劑受熱分解產生活性鉻原子之不足，利用直流電場的物理作用促進滲劑的分解，增加活性鉻原子的濃度與活性，減少腐蝕性活化劑的用量；柱狀電極與管形零件內壁相對平行而置，在熱擴散的同時，直流電場又加快鋁向管形零件(負極)內壁的定向擴散速度；本發明可降低滲鉻溫度，加快滲速，提高供鉻劑的利用率。本發明所述工作方法，其特征為在欲處理管形零件內部填充由供鉻劑、活化劑、 催滲劑、填充劑和疏松劑組成的固體粉末滲鉻劑，在滲劑中央放置一個柱狀電極，以柱狀電極作為正極，以管形零件作為負極，兩極相互平行，極間距離2 50mm(具體根據管件內徑確定)，兩極由導線分別對應聯接在一個電壓在0 250伏特范圍連續可調的直流電源的正、負極上；管形零件(含柱狀電極與滲鉻劑)兩端密封、絕緣，通過密封端蓋與電源負極相通；密封后的管形零件(含柱狀電極與滲鉻劑)與防氧化填充劑一起再密封在滲箱中，將滲箱置于箱式爐中加熱，溫度范圍為700 1000°C，當爐溫到設定值后，在兩極間加上0 250伏之間的直流電壓。本發明所述裝置，其特征在于由置于管形零件內部填充的固體粉末滲鉻劑中的柱形電極、管形零件兩端的密封端蓋(注必須保證密封端蓋與管形零件兩端接觸良好)與耐高溫絕緣組件、放置管形零件(含柱狀電極)與防氧化填充劑的滲箱、電壓在0 250伏特范圍連續可調的直流電源系統構成，直流電源正負兩極分別通過耐高溫導線連接柱狀電極和一個密封端蓋，通過端蓋使欲滲鉻管形零件與電源負極相通。本發明中所用柱形電極可為實心電極，也可為材料壁厚范圍為0.2 IOmm的中空柱形電極，采用熔點在1300°C以上的金屬材料制作。采用熔點在1300°C以上的金屬材料制作密封端蓋。柱形電極與欲滲鉻管件內壁之間的距離5 50mm。柱形電極平行于欲滲鉻管件內壁。本發明的主要優點在于克服了常規固體滲鉻單純依賴滲劑受熱分解產生活性鉻原子之不足，利用直流電場的物理作用促進滲劑的分解，增加活性鉻原子的濃度與活性，在熱擴散的同時，直流電場還形成鉻向管形零件(負極)內壁的定向擴散，從而可以降低滲鉻溫度，加快滲速，提高供鉻劑的利用率。所以具有如下有益效果1)在采用與現行常規固體粉末滲鉻相同的滲劑、溫度和保溫時間時，采用本方法的滲鉻層厚度可增加0. 5 4倍不等(具體取決于所用電場參數及處理溫度和滲劑配比)， 供鉻劑的利用率相應提高；欲達到現行常規固體粉末滲鉻層厚度，采用本方法可以減少供鉻劑、活化劑的含量(至少可減少50% )，或縮短保溫時間，或降低處理溫度，從而節約能源，降低生產成本，提高管形零件的使用性能和壽命；2)相對于現有技術，本發明裝置簡潔、方便工藝實施。


附圖1為管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻裝置示意圖。1)耐火泥密封，2)滲箱，3)絕緣套管，4)柱形電極，5)密封蓋，6)管形零件，7)電壓連續可調直流電源系統，8)粉末滲鉻劑，9)導電引線，10)耐火泥密封，11)防氧化填料，12)滲箱蓋。
具體實施例方式本發明裝置的示意圖如附圖1所示。下面為本發明的具體實施例實施例1被滲材料08Cr2AlMo鋼材料的無縫鋼管，鋼管外徑25mm、內徑20mm、長度30mm ； 滲鉻劑構成供鉻劑(鉻鐵，30%)、活化劑和催滲劑(氯化銨，2%;氟硼酸鉀，5%)、疏松劑 (木炭，1%)、填充劑(碳化硅，余量)。將上述物質組成的固體粉末滲鉻劑8裝填在內壁欲滲鉻鋼管試樣6中，滲劑中放置柱形電極4，柱形電極4和被滲鋼管6內壁間距離8mm，鋼管6兩端及柱形電極4兩端安裝密封蓋5、絕緣套3，再用耐火泥密封料10密封。以該柱形電極4作為正極，鋼管6作為負極，兩極分別通過耐熱導電引線9對應聯接在一個電壓在0 250伏特范圍連續可調的直流電源系統7的正、負極上，裝配密封后的鋼管試樣6和柱形電極4與防氧化填充劑11 一起由耐火泥密封料1密封在帶滲箱蓋12的滲箱2中，將滲箱置于箱式爐中加熱，滲鉻溫度為800°C，當爐溫到設定值后，在兩極間施加電流強度為4安培的直流電場，滲鉻保溫時間4 小時。試驗結果08Cr2AlMo無縫鋼管內壁獲得約75 μ m的滲鉻層；而采用同樣滲劑配方，采用現有的常規粉末法滲鉻工藝，同樣經800°C X4小時滲鉻，鋼管內壁的滲鉻層厚度不至Ij 30 μ Hio實施例2被滲材料08Cr2AlMo鋼材料的無縫鋼管，鋼管外徑25mm、內徑20mm、長度30mm ； 滲鉻劑構成供鉻劑(鉻鐵，40%)、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5%;氯化銨，1%)、疏松劑 (木炭，1%)、填充劑(碳化硅，余量)。滲鉻方法及裝置同實施例1，滲鉻溫度750°C，滲鉻保溫時間4小時，柱形正極和被滲鋼管試樣(負極)間距離8mm，在柱形正極和被滲鋼管間施加電流強度為6安培的直流電場。試驗結果08Cr2AlMo鋼管內壁獲得近55μπι的滲鉻層；而采用同樣滲劑配方，采用現有的常規粉末法滲鉻工藝，同樣經750°C X4小時滲鉻，08Cr2AlMo鋼管內壁的滲鉻層厚度不到10 μ m。實施例3被滲材料20鋼材料的焊接鋼管，鋼管外徑30mm、內徑24mm、長度30mm ；滲鉻劑構成供鉻劑(鉻鐵，含量40%)、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5%;氯化銨；1%)、疏松劑(木炭，5% )、填充劑(碳化硅，余量)。滲鉻方法及裝置同實施例1，滲鉻溫度800°C，滲鉻時間4小時，柱形正極和被滲鋼管試樣(負極)間距離8mm，在柱形正極和被滲鋼管試樣間施加電流強度為6安培的直流電場。試驗結果20鋼管內壁獲得約70μπι的滲鉻層，而采用同樣滲劑配方，采用現有的常規粉末法滲鉻工藝，同樣經800°C X4小時滲鉻，20鋼管內壁的滲鉻層厚度只有約25 μ m。實施例4被滲材料20鋼材料的焊接鋼管，鋼管外徑30mm、內徑24mm、長度30mm ；滲鉻劑構成供鉻劑(鉻鐵，含量30%)、活化劑和催滲劑(氟硼酸鉀，5% ；氟硼酸鈉，2% ；氯化銨，2%)、疏松劑(木炭，2%)、填充劑(碳化硅，余量)。 滲鉻方法及裝置同實施例1，滲鉻溫度900°C，滲鉻時間3小時。柱形正極和被滲鋼管試樣(負極)間距離8mm，在柱形正極和被滲試樣間施加4安培的的直流電場。試驗結果鋼管內壁獲得約85 μ m的滲鉻層；而采用同樣滲劑配方，采用現有的常規粉末法滲鉻工藝，同樣經900°C X3小時滲鉻，鋼管內壁的滲鉻層厚度約30 μ m。
權利要求
1.管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻方法，其特征是在欲處理管形零件內部填充由供鉻劑、活化劑、催滲劑、填充劑和疏松劑組成的固體粉末滲鉻劑，在滲劑中央放置一個柱狀電極，管形零件兩端密封、絕緣；以柱狀電極作為正極，以管形零件作為負極，兩極相互平行，極間距離5 50mm(具體根據管件內徑確定)，兩極分別通過耐熱導線對應聯接在一個電壓在0 250伏特范圍連續可調的直流電源的正、負極上；管形零件(含柱狀電極)與填充劑一起密封在裝填有防氧化填充劑的滲箱中，將滲箱置于箱式爐中加熱，溫度范圍為700 1000°C，當爐溫到設定值后，在兩極間加上0 250伏之間的直流電壓。
2.實現權利要求1所述的管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻方法的裝置，其特征在于由置于管形零件(6)內部填充的粉末滲鉻劑(8)中的柱形電極0)、管形零件(6) 兩端的密封( (10)與絕緣組件(3)、放置管形零件(6)(含柱狀電極G))與填充劑(11) 的滲箱O)、箱蓋(12)、電壓在0 250伏特范圍連續可調的直流電源系統(7)構成，直流電源正負兩極分別由耐熱導線(9)連接柱狀電極(4)與欲滲鉻管形零件(6)。
3.根據權利要求2所述的管形零件內表面的直流電場加速固體粉末滲鉻的裝置，其特征在于所述柱形電極可為實心電極，也可為材料壁厚范圍為0. 2 IOmm的中空柱形電極， 電極直徑根據管件內徑確定，采用熔點在1300°C以上的 >金屬材料制作。
4.根據權利要求2所述的管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻的裝置，其特征在于柱形電極與欲滲鉻零件之間的距離5 50mm。
5.根據權利要求2所述的管形零件內表面的直流電場增強粉末法滲鉻的裝置，其特征在于柱形電極與欲滲鉻管形零件內表面之間相互平行放置。
6.采用熔點在1300°C以上的金屬材料制作密封端蓋。
全文摘要
本發明為一種用于金屬管形零件內表面改性強化的直流電場增強粉末法滲鉻方法與裝置，其采取在欲處理管形零件內部填充粉末滲鉻劑，在滲劑中央放置一個柱狀電極，管形零件兩端密封、絕緣，以柱狀電極作為正極、管形零件作為負極，兩極相互平行，管形零件(含柱狀電極)與防氧化填充劑一起密封在滲箱中，置于箱式爐中加熱，到溫后在管件與正極間施加直流電場，即可實現管形零件內表面的快速滲鉻。該法與現行方法相比，在700～1000℃范圍的不同溫度，滲速至少可提高0.5～4倍(取決于具體工藝參數)。該方法與裝置可提高金屬管形零件內表面的粉末法滲鉻的滲速、降低滲鉻溫度、提高滲鉻劑的利用率。
文檔編號C23C10/38GK102424947SQ20111039062
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者潘建偉, 謝飛 申請人:常州大學