半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备技术

一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，属于金属材料表面冶金技术及其设备领域。将工件（金属板材）装入预真空室，通过辅助热源预热工件到规定温度；通过传动机构将工件送入表面冶金室进行表面合金化处理，工件以０．１－１ｍｍ／ｓ的速度作水平往复运动，保证了大面积生产中板材表面成分及厚度的均匀性。预真空室重新装料；合金化处理完毕后，将工件送到冷却室冷却；重复此过程，实现半连续化生产。该方法及装置能够实现大面积金属板带表面冶金的工业化生产要求。如在普通碳钢板材表面制备Ｎｒ－Ｃｒ冶金层，与不锈钢有同等耐腐蚀性能，可部分代替不锈钢板材。

【技术实现步骤摘要】

一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，属于金属材料表面冶金技术及其设备领域。
技术介绍
工业发达国家每年由于金属的腐蚀而造成的直接经济损失约占全年国民经济总产值的2～4％。因腐蚀导致失火、爆炸、桥梁坍塌、飞机坠毁、核反应堆泄漏等重大事故时有发生，设备和管道因腐蚀而泄漏，使有毒有害物料进入大气、土壤和水源。国内外对于金属腐蚀一般采用两种方法来防护，一种是使用整体耐蚀材料，例如不锈钢，另一种是使用表面涂层技术。然而，不锈钢材料中Ni、Cr元素占很大的比重，这些合金元素资源短缺、日益枯竭，导致不锈钢材料的价格高昂。涂层技术也在钢铁的表面防护中得到广泛应用，例如电镀与化学镀，但涂层与基体的结合力牢固性不足，在承受载荷时常常出现剥离现象。而涂敷作业也容易带来环境污染问题。为此，我们采用等离子表面冶金技术，在普通碳钢钢板表面制备Ni-Cr合金层，形成一种与不锈钢板耐蚀性能相当的低成本等离子表面冶金钢板。为实现其大规模工业生产，必须专利技术专用生产装备。我国学者专利技术的“双层辉光等离子表面冶金技术”(US Patent 4520268、4731539)，该技术中在一真空容器中设置由欲渗合金元素制成的源极，工件为阴极，炉壁为阳极；施加一定的偏压后，源极与阴极之间产生辉光放电，由源极溅射出的金属离子流轰击金属板带表面，加热工件，在工件表面沉积并渗入其内部，形成具有特殊物理、化学和机械性能的表面合金层。由该技术获得的表面合金层成分呈梯度分布，与基体之间没有明显的界线，因而具有充分可靠的结合强度。徐重教授专利技术了双层辉光离子渗金属炉(ZL87104626.1)，该设备可用于小型零部件的生产，最大可处理的工件表面积为1m×1m，为双层辉光离子渗金属技术的实际应用提供了保证。对于表面积大于2m2的工件，现在还无法处理，限制了双辉技术的大规模工业应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，以实现大面积金属板带表面冶金的工业化生产。一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法，其特征在于包括以下步骤(1)、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；(2)、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室，进行等离子表面冶金处理，处理过程中使工件以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米；(3)、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；(4)、上述第(1)步预热工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷却工序为连续作业形式。一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备，其特征在于它按生产流程包括预真空室、双层辉光等离子表面冶金室和冷却室，以及工件传动机构；其中预真空室与双层辉光等离子表面冶金室、双层辉光等离子表面冶金室与冷却室之间均设置有真空闸阀；双层辉光等离子表面冶金室内工件传动机构为往复运动式传动机构，该往复运动式传动机构两侧与工件之间均设置有间隙保护结构，间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米。本方法中，工件在冶金室内通过传动机构以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动，可以保证大面积冶金处理工件表面成分的均匀性。传动机构与工件(阴极)之间设有间隙保护结构，可以用来阻止弧光放电(场致放电)，保证工件表面质量。根据气体放电理论，间隙宽度设为0.5-2.0毫米，间隙深度设为10-20毫米。同时，在双层辉光等离子表面冶金室设置有隔热装置，保证温度场的均匀性。以上措施保证了连续稳定的生产。经过计算本专利技术的装备可年产4000-6000吨低成本等离子表面冶金耐蚀钢板。等离子表面冶金耐蚀钢板可部分取代不锈钢板，大幅度降低应用领域的使用成本，可满足火电站、核电站、油气开采、炼油、化工、化肥、环保、汽车、交通运输、供水、轻工、医药以及航空、航天等部门对钢板耐蚀性、安全性及环境保护的要求。附图说明图1双层辉光等离子表面冶金室原理图。图2本专利技术的三室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备结构示意图。图3本专利技术的二室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备结构示意图。图4等离子表面冶金耐蚀钢板成分分布图。图50.05mol/L H2SO4溶液中腐蚀性能测试结果。图中标号名称1、脉冲灭弧电源，2、炉体，3、直流电源，4、隔热屏，5、供气系统，6、工件(阴极)，7、源极，8、真空系统，9、预真空室，10、双层辉光等离子表面冶金室，11、冷却室，12、真空闸阀，13、真空闸阀，14、传动机构，15、工件，16、源极。具体实施例方式如图1所示，为等离子表面冶金的原理。真空容器中设有合金元素制成的源极7，工件6为阴极，炉壁2为阳极。通过真空泵8将炉腔抽至一定真空度后，反充Ar至工作气压并维持，然后由两个直流或脉冲电源1、3分别向源极和阴极施加负偏压，在源极与阴极之间产生空心阴极辉光放电。为了保证温度场的均匀性，炉内设置了隔热屏4，必要时还可增加电加热元件。源极中溅射出来的合金原子在工件表面吸附、扩散，从而在工件表面形成所需的合金层。如图2所示，为本专利技术的三室式半连续式等离子表面冶金板材批量生产装备的组成。它由预真空室9、双层辉光等离子表面冶金室10和冷却室11组成，预真空室与双层辉光等离子表面冶金室之间设有真空闸阀12，双层辉光等离子表面冶金室与冷却室之间设有真空闸阀13。预真空室9内设有一路小排气量机械真空泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。还设有工件传动机构。预真空室设有外加热源和供气、排气系统，可对工件进行真空或气氛保护加热。参考图1所示，冶金室10设置有脉冲灭弧电源1、直流电源3、隔热屏4、供气系统5、工件(阴极)6、源极7、真空系统8。其中真空系统设有两条分路。其中主分路系机械增压泵机组，以保证炉子的极限真空度达到1.33-6.65Pa，另一分路是采用小排气量机械泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。冶金室10内也设有工件传动机构，并且它可以实现水平往复运动。冷却室11设有工件传动机构，还设有一路小排气量机械真空泵，以保证1.33-1333Pa的工作气压。冷却室设有供气、排气系统，可对工件进行气氛保护降温。三室结构的工作原理为将工件(金属板)装入预真空室，通过辅助热源预热工件到规定温度；打开真空阀，通过传动机构将工件送入表面冶金室进行表面合金化处理，预真空室重新装料；合金化处理完毕后，打开表面冶金室与冷却室之间的真空阀，将工件送到冷却室冷却；重复此过程，实现半连续化生产。下面结合图2说明利用本专利技术进行连续式大面积金属板材等离子表面冶金生产的方法。采用本专用装备进行金属板材表面冶金处理的操作过程如下(1)、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；(2)、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室进行处理，处理过程中使工件在双层辉光等离子表面冶金室内以0.1-1mm/s的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为0.5-2.0毫米，间隙深度为10-20毫米；(3)、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；(4)上述第(1)步预热工序、第(2)步表面冶金工序、第(3)步冷却工序为连续作业形式。通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法，其特征在于包括以下步骤：（１）、将待处理工件输送到预真空室进行真空预热；（２）、将经过预热的工件输送到双层辉光等离子表面冶金室，进行等离子表面冶金处理，处理过程中使工件以０．１－１ ｍｍ／ｓ的速度作水平往复运动；同时利用传动机构两侧与工件之间均设有的间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度为０．５－２．０毫米，间隙深度为１０－２０毫米；（３）、将经过表面冶金处理的工件输送到冷却室冷却；（４）、上述第（１）步预 热工序、第（２）步表面冶金工序、第（３）步冷却工序为连续作业形式。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张平则，徐重，姚正军，缪强，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]