專利名稱：雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生產(chǎn)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙面等離子表面冶金金屬板材及其立式生產(chǎn)方法，屬 于金屬板材表面冶金領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
金屬腐蝕是金屬和周圍環(huán)境發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而被破壞的現(xiàn)象。 金屬材料腐蝕會造成設(shè)備重大故障，往往使生產(chǎn)中斷，發(fā)生停電、停水、 停氣，嚴(yán)重影響人們的正常生產(chǎn)和生活；設(shè)備和管道腐蝕破裂，使有毒物 質(zhì)向外泄漏，造成對大氣、土壤、江河、湖泊的嚴(yán)重污染；由腐蝕引起的 工程事故，造成巨大的經(jīng)濟損失并且會危及人身安全，全球每年由腐蝕造 成的損失達7000億美元，占各國國民經(jīng)濟生產(chǎn)總值(GNP)的2°/。-4%,是 綜合自然災(zāi)害損失，即地震、臺風(fēng)、水災(zāi)等損失總和的6倍。
解決金屬材料的腐蝕問題的一種方法是采用整體耐蝕材料，例如不銹 鋼，但是不銹鋼生產(chǎn)需要消耗大量的鎳、鉻等貴重金屬，而這些合金元素 資源目前己日益枯竭，導(dǎo)致不銹鋼材料的價格不斷上漲。
腐蝕是材料的表面的問題，提高材料表面耐蝕性就成為解決金屬材料 腐蝕問題的另一個有效途徑。目前，涂層技術(shù)的應(yīng)用為鋼鐵表面防護發(fā)揮 了很大作用，如電鍍、熱浸鍍、涂敷等，但鍍層或涂層與基體不是冶金結(jié) 合，層間結(jié)合不牢固，在承受載荷時常常出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象，涂鍍合金元 素的使用受到一定的限制，影響了此類技術(shù)的應(yīng)用。
利用滲碳、氮化、激光以及等離子處理等表面冶金技術(shù)對金屬材料表 面直接進行處理，改變金屬材料表面的成分、組織或者結(jié)構(gòu)來提高金屬材 料的性能，已經(jīng)成為目前比較常用的金屬材料表面處理技術(shù)。
美國專利US Patent 4520268和4731539中公開了一種雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)，其基本原理是在離子氮化裝置中增加一個欲滲合金元素構(gòu) 成的源極，該源極和陽極以及工件和陽極之間各設(shè)置一個直流可調(diào)壓電源。 當(dāng)真空室抽真空并充以氬氣達到一定工作氣壓后，接通兩個直流電源，使 工件和源極分別產(chǎn)生輝光放電，此即所謂雙層輝光放電現(xiàn)象。輝光放電所 產(chǎn)生的氬離子轟擊，使源極濺射出合金元素并奔向工件，而工件經(jīng)離子轟 擊被加熱到高溫。合金元素借助于轟擊、沉積和擴散而滲入工件表面，從 而形成含有欲滲合金元素的合金層。該合金層中的合金元素含量和合金層 厚度可以通過調(diào)節(jié)工作氣壓、源極和工件電壓及電流以及溫度和滲入時間 等工藝參數(shù)加以控制。這兩篇美國專利首先提出了采用雙層輝光等離子表 面冶金技術(shù)進行金屬材料表面冶金的思路，隨后出現(xiàn)了嘗試將該技術(shù)有效 應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)或工業(yè)產(chǎn)品的一些研究報道。
中國專利87104626.1公開了一種雙層輝光離子滲金屬爐，該設(shè)備可用 于小型零部件的生產(chǎn)，最大可處理的工件表面積為lmXlm，為雙層輝光離 子滲金屬技術(shù)的實際應(yīng)用提供了保證。但使用該設(shè)備工作效率低，無法實 現(xiàn)對于表面積大于2r^的工件的處理，限制了雙輝技術(shù)的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。
中國專利申請200710023604.8公開了一種半連續(xù)式等離子表面冶金板 材批量生產(chǎn)方法及裝備，該裝備由預(yù)真空室一表面冶金室一冷卻室組成， 鋼板在表面冶金室水平往復(fù)運動，可實現(xiàn)鋼板的單面大面積表面合金化處 理，完成這種等離子表面冶金板材的半連續(xù)式生產(chǎn)。根據(jù)該專利申請公開 的內(nèi)容(參見該專利申請文本的圖2和圖3)可知，在處理過程中，金屬板 材始終處于臥式狀態(tài)(即金屬板材水平放置在處理爐內(nèi)，其面積最大的兩 面， 一面向下，另一面向上；而源極懸掛在待處理的金屬板材的上方并面 向待處理的一面；具體可參考該發(fā)明申請公開的附圖)，要實現(xiàn)對金屬板材 的兩面冶金處理，必須先處理一面，然后將板材翻轉(zhuǎn)后再處理另一面。由 于金屬板材是以臥式的方式放置在冶金室內(nèi)，具有較大的水平表面，濺射 過程中來自于源極等的自由固體顆粒也會落到金屬板材表面并沉積，在高溫下會影響處理之后的金屬板材的板形和表面質(zhì)量。
目前有關(guān)利用等離子表面冶金技術(shù)進行板材表面處理的方法均采用臥 式處理方式，即金屬板材以水平方式進入冶金室進行表面冶金處理，在工 業(yè)化生產(chǎn)中存在的問題是，需要二面分別進行處理，不能實現(xiàn)金屬板材雙 面的同步等離子表面合金化處理，而且處理之后的金屬板材表面存在自由 固體顆粒沉積，并容易產(chǎn)生金屬板材在高溫時的變形和表面質(zhì)量問題。因 此，雖然已經(jīng)存在大量針對雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)的專利申請以及 研究報道，但是，目前的技術(shù)發(fā)展和實施現(xiàn)狀離將等離子表面冶金技術(shù)應(yīng) 用于實際生產(chǎn)并達到一定產(chǎn)業(yè)化的成果仍有很大距離。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種雙面等離子表面冶 金金屬板材的生產(chǎn)方法，利用雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)，采用立式生 產(chǎn)方式實現(xiàn)金屬板材兩面的同時表面冶金處理，不僅提高了表面冶金處理 的效率，而且利于提高加工質(zhì)量和實現(xiàn)大面積金屬板材表面冶金的工業(yè)化 生產(chǎn)。
本發(fā)明的目的還在于提供上述雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生 產(chǎn)裝置，通過使用該生產(chǎn)裝置實現(xiàn)大面積金屬板材的雙面同時等離子表面 冶金工業(yè)化處理。
為達到上述目的，本發(fā)明提供了雙面等離子表面冶金金屬板材的立式 生產(chǎn)方法，其包括以下步驟
將待處理金屬板材預(yù)熱，對金屬板材的兩面同時進行等離子表面冶金 處理，冷卻，得到雙面等離子表面冶金金屬板材；其中，等離子表面冶金 處理過程中，金屬板材以直立方式位于相對設(shè)置的源極之間。
本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵是使金屬板材在立式狀態(tài)下實施等離子表面冶金處 理，使金屬板材的兩個表面同時得到處理，提供了工業(yè)化生產(chǎn)大規(guī)格的表 面冶金板材的可行性技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，上述立式生產(chǎn)方法可以包括以下具體步驟
(1 )將待處理金屬板材通過傳動機構(gòu)輸送到預(yù)熱室進行預(yù)熱；
(2) 將經(jīng)過預(yù)熱的金屬板材通過傳動機構(gòu)輸送到等離子表面冶金室， 對金屬板材的兩面同時進行等離子表面冶金處理；
(3) 通過傳動機構(gòu)將經(jīng)過等離子表面冶金處理的金屬板材輸送到冷卻 室冷卻，得到雙面等離子表面冶金金屬板材；
其中，通過傳動機構(gòu)使金屬板材在生產(chǎn)過程中保持立式狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的具體方案，上述立式生產(chǎn)方法中，步驟(1)對待處理金 屬板材進行預(yù)熱時，可以釆用往復(fù)式真空預(yù)熱或可控氣氛預(yù)熱；預(yù)熱室中 可以設(shè)置熱源，可以進行感應(yīng)加熱或電阻加熱或兩者復(fù)合加熱。
步驟(2)中對經(jīng)過預(yù)熱的金屬板材進行等離子表面冶金處理時，合金 化元素可以由相向且豎直設(shè)置于冶金室中的源極供給，即，使預(yù)熱后的金 屬板材處于所述相向設(shè)置的源極之間，兩側(cè)源極濺射出的合金元素同時滲 入金屬板材的兩個表面，實現(xiàn)對兩個表面同時處理的效果。
處理過程中，可以通過傳動機構(gòu)操控待處理金屬板材在相向設(shè)置的源 極之間以約1-100毫米/秒的速度作往復(fù)運動，使金屬板材的各部分能夠均 勻地得到處理，獲得更好的處理效果；傳動機構(gòu)與金屬板材之間均可以設(shè) 置間隙保護結(jié)構(gòu)進行滅弧，其中間隙寬度控制為約0.5-2.0毫米，間隙深度 控制為不小于IO毫米。
步驟(3)中對經(jīng)過表面冶金處理的金屬板材進行冷卻時，可以向冷卻 室中充氮氣，進行強迫對流冷卻。
在雙面等離子表面冶金金屬板材的實際生產(chǎn)中，根據(jù)金屬板材的材質(zhì) 的不同以及所要獲得冶金層的材質(zhì)的不同，對金屬板材進行處理所采用的 工藝參數(shù)也不同，包括源極的合金元素和不同工藝參數(shù)的控制等。
根據(jù)本發(fā)明的具體方案，整個金屬板材的生產(chǎn)過程可以實現(xiàn)半連續(xù)生 產(chǎn)模式；即，控制合適的操作，原材料預(yù)熱工序和處理后板材的冷卻工序可以為間歇作業(yè)形式，而金屬板材的表面冶金工序可以為連續(xù)作業(yè)形式。
本發(fā)明中定義的金屬板材的"立式狀態(tài)"，是相對于目前常規(guī)技術(shù)中水 平狀態(tài)而言，是指待處理的金屬板材的兩個大的表面處于豎直狀態(tài)，當(dāng)進 入等離子表面冶金室時，兩個大表面均面對源極，實現(xiàn)同時處理。
本發(fā)明還提供了實現(xiàn)上述生產(chǎn)雙面等離子表面冶金金屬板材的方法的 立式生產(chǎn)裝置，該裝置由預(yù)熱室、等離子表面冶金室和冷卻室組成三室結(jié) 構(gòu)，所述三室均為真空室，且等離子表面冶金室的兩端分別通過真空閘板 閥與預(yù)熱室和冷卻室連接；預(yù)熱室中設(shè)置熱源、傳動機構(gòu)和隔熱裝置，等 離子表面冶金室中設(shè)置源極、傳動機構(gòu)和隔熱裝置，所述源極相向設(shè)置于 等離子表面冶金室的兩側(cè)，冷卻室中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和傳動機構(gòu)，所述傳動 機構(gòu)包括支撐輥和立式夾持輥，用于控制金屬板材以立式狀態(tài)在各室間被 輸送以及在相向設(shè)置的源極之間進行往復(fù)運動。其中，所使用的源極可以 是與傳動機構(gòu)的立式夾持輥間隔排列設(shè)置于等離子表面冶金室的兩側(cè)。
本發(fā)明提供生產(chǎn)雙面等離子表面冶金金屬板材的方法的立式生產(chǎn)裝 置，其中預(yù)熱室和冷卻室可以合并為預(yù)熱/冷卻室而成為二室結(jié)構(gòu)，所述預(yù) 熱/冷卻室中同時設(shè)置用于預(yù)熱待處理金屬板材的熱源和用于冷卻來自等離 子表面冶金室的板材的冷卻系統(tǒng)。
上述生產(chǎn)裝置中設(shè)置的冷卻系統(tǒng)可以包括任何能達到對板材實施冷卻 的裝置或設(shè)備，例如可以包括冷卻風(fēng)機和換熱器等設(shè)備。
在上述立式生產(chǎn)裝置(包括二室和三室)中，各真空室(附設(shè)真空設(shè) 備，在工作時可以根據(jù)要求達到一定的真空度)均可以設(shè)置單獨的真空系 統(tǒng)和供氣系統(tǒng)；預(yù)熱室可以采用真空加熱或可控氣氛加熱；等離子表面冶 金室可以真空充惰性氣體滿足輝光放電的條件；冷卻室可以采用充氮強迫 冷卻；預(yù)熱室和等離子表面冶金室內(nèi)設(shè)置的傳動機構(gòu)為往復(fù)式傳動機構(gòu)， 傳動速度為約1-100毫米/秒，可以帶動工件(即金屬板材)作往復(fù)運動， 且可以使工件運動速度在1-100毫米/秒的范圍內(nèi)可調(diào)；其中，立式夾持輥垂直設(shè)置于等離子表面冶金室內(nèi)，用于保持金屬板材的立式狀態(tài)，并帶動
金屬板材進行運動；支撐輥位于等離子表面冶金室的底部，支撐金屬板材 進行往復(fù)運動；傳動機構(gòu)與工件之間均可以設(shè)置有間隙保護結(jié)構(gòu)，間隙寬 度控制為約0.5-2.0毫米，間隙深度控制為不小于10毫米。
預(yù)熱室設(shè)置熱源，可以進行感應(yīng)加熱或電阻加熱或兩者復(fù)合加熱。 作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，等離子表面冶金室設(shè)置的源極可以是多
組懸掛式板條組合源極；預(yù)熱室和等離子表面冶金室中設(shè)置隔熱裝置，該 隔熱裝置可以采用本領(lǐng)域中使用的任何常規(guī)的隔熱裝置(隔熱屏)，例如 金屬屏或高溫陶瓷纖維隔熱裝置等。冷卻室可以設(shè)置冷卻風(fēng)機和換熱器。
其中，本發(fā)明所采用的懸掛式板條組合源極，每組源極具有一個支撐 框架，該支撐框架上固定有水平設(shè)置的框架橫板，多個源極板條以豎直狀 態(tài)沿水平方向排列，且上端固定于框架橫板上，所述組合源極通過支撐框 架懸掛設(shè)置于等離子表面冶金室中。
根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，組合源極的縱向方向至少設(shè)置二排源極 板條，橫向相鄰的二塊源極板條分別固定在不同的框架橫板上，并使縱向 相鄰的兩塊板條之間的間隙在水平方向上不會形成連續(xù)的直線。
源極支撐框架與框架橫板焊接為整體，板條的一端固定在源極框架橫 板上。整個源極吊掛在等離子表面冶金室(也可以稱為冶金爐)內(nèi)(例如 吊掛在上橫梁上或者爐體上)，使其在高溫時可依靠自重保持源極的平直， 可以避免出現(xiàn)大塊平板源極長期在900-1200。C下工作產(chǎn)生變形的問題，并 且可以實現(xiàn)源極板條的工業(yè)化生產(chǎn)，降低源極制造成本。另一方面，本發(fā) 明采用多個源極板條組合，且源極板條為適當(dāng)長度且單端固定，在長度方 向(垂直方向)上可以有適當(dāng)?shù)纳炜s自由度；當(dāng)該組合源極縱向上由多個 源極板條接續(xù)組成時，板條之間也會形成適當(dāng)?shù)拈g隙，此時，最好通過調(diào) 整橫向相鄰的源極板條的長度或固定高度，使這些間隙在水平方向上不會 形成連續(xù)的直線，避免表面處理的不均勻性。由于本發(fā)明的源極組中的源極板條僅利用上端固定而呈懸掛狀態(tài)，也稱為懸掛盔甲式板條組合源極。
整個立式生產(chǎn)裝置可以配有控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對整個生產(chǎn)過程的自動控 制，包括對金屬板材進行加熱、冷卻，真空室抽真空、進氣和排氣等的控 制，例如，利用預(yù)設(shè)的程序來控制傳動機構(gòu)的運動，實現(xiàn)金屬板材的進料、 出料、往復(fù)運動等操作。
在本發(fā)明的具體實施方案中，金屬板材在等離子表面冶金室內(nèi)通過立 式傳動機構(gòu)以1-100毫米/秒的速度作往復(fù)運動，同時由懸掛式板條組合源 極供給合金化元素，可以保證對大面積金屬板材的雙面同時進行等離子表 面冶金處理，表面成分均勻，并且，由于鋼板在等離子表面冶金處理過程 中始終處于直立狀態(tài)，由源極等掉落的自由固體顆粒不易沉積到鋼板表面， 避免了自由固體顆粒沉積造成的表面質(zhì)量問題。多對立式夾持輥保證了金 屬板材在往復(fù)運動中保持平直，得到良好的板形。傳動機構(gòu)與金屬板材(工 件，即陰極)之間設(shè)有間隙保護結(jié)構(gòu)，可以用來阻止弧光放電(場致放電)， 保持輝光放電的穩(wěn)定，保證金屬板材表面質(zhì)量。同時，在預(yù)熱室和等離子 表面冶金室設(shè)置有隔熱裝置，可以是金屬屏或高溫陶瓷纖維隔熱裝置，以 提高加熱效率，保證溫度場均勻性，并達到等離子表面冶金時維持保溫和 耗散功率的統(tǒng)一。冷卻室(或二室結(jié)構(gòu)裝置的預(yù)熱/冷卻室)設(shè)有冷卻系統(tǒng)， 包括冷卻風(fēng)機和換熱器，可對金屬板材進行氣氛保護下的冷卻降溫，以上 措施保證了連續(xù)穩(wěn)定的生產(chǎn)。
本發(fā)明方法可應(yīng)用于各種規(guī)格的金屬板材(例如普通鋼)的表面冶金 處理，有效緩解不銹鋼合金資源的緊缺，同時也提升了普通鋼板的應(yīng)用價 值。經(jīng)過計算，將本發(fā)明提供的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)裝置應(yīng)用于雙面等離子表
面冶金鋼板生產(chǎn)中，可年產(chǎn)6000-10000噸低成本雙面等離子表面冶金耐蝕 鋼板。利用普通鋼經(jīng)本發(fā)明工藝處理后成為等離子表面冶金耐蝕鋼板，可 部分取代不銹鋼板，大幅度降低應(yīng)用領(lǐng)域的使用成本，可滿足火電站、核 電站、海洋工程、油氣開采、煉油、化工、化肥、環(huán)保、汽車、造船、交通運輸、供水、輕工、醫(yī)藥以及航空、航天等部門對鋼板耐蝕性、安全性 及環(huán)境保護的要求。


圖1為等離子表面冶金室原理示意圖。
圖2a為本發(fā)明的雙面等離子表面冶金金屬板材的三室立式生產(chǎn)裝置結(jié)
構(gòu)的立視示意圖。
圖2b為本發(fā)明的雙面等離子表面冶金金屬板材的三室立式生產(chǎn)裝置結(jié)
構(gòu)的俯視示意圖。
圖3a為本發(fā)明的雙面等離子表面冶金金屬板材的二室立式生產(chǎn)裝置結(jié) 構(gòu)的立視示意圖。
圖3b為本發(fā)明的雙面等離子表面冶金金屬板材的二室立式生產(chǎn)裝置結(jié)
構(gòu)的俯視示意圖。
圖4a為本發(fā)明立式生產(chǎn)裝置中懸掛式板條組合源極的正面示意圖。 圖4b為本發(fā)明立式生產(chǎn)裝置中懸掛式板條組合源極的側(cè)面示意圖。 圖5為本發(fā)明立式生產(chǎn)裝置的等離子表面冶金室內(nèi)組合源極設(shè)置方式
的示意圖。
圖6為本發(fā)明實施例的等離子表面冶金鎳鉻合金化耐蝕鋼板成分分布圖。
圖7a和圖7b分別為本發(fā)明實施例的表面冶金板材與相同合金成分不 銹鋼在0.05mol/LH2S(V溶液中腐蝕性能測試結(jié)果。 附圖標(biāo)號說明
1、隔熱屏；2、直流電源；3、爐體；4、脈沖滅弧電源；5、工件(陰
極)；6、供氣系統(tǒng)；7、源極；8、立式夾持輥；9、真空系統(tǒng)；10、支撐輥; 11、爐門；12、冷卻風(fēng)機；13、冷卻室；14、真空閘板閥；15、等離子表 面冶金室；16、隔熱屏；17、預(yù)熱室；17'、預(yù)熱/冷卻室；18、工件；19、 立式夾持輥；20、換熱器；21、源極；22、支撐輥；23、熱源；24、真空系統(tǒng)；25、供氣系統(tǒng)；26、間隙；27、支撐框架；28、框架橫板；29、螺 釘；30、板條。
具體實施例方式
以下通過具體實施例詳細(xì)說明本發(fā)明方案的實施和所具有的有益效 果，但不能對本發(fā)明的可實施范圍形成任何限定。 實施例l等離子表面冶金室
如圖1所示，其為等離子表面冶金室的原理示意圖。等離子表面冶金
室(真空室)中設(shè)有欲滲合金元素制成的源極7，工件(即金屬板材)5為 陰極，爐體3為陽極，并設(shè)有立式夾持輥8和支撐輥10使工件5在處理過 程中始終處于立式狀態(tài)，并帶動工件5做往復(fù)運動，其兩個表面分別面向 兩側(cè)的源極7，而支撐輥10可以支撐工件5。為了保證溫度場的均勻性， 在等離子表面冶金處理時維持保溫和耗散功率的統(tǒng)一，等離子表面冶金室 內(nèi)可以設(shè)置隔熱屏1，其可以為金屬屏或高溫陶瓷纖維隔熱裝置。
該冶金室的工作原理通過真空系統(tǒng)9將真空室抽至一定真空度后， 通過供氣系統(tǒng)6向真空室內(nèi)充入Ar氣，穩(wěn)定至工作氣壓并保持。由兩個電 源(例如圖中的直流電源2和/或脈沖滅弧電源4)分別向源極7和陰極5 施加負(fù)偏壓，分別為源極電壓和工件電壓；此時在源極7與陰極5之間產(chǎn) 生空心陰極輝光放電；輝光放電使源極7中濺射出來的合金元素在工件5 表面沉積，由于工件5處于高溫加熱條件下，合金元素繼續(xù)向工件5內(nèi)部 擴散，從而在工件5表面形成所需的成分呈梯度分布的合金層。
實施例2三室立式生產(chǎn)裝置
圖2a和圖2b為本發(fā)明的雙面等離子表面冶金金屬板材的三室立式生 產(chǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其包括預(yù)熱室17、等離子表面冶金室15和冷卻室 13等三個相連的真空室，并且，預(yù)熱室17與等離子表面冶金室15之間設(shè) 有真空閘板閥14，等離子表面冶金室15與冷卻室13之間也設(shè)有真空閘板 閥14。預(yù)熱室17設(shè)有真空系統(tǒng)24，其中主分路為機械增壓泵機組，以保證爐 子的極限真空度達到1.33-6.65Pa，另設(shè)一路小排氣量機械泵，保證 1.33-1333Pa的工作氣壓；還設(shè)有傳動機構(gòu)，其包括立式夾持輥19和支撐輥 22，實現(xiàn)金屬板材進料和往復(fù)運動，使金屬板材18可以以立式狀態(tài)在源極 21之間做往復(fù)運動；還設(shè)有熱源23和供氣系統(tǒng)25，可對金屬板材進行真 空或氣氛保護加熱;還設(shè)有隔熱屏16可提高加熱效率并保證溫度場均勻性。
等離子表面冶金室15可參考圖1，本實施例中，真空系統(tǒng)24的主分路 為機械增壓泵機組，保證爐子的極限真空度達到1.33-6.65Pa，另設(shè)一路小 排氣量機械泵，使其與供氣系統(tǒng)和氬氣回收系統(tǒng)連用，以保證1.33-1333Pa 的氬氣工作氣壓以及氬氣的循環(huán)使用。如圖2a和圖2b所示，等離子表面 冶金室15內(nèi)設(shè)有立式夾持輥19和支撐輥22，可以實現(xiàn)表面冶金工件(即 金屬板材)18的立式送料和往復(fù)運動，保證大面積板材滲金屬時，板材表 面成分及厚度的均勻性，也避免了因工件水平放置，自由固體顆粒沉積和 高溫變形造成的表面質(zhì)量和板形不平整問題；還設(shè)有隔熱屏16，保證溫度 場的均勻性，在等離子表面冶金過程中維持保溫和耗散功率的統(tǒng)一。傳動 機構(gòu)與工件(陰極)之間設(shè)有間隙保護結(jié)構(gòu)，可以用來阻止弧光放電(場 致放電)。如圖中所示意，多組源極21是與傳動機構(gòu)的立式夾持輥19間隔 排列設(shè)置于等離子表面冶金室的兩側(cè)。
冷卻室13設(shè)有傳動機構(gòu)，其包括立式夾持輥19和支撐輥22，實現(xiàn)工 件18的出料運動；還設(shè)有真空系統(tǒng)24，其中主分路為機械增壓泵機組，保 證爐子的極限真空度達到1.33-6.65Pa，另設(shè)一路小排氣量機械泵，使其和 供氣系統(tǒng)25共同作用，保證1.33-1333Pa的保護氣體工作氣壓。冷卻室13 還可以設(shè)有冷卻系統(tǒng)，包括冷卻風(fēng)機12和換熱器20，可對工件進行氣氛保 護下的冷卻降溫。
各真空室設(shè)置的傳動機構(gòu)可以保證工件在整個生產(chǎn)過程中處于立式狀 態(tài)，并實現(xiàn)工件的輸送和往復(fù)運動。由于輥子在900-1200'C下工作，為保持有一定的強度和剛度，輥子優(yōu)選采用可在1200'C工作的鎳基高溫耐磨合
金，軸端采用水冷結(jié)構(gòu)或隔熱的耐高溫陶瓷軸承。傳動機構(gòu)既可以支撐工 件立式往復(fù)運動，也可以保證在高溫下金屬板材的板型和表面的平整。
本實施例的三室立式生產(chǎn)裝置的工作原理為將需要處理的工件(金
屬板材)18通過傳動機構(gòu)(包括立式夾持輥19和支撐輥22)裝入預(yù)熱室 17，通過熱源23在真空或保護氣氛下均勻預(yù)熱工件18到預(yù)定溫度，進料 后爐門11關(guān)閉；
預(yù)熱后，打開真空閘板閥14，通過傳動機構(gòu)將經(jīng)過預(yù)熱的工件18送入 等離子表面冶金室15，對工件18進行等離子表面合金化處理，處理過程中， 傳動機構(gòu)帶動工件18做往復(fù)運動，預(yù)熱室17重新裝料預(yù)熱；
合金化處理完畢后，打開等離子表面冶金室15與冷卻室13之間的真 空閘板閥14，將工件18送到冷卻室13，對工件18進行冷卻，同時預(yù)熱室 17的工件18送入等離子表面冶金室15進行處理，此時在冷卻室13進行冷 卻處理的工件18冷卻到出爐溫度以下時打開爐門11出料；重復(fù)此過程， 實現(xiàn)半連續(xù)化生產(chǎn)。
實施例3 二室立式生產(chǎn)裝置
參見圖3a和圖3b，為降低設(shè)備成本，適應(yīng)小廠房作業(yè)，本實施例提供 了二室立式生產(chǎn)裝置，與實施例2相比，將三室立式生產(chǎn)裝置中的預(yù)熱室 與冷卻室合并成為預(yù)熱/冷卻室17'。此時，在預(yù)熱/冷卻室17'設(shè)置冷卻風(fēng) 機12和換熱器20，對工件進行氣氛保護(充入氮氣)下的強迫冷卻降溫。 與圖2a和圖2b對照，相同標(biāo)號均代表了相同的部件。
利用該裝置處理金屬板材時，工件在預(yù)熱/冷卻室17'中通過熱源23 在真空或保護氣氛下均勻預(yù)熱工件18到預(yù)定溫度，進料后爐門11關(guān)閉； 被輸送到等離子表面冶金室15后，預(yù)熱/冷卻室17'不重新裝入工件進行 預(yù)熱操作，待等離子表面冶金處理結(jié)束后，將工件輸送回預(yù)熱/冷卻室17' 實施冷卻操作，這樣預(yù)熱/冷卻室17'既用于對金屬板材(工件)進行預(yù)熱處理，同時也用于對表面冶金處理后的工件進行冷卻處理。冷卻出料后， 再進行下一個工件的預(yù)熱和表面處理。
實施例4懸掛盔甲式板條組合源極
為防止大塊平板源極長期在900-1200'C下工作產(chǎn)生變形并降低源極制 造成本，本發(fā)明采用懸掛盔甲式板條組合源極，如圖4a和圖4b所示；該 懸掛盔甲式板條組合源極可以由源極支撐框架27、框架橫板28、板條30 等組成。
本實施例中，源極的支撐框架27為四邊形，用于支撐整個源極；
多個框架橫板28水平設(shè)置，呈一定間隔地焊接在支撐框架27上，用 于懸掛源極板條30，如圖4a和圖4b顯示，該支撐框架27上設(shè)置多條框架 橫板28;框架橫板28上設(shè)置螺釘29，用于懸掛板條30;板條30并列設(shè)置 在框架橫板28上，上端固定，下端自由，在高溫時能夠依靠自重保持平直； 在縱向上，設(shè)置至少兩排源極板條30，橫向相鄰的兩塊板條上下交錯地設(shè) 置在不同的框架橫板28上，縱向相鄰的兩塊板條之間的間隙26在水平方 向上不形成連續(xù)的直線。
該懸掛盔甲式板條組合源極在900-120(TC高溫下工作，支撐框架27和 框架橫板28優(yōu)選采用可在120(TC工作的鎳基高溫合金制造，保證在高溫下 使用的框架結(jié)構(gòu)具有足夠的強度和剛度。
供給等離子表面冶金滲入元素的源極，其成分根據(jù)欲滲的成分而確定。 本發(fā)明可以采用寬20-150毫米、長200-800毫米、厚5-30毫米的源極板條 30，組合成懸掛盔甲式源極，用與源極板條相同成分的埋頭螺釘29，將源 極板條30 —端固定在框架橫板28上，板條間留有防止受熱膨脹的間隙26 (如圖4a所示)，上下兩塊板條之間的間隙26是錯開設(shè)置的，避免間隙連 接在一起形成橫貫源極整個板面的間隙，或者說使間隙在水平方向上不會 形成連續(xù)的直線，這樣可以避免在表面冶金處理后的金屬板材表面形成未 滲入金屬的區(qū)域，防止產(chǎn)生等離子表面冶金鋼板在寬度方向滲金屬的不均勻性。由于板條源極僅固定一端，且周邊留有間隙，受熱膨脹時不會使支撐框架產(chǎn)生熱應(yīng)力而發(fā)生變形，解決了直立放置大塊平板源極長期在
900-1200'C下工作產(chǎn)生變形的關(guān)鍵問題。板條源極便于生產(chǎn)，降低了源極制造成本。
圖5示意了源極21在等離子表面冶金室15中的設(shè)置方案，源極21 (可以是上述懸掛盔甲式板條組合源極，也可以是其他形式的源極)通過支撐框架懸掛設(shè)置于等離子表面冶金室中，例如可以吊掛在等離子表面冶金室的上橫梁或爐體3上，吊掛時使源極結(jié)構(gòu)在高溫時可依靠自重保持源極結(jié)構(gòu)的平直。各組源極21在冶金室內(nèi)與立式夾持輥19間隔設(shè)置。實施例5雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生產(chǎn)方法下面結(jié)合圖2a和圖2b說明本發(fā)明提供的雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生產(chǎn)方法的具體實施。采用雙面等離子表面冶金金屬板材的三室立式生產(chǎn)裝置對金屬板材進行等離子表面冶金處理的操作過程如下
(1) 將待處理的工件18通過立式夾持輥19和支撐輥22輸送到預(yù)熱室17，并通過立式夾持輥19帶動工件18以1-100毫米/秒速度進行往復(fù)運動，通過熱源23在真空或保護氣氛下將工件18預(yù)熱到預(yù)定溫度；
(2) 將經(jīng)過預(yù)熱的工件通過立式夾持輥19和支撐輥22輸送到等離子表面冶金室15進行等離子表面冶金處理，源極21中的合金元素滲入工件18表面形成等離子表面處理層(合金層)，處理過程中使工件18在等離子表面冶金室15內(nèi)以1-100亳米/秒的速度作立式往復(fù)運動，并通過立式夾持輥19使工件18保持立式狀態(tài)；該源極21的結(jié)構(gòu)參見實施例4以及圖4a和圖4b。
(3) 將經(jīng)過等離子表面冶金處理的工件通過立式夾持輥19和支撐輥22輸送到冷卻室13，在氮氣保護下強迫冷卻；
其中，整個立式生產(chǎn)裝置可以實現(xiàn)半連續(xù)生產(chǎn)形式，即等離子表面冶金室始終處于連續(xù)工作狀態(tài)，而預(yù)熱室和冷卻室處于斷續(xù)工作狀態(tài)；上述第(1)步預(yù)熱工序和第(3)步冷卻工序為斷續(xù)作業(yè)形式，即當(dāng)經(jīng)過預(yù)熱的工件進入等離子表面冶金室后，可以將待處理的工件輸送到預(yù)熱室進行預(yù)熱處理，預(yù)熱處理完畢后，如果前一工件的等離子表面冶金處理還未完成，則預(yù)熱室進入等待狀態(tài)；當(dāng)工件完成設(shè)定的等離子表面冶金處理后即
輸送到冷卻室進行冷卻，冷卻完畢后出料，如果冷卻到溫出料后，后一工
件的等離子表面冶金處理仍未完成，則冷卻室進入等待狀態(tài)；第(2)步等離子表面冶金工序為連續(xù)作業(yè)形式，即生產(chǎn)進行過程中，等離子表面冶金室始終處于工作狀態(tài)，始終有經(jīng)過預(yù)熱處理的工件等待進入等離子表面冶金室進行表面冶金處理， 一件工件經(jīng)過表面冶金處理后進入冷卻室進行冷卻處理，另一件經(jīng)過預(yù)熱處理的工件接著就進入等離子表面冶金處理室。
通過改變源極的材料和工藝參數(shù)，以上方法可以用來在鋼板表面進行耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等合金層的制備，具有廣泛的適用面。比如工
件采用Q235鋼板，源極采用Ni80-Cr20合金板;源極電壓控制為900-1IOOV，工件電壓控制為400-700V，工作氣壓控制為30-80Pa，工件往復(fù)運動速度控制為l-10mm/s，等離子表面冶金處理的時間控制為1-6小時，溫度控制為800-1100°C,制備耐蝕合金層。
比如工件采用45鋼板，源極采用W50-Mo50合金板；源極電壓控制為卯0-1200V，工件電壓控制為400-700V，工作氣壓控制為30-80Pa，工件往復(fù)運動速度控制為1-10毫米/秒，等離子表面冶金處理的時間控制為1-6小時，溫度控制為800-1150°C,可以制備耐磨合金層等。實施例6普通碳鋼鋼板表面制備Ni-Cr耐蝕合金層以下為在普通碳鋼鋼板表面制備Ni-Cr耐蝕合金層的一個具體實施例，
用來說明本發(fā)明的實施，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。
1、 工件為Q235鋼板，源極為Ni80-Cr20合金板源極電壓IOOOV，
工件電壓600V，工作氣壓45Pa，工件往復(fù)運動速度1毫米/秒。
2、 將金屬板材進行酸洗并活化處理后，通過立式夾持輥19和支撐輥22裝入預(yù)熱室17，抽真空到10Pa以下，工件18以1毫米/秒速度作往復(fù)運動，打開熱源，預(yù)熱工件到800-1100°C。將雙層輝光等離子表面冶金室15抽真空到1Pa以下極限真空度。
3、 打開預(yù)熱室17與等離子表面冶金室15之間的真空閘板閥14，通過立式夾持輥19和支撐輥22將工件18送入等離子表面冶金室15。然后關(guān)閉真空閘板閥14，打開預(yù)熱室17的爐門11，裝入新的工件，重復(fù)進行步驟2的操作。
4、 在等離子表面冶金室15中，充少量Ar氣，使真空度降至10-20Pa，施加陰極偏壓100-300V，用等離子體轟擊清洗工件。
5、 清洗完畢后，加大Ar流量，使工作氣壓升至20-80Pa，施加源極偏壓1000V，開始合金化進程。調(diào)節(jié)源極與陰極電流密度使金屬板材與源極之間產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，源極濺射加強。升高陰極電壓到600V，使工件溫度上升并維持在110(TC。維持各工藝參數(shù)并根據(jù)工藝要求時間進行保溫(根據(jù)工藝要求一般為1-5小時)。
6、 保溫結(jié)束后，將等離子表面冶金室15和冷卻室13抽真空到1Pa以下極限真空度，打開等離子表面冶金室15與冷卻室13之間的真空閘板閥14，將工件18送入冷卻室13，關(guān)閉真空閘板閥14,向冷卻室13中充入氮氣并通過冷卻風(fēng)機12和換熱器20等冷卻系統(tǒng)對工件18進行強迫冷卻。同時打開預(yù)熱室17與等離子表面冶金室15之間的真空閘板閥14，將預(yù)熱后的新工件送入等離子表面冶金室15，重復(fù)步驟3-5。
7、 工件18在冷卻室13冷卻到200"C以下后，關(guān)閉冷卻室真空系統(tǒng)24并將工件18取出，得到雙面等離子表面冶金金屬板材。
8、 重復(fù)l-6實現(xiàn)半連續(xù)式生產(chǎn)。
實驗結(jié)果及比較分析Q235鋼板表面制備Ni-Cr耐蝕合金層，源極采用鎳鉻合金板材制成，在1000-110(TC下處理2小時，Ni-Cr合金層的厚度可以達到5(Vm，表面成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Ni 50-60%， Cr 15-20°/。，滲層內(nèi)合金元素濃度由表及里逐漸降低，與基體冶金結(jié)合。鋼板截面的成分分
布見圖6，與1Crl8Ni9Ti不銹鋼的耐腐蝕性能對比結(jié)果如圖7a和圖7b所示，證明根據(jù)本發(fā)明提供的立式生產(chǎn)方法生產(chǎn)的低成本耐蝕鋼板與通過其他方式生產(chǎn)的耐蝕鋼板效果相同，其耐腐蝕性能超過1Crl8Ni9Ti奧氏體不銹鋼。
權(quán)利要求
1、雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生產(chǎn)方法，其包括以下步驟將待處理金屬板材預(yù)熱；對金屬板材的兩面同時進行等離子表面冶金處理；冷卻，得到雙面等離子表面冶金金屬板材；其中，等離子表面冶金處理過程中，金屬板材以直立方式位于相對設(shè)置的源極之間。
2、 如權(quán)利要求1所述的立式生產(chǎn)方法，其包括以下具體步驟(1 )將待處理金屬板材通過傳動機構(gòu)輸送到預(yù)熱室進行預(yù)熱；(2) 將經(jīng)過預(yù)熱的金屬板材通過傳動機構(gòu)輸送到等離子表面冶金室，對金屬板材的兩面同時進行等離子表面冶金處理；(3) 通過傳動機構(gòu)將經(jīng)過等離子表面冶金處理的金屬板材輸送到冷卻室冷卻，得到雙面等離子表面冶金金屬板材；其中，通過傳動機構(gòu)使金屬板材在生產(chǎn)過程中保持立式狀態(tài)。
3、 如權(quán)利要求1所述的立式生產(chǎn)方法，其中，進行預(yù)熱和等離子表面冶金處理時，通過傳動機構(gòu)使工件做往復(fù)運動。
4、 實現(xiàn)權(quán)利要求1-3任一項所述的生產(chǎn)雙面等離子表面冶金金屬板材的方法的立式生產(chǎn)裝置，該裝置由預(yù)熱室、等離子表面冶金室和冷卻室組成三室結(jié)構(gòu)，所述三室均為真空室，且等離子表面冶金室的兩端分別通過真空閘板閥與預(yù)熱室和冷卻室連接；其特征在于，預(yù)熱室中設(shè)置熱源、傳動機構(gòu)和隔熱裝置，等離子表面冶金室中設(shè)置源極、傳動機構(gòu)和隔熱裝置，所述源極相向設(shè)置于等離子表面冶金室的兩側(cè)，所述冷卻室中設(shè)置冷卻系統(tǒng)和傳動機構(gòu)，所述傳動機構(gòu)包括支撐輥和立式夾持輥，用于控制金屬板材以立式狀態(tài)在各室間被輸送以及在相向設(shè)置的源極之間進行往復(fù)運動。
5、 如權(quán)利要求4所述的立式生產(chǎn)裝置，該裝置中預(yù)熱室和冷卻室合并為預(yù)熱/冷卻室而成為二室結(jié)構(gòu)，所述預(yù)熱/冷卻室中同時設(shè)置用于預(yù)熱待處理金屬板材的熱源和用于冷卻來自等離子表面冶金室的板材的冷卻系統(tǒng)。
6、 如權(quán)利要求4或5所述的立式生產(chǎn)裝置，其中，所述源極是與傳動機構(gòu)的立式夾持輥間隔排列設(shè)置于等離子表面冶金室的兩側(cè)。
7、 如權(quán)利要求4或5所述的立式生產(chǎn)裝置，其中，所述傳動機構(gòu)為往復(fù)式傳動機構(gòu)，傳動速度為1-100毫米/秒。
8、 如權(quán)利要求4或5所述的立式生產(chǎn)裝置，其中，所述源極為多組懸掛式板條組合源極，每組源極具有一個支撐框架，該支撐框架上固定有水平設(shè)置的框架橫板，多個源極板條以豎直狀態(tài)沿水平方向排列，且上端固定于框架橫板上，所述組合源極通過支撐框架懸掛設(shè)置于等離子表面冶金室中。
9、 如權(quán)利要求8所述的立式生產(chǎn)裝置，其中，所述組合源極的縱向方向至少設(shè)置二排源極板條，橫向相鄰的二塊源極板條分別固定在不同的框架橫板上，并使縱向相鄰的兩塊板條之間的間隙在水平方向上不會形成連續(xù)的直線。
10、 如權(quán)利要求4或5所述的立式生產(chǎn)裝置，其中，所述支撐輥和立式夾持輥的輥子為鎳基高溫合金制成的輥子，軸端設(shè)置有水冷結(jié)構(gòu)或具有隔熱功效的耐高溫陶瓷軸承。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙面等離子表面冶金金屬板材的立式生產(chǎn)方法，包括以下步驟將待處理金屬板材預(yù)熱，對金屬板材的兩面同時進行等離子表面冶金處理，冷卻，得到雙面等離子表面冶金金屬板材；其中，等離子表面冶金處理過程中，金屬板材以直立方式位于相對設(shè)置的源極之間。本發(fā)明還提供了一種立式生產(chǎn)裝置，包括預(yù)熱室、等離子表面冶金室和冷卻室等真空室，在該生產(chǎn)裝置中采用傳動機構(gòu)使金屬板材以立式狀態(tài)在相對設(shè)置的源極之間做往復(fù)運動。采用本發(fā)明的立式生產(chǎn)方法和裝置，可以實現(xiàn)對金屬板材的兩面的同時等離子表面冶金處理，并且可以避免出現(xiàn)高溫和自由固體顆粒沉積等帶來的板形和表面質(zhì)量問題。
文檔編號C23C14/36GK101550540SQ20081010304
公開日2009年10月7日 申請日期2008年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月31日
發(fā)明者姚正軍, 宋毓珮, 張平則, 重 徐, 燚 王, 強 繆 申請人:北京世紀(jì)輝光科技發(fā)展有限公司