CN101122005A - 一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法。将金属构件包埋在含有锌粉或锌/铝复合粉的金属粉末渗锌剂陶瓷渗锌罐中，并放置在微波加热炉中在缓慢滚动情况下进行微波加热处理，然后保温冷却取出构件进行后处理。在锌/铝复合金属粉末中，铝粉的体积比为≤40％；其余为锌粉。金属粉末渗锌剂的组成是：锌粉或锌/铝复合粉末的体积百分比是10～40％；活化剂的体积百分比是0～3％；其余为石英砂(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)填充剂。将填装好的陶瓷渗锌罐放置在微波加热炉中进行加热处理。本发明利用微波其加热过程时间明显降低，为传统渗锌工艺的1/5－1/8，节省能量50％以上，极大地提高了粉末渗锌加工过程的生产效率，明显降低产生成本。

Description

一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法

技术领域

本发明涉及金属表面改性或合金化处理技术领域，特别是涉及一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法。

背景技术

粉末渗锌工艺是利用加热状态下金属原子的渗透扩散作用，在金属基体没有相变的条件下，将锌元素渗入钢铁构件表面，形成不同Zn-Fe比例的合金保护层。粉末渗锌表面合金涂层的主要目的是改善和提高金属工件表面的抗腐蚀、抗表面氧化及耐磨损性能等。

传统粉末渗锌原理是1904年由英国冶金学家Sherard Cowper-Coles首先提出的，其一般过程可以在许多文献或手册中找到，如(苏)利亚霍维奇主编、孙一唐等译：《金属和合金的化学热处理手册》，上海科技出版社，1986出版；卢燕平和于福洲合编：《渗镀》，机械工业出版社，1985出版等。在这些文献中描述的典型粉末渗锌过程包括以下主要步骤：首先采用化学或喷砂方式对工件表面进行处理；其次将前处理后的工件埋放在一个装满锌粉、惰性填充物和活化剂混合粉末的密封容器中，将容器放在热处理炉中加热到温度为380℃～450℃范围，保温2～4小时；最后将被渗锌的工件从容器中分离出来进行钝化处理。

为了进行工业化的粉末渗锌加工，目前国内外已研究开发出许多具体的工业化生产的粉末渗锌处理工艺。主要包括以下专利：

1、1993年以色列Isaak Shtikan发明的Distek粉末渗锌工艺(WO98/41346)，目前该专利授权有效(1998，9，24)；

2、1993年北京有色冶金设计研究总院申请的“粉镀(渗)锌方法及装置(CN1084582)”，目前该专利权终止(2005，12，14)；

3、1995年江苏李显扬申请的“一种金属真空固态渗锌剂及其渗锌工艺(CN1115792)”，该专利在申请时已公开，但最终专利申请被驳回未申请成功；

4、1997年冶金部洛阳耐火材料研究院申请的“一种真空渗锌炉(CN2334766)”，目前该专利权终止(2000，12，6)；

5、2001年山东大学申请的“机械能助渗金属表面改性技术(渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗，CN1320717)”，目前该专利授权有效(2004，1，7)；

6、2001年北京科技大学申请的“钢铁制品锌铝包埋共渗方法及其渗剂(CN1428454)”，目前该专利授权有效(2005，3，9)；

7、2004年以色列GreenCote公司发明锌/铝复合共渗工艺(WO2004/050942-A1)，目前该专利授权有效(2004，6，17)；

8、2005年天津市先知邦钢铁防腐工程有限公司申请的“一种纳米复合粉末渗锌加工方法(CN1730727)”，目前该专利已公开授权有效(2006，4，4)。

但在上述粉末渗锌技术中均采用燃气或电热处理炉进行加热处理，其主要问题是在整个渗锌过程中从加热到保温至少要4小时以上(如锌铝包埋共渗将达到10小时以上，见CN1428454说明)，工艺时间长、生产效率低；其次是在辐射传导加热过程中大量热量消耗在炉体和工件本身的加热与保温上，有效热量利用率低、能源浪费严重。如何加速热扩散处理过程，提高生产效率及降低能量消耗是传统粉末渗锌工艺迫切期望解决的问题。

对提高化学热处理速度这一问题，国内外研究者已进行了许多研究工作，并取得不少研究成果。如目前在工程中广泛应用的各种化学催渗技术是通过改变被处理工件的表面活化状态或加入催渗元素加速化学热扩渗过程；而物理催渗技术是利用等离子体技术、高频电场及真空技术等与热能的复合作用加速化学热处理过程。但有关技术在工程应用中仍存在一定局限性，如机械能辅助粉末渗锌(见CN1320717说明)在缩短工艺周期及降低热处理温度方面并不明显，而等离子体辅助化学热处理能耗及加热温度仍较高(＞600℃)，设备复杂、投资明显较大及不适合大批量生产等。

微波能作为一种加热热源目前已在食物加工、纺织品和木制产品干燥；陶瓷、半导体、无机和聚合物材料加工等领域获得广泛应用。与传统热传导辐射加热过程比较，微波加热具有体积性直接加热、加热速度快(时间短、节能)、可进行空间选择性加热并促进化学反应等许多优势特点。材料的微波加工在2000年以前主要局限于陶瓷、半导体、无机和聚合物材料。由于全部的金属材料反射微波或引起等离子体形成，因此传统观念认为微波能很难应用于金属材料的加热处理。但自从1998年美国材料学家R.Roy等首次在实验室证实微波能可以用于各种金属粉末的烧结后(R.Roy，D.Agrawal，J.Cheng and S.Gedevanishvili，“Full sintering ofpowdered metals parts in microwaves”，Nature，399，June 17，1999)，微波在金属材料加工领域的应用受到人们的普遍关注并在此进行了许多研究，主要集中在金属粉末冶金的加热与烧结方面。但目前还没有利用微波加热进行粉末渗锌及锌/铝共渗表面合金层的有关公开研究报道。

发明内容

本发明的目的是将微波加热与传统粉末渗锌原理结合起来，提供一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，本发明的技术如下：

将金属构件包埋在含有锌粉或锌/铝复合粉的金属粉末渗锌剂陶瓷渗锌罐中，并放置在微波加热炉中在缓慢滚动情况下进行微波加热处理，然后保温冷却取出构件进行后处理。

所述的锌/铝复合金属粉末中，铝粉的体积比为≤40％；其余为锌粉。

所述的金属粉末渗锌剂的组成是：锌粉或锌/铝复合粉末的体积百分比是10～40％；活化剂的体积百分比是0～3％；其余为石英砂(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)填充剂。

所述的锌粉或铝粉的粒度为120～325目，金属锌或铝含量≥98％；石英砂的粒度为40～200目。

所述的活化剂为氯化铵(NH₄Cl)或氯化锌(ZnCl₂)。

本发明的快速粉末渗锌表面涂层加工方法具体的是(1)粉末渗锌剂的配制：将金属粉末锌粉或锌/铝复合粉末、活化剂和填充剂按一定量混合均匀成渗锌剂，得到复合粉末渗锌剂；(2)渗锌过程：将金属构件、渗锌剂填装到陶瓷渗锌罐中，填充剂的体积+金属粉末体积+工件的体积等于渗锌罐体积的90％～95％，然后将填装好的陶瓷渗锌罐放置在微波加热炉中进行加热处理，在加热过程中可缓慢滚动陶瓷渗锌罐，转速控制在1～5转/分，加热处理时间控制在15～40分钟范围以内，进行渗锌加工；(3)冷却分离过程：渗锌加工完成后，将陶瓷渗锌罐从微波加热炉中取出，放置在分离机上在不断转动过程中进行空气冷却，待温度降低至室温度，在分离机上将工件与渗锌剂进行分离，工件进行后处理。

所述的所述的陶瓷渗锌罐是一种耐高温的微波透明材料。所述的微波透明材料为氧化铝或碳化硅坩埚。

所述的微波加热炉底部带有旋转的金属托盘或滚动机构，陶瓷渗锌罐是静止放置在旋转托盘上加热，或是在滚动机构上缓慢滚动下加热。

与传统的粉末渗锌方法相比，本发明提供一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法具有以下优势：

1、加热速度快、效率高：传统的粉末渗锌采用燃气或电加热，热量通过辐射传递给渗锌罐，再通过辐射与传导传递罐内渗锌剂和工件，大量热量消耗在炉体内部环境与工件本身的加热方面；而微波能直接集中加热整体渗锌剂，再将热量直接传导给工件表面实现热扩散，加热速率非常高，试验表明渗锌处理时间为传统渗锌工艺的1/5～1/8，极大地提高加工效率和降低成本。

2、只加热金属工件表面：传统加热将使得被处理工件整体被加热到所需温度，这不仅消耗大量热量，而且有可能改变金属材料的热处理状态和力学性能，由于微波能的选择性加热特点，只将工件表面加热到高温度，热源利用率高、不会影响金属材料内部组织结构和力学性能。

3、加速渗锌热扩散过程：试验表明微波加热扩散过程比传统扩散处理更快，明显促进金属材料的化学热处理扩散过程。

4、更有效的利用热量：传统加热处理要将整个热处理炉内部加热到给定的温度，炉体环境和工件本身消耗大量热量，热处理炉打开与关闭和保温效果不好也将导致热损失；而微波加热直接进入到固体粉末和工件表面附近，以最大效率和最小能耗成本进行加热，试验表明与传统的粉末渗锌比较，节省能量可达到50％以上。

附图说明

图1：金属垫片拐角处的渗层厚度分布图；

图2：金属垫片平面上的渗层厚度分布图。

具体实施方式

下面提供的具体实例对本发明的技术方案进行进一步地说明。本发明所述的微波加热粉末渗锌过程不只局限于该具体实例。

实施例1：

在一种耐热陶瓷制造的坩埚中放置有325目体积比(以下比例均为体积比)是30％锌粉、200目30％氧化铝粉末和100目40％石英砂混合均匀渗锌剂包埋的表面带有少量锈蚀的金属垫片，将坩埚放置在800W功率微波加热炉中转盘上在常压下进行加热处理，加热时间为15分钟，然后在空气下冷却，在金属垫片表面可获得厚度平均为39.3微米的锌-铁合金渗层。图1和2为利用微波加热在金属垫片表面快速制备的锌-铁合金渗层金相照片，分别表示在金属垫片拐角和平面处的锌-铁合金渗层分布形态，可以看出无论在拐角处或平面上都可以获得厚度均匀的渗层。

实施例2：

在氧化铝坩埚中放置有200目30％锌粉、325目10％铝粉和1％氯化铵粉末及其余为120目石英砂填充剂混合均匀渗锌剂，将除油除锈金属垫片包埋在该渗锌剂中，将坩埚用水玻璃或耐火水泥密封后放置在800W微波炉中加热保温20分钟，可在金属垫片表面可获得厚度平均为50微米的锌-铝-铁合金渗层。

实施例3：

在氧化铝坩埚中放置有200目10％锌粉、325目30％铝粉和3％氯化铵粉末及其余为200目氧化铝(Al₂O₃)填充剂混合均匀渗锌剂，将前处理金属垫片包埋在该渗锌剂中，将坩埚密封后放置在800W微波炉中加热保温30分钟，可在金属垫片表面可获得铝-锌-铁合金渗层。

实施例4：

在氧化铝坩埚中放置有325目25％锌粉、200目10％铝粉和其余为200目氧化铝(Al₂O₃)填充剂混合均匀渗锌剂，将前处理金属垫片包埋在该渗锌剂中，将坩埚密封后放置在微波炉中滚动加热保温30分钟，可在金属垫片表面可获得厚度约50微米锌-铝-铁合金渗层。

实施例5：

将120目40％锌粉、3％氯化铵粉末和100目57％石英砂填充剂充分混合均匀后，放置在耐高温陶瓷坩埚中，将金属垫片包埋在该渗锌剂中，然后将密封坩埚放置在微波炉中滚动加热保温30分钟后冷却，可在金属垫片表面可获得厚度约60微米锌-铁合金渗层。

实施例6：

将120目30％铝粉、200目10％锌粉和3％氯化铵粉末其余为100目石英砂填充剂充分混合均匀后，放置在耐高温陶瓷坩埚中，将金属垫片包埋在该渗锌剂中，然后将密封坩埚放置在微波炉中滚动加热保温40分钟后在空气中冷却，可在金属垫片表面可获得厚度约70微米铝-锌-铁合金渗层。

本发明公开和提出的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变原料、工艺参数、工艺步骤等环节实现。本发明的方法与技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (9)

1.一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于：将金属构件包埋在含有锌粉或锌/铝复合粉的金属粉末渗锌剂陶瓷渗锌罐中，并放置在微波加热炉中在缓慢滚动情况下进行微波加热处理，然后保温冷却取出构件进行后处理。

2.如权利要求1所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的锌/铝复合金属粉末中，铝粉的体积比为≤40％；其余为锌粉。

3.如权利要求1所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的金属粉末渗锌剂的组成是：锌粉或锌/铝复合粉末的体积百分比是10～40％；活化剂的体积百分比是0～3％；其余为石英砂(SiO₂)或氧化铝(Al₂O₃)填充剂。

4.如权利要求1所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的锌粉或铝粉的粒度为120～325目，金属锌或铝含量≥98％；石英砂的粒度为40～200目。

5.如权利要求4所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的活化剂为氯化铵(NH₄Cl)或氯化锌(ZnCl₂)。

6.如权利要求1所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的快速粉末渗锌表面涂层加工方法是(1)粉末渗锌剂的配制：将金属粉末锌粉或锌/铝复合粉末、活化剂和填充剂按一定量混合均匀成渗锌剂，得到复合粉末渗锌剂；(2)渗锌过程：将金属构件、渗锌剂填装到陶瓷渗锌罐中，填充剂的体积+金属粉末体积+工件的体积等于渗锌罐体积的90％～95％，然后将填装好的陶瓷渗锌罐放置在微波加热炉中进行加热处理，在加热过程中缓慢滚动陶瓷渗锌罐，转速控制在1～5转/分，加热处理时间控制在15～40分钟范围以内，进行渗锌加工；(3)冷却分离过程：渗锌加工完成后，将陶瓷渗锌罐从微波加热炉中取出，放置在分离机上在不断转动过程中进行空气冷却，待温度降低至室温度，在分离机上将工件与渗锌剂进行分离，工件进行后处理。

7.如权利要求6所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的陶瓷渗锌罐是一种耐高温的微波透明材料。

8.如权利要求7所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的微波透明材料为氧化铝或碳化硅坩埚。

9.如权利要求6所述的一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法，其特征在于所述的微波加热炉底部带有旋转的金属托盘或滚动机构，陶瓷渗锌罐是静止放置在旋转托盘上加热，或是在滚动机构上缓慢滚动下加热。

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