CN1015479B - 工件渗铬方法及设备 - Google Patents

Abstract

向受腐独钢工件施加渗铬层的设备和方法，该设备有基座、甑和套在甑外的炉，炉内有加热装置，炉和甑均有吹扫用进出气口；将含铬源的粉末与工件按层交替放在甑内，将甑密封并连同工件加热至规定温度并经历规定时间；所得渗铬层厚度大，含铬量高，耐蚀性强，并可加工大尺寸工件。

Description

本发明涉及工件的覆层，更具体讲是涉及向工件的一个或多个表面施加渗铬层的方法和设备，由此提供材料保护，特别是使之具防腐蚀性能。

长期以来在已有技术中已公知，对于钢抵抗各种形式的腐蚀来讲，迄今以铬为最重要的合金元素。此外，在已有技术中也久已公知，提供必需的铬含量以便钢能够耐腐蚀和（或）耐氧化，其中有一种方法就是采用迄今的已有技术中普遍使用的术语为“渗铬”的方法。

正如已有技术中所用，术语“渗铬”是表示一种高温扩散方法，其中钢制件的经处理表面与铬成为合金。简言之，按照此方法，是把钢制件浸埋在一个甑中的粉末中，该粉末中含有铬，将此甑封闭，连甑一起在炉中高温加热数小时。加热使粉末中的铬气化，沉积在钢工件上并且向金属基体中扩散到一定深度，并达到一定浓度，这些是取决于多项冶金和工艺变量。从前述方法所制的钢工件上出现一个铁-铬合金覆层，该层是以冶金方式与工件结合并成为该钢工件金属基体整体的一个部分。由于渗铬是一种扩散过程，使用此方法引起的结构改变就是在金属基体表面之内，而不是在表面本身。这件事的意义是既然所扩散的铬是从实体上和以冶金方式穿入钢工件金属基体的表面，于是就取代了金属基体的铁原子，并且扩散的铬成为钢工件金属基体整体的一个部分，所以不象机械方式结合的覆层那样，是不能脱落或剥下的。

已知有许多种将工件渗铬的应用方式，使工件加上一个铬覆层。在此方面，通过非限定性实例，即各种与锅炉有关的应用提供了参考资 料，这里已知的需求是在气体一面防止各种形式的全面和（或）局部腐蚀，在水蒸汽一面是防止剥落的氧化物水垢产生的固体颗粒磨蚀。

化学品回收锅炉就是与锅炉有关用途的一例。化学品回收锅炉实质上是在造纸厂所用的回收和加工某些化学品的设备。迄今为止最受注意的化学品回收锅炉是所谓的“黑液”，即在制浆时产生的废冷却液。将这种黑液作为燃料，在化学品回收锅炉内燃烧。多年以来将黑液在化学品回收锅炉中燃烧产生水蒸汽，作为在再应用之前回收化学品的一种手段。使用化学品回收锅炉所回收的化学品的价值通常是它所发生的水蒸汽价值的三倍，然而，在化学品回收锅炉中产生的水蒸汽量也很大，可能有纸浆厂所需水蒸汽量的一半。但不利的是，将黑液作为燃料在化学品回收锅炉内燃烧时，产生对于该锅炉的碳钢水冷壁腐蚀性极大的气氛。为了防止此种腐蚀，以前在化学品回收锅炉水冷壁的锅炉管不是必须经常更换，就是要经过金属化处理，这都要将化学品回收锅炉停工，入内检修。另一种选择是使用复合的碳钢管，管外包覆一层304不锈钢，但这种管是相当贵的。另一种方案是应用经过渗铬的锅炉管，即使用施加有铬覆层的锅炉管。

渗铬工件也就是施加有铬覆层的工件的另一与锅炉有关的用途实例，就是特别适用于资源回收锅炉。由于能接受城市废物的填土区域不断减少，越来越多的社区是将城市废物烧掉。实现烧掉城市废物的办法之一，就是使用工业上称之为资源回收锅炉的一类锅炉。但不利的是，业已发现由于在城市废物中包罗各类物质，在资源回收锅炉中燃烧这些城市废物常常发生至少使其中一些锅炉管受到腐蚀的情形。由于以现时采用的规模在锅炉中燃烧城市废物从用途类型上讲是一项相当近期的发展，并且使用了传统上使用的锅炉，则关于资源回收锅炉中燃烧城市废物时炉管将受到的腐蚀的特性，以及关于资源回收锅炉中炉管将受到的腐蚀程度，都有许多需要弄明白的问题。虽然如此，已有足够的资料指 出，在资源回收锅炉中应用渗铬的锅炉管（即使用施加有铬覆层的锅炉管）可以成功地防止这类腐蚀。

还有另一个与锅炉有关的特别适用渗铬工件（即施加有铬覆层的工件）的实例，就是应用于煤气化工艺过程的气化器。在美国，特别在七十年代，对于从煤生产合成气的煤气化工业方法的开发予以很大注意。为了支持这些开发工作，不仅美国政府，还有一些大的美国公司都给了财政支持。在美国，由于后来石油价格下落而对工业规模煤气化的兴趣有所下降。另方面，虽然现时在美国对工业规模煤气化的兴趣比较低，但在海外最近已证实仍有相当大兴趣。由于后述一类兴趣的结果，现已把注意力集中在如何克服气化器内部部件在操作中所受腐蚀的问题。如同前述的资源回收锅炉的情况，关于气化器的内部部件在操作中所受腐蚀的特性，以及关于气化器的部件将要受到的腐蚀程度，都有许多需要弄明白的问题。虽然如此，已有足够的资料并可以作出结论，若将气化器内部部件渗铬，即在其上施加铬覆层，可以成功地防止这类腐蚀。

燃煤的动力锅炉也是适于使用渗铬部件（即施加有铬覆层的部件）的有关锅炉应用的实例。关于此方面用途，已知燃煤的动力锅炉特别是超临界压力型锅炉的水冷壁是受到全面和（或）局部腐蚀。此外，对于这种腐蚀性极高的硫化环境，尚未证明金属化方法能有效地防止腐蚀。另方面，业已指出曾施加了铬覆层的部件，甚至用于以前是金属耗损严重的部位，也能防止此种硫化腐蚀和金属耗损。

关于锅炉方面，还已知其过热器和再热器受到高温灰腐蚀和氧化。关于这类锅炉中的过热器和再热器的高温灰腐蚀及氧化可以提到的是在某些情况下是把所用材料升级，将铁素体钢改为奥氏体不锈钢。然而，由于铁素体与奥氏体不锈钢的热膨胀系数不同，所以还有一些情况是要求或必须继续使用铁素体钢来制造锅炉的过热器和（或）再热器的一些或全部部件。在这样的情况下，表明应用渗铬钢，即在铁素体合金部件 上施加铬覆层将有利于提供耐灰腐蚀能力，也将显著提高这些部件的金属基体即制造这些部件的铁素体合金材料的氧化极限。在进一步考虑热膨胀系数不同的情况下，在设备重建用途中材料膨胀率不同的问题特别受到注意，因为若原设计是按使用铁素体材料时，则用奥氏体替代铁素体材料未必是可行的，反之亦未必是可行的。因此就有需要使用由铁素体合金材料所制的部件。然而，在这样作时，还需要为提高铁素体合金材料的氧化极限而作出努力。通过将铁素体合金材料所制的部件在内面和外面都渗铬之后再使用，可以得到上述结果，也就是在部件的内面和外面都施加一个铬覆层。这样作了之后，预期所制的部件与未曾渗铬的铁素体合金材料相比，将能有更长得多的使用寿命。

关于对氧化的进一步考虑，已知在锅炉的过热器与再热器中与气体接触的管子的水蒸汽一面形成的氧化产物具有使金属温度进一步升高的潜在趋势。此外，还会由于在管子表面形成严重内部氧化物而引致锅炉管损坏。与此相反，业已发现在施加有铬覆层的表面上形成的氧化物锅垢非常之薄。结果，对于经渗铬即施加有铬覆层的铁素体合金材料所制锅炉管的金属温度而言，由于生成的锅垢极薄，即使经过许多小时的操作，也不会增高很多。

下一个要考虑的方面是一种金属报废的形式，常称为腐蚀疲劳，圆周腐蚀沟纹，象皮状等等。对于有火面的锅炉管，亦即在锅炉有管子表面向火，并且受到前后很大温差的情况，例如，暴露在辐射热之中的管子时常发现有沿圆周的开裂。虽然这种沿圆周开裂的原因尚未完全明了，相信是由于热应变所引起，其透入金属基体的机制亦即发生开裂是由于在锅炉管表面所形成的半保护性氧化产物反复开裂的结果。燃煤动力锅炉特别是超临界压力型锅炉的水冷壁管子受到硫化作用废物的侵蚀，已知也是受到腐蚀疲劳开裂作用，特别是在其中受到严重金属损失部位的外面部位。此外，已知燃煤锅炉的再热区的辐射壁管也受到这一 类型的开裂，亦即热引致的腐蚀疲劳开裂。在此情况下，将这些锅炉管渗铬，亦即在其表面施加铬覆层也表现出对于上述的腐蚀疲劳开裂亦即上述的热引致的腐蚀疲劳开裂能十分有效地阻止。

总起来讲，根据前述非限定性例证可以明显看到，在多种类型的用途中，有许多是需要提供能防止已知在传热表面要发生的氧化及硫化作用的施加保护性的材料，并且发现在这些材料的表面施加铬覆层即渗铬，对于提供这类保护是有效的，这些用途包括有动力发电、造纸、石油化工、煤气化及化学加工工业。

如前所指出，先有技术中已知对一种材料的表面施加铬覆层。但迄今为止向一种材料表面施加铬覆层存在两个主要方面的缺点。其一是迄今为止还只能向尺寸较小的部件例如涡轮叶片这样大小的部件外表面加上铬覆层。其原因是在一种材料上施加铬覆层是在特定的温度进行的。然而，部件尺寸越大，则需要加铬覆层的部件的各表面全部都保持在该特定温度并维持所需的时间就更为困难。

另一缺点是，无论该铬覆层是需要加在材料的外表面还是内表面，先有技术的施加铬覆层的方法，都使得铬覆的特征是含有大量、占优势的晶粒边缘碳化物，可参考1980年6月17日的USP    4208453和1981年9月22日的USP    4290391的方法所得结果。关于在铬覆层中存在有大量晶粒边缘碳化物并认为是对覆层特性不利的原因，是已发现这些晶粒边缘碳化物会在某些使用环境中使得该铬覆层容易受到晶粒之间的侵蚀。对于克服在铬覆层中大量存在晶粒边缘碳化物的缺点，所作努力是尽量减少其中的晶粒边缘碳化物的存在量。其中一种途径是在扩散铬的同时共扩散钒，以使铬覆层中存在的晶粒边缘碳化物尽量减少。将钒与铬共同扩散的构思是Electric    Power    Research    Institute（EPRI）的USP申请案68922的主题（1987年7月1日），其中一位共同发明人E.Clyde    Lewis是本专利申请案的发明人之一。另一种途径是使用碳稳定化的低 合金作为在其中施加铬覆层的基体金属。

因此，从先有技术已明确了一项需要，就是对于部件的一个或多个表面，包括外表面和内表面，特别是该部件准备用在受到腐蚀的环境时，提供新的施加铬覆层的方法和设备。另外，从先有技术还明确了一项需要，就是提供在部件表面上施加铬覆层的方法和设备，用这种方法和设备在表面上所得的覆层厚度要比使用先有技术的铬覆层方法所得者厚度更大。从先有技术还明确了一项需要，就是提供在部件表面上施加铬覆层的方法和设备，用这种方法和设备在表面上所得覆层中的含铬浓度要比使用先有技术的铬覆层方法所可能得到者浓度更高。从先有技术还明确了一项需要，就是提供在部件表面上施加铬覆层的方法和设备，用这种方法和设备可以进行施加铬覆层的工件大小和尺寸要比使用先有技术的铬覆层方法可能施工的工件大小和尺寸更大。

因此，本发明的目的是提供一种新颖的、改进的设备，用此设备向工件的一个或多个表面上施加铬覆层，作为防护该工件的手段。

本发明的目的还包括提供一种新颖的、改进的方法，用此方法向工件上的一个或多个表面施加铬覆层，作为防护该工件的手段。

本发明的目的还包括提供向工件的一个或多个表面施加铬覆层的方法和设备，其中准备施加铬覆层的表面可以是该工件的外表面和（或）内表面。

本发明的目的还包括提供向工件的表面施加铬覆层的方法和设备，其中用此方法和设备所施加的铬覆层厚度是大于用先有技术铬覆层方法所可能提供的覆层厚度。

本发明的目的还包括提供向工件的表面施加铬覆层的方法和设备，其中用此方法和设备所施加的铬覆层中所含铬的浓度是高于用先有技术铬覆层方法所可能达到的浓度。

本发明的目的还包括提供向工件的表面施加铬覆层的方法和设备， 其中用此方法和设备所加工的工件尺寸大小可以大于用先有技术铬覆层方法所可能加工的工件尺寸。

本发明的目的还包括提供向工件表面施加铬覆层的方法与设备，提供这些方法和设备的费用较低，并且比较容易实施，其特征在于由之所提供的铬覆层的耐腐蚀能力是优于以前为此目的所用方法和设备所能提供的铬覆层。

按本发明的一个方面，是向工件的一个或多个表面施加铬覆层的新颖、改进的设备，特别是准备在受腐蚀用途中应用的工件。其主体设备包括一个固定的基座，最好是由耐火材料铸制而成。在该固定基座之上支架有一个加热甑，这个甑是由在基座上间隔开的多个支台所支持。在甑内放置准备施加铬覆层的工件。在该甑的适当位置设置一个入口，由此向甑内送入一种流体介质。在甑的另一适当位置设置一个出口，送入的流体介质在甑内流过之后从这个出口流出。该主体设备还包括一个适用的具有加热装置的炉子，这个炉是在一个位置，并可以移开或移回这个位置，当它在该位置时，该炉由加热装置发挥效用，并使该甑均匀加热至预定温度，持续预定的时间。该炉子与甑相似，也是在某一位置有一个入口，由此入口向炉内供入一种流体介质，并且在另一位置有一个出口，流体介置从炉内流过后从这个出口流出。最后，该主体设备还包括位置适当的密封装置，其作用是使炉与该固定基座之间密封，使得炉与甑在操作时与炉外环境之间是隔绝的，同时由炉上所配备的加热装置将甑加热。

按本发明的另一个方面，是向准备用于腐蚀条件工件的一个或多个表面上施加铬覆层的新颖、改进的方法。该方法包括以下各步骤：提供一个固定式基座，最好是由耐火材料铸制而成;在该基座上设置多个支台，各支台按间隔分布开;将一个甑设置在各支台上;在甑底之上铺上一层粉末，该粉末是氯化铵、氧化铝和铬铁合金的混合物;在甑内粉末层 之上放置一层准备施加铬覆层的工件;在这层工件上盖上一层粉末，另外的方法是在甑中加入一层准备施加铬覆层的工件，再加一层粉末，直至甑中所装工件数目达到要求为止;用粉末盖上最后一层工件，覆盖粉末达到预定厚度为此;将甑盖盖上，并将之密封;将设有加热装置的炉子套在该甑之外;将炉和甑均与外界环境密封隔绝;向甑内和甑外周围供入一种流体介质，用以排净其中的空气，同时开始将炉加热，亦即将甑加热;均匀加热该甑，按预定温度经历预定时间;将该甑冷却至第二个预定温度;移开炉子使之不再包围该甑;移开甑上的盖子;从甑中取出残余的粉末和已覆铬的工件;从已覆铬的工件上清除残余的粉末。

图1是按本发明在工件的一个或多个表面上施加铬覆层所用设备的示意图;

图2是按本发明的设备图1的甑部分放大图;

图3是本发明的图1设备中甑部分的横截面图，该截面基本上是沿图2的3-3线的剖视;

图4是一对管段的透视图，该管的内外表面均已施加铬覆层，采用的是本发明为工件一个或多个表面施加铬覆层的方法和设备;

图5是一个管段的透视图，该管的外表面已施加铬覆层，采用的是本发明为工件一个或多个表面施加铬覆层的方法和设备;

图6是一个非管状工件的透视图，该件的外表面已施加铬覆层，采用的是本发明为工件一个或多个表面施加铬覆层的方法和设备。

以下是本发明优选实施方案的说明。

参照图1，所描绘的是设备10。按本发明的一个方面，设备10的设计是能向工件的一个或多个表面施加铬覆层，特别适用于准备用于腐蚀性环境的工件。

首先讨论设备10的结构特点。为此亦要参照图2和3。设备10包括一个固定式基座，即图1中的12。按本发明的优选实施方案，固定式基 座12最好由耐火材料铸成。基座12有两方面功用：一是作为设备10的支持基座，二是借助于铸制的耐火材料作为设备10与地面（未示出）例如工业建筑类的地面之间的绝热层。

仍参照图1，由基座12支持着适当间隔开的多个支台，这些支台都由14表示，支台14与基座12相似，最好也是由耐火材料铸制而成，其作用也和基座12相似，一方面是支持台，另方面是绝热层。

这些支台的支持面是用于支架甑16，在甑16之内放置准备在其一个或多个面上施加铬覆层的工件。这些工件在甑16中的放置方法构成本发明的另一个方面，后文详述这个放置方法。然而，从设备10的构造目的来讲，可以说甑16的设计功用是一个罩封装置，在其中放置准备在一面或多面施加铬覆层的工件，并且这些工件的放置方式能够均匀加热到预定温度，经历预定时间，以便在其上施加铬覆层。为此目的，按本发明的优选方案，甑16是由具足够强度的任何适用的常规材料制成，使之能支持多量相当大尺寸的工件，例如多件比较长的金属管工件，同时将这些工件加热到约2100°F（1150℃）。此外，为了易于建造，按本发明优选方案的甑16采取长方形，形状由一个基底18所限定，另有四个直立的侧壁20，壁和底用任何适用于此用途的常规连接装置接合在一起（未示出），从而成为密闭的箱状结构。另外，甑16有一个盖22，其设计是能紧密封住该箱状甑的顶部并且可以移开，于是可以进入甑16之内，摆放准备施加铬覆层的工件，并于处理完毕后从甑16之内取出已完成施加铬覆层的工件。盖22的设计是在放入准备施加铬覆层的工件之后，能使盖与上述箱状结构一起密封，然后按后述方式加热，在工件表面上施加铬覆层。

上面说明的是甑16的基本结构特点，下面进行详述：在甑16的第一个位置配备有入口装置，如图2所示的24。入口24设在甑16的第一个位置并具有适当形状，用以将惰性的流体介质供入甑16。在甑16的另一个 位置配备有出口26，出口26具有适当形状，使得由入口24供入的惰性流体介质在流过甑16之后由出口26流出。按本发明的优选方案，入口24和出口26可以采取能够实现上述功能的任何适宜的常规形式。

关于设备10的结构特点，由图1可明显看到，设备10还包括一个炉28。按本发明的优选方案，炉28最好是基本上长方形构型。更具体讲，炉28的构型应与甑16的形状相配，但尺寸要比甑16大，于是炉28可以套住甑16（如图1所示），这是第一位置。又可以将炉28移开到第二位置（未示出），使得它不再套住甑16。为了能移动炉28，上面适当地配备吊装装置，如图1中所示是使用多个吊耳30。吊耳30最好是在炉28顶部并按间隔分布开，例如朝向外面。吊耳30的设计应适于使用工业用起重机或其他适用设备，以便将炉28从套住甑16的位置移开。但不讲自明，在不离开本发明实质的情况下，可用任何常规形式的抓吊装置来替代吊耳30。

关于炉28的其他结构特点，从图1可见其中包括有加热装置34。按本发明的优选方案，加热装置34包括多个电热元件36，它们以适当方式配置并支持在炉28之内，使得当炉28套住甑16时（如图1），这些电热元件36可以有效地将甑16和甑内的工件均匀加热至预定温度并经历预定时间，使得工件表面施加上铬覆层。下面进一步说明预定的温度和预定时间。但只需简单指出，按本发明的优选方案，该预定温度的优选数值为2100°F（1150℃），预定时间的优选值为10小时。为此目的已发现为了能按本发明施加铬覆层达到所要求的品质和覆层深度等等，则该工件包括该工件的准备施加铬覆层的表面，不论该工件的总尺寸即长、宽、高为何，均必须完全均匀地加热至2100°F（1150℃），并持续地保持该温度历时10小时。在此方面还发现，工件的尺寸越大，使工件完全均匀地加热至2100°F（1150℃）就越困难，持续地保持在该均匀温度约2100°F（1150℃）也越困难。最后，按本发明还发现，为了能成功地达到此工 件加热温度是完全均匀的2100°F（1150℃）并在其后保持在约2100°F（1150℃）历时10小时，以便在工件表面施加铬覆层，特别是在处理较大尺寸工件的情况下，其可能的唯一途径是在炉28内采用34的加热装置，并于其中提供多个上述的电热元件36。已发现，在采用燃气和燃油加热装置时，则为了在工件表面成功地施加所需的铬覆层的目的所要求的均匀加热是更难达到的。

在炉28的结构特点中，为了前面详述的目的还需要如图1所示在炉28上配备入口装置38，其配备方式和前述甑16结构特点相似。在炉28上第一位置配备适当形式的入口38，使之能将一种流体介质供入并通过炉28内部。另外，为了前面详述的同样目的，在炉28的另一位置配备出口40。出口40以适当形式配装在炉28上，使来自入口38的流体介质通过炉28内部而从出口40流出。按本发明的优选方案，入口38和出口40可以是能够起到上述所要求的作用的任何适当常规形式。

关于按本发明优选方案的炉28结构特点的最后一方面，就是炉内所支持的加热装置34的多个电热元件36是以适当方式用常规绝缘装置（未示出）所套住，使得多个电热元件36所发出的热量不会散失到炉28的外面，而是用于加热甑16和其中所放置的工件并达到所要求的程度，以便能成功地按前述方式向甑16内的工件施加铬覆层。在实施中，可以选用能实现前述方式的任何已知常规式绝缘手段。

最后，考虑到设备10的建造，从图1可以清楚了解到设备10是包括有密封装置，此装置在图1中由42表示，其设计是将之使用在炉28和固定式基座12之间。为此目的，密封装置42的设计是能在甑16已按图1所示安放就位情况下提供炉28与固定基座12之间的密封，这时甑16在基座12上的支持是利用多个支台14，并且炉28已移至套住甑16的位置，也就是图1所示。也就是说，密封装置42是要把炉28与外界环境封隔，也是将甑16与炉28的外界环境相封隔，同时按前述由炉28内所适当配备的加 热装置34的多个电热元件36使甑16和里面所放的工件加热至所要求温度并经历所需的时间。在此方面，适用于作为设备10的密封装置42可以是可按前述方式使用的任何已知的常规式密封装置，例如，具有足够强度以承受炉28的重量，能耐受所达到的温度并持续很长期间。此外，为使用方便起见，密封装置42可适当地附装在炉28上面，使之能随炉子一起移入移出并与固定式基座12相密合。

下面讨论本发明的另一个方面，就是提供一种方法向工件的一个或多个表面施加铬覆层，特别是为准备受腐蚀的工件的一个或多个表面提供铬覆层。为此目的，按本发明的优选方案，最好是使用前已详述的设备10，并参照图1、2、3的阐示。

按本发明的此一方面，是提供一种在工件的一个或多个表面上施加铬覆层的方法，其中该方法是由后述各步骤组成。关于各步骤的描述请参阅图1、2、3。第一个步骤是准备一个固定式基座，例如可以是图1中所描绘的形式。按本发明优选方案，此基座最好是由适宜的常规耐火材料铸制而成。其次是将如图中14所示的多个支台设置于该固定式基座上，各支台彼此互相适当地间隔开。然后，将一个带盖的甑放置就位，该甑最好如图1、2、3所描绘的甑16的结构，并由前述多个支台适当地支架起来。

这时将甑盖移去，于是可放入一层粉末，并将粉末在甑底上铺开。按本发明的优选方案，该粉末是好是由氯化铵、氧化铝、铁铬合金的混合物所组成。然后在这层粉末上放上一层工件，这些工件可以是图4所示的多件成对管子，或是图5所示的多件单管，或是图6所示的多件非管状工件。然而不讲自明的是，图4、5、6所示的各种工件只是按本发明的方法可在工件表面或各表面上施加铬覆层的代表性类型。就是说，举例来讲（但非限定性），工字梁或杯状等等构型的工件也可以象图4、5、6所示工件一样，按本发明的方法在其一个或多个表面上施 加铬覆层，也是不背离本发明的实质的。然后在已摆放好的工件上盖上第一预定厚度的与甑底所铺相同的粉末。依此类推，一层工件、一层粉末交替铺放上去直至甑容量达到限度为止，或达到所要加工的工件数目为止（当工件数目小于该甑容量时）。最上一层工件也是铺盖一层同前的粉末。按本发明优选方案，这层粉末是按第二预定厚度。一经将最后一层工件盖上预定厚度的粉末之后，就可将甑盖就位，将甑封盖而与外界隔绝，这时可用任何适用的常规密封方式，例如可用焊接，即将甑盖焊接在甑上。

在甑中装入规定数目的准备在一个或多个表面上施加铬覆层的工件并将甑盖密封就位之后，将带有加热装置的炉子就位，使之套在该甑的外面。为此目的，该炉的设计是可以移出移入套住甑的位置。按本发明的优选方案，该炉最好按图1中炉28的构造。无论炉28是否是按本发明此方案来实施，使本方法成功实施的必需条件是所用的炉子应能将这些尺寸较大的工件加热到预定温度并经历预定时间，同时使每一工件完全均匀地加热到此预定温度，并且一经均匀地加热到此预定温度，该工件即能在预定的期间持续地保持在此均匀的预定温度，即保持相当长的时间，例如达到10小时这样长时间。炉子一经按上述移到套住甑的位置后，于是将炉子连同甑都进行密封，与外界环境隔绝。按本发明优选方案，将炉子连同甑与外界隔绝最好是使用图1中42所示的密封装置。

然后，将甑内所放的工件加热到预定温度，并开始经历预定的时间。工件的加热是利用炉上为此目的所配备的加热装置。在工件开始加热的同时，向甑的内部供入一种流体介质，供入的方法是通过为此目的所配备的常规构造的通入装置。该流体介质的作用是吹扫掉甑内的空气。该流体介质流过甑的内部之后，又流经甑上为此目的而配备的常规构造的出口。除去向甑内供入该流体介质外，同时也向套在甑外的炉内供入一种流体介质，也是通过在炉上为此目的而适当配备的入口而通入 炉内。向套在甑外的炉中所通入的流体介质的作用与通入甑内的流体介质相似，也是起到吹扫的作用，更具体讲就是通入这些流体后，使炉中这些部位的空气被吹扫掉，流体介质通入炉内之后，又经过为此目的而适当配备的出口而流出。

于是，放在甑中的工件就被炉中所配备的加热装置所加热，加热持续至工件被完全均匀加热至第一个预定温度，然后再将这些工件继续维持在完全均匀的该第一预定温度，历经预定的时间。所预定的时间一经达到，即将炉中的加热装置关掉，使甑和其中所放的工件冷却，冷却到这些工件达到完全均匀的第二个预定温度为止。

当达到第二个预定温度以后，将炉子从套住甑的位置移开，将甑盖打开。盖子打开之后，从甑内取出剩余的粉末混合物和已在其一个或多个表面上施加了铬覆层的工件。然后从工件表面清除仍然沾附的残余粉末。工件上残余粉末清除后，即可进行热处理和/或任何其他需要的加工步骤。

现提出按本发明的此方案的实施例，但并非对本发明的限定。本实例所用施加铬覆层的工件是图5所示的管材44，并且是在44的管外表面施加铬覆层46。

为在如上述的管44外表面施加铬覆层46，按本发明的此方案的优选步骤如下：首先，准备如图1中所示的铸制耐火材料固定式基座12;其次准备如图1所示的多个支台14，它们应适当地间隔开;然后将如图1、2、3的甑包括甑身和甑盖放在各支台上，也就是由固定式基座所支承。

将甑盖搬开，在甑底部均匀地铺上厚度约1/2英寸（12.7毫米）的粉末。此外所用的粉末是由3%氯化铵，55%氧化铝和42%铁铬合金所组成。在按本发明施加了铬覆层之后，剩余的粉末可以回用，但需将约25%新粉末与75%用过的粉末混合后使用。然后在这层粉末上放上第一 层管材44。但在这一层和所有以后各层管材44放入之前，每条管44内部均用惰性气体如氩气进行吹扫，吹扫空气后，用金属片制的塞子堵住管的两端，使之气密。

甑内放好第一层管44之后，用上述混合粉末如铺底层一样在这层管上铺上12.7毫米一层。依此，再铺一层管和一层12.7毫米粉末，如此一层层铺下去，直至铺满甑中工作空间或达到预定层数为止。

按前述本发明方案并参照附图2和3，铺有6层管和6层加底层粉末。为方便表达，图中各层管用48表示，各层粉末用50表示。铺好最上层管后，用同前的粉末铺以102毫米的最上层。

将甑盖盖好，以焊接密封。利用甑的出入口使流体介质如惰性气体氩流过，从甑中扫出空气。用起重机将炉吊回套住甑的位置。利用炉的出入口使流体介质如惰性气体氩流过，从炉套住甑的区域扫出空气。

开始用炉的加热装置使各层管48升温，与此同时，炉与甑的出入口继续通流惰性气体。在甑内物料升温时，产生烟雾。烟雾通过甑的气体出口又经炉套住甑的区域由炉的气体出口而流出。较好方式是使从甑和炉的出口装置排出的烟雾和惰性气体进入一个烟囱，即图中所示的54，然后才排放到大气中。当烟雾累积够多时，可用适用的常规式点火装置（未示出）将之点燃。烟雾的燃烧是在离开该甑和由炉套住甑的区域后进行，然后从烟囱54排放至大气中。

管材44放置在甑中所成各层48的加热是通过炉内加热装置和流过甑内和套住甑的炉内区域的惰性气体，直至甑内最低温部位的管材44的准备施加铬覆层的外圆表面达到第一预定温度2100°F（1150℃）。然后，在此预定的2100°F（1150℃）温度继续保持预定的时间即10小时。此处不讲自明的是，当所要施加的铬覆层特点与管材44外表面所要施加铬覆层不同时，则其他工件的一个或多个表面要成功施加铬覆层所需的预定加热温度也可能不同，亦即不是2100°F（1150℃），例如低于2100°F （1150℃），或在1700-2100°F（927-1150℃）范围。同此，当所要施加的铬覆层特点与管材44外表面所要施加铬覆层不同时，则其他工件的一个或多个表面要成功施加铬覆层在该预定温度所需维持的时间也可能不是10小时，例如超过10小时。

当管材44已加热至预定的2100°F（1150℃）并且在该温度维持预定时间10小时之后，即将炉的加热装置关掉，并将通过甑和套住甑的炉内区域的惰性气体停掉，使甑内摆放的管材44所成的层48开始冷却。甑内的管材层48的冷却持续到甑内最热部位冷到第二个预定温度，在此情况下是400°F（205℃）。此处不讲自明的是，当所要施加的铬覆层特点与在管材44外表面施加的铬覆层不同时，则对这些工件的一个或多个表面成功地施加铬覆层所要求的第二个预定温度也可能不同，亦即不是为400°F（205℃）。甑内最热部分一经冷却至该第二预定温度，炉的通入口和出口装置即可拆开，使得炉可以从套住甑的位置移开。然后用工业起重机利用炉上所设的吊耳将炉子从套住甑的位置移开。炉子移开之后，也把甑上的通入和出口装置拆去。最后，把封住的甑盖打开并移去。

将甑盖移开之后，从甑中取出剩余的粉末和由管材44排成的各层48。然后将每条管上残留的粉末清理掉。若需要，可将管材44送去热处理。管材44热处理之后，进行外形完整性检查，并按需要将管材44进行校直加工，以便将外表面施加铬覆层过程中发生的变形加以校正。然后，在管材44上按需要进行焊接加工和连接。其后，将管材44再次进行热处理，然后对每条管材44的外表面上所施加的铬覆层46进行最后检查。

虽然前文已对本发明的此方案的实施，特别是以管材44的外表面施加铬覆层46为实例作了详细描述，然而不讲自明的是，正如前文所提出，按本发明的此方案的方法也可应用在其他种工件的一个或多个表面 施加铬覆层而不是背离本发明的实质。为此目的，本发明此一方案的方法同样可应用于其他工件的一个或多个表面施加铬覆层，例如（但非限定性）图4中连在一起的管材56和58，在管56和58的内表面和外表面分别施加铬覆层60和62;还有如图6所示的非管状工件64，在其全部外表面施加铬覆层66。

下面叙述按本发明此方案的方法的另一更改方式，此方式也是未背离本发明的实质。为了使工件的一个或多个表面施加铬覆层后具有更高强度，将已施加铬覆层的表面进行喷丸硬化处理。喷丸硬化加工方法在本技术领域已为公知。对于具有按本发明所施加的铬覆层的表面进行喷丸硬化处理的效果，在本发明之前尚为未知。但是，无论这个铬覆层是来自在工件表面上以浆液状形式涂上铬成分，或是将该铬成分与氯化铵和氧化铝混合成粉末后再按本发明此方案的方法在工件上施加一层铬覆层，都可以经受喷丸硬化处理而使之实现表面经喷丸硬化后已知的全部益处，同时不会对该铬覆层本身的效能（即铬覆层的抗腐蚀性能）带来不利效果。

所以，作为一般性总结可以这样讲，渗铬是由以下步骤所组成：将准备在一个或多个表面施加铬覆层的钢工件埋在一个甑中的含有铬成分的混合粉末中，然后将这个甑封闭，然后在炉中将甑和甑内物件加热到预定的高温度并经历预定的时间，即数个小时。由于这样加热的结果，该粉末混合物中的铬成分气化，并且淀积在甑内埋在粉末混合物中的钢工件表面上，从而使铬扩散到金属之内，亦到达钢工件表面的一定深度和达到一定浓度，这些要取决于一系列冶金和工艺变量。结果是在钢工件表面形成铁-铬合金覆层，这个覆层与基体金属是以冶金方式结合成为整体。由于是扩散过程，在表面之内发生结构改变，而不是只在表面发生。

久已公知，在渗铬结构中存在晶粒边界碳化物是它们的特征。另外 还已公知，在某些使用环境中，这些晶粒边界碳化物能使该铬覆层容易受到晶粒间侵蚀。因此，至少在这些使用环境中要求把铬覆层中存在的晶粒边界碳化物量尽可能减至最少。关于本发明此一方案的向工件一个或多个表面施加铬覆层的方法，业已发现在实施本方法后所得铬覆层中的晶粒边界碳化物存在量已减至最少，因此所制得的渗铬覆层的特征是具有最大抗腐蚀能力，更具体讲，就是对于已知使渗铬覆层易受腐蚀的晶粒间侵蚀具有最大抵抗能力。

因此，按本发明的此一方面，提供了为工件的一个或多个表面施加铬覆层的新颖、改进的设备，用于为工件提供防护。此外，按本发明的另一方面，提供了为工件的一个或多个表面施加铬覆层的新颖、改进的方法，用于为工件提供防护。另外，按本发明是提供在工件的一个或多个表面施加铬覆层的设备和方法，其中准备施加铬覆层的表面可以是该工件的外表面和（或）内表面。此外，按本发明为工件表面施加铬覆层的设备和方法的特征在于，按本发明所施加的铬覆层厚度是大于按已有铬覆层方法迄今所能达到的厚度。还有，按本发明为工件表面施加铬覆层的设备和方法的特征在于，按本发明所施加的铬覆层中所含的铬浓度是高于按已有铬覆层方法迄今所能达到的浓度。再者，本发明向工件表面施加铬覆层的设备和方法的特征在于，按本发明在表面施加铬覆层的工件尺寸大小是大于已有铬覆层方法迄今所能加工的工件尺寸大小。另外，按本发明提供的在工件表面施加铬覆层的设备和方法所需的费用比较低廉，比较容易实施，并且其特征在于所提供的铬覆层的抗腐蚀能力是优于迄今为止为同一目的所能提供的铬覆层。

虽然本发明只是用一个实施方案加以说明，应注意到本技术领域的技术人员很容易对之作出变化和改动，其中有些改动已在前文中有所提示。今由下列的权利要求包罗这些变化和改动的范围，同时也指明属于本发明的精神实质和范围。

Claims (43)

1、一种向工件的一个或多个表面施加铬覆层的设备，该设备包括：

a)支承装置；

b)一个甑，甑内可放置准备在一个或多个表面上施加铬覆层的工件，所述的甑是支放在所述支承装置上；

c)在所述甑的第一个部位构成的第一入口装置，用于将一种流体介质供入到所述甑之内；

d)在所述甑的第二个部位构成的第一出口装置，使由所述第一入口装置供入的流体介质在流过所述甑的内部之后由甑中流出；

e)一个能在第一和第二位置之间来往搬动的炉子，在第一位置是将所述炉套在所述甑的外面，第二位置是将所述炉从套住该甑的位置移开后的位置；所述炉中配备有加热装置，当所述炉处于第一位置时可起到加热作用，以便将所述甑均匀地加热至第一预定温度，然后将该甑均匀加热并保持在第一预定温度经历预定的时间；

f)在所述炉的第一位置构成的第二入口装置，用于当所述炉是在其第一位置即套在该甑之外时将流体介质供入所述炉内；

g)在所述炉的第二位置构成的第二出口装置，用于由所述第二入口所供入的流体介质流过套住甑的炉内之后，从这个出口排出；

h)当所述炉处于所述第一位置时，在所述炉与所述支承装置之间所加入的密封装置，使得所述的炉同时包括所套住的甑与外界大气相隔绝。

2、根据权利要求1的设备，其中所述支承装置包括一个固定式基座。

3、根据权利要求2的设备，其中所述固定式基座是由耐火材料铸制而成，并能起到绝热层的作用，同时具有足够强度以支持所述的炉和甑。

4、根据权利要求3的设备，其中所述支承装置还包括多个支台，它们是以互相间隔开的方式位于所述固定式基座上。

5、根据权利要求4的设备，其中所述多个支台的每一个都是由耐火材料铸制而成，它们能起到绝热作用，并具足够的总强度，足以支持所述的炉和甑。

6、根据权利要求1的设备，其中所述甑包括一个可移开的盖和几个侧壁，它们相互连接起来使该甑具有箱形构型。

7、根据权利要求6的设备，其中所述炉的加热装置包括多个电热元件。

8、根据权利要求7的设备，其中所述甑要加热到的预定温度是1150℃。

9、根据权利要求8的设备，其中该甑保持在均匀温度1150℃的预定时间是10小时。

10、根据权利要求1的设备，其中供入所述甑的流体介质是起到从所述甑内部吹扫空气的作用。

11、根据权利要求10的设备，其中供入所述甑的流体介质是一种惰性气体。

12、根据权利要求11的设备，其中该惰性气体是氩。

13、根据权利要求1的设备，其中供入所述炉的流体介质是起到从套住该甑的炉内吹扫空气的作用。

14、根据权利要求13的设备，其中供入所述炉的流体介质是一种惰性气体。

15、根据权利要求14的设备，其中该惰性气体是氩。

16、一种向工件的一个或多个表面施加铬覆层的方法，包括以下步骤：

a）准备一套支承装置;

b）在该支承装置上装设一个带有可移开的盖的甑;

c）在甑底部均匀铺上一层含有铬供源的粉末并达到第一预定厚度;

d）在甑内该层粉末上放置一层准备在其一个或多个表面上施加铬覆层的工件;

e）将按步骤d）所放一层工件上覆盖一层含有铬供源的粉末并达到第二预定厚度;

f）将甑盖放在甑上并将此甑盖在原位密封;

g）将配备有加热装置的炉套在该甑外面;

h）将炉连同所套住的甑密封，使之与炉外环境相隔绝;

i）利用炉内的加热装置开始将甑均匀加热，连同甑内所放工件加热至第一预定温度;

j）与步骤i）开始加热同时，向甑内供入一种流体介质;

k）当所供入的该流体介质流过该甑内之后，使之从甑内排出;

l）与步骤i）开始加热同时，向套住该甑的炉内供入一种流体介质;

m）当所供入的该流体介质流过套住该甑的炉内之后，使之从炉内排出;

n）当把该甑和甑内所放的工件均匀地加热到第一预定温度后，保持在该第一预定温度并历经预定的时间;

o）在到达该预定时间之后，中止对该甑及甑内所放工件的加热;

p）与步骤o）中止加热同时，停掉向该甑和炉所供入的流体介质;

q）将该甑和甑内所放工件冷却，冷却至第二预定温度;

r）当该甑和甑内所放工件冷却至该第二预定温度后，将该炉从套住该甑的位置移开;

s）移开该甑的盖子;

t）将甑内按步骤d）所放的该层工件从甑内取出。

17、根据权利要求16的方法，进一步包括一个步骤，即当该层工件从甑中取出之后，将工件上一切残留的粉末清理掉。

18、根据权利要求17的方法，进一步包括一个步骤，即将清理掉残留粉末的一个或多个工件进行热处理。

19、根据权利要求18的方法，进一步包括一个步骤，即将工件上已施加铬覆层的一个或多个表面进行喷丸硬化处理。

20、根据权利要求16的方法，其中该支承装置包括一个由耐火材料铸制的固定式基座。

21、根据权利要求20的方法，其中该支承装置还包括多个支台，这些支台是互相间隔开并位于该固定式基座之上。

22、根据权利要求21的方法，进一步包括一个步骤，就是在甑中以交替方式铺上多层第一预定厚度的含有铬供源的粉末和放上多层准备在其一个或多个表面上施加铬覆层的工件层。

23、根据权利要求22的方法，其中粉末层的第二预定厚度是102毫米。

24、根据权利要求22的方法，其中各层粉末的第一预定厚度是12.7毫米。

25、根据权利要求24的方法，其中各层工件是管状材料，并且是在管的外围表面施加铬覆层。

26、根据权利要求25的方法，其中该第一预定温度是1150℃。

27、根据权利要求26的方法，其中该预定时间是10小时。

28、根据权利要求27的方法，其中该第二预定温度是204℃。

29、根据权利要求28的方法，其中供入甑中的流体介质是一种惰性气体。

30、根据权利要求29的方法，其中供入甑中的惰性气体是氩。

31、根据权利要求28的方法，其中供入炉中的流体介质是一种惰性气体。

32、根据权利要求31的方法，其中供入炉中的惰性气体是氩。

33、根据权利要求32的方法，进一步包括一个步骤，就是各层工件放在甑中之前，将每层工件的每个工件内部的空气加以吹扫，办法是将一种惰性气体流过每层工件的每个工件的内部。

34、根据权利要求33的方法，进一步包括一个步骤，就是将工件内部的空气吹扫过以后，将每层工件的每个工件末端密封起来。

35、根据权利要求34的方法，其中铺在甑内的每层粉末包含由3%氯化铵、55%氧化铝和42%铁铬合金组成的混合物。

36、根据权利要求16的方法，其中该甑和甑内所放工件受热后有烟雾产生。

37、根据权利要求36的方法，进一步包括一个步骤，就是借助于该流体介质流过该甑而把甑中产生的烟雾排至该甑之外。

38、根据权利要求37的方法，进一步包括一个步骤，就是借助于该流体介质流过该甑而把甑内产生的烟雾排出甑外之后，将之点燃燃烧。

39、根据权利要求16的方法，其中当该甑连同放在甑内的一层工件被加热时，在该炉内产生烟雾。

40、根据权利要求39的方法，进一步包括一个步骤，就是借助于该流体介质流过套住该甑的炉内把炉内产生的烟雾排到该炉之外。

41、根据权利要求40的方法，进一步包括一个步骤，就是当借助于该流体介质流过套住该甑的炉内而把炉内产生的烟雾排至炉外之后，将之点燃燃烧。

42、一种在工件的一个或多个表面上施加铬覆层的方法，包括以下步骤：

a）准备一套支承装置;

b）在该支承装置上装设一个带有可移开的盖的甑;

c）在甑底部均匀铺上一层不含铬供源的粉末并达到第一预定厚度;

d）对一层工件中的每一工件上准备施加铬覆层的一个或多个表面施涂含有铬供源的浆状液;

e）在甑内该层粉末上放置一层准备在其一个或多个表面上施加铬覆层的工件;

f）将按步骤e）所放一层工件上覆盖一层不含铬供源的粉末并达到预定厚度;

g）将甑盖放在甑上并将此甑盖在原位密封;

h）将配备有加热装置的炉套在该甑外面;

i）将炉连同所套住的甑密封，使之与炉外环境相隔绝;

j）利用炉内的加热装置开始将甑均匀加热，连同甑内所放工件加热至第一预定温度;

k）与步骤j）开始加热同时，向甑内供入一种流体介质;

l）当所供入的该流体介质流过该甑内之后，使之从甑内排出;

m）与步骤j）开始加热同时，向套住该甑的炉内供入一种流体介质;

n）当所供入的该流体介质流过套住该甑的炉内之后，使之从炉内排出;

o）当把该甑和甑内所放的工件均匀地加热到第一预定温度后，保持在该第一预定温度并历经预定的时间;

p）在到达该预定时间之后，中止对该甑及甑内所放工件的加热;

q）与步骤p）中止加热同时，停掉向该甑和炉所供入的流体介质;

r）将该甑和甑内所放工件冷却，冷却至第二预定温度;

s）当该甑和甑内所放工件冷却至该第二预定温度后，将该炉从套住该甑的位置移开;

t）移开该甑的盖子;

u）将甑内按步骤e）所放的该层工件从甑内取出。

43、根据权利要求42的方法，其中铺在甑中的每一层粉末混合物是由氯化铵和氧化铝所组成。

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