CN101550540A - 双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法，包括以下步骤：将待处理金属板材预热，对金属板材的两面同时进行等离子表面冶金处理，冷却，得到双面等离子表面冶金金属板材；其中，等离子表面冶金处理过程中，金属板材以直立方式位于相对设置的源极之间。本发明还提供了一种立式生产装置，包括预热室、等离子表面冶金室和冷却室等真空室，在该生产装置中采用传动机构使金属板材以立式状态在相对设置的源极之间做往复运动。采用本发明的立式生产方法和装置，可以实现对金属板材的两面的同时等离子表面冶金处理，并且可以避免出现高温和自由固体颗粒沉积等带来的板形和表面质量问题。

Description

双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法及装置

技术领域

本发明涉及一种双面等离子表面冶金金属板材及其立式生产方法，属于金属板材表面冶金领域。

背景技术

金属腐蚀是金属和周围环境发生化学或电化学反应而被破坏的现象。金属材料腐蚀会造成设备重大故障，往往使生产中断，发生停电、停水、停气，严重影响人们的正常生产和生活；设备和管道腐蚀破裂，使有毒物质向外泄漏，造成对大气、土壤、江河、湖泊的严重污染；由腐蚀引起的工程事故，造成巨大的经济损失并且会危及人身安全，全球每年由腐蚀造成的损失达7000亿美元，占各国国民经济生产总值(GNP)的2％-4％，是综合自然灾害损失，即地震、台风、水灾等损失总和的6倍。

解决金属材料的腐蚀问题的一种方法是采用整体耐蚀材料，例如不锈钢，但是不锈钢生产需要消耗大量的镍、铬等贵重金属，而这些合金元素资源目前已日益枯竭，导致不锈钢材料的价格不断上涨。

腐蚀是材料的表面的问题，提高材料表面耐蚀性就成为解决金属材料腐蚀问题的另一个有效途径。目前，涂层技术的应用为钢铁表面防护发挥了很大作用，如电镀、热浸镀、涂敷等，但镀层或涂层与基体不是冶金结合，层间结合不牢固，在承受载荷时常常出现涂层剥落现象，涂镀合金元素的使用受到一定的限制，影响了此类技术的应用。

利用渗碳、氮化、激光以及等离子处理等表面冶金技术对金属材料表面直接进行处理，改变金属材料表面的成分、组织或者结构来提高金属材料的性能，已经成为目前比较常用的金属材料表面处理技术。

美国专利US Patent 4520268和4731539中公开了一种双层辉光等离子表面冶金技术，其基本原理是在离子氮化装置中增加一个欲渗合金元素构成的源极，该源极和阳极以及工件和阳极之间各设置一个直流可调压电源。当真空室抽真空并充以氩气达到一定工作气压后，接通两个直流电源，使工件和源极分别产生辉光放电，此即所谓双层辉光放电现象。辉光放电所产生的氩离子轰击，使源极溅射出合金元素并奔向工件，而工件经离子轰击被加热到高温。合金元素借助于轰击、沉积和扩散而渗入工件表面，从而形成含有欲渗合金元素的合金层。该合金层中的合金元素含量和合金层厚度可以通过调节工作气压、源极和工件电压及电流以及温度和渗入时间等工艺参数加以控制。这两篇美国专利首先提出了采用双层辉光等离子表面冶金技术进行金属材料表面冶金的思路，随后出现了尝试将该技术有效应用到工业生产或工业产品的一些研究报道。

中国专利87104626.1公开了一种双层辉光离子渗金属炉，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。但使用该设备工作效率低，无法实现对于表面积大于2m²的工件的处理，限制了双辉技术的大规模工业应用。

中国专利申请200710023604.8公开了一种半连续式等离子表面冶金板材批量生产方法及装备，该装备由预真空室—表面冶金室—冷却室组成，钢板在表面冶金室水平往复运动，可实现钢板的单面大面积表面合金化处理，完成这种等离子表面冶金板材的半连续式生产。根据该专利申请公开的内容(参见该专利申请文本的图2和图3)可知，在处理过程中，金属板材始终处于卧式状态(即金属板材水平放置在处理炉内，其面积最大的两面，一面向下，另一面向上；而源极悬挂在待处理的金属板材的上方并面向待处理的一面；具体可参考该发明申请公开的附图)，要实现对金属板材的两面冶金处理，必须先处理一面，然后将板材翻转后再处理另一面。由于金属板材是以卧式的方式放置在冶金室内，具有较大的水平表面，溅射过程中来自于源极等的自由固体颗粒也会落到金属板材表面并沉积，在高温下会影响处理之后的金属板材的板形和表面质量。

目前有关利用等离子表面冶金技术进行板材表面处理的方法均采用卧式处理方式，即金属板材以水平方式进入冶金室进行表面冶金处理，在工业化生产中存在的问题是，需要二面分别进行处理，不能实现金属板材双面的同步等离子表面合金化处理，而且处理之后的金属板材表面存在自由固体颗粒沉积，并容易产生金属板材在高温时的变形和表面质量问题。因此，虽然已经存在大量针对双层辉光等离子表面冶金技术的专利申请以及研究报道，但是，目前的技术发展和实施现状离将等离子表面冶金技术应用于实际生产并达到一定产业化的成果仍有很大距离。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种双面等离子表面冶金金属板材的生产方法，利用双层辉光等离子表面冶金技术，采用立式生产方式实现金属板材两面的同时表面冶金处理，不仅提高了表面冶金处理的效率，而且利于提高加工质量和实现大面积金属板材表面冶金的工业化生产。

本发明的目的还在于提供上述双面等离子表面冶金金属板材的立式生产装置，通过使用该生产装置实现大面积金属板材的双面同时等离子表面冶金工业化处理。

为达到上述目的，本发明提供了双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法，其包括以下步骤：

将待处理金属板材预热，对金属板材的两面同时进行等离子表面冶金处理，冷却，得到双面等离子表面冶金金属板材；其中，等离子表面冶金处理过程中，金属板材以直立方式位于相对设置的源极之间。

本发明的技术关键是使金属板材在立式状态下实施等离子表面冶金处理，使金属板材的两个表面同时得到处理，提供了工业化生产大规格的表面冶金板材的可行性技术。根据本发明的具体实施方案，上述立式生产方法可以包括以下具体步骤：

(1)将待处理金属板材通过传动机构输送到预热室进行预热；

(2)将经过预热的金属板材通过传动机构输送到等离子表面冶金室，对金属板材的两面同时进行等离子表面冶金处理；

(3)通过传动机构将经过等离子表面冶金处理的金属板材输送到冷却室冷却，得到双面等离子表面冶金金属板材；

其中，通过传动机构使金属板材在生产过程中保持立式状态。

根据本发明的具体方案，上述立式生产方法中，步骤(1)对待处理金属板材进行预热时，可以采用往复式真空预热或可控气氛预热；预热室中可以设置热源，可以进行感应加热或电阻加热或两者复合加热。

步骤(2)中对经过预热的金属板材进行等离子表面冶金处理时，合金化元素可以由相向且竖直设置于冶金室中的源极供给，即，使预热后的金属板材处于所述相向设置的源极之间，两侧源极溅射出的合金元素同时渗入金属板材的两个表面，实现对两个表面同时处理的效果。

处理过程中，可以通过传动机构操控待处理金属板材在相向设置的源极之间以约1-100毫米/秒的速度作往复运动，使金属板材的各部分能够均匀地得到处理，获得更好的处理效果；传动机构与金属板材之间均可以设置间隙保护结构进行灭弧，其中间隙宽度控制为约0.5-2.0毫米，间隙深度控制为不小于10毫米。

步骤(3)中对经过表面冶金处理的金属板材进行冷却时，可以向冷却室中充氮气，进行强迫对流冷却。

在双面等离子表面冶金金属板材的实际生产中，根据金属板材的材质的不同以及所要获得冶金层的材质的不同，对金属板材进行处理所采用的工艺参数也不同，包括源极的合金元素和不同工艺参数的控制等。

根据本发明的具体方案，整个金属板材的生产过程可以实现半连续生产模式；即，控制合适的操作，原材料预热工序和处理后板材的冷却工序可以为间歇作业形式，而金属板材的表面冶金工序可以为连续作业形式。

本发明中定义的金属板材的“立式状态”，是相对于目前常规技术中水平状态而言，是指待处理的金属板材的两个大的表面处于竖直状态，当进入等离子表面冶金室时，两个大表面均面对源极，实现同时处理。

本发明还提供了实现上述生产双面等离子表面冶金金属板材的方法的立式生产装置，该装置由预热室、等离子表面冶金室和冷却室组成三室结构，所述三室均为真空室，且等离子表面冶金室的两端分别通过真空闸板阀与预热室和冷却室连接；预热室中设置热源、传动机构和隔热装置，等离子表面冶金室中设置源极、传动机构和隔热装置，所述源极相向设置于等离子表面冶金室的两侧，冷却室中设置冷却系统和传动机构，所述传动机构包括支撑辊和立式夹持辊，用于控制金属板材以立式状态在各室间被输送以及在相向设置的源极之间进行往复运动。其中，所使用的源极可以是与传动机构的立式夹持辊间隔排列设置于等离子表面冶金室的两侧。

本发明提供生产双面等离子表面冶金金属板材的方法的立式生产装置，其中预热室和冷却室可以合并为预热/冷却室而成为二室结构，所述预热/冷却室中同时设置用于预热待处理金属板材的热源和用于冷却来自等离子表面冶金室的板材的冷却系统。

上述生产装置中设置的冷却系统可以包括任何能达到对板材实施冷却的装置或设备，例如可以包括冷却风机和换热器等设备。

在上述立式生产装置(包括二室和三室)中，各真空室(附设真空设备，在工作时可以根据要求达到一定的真空度)均可以设置单独的真空系统和供气系统；预热室可以采用真空加热或可控气氛加热；等离子表面冶金室可以真空充惰性气体满足辉光放电的条件；冷却室可以采用充氮强迫冷却；预热室和等离子表面冶金室内设置的传动机构为往复式传动机构，传动速度为约1-100毫米/秒，可以带动工件(即金属板材)作往复运动，且可以使工件运动速度在1-100毫米/秒的范围内可调；其中，立式夹持辊垂直设置于等离子表面冶金室内，用于保持金属板材的立式状态，并带动金属板材进行运动；支撑辊位于等离子表面冶金室的底部，支撑金属板材进行往复运动；传动机构与工件之间均可以设置有间隙保护结构，间隙宽度控制为约0.5-2.0毫米，间隙深度控制为不小于10毫米。

预热室设置热源，可以进行感应加热或电阻加热或两者复合加热。

作为本发明的优选技术方案，等离子表面冶金室设置的源极可以是多组悬挂式板条组合源极；预热室和等离子表面冶金室中设置隔热装置，该隔热装置可以采用本领域中使用的任何常规的隔热装置(隔热屏)，例如：金属屏或高温陶瓷纤维隔热装置等。冷却室可以设置冷却风机和换热器。

其中，本发明所采用的悬挂式板条组合源极，每组源极具有一个支撑框架，该支撑框架上固定有水平设置的框架横板，多个源极板条以竖直状态沿水平方向排列，且上端固定于框架横板上，所述组合源极通过支撑框架悬挂设置于等离子表面冶金室中。

根据本发明的具体实施方案，组合源极的纵向方向至少设置二排源极板条，横向相邻的二块源极板条分别固定在不同的框架横板上，并使纵向相邻的两块板条之间的间隙在水平方向上不会形成连续的直线。

源极支撑框架与框架横板焊接为整体，板条的一端固定在源极框架横板上。整个源极吊挂在等离子表面冶金室(也可以称为冶金炉)内(例如吊挂在上横梁上或者炉体上)，使其在高温时可依靠自重保持源极的平直，可以避免出现大块平板源极长期在900-1200℃下工作产生变形的问题，并且可以实现源极板条的工业化生产，降低源极制造成本。另一方面，本发明采用多个源极板条组合，且源极板条为适当长度且单端固定，在长度方向(垂直方向)上可以有适当的伸缩自由度；当该组合源极纵向上由多个源极板条接续组成时，板条之间也会形成适当的间隙，此时，最好通过调整横向相邻的源极板条的长度或固定高度，使这些间隙在水平方向上不会形成连续的直线，避免表面处理的不均匀性。由于本发明的源极组中的源极板条仅利用上端固定而呈悬挂状态，也称为悬挂盔甲式板条组合源极。

整个立式生产装置可以配有控制系统，实现对整个生产过程的自动控制，包括对金属板材进行加热、冷却，真空室抽真空、进气和排气等的控制，例如，利用预设的程序来控制传动机构的运动，实现金属板材的进料、出料、往复运动等操作。

在本发明的具体实施方案中，金属板材在等离子表面冶金室内通过立式传动机构以1-100毫米/秒的速度作往复运动，同时由悬挂式板条组合源极供给合金化元素，可以保证对大面积金属板材的双面同时进行等离子表面冶金处理，表面成分均匀，并且，由于钢板在等离子表面冶金处理过程中始终处于直立状态，由源极等掉落的自由固体颗粒不易沉积到钢板表面，避免了自由固体颗粒沉积造成的表面质量问题。多对立式夹持辊保证了金属板材在往复运动中保持平直，得到良好的板形。传动机构与金属板材(工件，即阴极)之间设有间隙保护结构，可以用来阻止弧光放电(场致放电)，保持辉光放电的稳定，保证金属板材表面质量。同时，在预热室和等离子表面冶金室设置有隔热装置，可以是金属屏或高温陶瓷纤维隔热装置，以提高加热效率，保证温度场均匀性，并达到等离子表面冶金时维持保温和耗散功率的统一。冷却室(或二室结构装置的预热/冷却室)设有冷却系统，包括冷却风机和换热器，可对金属板材进行气氛保护下的冷却降温，以上措施保证了连续稳定的生产。

本发明方法可应用于各种规格的金属板材(例如普通钢)的表面冶金处理，有效缓解不锈钢合金资源的紧缺，同时也提升了普通钢板的应用价值。经过计算，将本发明提供的生产方法和生产装置应用于双面等离子表面冶金钢板生产中，可年产6000-10000吨低成本双面等离子表面冶金耐蚀钢板。利用普通钢经本发明工艺处理后成为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、海洋工程、油气开采、炼油、化工、化肥、环保、汽车、造船、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为等离子表面冶金室原理示意图。

图2a为本发明的双面等离子表面冶金金属板材的三室立式生产装置结构的立视示意图。

图2b为本发明的双面等离子表面冶金金属板材的三室立式生产装置结构的俯视示意图。

图3a为本发明的双面等离子表面冶金金属板材的二室立式生产装置结构的立视示意图。

图3b为本发明的双面等离子表面冶金金属板材的二室立式生产装置结构的俯视示意图。

图4a为本发明立式生产装置中悬挂式板条组合源极的正面示意图。

图4b为本发明立式生产装置中悬挂式板条组合源极的侧面示意图。

图5为本发明立式生产装置的等离子表面冶金室内组合源极设置方式的示意图。

图6为本发明实施例的等离子表面冶金镍铬合金化耐蚀钢板成分分布图。

图7a和图7b分别为本发明实施例的表面冶金板材与相同合金成分不锈钢在0.05mol/L H₂SO₄溶液中腐蚀性能测试结果。

附图标号说明：

1、隔热屏；2、直流电源；3、炉体；4、脉冲灭弧电源；5、工件(阴极)；6、供气系统；7、源极；8、立式夹持辊；9、真空系统；10、支撑辊；11、炉门；12、冷却风机；13、冷却室；14、真空闸板阀；15、等离子表面冶金室；16、隔热屏；17、预热室；17’、预热/冷却室；18、工件；19、立式夹持辊；20、换热器；21、源极；22、支撑辊；23、热源；24、真空系统；25、供气系统；26、间隙；27、支撑框架；28、框架横板；29、螺钉；30、板条。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明方案的实施和所具有的有益效果，但不能对本发明的可实施范围形成任何限定。

实施例1等离子表面冶金室

如图1所示，其为等离子表面冶金室的原理示意图。等离子表面冶金室(真空室)中设有欲渗合金元素制成的源极7，工件(即金属板材)5为阴极，炉体3为阳极，并设有立式夹持辊8和支撑辊10使工件5在处理过程中始终处于立式状态，并带动工件5做往复运动，其两个表面分别面向两侧的源极7，而支撑辊10可以支撑工件5。为了保证温度场的均匀性，在等离子表面冶金处理时维持保温和耗散功率的统一，等离子表面冶金室内可以设置隔热屏1，其可以为金属屏或高温陶瓷纤维隔热装置。

该冶金室的工作原理：通过真空系统9将真空室抽至一定真空度后，通过供气系统6向真空室内充入Ar气，稳定至工作气压并保持。由两个电源(例如图中的直流电源2和/或脉冲灭弧电源4)分别向源极7和阴极5施加负偏压，分别为源极电压和工件电压；此时在源极7与阴极5之间产生空心阴极辉光放电；辉光放电使源极7中溅射出来的合金元素在工件5表面沉积，由于工件5处于高温加热条件下，合金元素继续向工件5内部扩散，从而在工件5表面形成所需的成分呈梯度分布的合金层。

实施例2三室立式生产装置

图2a和图2b为本发明的双面等离子表面冶金金属板材的三室立式生产装置的结构示意图，其包括预热室17、等离子表面冶金室15和冷却室13等三个相连的真空室，并且，预热室17与等离子表面冶金室15之间设有真空闸板阀14，等离子表面冶金室15与冷却室13之间也设有真空闸板阀14。

预热室17设有真空系统24，其中主分路为机械增压泵机组，以保证炉子的极限真空度达到1.33-6.65Pa，另设一路小排气量机械泵，保证1.33-1333Pa的工作气压；还设有传动机构，其包括立式夹持辊19和支撑辊22，实现金属板材进料和往复运动，使金属板材18可以以立式状态在源极21之间做往复运动；还设有热源23和供气系统25，可对金属板材进行真空或气氛保护加热；还设有隔热屏16可提高加热效率并保证温度场均匀性。

等离子表面冶金室15可参考图1，本实施例中，真空系统24的主分路为机械增压泵机组，保证炉子的极限真空度达到1.33-6.65Pa，另设一路小排气量机械泵，使其与供气系统和氩气回收系统连用，以保证1.33-1333Pa的氩气工作气压以及氩气的循环使用。如图2a和图2b所示，等离子表面冶金室15内设有立式夹持辊19和支撑辊22，可以实现表面冶金工件(即金属板材)18的立式送料和往复运动，保证大面积板材渗金属时，板材表面成分及厚度的均匀性，也避免了因工件水平放置，自由固体颗粒沉积和高温变形造成的表面质量和板形不平整问题；还设有隔热屏16，保证温度场的均匀性，在等离子表面冶金过程中维持保温和耗散功率的统一。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)。如图中所示意，多组源极21是与传动机构的立式夹持辊19间隔排列设置于等离子表面冶金室的两侧。

冷却室13设有传动机构，其包括立式夹持辊19和支撑辊22，实现工件18的出料运动；还设有真空系统24，其中主分路为机械增压泵机组，保证炉子的极限真空度达到1.33-6.65Pa，另设一路小排气量机械泵，使其和供气系统25共同作用，保证1.33-1333Pa的保护气体工作气压。冷却室13还可以设有冷却系统，包括冷却风机12和换热器20，可对工件进行气氛保护下的冷却降温。

各真空室设置的传动机构可以保证工件在整个生产过程中处于立式状态，并实现工件的输送和往复运动。由于辊子在900-1200℃下工作，为保持有一定的强度和刚度，辊子优选采用可在1200℃工作的镍基高温耐磨合金，轴端采用水冷结构或隔热的耐高温陶瓷轴承。传动机构既可以支撑工件立式往复运动，也可以保证在高温下金属板材的板型和表面的平整。

本实施例的三室立式生产装置的工作原理为：将需要处理的工件(金属板材)18通过传动机构(包括立式夹持辊19和支撑辊22)装入预热室17，通过热源23在真空或保护气氛下均匀预热工件18到预定温度，进料后炉门11关闭；

预热后，打开真空闸板阀14，通过传动机构将经过预热的工件18送入等离子表面冶金室15，对工件18进行等离子表面合金化处理，处理过程中，传动机构带动工件18做往复运动，预热室17重新装料预热；

合金化处理完毕后，打开等离子表面冶金室15与冷却室13之间的真空闸板阀14，将工件18送到冷却室13，对工件18进行冷却，同时预热室17的工件18送入等离子表面冶金室15进行处理，此时在冷却室13进行冷却处理的工件18冷却到出炉温度以下时打开炉门11出料；重复此过程，实现半连续化生产。

实施例3二室立式生产装置

参见图3a和图3b，为降低设备成本，适应小厂房作业，本实施例提供了二室立式生产装置，与实施例2相比，将三室立式生产装置中的预热室与冷却室合并成为预热/冷却室17’。此时，在预热/冷却室17’设置冷却风机12和换热器20，对工件进行气氛保护(充入氮气)下的强迫冷却降温。与图2a和图2b对照，相同标号均代表了相同的部件。

利用该装置处理金属板材时，工件在预热/冷却室17’中通过热源23在真空或保护气氛下均匀预热工件18到预定温度，进料后炉门11关闭；被输送到等离子表面冶金室15后，预热/冷却室17’不重新装入工件进行预热操作，待等离子表面冶金处理结束后，将工件输送回预热/冷却室17’实施冷却操作，这样预热/冷却室17’既用于对金属板材(工件)进行预热处理，同时也用于对表面冶金处理后的工件进行冷却处理。冷却出料后，再进行下一个工件的预热和表面处理。

实施例4悬挂盔甲式板条组合源极

为防止大块平板源极长期在900-1200℃下工作产生变形并降低源极制造成本，本发明采用悬挂盔甲式板条组合源极，如图4a和图4b所示；该悬挂盔甲式板条组合源极可以由源极支撑框架27、框架横板28、板条30等组成。

本实施例中，源极的支撑框架27为四边形，用于支撑整个源极；

多个框架横板28水平设置，呈一定间隔地焊接在支撑框架27上，用于悬挂源极板条30，如图4a和图4b显示，该支撑框架27上设置多条框架横板28；框架横板28上设置螺钉29，用于悬挂板条30；板条30并列设置在框架横板28上，上端固定，下端自由，在高温时能够依靠自重保持平直；在纵向上，设置至少两排源极板条30，横向相邻的两块板条上下交错地设置在不同的框架横板28上，纵向相邻的两块板条之间的间隙26在水平方向上不形成连续的直线。

该悬挂盔甲式板条组合源极在900-1200℃高温下工作，支撑框架27和框架横板28优选采用可在1200℃工作的镍基高温合金制造，保证在高温下使用的框架结构具有足够的强度和刚度。

供给等离子表面冶金渗入元素的源极，其成分根据欲渗的成分而确定。本发明可以采用宽20-150毫米、长200-800毫米、厚5-30毫米的源极板条30，组合成悬挂盔甲式源极，用与源极板条相同成分的埋头螺钉29，将源极板条30一端固定在框架横板28上，板条间留有防止受热膨胀的间隙26(如图4a所示)，上下两块板条之间的间隙26是错开设置的，避免间隙连接在一起形成横贯源极整个板面的间隙，或者说使间隙在水平方向上不会形成连续的直线，这样可以避免在表面冶金处理后的金属板材表面形成未渗入金属的区域，防止产生等离子表面冶金钢板在宽度方向渗金属的不均匀性。由于板条源极仅固定一端，且周边留有间隙，受热膨胀时不会使支撑框架产生热应力而发生变形，解决了直立放置大块平板源极长期在900-1200℃下工作产生变形的关键问题。板条源极便于生产，降低了源极制造成本。

图5示意了源极21在等离子表面冶金室15中的设置方案，源极21(可以是上述悬挂盔甲式板条组合源极，也可以是其他形式的源极)通过支撑框架悬挂设置于等离子表面冶金室中，例如可以吊挂在等离子表面冶金室的上横梁或炉体3上，吊挂时使源极结构在高温时可依靠自重保持源极结构的平直。各组源极21在冶金室内与立式夹持辊19间隔设置。

实施例5双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法

下面结合图2a和图2b说明本发明提供的双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法的具体实施。采用双面等离子表面冶金金属板材的三室立式生产装置对金属板材进行等离子表面冶金处理的操作过程如下：

(1)将待处理的工件18通过立式夹持辊19和支撑辊22输送到预热室17，并通过立式夹持辊19带动工件18以1-100毫米/秒速度进行往复运动，通过热源23在真空或保护气氛下将工件18预热到预定温度；

(2)将经过预热的工件通过立式夹持辊19和支撑辊22输送到等离子表面冶金室15进行等离子表面冶金处理，源极21中的合金元素渗入工件18表面形成等离子表面处理层(合金层)，处理过程中使工件18在等离子表面冶金室15内以1-100毫米/秒的速度作立式往复运动，并通过立式夹持辊19使工件18保持立式状态；该源极21的结构参见实施例4以及图4a和图4b。

(3)将经过等离子表面冶金处理的工件通过立式夹持辊19和支撑辊22输送到冷却室13，在氮气保护下强迫冷却；

其中，整个立式生产装置可以实现半连续生产形式，即等离子表面冶金室始终处于连续工作状态，而预热室和冷却室处于断续工作状态；上述第(1)步预热工序和第(3)步冷却工序为断续作业形式，即当经过预热的工件进入等离子表面冶金室后，可以将待处理的工件输送到预热室进行预热处理，预热处理完毕后，如果前一工件的等离子表面冶金处理还未完成，则预热室进入等待状态；当工件完成设定的等离子表面冶金处理后即输送到冷却室进行冷却，冷却完毕后出料，如果冷却到温出料后，后一工件的等离子表面冶金处理仍未完成，则冷却室进入等待状态；第(2)步等离子表面冶金工序为连续作业形式，即生产进行过程中，等离子表面冶金室始终处于工作状态，始终有经过预热处理的工件等待进入等离子表面冶金室进行表面冶金处理，一件工件经过表面冶金处理后进入冷却室进行冷却处理，另一件经过预热处理的工件接着就进入等离子表面冶金处理室。

通过改变源极的材料和工艺参数，以上方法可以用来在钢板表面进行耐磨、耐蚀、抗高温氧化等合金层的制备，具有广泛的适用面。比如：工件采用Q235钢板，源极采用Ni80-Cr20合金板；源极电压控制为900-1100V，工件电压控制为400-700V，工作气压控制为30-80Pa，工件往复运动速度控制为1-10mm/s，等离子表面冶金处理的时间控制为1-6小时，温度控制为800-1100℃，制备耐蚀合金层。

比如：工件采用45钢板，源极采用W50-Mo50合金板；源极电压控制为900-1200V，工件电压控制为400-700V，工作气压控制为30-80Pa，工件往复运动速度控制为1-10毫米/秒，等离子表面冶金处理的时间控制为1-6小时，温度控制为800-1150℃，可以制备耐磨合金层等。

实施例6普通碳钢钢板表面制备Ni-Cr耐蚀合金层

以下为在普通碳钢钢板表面制备Ni-Cr耐蚀合金层的一个具体实施例，用来说明本发明的实施，但本发明的保护范围并不限于此。

1、工件为Q235钢板，源极为Ni80-Cr20合金板：源极电压1000V，工件电压600V，工作气压45Pa，工件往复运动速度1毫米/秒。

2、将金属板材进行酸洗并活化处理后，通过立式夹持辊19和支撑辊22装入预热室17，抽真空到10Pa以下，工件18以1毫米/秒速度作往复运动，打开热源，预热工件到800-1100℃。将双层辉光等离子表面冶金室15抽真空到1Pa以下极限真空度。

3、打开预热室17与等离子表面冶金室15之间的真空闸板阀14，通过立式夹持辊19和支撑辊22将工件18送入等离子表面冶金室15。然后关闭真空闸板阀14，打开预热室17的炉门11，装入新的工件，重复进行步骤2的操作。

4、在等离子表面冶金室15中，充少量Ar气，使真空度降至10-20Pa，施加阴极偏压100-300V，用等离子体轰击清洗工件。

5、清洗完毕后，加大Ar流量，使工作气压升至20-80Pa，施加源极偏压1000V，开始合金化进程。调节源极与阴极电流密度使金属板材与源极之间产生空心阴极效应，源极溅射加强。升高阴极电压到600V，使工件温度上升并维持在1100℃。维持各工艺参数并根据工艺要求时间进行保温(根据工艺要求一般为1-5小时)。

6、保温结束后，将等离子表面冶金室15和冷却室13抽真空到1Pa以下极限真空度，打开等离子表面冶金室15与冷却室13之间的真空闸板阀14，将工件18送入冷却室13，关闭真空闸板阀14，向冷却室13中充入氮气并通过冷却风机12和换热器20等冷却系统对工件18进行强迫冷却。同时打开预热室17与等离子表面冶金室15之间的真空闸板阀14，将预热后的新工件送入等离子表面冶金室15，重复步骤3-5。

7、工件18在冷却室13冷却到200℃以下后，关闭冷却室真空系统24并将工件18取出，得到双面等离子表面冶金金属板材。

8、重复1-6实现半连续式生产。

实验结果及比较分析：Q235钢板表面制备Ni-Cr耐蚀合金层，源极采用镍铬合金板材制成，在1000-1100℃下处理2小时，Ni-Cr合金层的厚度可以达到50μm，表面成分(质量分数)为：Ni 50-60％，Cr 15-20％，渗层内合金元素浓度由表及里逐渐降低，与基体冶金结合。钢板截面的成分分布见图6，与1Cr18Ni9Ti不锈钢的耐腐蚀性能对比结果如图7a和图7b所示，证明根据本发明提供的立式生产方法生产的低成本耐蚀钢板与通过其他方式生产的耐蚀钢板效果相同，其耐腐蚀性能超过1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢。

Claims (10)

1、双面等离子表面冶金金属板材的立式生产方法，其包括以下步骤：

将待处理金属板材预热；

对金属板材的两面同时进行等离子表面冶金处理；

冷却，得到双面等离子表面冶金金属板材；

其中，等离子表面冶金处理过程中，金属板材以直立方式位于相对设置的源极之间。

2、如权利要求1所述的立式生产方法，其包括以下具体步骤：

(1)将待处理金属板材通过传动机构输送到预热室进行预热；

(2)将经过预热的金属板材通过传动机构输送到等离子表面冶金室，对金属板材的两面同时进行等离子表面冶金处理；

(3)通过传动机构将经过等离子表面冶金处理的金属板材输送到冷却室冷却，得到双面等离子表面冶金金属板材；

其中，通过传动机构使金属板材在生产过程中保持立式状态。

3、如权利要求1所述的立式生产方法，其中，进行预热和等离子表面冶金处理时，通过传动机构使工件做往复运动。

4、实现权利要求1-3任一项所述的生产双面等离子表面冶金金属板材的方法的立式生产装置，该装置由预热室、等离子表面冶金室和冷却室组成三室结构，所述三室均为真空室，且等离子表面冶金室的两端分别通过真空闸板阀与预热室和冷却室连接；

其特征在于，预热室中设置热源、传动机构和隔热装置，等离子表面冶金室中设置源极、传动机构和隔热装置，所述源极相向设置于等离子表面冶金室的两侧，所述冷却室中设置冷却系统和传动机构，所述传动机构包括支撑辊和立式夹持辊，用于控制金属板材以立式状态在各室间被输送以及在相向设置的源极之间进行往复运动。

5、如权利要求4所述的立式生产装置，该装置中预热室和冷却室合并为预热/冷却室而成为二室结构，所述预热/冷却室中同时设置用于预热待处理金属板材的热源和用于冷却来自等离子表面冶金室的板材的冷却系统。

6、如权利要求4或5所述的立式生产装置，其中，所述源极是与传动机构的立式夹持辊间隔排列设置于等离子表面冶金室的两侧。

7、如权利要求4或5所述的立式生产装置，其中，所述传动机构为往复式传动机构，传动速度为1-100毫米/秒。

8、如权利要求4或5所述的立式生产装置，其中，所述源极为多组悬挂式板条组合源极，每组源极具有一个支撑框架，该支撑框架上固定有水平设置的框架横板，多个源极板条以竖直状态沿水平方向排列，且上端固定于框架横板上，所述组合源极通过支撑框架悬挂设置于等离子表面冶金室中。

9、如权利要求8所述的立式生产装置，其中，所述组合源极的纵向方向至少设置二排源极板条，横向相邻的二块源极板条分别固定在不同的框架横板上，并使纵向相邻的两块板条之间的间隙在水平方向上不会形成连续的直线。

10、如权利要求4或5所述的立式生产装置，其中，所述支撑辊和立式夹持辊的辊子为镍基高温合金制成的辊子，轴端设置有水冷结构或具有隔热功效的耐高温陶瓷轴承。

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