CN101565810A - 工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置。该方法利用微波直接加热不断滚动的包裹有吸收微波发热材料的密封金属容器，再间接加热容器中装填的粉末渗剂和被包埋金属工件，在微波热能、机械摩擦冲击介质和渗剂的相互综合作用下在金属工件表面制备热扩散涂层。微波发热材料起到体积热源的关键作用直接加热不断滚动的密封金属容器，并能有效隔绝微波与金属容器的相互作用避免金属容器反射微波引起电弧现象。该方法可以完成粉末渗锌(Zn)、渗铝(Al)、锌/铝(Zn/Al)共渗及渗硼(B)过程，并能推广应用于其它粉末包埋工艺，有效缩短化学处理热处理时间和降低热处理温度。

Description

工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性或合金化处理技术领域，特别是涉及一种工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置。

背景技术

固态多元表面合金化处理是利用加热状态下金属原子的扩散渗透作用，将一种或多种金属元素扩散进金属材料表面形成一种合金防护层的一类粉末包埋化学热处理工艺，2008年出版的美国ASTM-A1059/A1059M-08：《Standard Specification for Zinc Alloy Thermo-DiffusionCoatings on Steel Fasteners，Hardware，and Other Products》标准将这种工艺形成的防护层称为热扩散涂层(Thermo-Diffusion Coatings-TDC)。通过热扩散涂层处理工艺可以明显改善金属材料表面耐腐蚀、耐磨损、抗氧化及抗冲击等使用性能，有效扩大金属材料的应用范围。因此固态多元热扩散表面改性及处理技术是机械制造领域最重要的热加工工艺和方法之一。

目前已开发了许多热扩散表面改性及处理工艺，如渗锌(Zn)、渗铝(Al)、锌-铝共渗、渗硼(B)、渗铬(Cr)、渗镍(Ni)、渗矾(V)等表面合金强化技术。这些传统粉末包埋化学热处理工艺可以在许多专著或手册中找到，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年出版；卢燕平和于福洲合编：《渗镀》，机械工业出版社，1985年出版；孙希泰等编著：《材料表面强化技术》，化工出版社，2005年出版等。

传统的粉末包埋化学热处理工艺可采用静态或动态加热的处理方式(粉末包埋金属工件处于静止状态、或滚动状态下进行加热)。试验表明：在加热过程中粉末渗剂与金属工件之间的机械滚动摩擦、冲击作用，更有利于新鲜扩散渗剂与被处理工件表面的紧密接触，并且使得被加热介质温度场均匀化、加速冶金扩散化学反应。因此，工业化粉末包埋渗锌及锌铝共渗工艺都是采用不断滚动的加热处理方式。2001年山东大学基于机械滚动摩擦、冲击有助于促进粉末包埋热扩散过程、降低热扩散温度的原理(称为机械能助渗原理)，提出了“机械能助渗金属表面改性技术(CN1320717A)”，将滚动粉末渗锌方法拓宽到渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗过程。

目前工业化粉末包埋工艺(如粉末渗锌及锌/铝共渗等)均采用燃气或电热处理炉进行加热保温处理，所存在的主要问题仍是热处理工艺时间长、生产效率低(如滚动粉末渗锌过程中从加热到保温至少要4小时以上，而静态粉末包埋锌/铝共渗将达到10小时以上)，其次是在传统热辐射传导过程中，大量热量消耗在炉体环境和工件本身的加热与保温上，有效热量利用率很低、能源浪费严重。如何缩短工艺周期、降低能耗和生产成本是目前传统热处理行业迫切需要解决的主要问题、也是现代热处理工艺发展的重要方向，而要解决这一问题就必须在固态扩散化学热处理原理和机制、热处理工艺及热处理设备方面获得基础性突破进展。

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)、加热效率高，可进行空间选择性加热并促进化学反应等许多优势。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。由于全部固体金属不吸收并反射微波、并引起电弧形成，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金属粉末及混合介质的微波高温加热与烧结机制后(R.Roy，D.Agrawal，J.Cheng and S.Gedevanishvili，“Full sintering of powdered metals parts in microwaves”，Nature，399，June 17，1999)，微波在金属材料加工领域的应用研究获得突破性进展。

微波加热应用于粉末包埋化学热处理过程已有研究报道。2002年美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab-ORNL)在我国首次申请了“金属渗镀方法和使用该方法制造的改进型产品”发明专利(CN1535325A)，利用该方法可以实现静态粉末包埋渗铬(Cr)、渗镍(Ni)、渗矾(V)、渗硼(B)、渗铝(Al)及多元合金混合物共渗；2004年国内武汉理工大学报道了他们在微波加热扩散制备渗硼层方面的研究结果，并申请了“金属表面渗硼层的快速制备方法”发明专利(CN1603452A)，这两种静态粉末包埋渗镀工艺都属于高温化学热处理范围(≥600℃)。2007年我们通过试验证实，在380℃～450℃低温范围下利用微波热效应可以快速制备粉末渗锌及锌/铝共渗涂层，其工艺过程在节能降耗方面具有明显优势，并申请了“一种快速粉末渗锌表面涂层加工方法”发明专利(CN101122005A)。这些方法的本质特点在于采用微波加热粉末渗剂和被包埋金属工件，利用粉末渗剂本身吸收微波发热效应，加热金属工件界面形成冶金扩散涂层(金属工件本身不吸收微波，而是依赖粉末渗剂热传导被加热)。

但上述微波热扩散工艺只适合在实验室环境下制备热扩散涂层，不能应用于大规模的工业化生产加工。其关键局限性在于：(1)将粉末渗剂本身作为微波发热材料(即体积热源)，为了获得足够高的温度(热量)和产生冶金扩散化学反应，包埋工件的粉末渗剂必须具有足够的质量与体积、以产生所需要的热量和维持足够高的温度环境，(2)采用将金属工件包埋在粉末渗剂中的静态加热保温方式(见CN1535325A)，在加热过程中不能保证新鲜扩散渗剂与被处理金属工件表面的不断紧密接触，为了获得均匀渗层必须采用包含有高浓度被扩散金属元素的渗剂(见CN1535325A)，这势必造成粉末渗剂的成本明显高于被处理金属工件、粉末原料消耗严重；(3)采用陶瓷密封容器在不断滚动下进行微波加热处理只适合于在实验室中处理小尺寸、重量轻的金属零件(见CN101122005A)，实际工业化生产中粉末渗锌的密封容器长度达2米以上，装填金属工件也在几百公斤以上，这样的大尺寸、高强度的陶瓷容器很难制造。因此从经济性和工程应用上考虑这些工艺很难实现工业化生产。

发明内容

本发明的目的是将微波快速、体积性和选择性加热特征与机械滚动和摩擦冲击助渗原理结合起来克服上述局限性，提供一种工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置，本发明的关键技术如下：

本发明的工业化微波加热扩散涂层制备方法：

a)将金属工件包埋在传统的粉末渗剂中并装填在密封金属容器中；

b)该金属容器外部用吸收微波发热材料包裹起来；或将密封金属容器用粉末状吸收微波发热材料包埋起来放置更大尺寸的绝缘材料容器中；

c)将密封金属容器放置在微波处理炉中、在不断滚动下进行微波加热保温处理。

上述步骤(c)在滚动状态下启动微波加热装置，通过变换微波输入功率控制加热温度在380℃～600℃，加热处理时间控制在15-50分钟范围，保温时间控制在20-90分钟，进行热扩散涂层加工。

所述的微波发热材料是由石英砂或碳化硅或氧化锌晶须复合材料制备的陶瓷块固体材料，其厚度为100-150mm。

所述的粉末状吸收微波发热材料是粒度为40～200目的石英砂(SiO₂)或碳化硅(SiC)材料、其体积应≥60％被包埋密封金属容器的体积。

本发明工业化微波加热扩散涂层制备方法的装置，包括微波处理炉、金属容器、吸收微波发热材料和传动装置；密封金属容器外部包裹有吸收微波发热材料；在微波处理炉内，传动装置在加热过程中带动金属容器滚动；在滚动密封金属容器内壁上设置有固定凸棱刀片；在微波处理炉内和滚动的金属容器之间填充有流动的吸收微波发热材料。

所述的密封金属容器是：其截面形状一般为圆柱状容器，直径为500-800mm，长度为1500-2000mm；在密封金属容器的内壁上等距离安装有6-8个固定凸棱刀片，在该密封金属容器的外壁上包裹或安装有固体吸收微波发热材料。密封金属容器的转速调节范围为0.5-15转/分，并能正转或反转。

所述的微波热处理炉是一种长方形容器结构，安装有打开的密封炉盖；外部整体炉壁由反射微波的不锈钢板构成，内部整体炉壁由透射微波隔热绝缘材料和吸收微波发热材料组成。

本发明的实质创新在于应用微波加热和吸收微波发材料热效应作用，加热不断滚动的包裹有吸收微波发热材料的密封金属容器，吸收微波发热材料迅速将微波电磁能量转化为热能，直接加热密封金属容器、再间接加热金属容器中装填的粉末渗剂和被包埋金属工件，在微波热能、机械摩擦冲击介质和渗剂的相互综合作用下在金属工件表面制备热扩散涂层。微波发热材料不仅起到体积热源的作用、直接加热不断滚动的密封金属容器，并且能有效隔绝微波与密封金属容器的相互作用、避免密封金属容器反射微波引起电弧现象，将微波加热机制与机械滚动助渗原理有机结合起来实现金属工件表面合金强化处理。

本发明首先充分利用具有机械能助渗特征的滚动加热方式，保证加热过程中新鲜扩散渗剂与金属工件表面的不断紧密接触，有效促进固态粉末热扩散冶金化学反应；其次充分利用微波直接体积性和选择性加热独特优势，利用包裹(或包埋)金属容器的吸收微波发热材料的热效应作用加热金属容器和内部渗剂与金属工件，这样不但能快速加热整体金属容器，消除金属容器不吸收微波而反射微波的局限性，实现微波对金属容器的间接加热处理；而且随着被加热金属的温度不断升高，金属材料吸收微波的热效应愈来愈大，将原来间接加热转换为直接加热金属容器内部渗剂与金属工件，极大地缩短加热时间和提高热能的利用率。

本发明的工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置可以实现粉末渗锌、渗铝、锌/铝共渗及渗硼过程，与传统粉末渗锌过程比较其根本特点是加热时间减少1/2以上、节省热能50％-70％以上。从基本原理上讲，该方法不仅适用于复杂形状钢铁工件的热扩渗金属及多元共渗等其它化学热处理加工领域，如渗硼(B)、渗铝(Al)、渗铬(Cr)、渗镍(Ni)、渗矾(V)等化学热处理过程，也可推广应用于镁合金及钛合金等金属工件的表面合金化处理等，加速粉末冶金热扩散过程、有效缩短热处理时间和降低化学处理温度，是对传统固态扩散化学热处理机制、工艺及设备的重大改进。

本发明与传统粉末包埋渗镀工艺比较具有以下优势：

(1)、加热速度快、效率高：传统的粉末化学热处理采用燃油、燃气或电加热，大量热量消耗在炉体内部环境与工件本身的加热方面；而微波只加热吸收微波发热材料和被包裹容器，再直接加热渗剂和被处理工件，加热速率非常快、极大地提高加工效率和降低成本；

(2)、加速粉末渗镀热扩散过程：微波加热可以有效促进粉末渗剂与金属工件表面的冶金化学反应热扩散过程，同时又充分利用了机械滚动摩擦、冲击的助渗作用；

(3)、更有效的利用热量：传统热传导过程需要将整个热处理炉内部加热到给定的温度，炉体环境和金属工件本身消耗大量热量；而微波直接加热包裹微波发热材料的容器和固体粉末渗剂与金属工件表面，以最大热效率和最小能耗成本进行化学热处理。

本发明的方法及装置应用吸收微波发热材料的加热原理，不仅可以实现金属构件的整体热扩散涂层加工(将构件包埋在渗剂中)，而且可以实现大型金属结构局部热扩散涂层加工，即利用微波发热材料将渗剂和被处理结构局部表面包裹密封起来，再应用微波进行热处理；除吸收微波材料消耗微波能外，微波可以在大气空间中任意传播而不会被消耗掉，基于此原理有可能开发出便携式微波热扩散涂层加工装置。

附图说明

图1：微波加热扩散涂层制备装置侧视示意图；

图2：微波加热装置A-A剖面正视示意图；

图3：金属垫片拐角处热扩散锌涂层(×100)；

图4：金属垫片上下表面热扩散锌涂层(×100)。

具体实施方式

下面结合附图和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。

图1表示实现本发明方法的一种装置结构示意图，图2表示该装置A-A剖面示意图。

采用如图1所示的装置：将被处理的金属工件10与粉末渗剂9混合后装填在直径为φ500-φ800mm长度为1500-2000mm的圆柱状金属容器1中，粉末渗剂9应将金属工件10包埋起来，为了有效地促进粉末渗剂9与金属工件10之间的相互混合，在滚动密封金属容器1内壁上安装有6-8个固定凸棱刀片12，将金属容器1用盖密封后，放置在微波热处理炉3中并放置在支撑滚动轮5上，在金属容器1外部包裹有100-150mm厚度吸收微波发热材料，或金属容器1与微波热处理炉3内部空间用流动的吸收微波发热粉末材料4填充起来，即起到体积热源作用又有保温效果；滚动金属容器1的一侧端面中心固定安装有带有凹槽的传动轴，用来与外部一端带有凸台的主动传动轴2相互配合，为避免金属容器反射微波引起电弧现象，通过传动装置2与微波炉金属外壁相连接。

微波热处理炉3是一种长方形容器结构，安装有可以打开的密封炉盖，用以装卸滚动密封容器1和填充吸收微波发热材料4；外部整体炉壁由反射微波的不锈钢板构成，周围侧壁安装有微波磁控管6、7、8用以发射微波能，内部整体炉壁由透射微波绝缘保温材料和吸收微波发热材料组成，整个微波炉3是一种金属密封容器以保证加热时没有微波泄露。

在进行微波加热扩散涂层制备时，首先将微波热处理炉3的炉盖关闭，其次启动传动装置2使得密封金属容器在支撑轮3缓慢滚动，转速控制在0.5-15rpm范围，然后启动微波热处理炉3进行加热处理，在加热过程中按一定时间间隔进行反转和正转，使得金属工件10与粉末渗剂9有效接触与摩擦，对小尺寸工件采用10-15rpm较高转速进行滚动，对大尺寸工件为避免工件发生变形采用0.5-5rpm低转速进行滚动，在加热与保温处理过程中通过测温仪器11检测和控制温度变化，完成加热与保温处理后取出金属容器1在空气中冷却，然后筛分离金属工件10与粉末渗剂9进行后处理。

按照上述装置操作过程的实例和效果如下：

实施例1：将经酸洗前处理的少量25#碳钢金属垫片包埋在325目的60％wt锌粉、200目37％wt氧化铝粉末和3％wt氯化铵粉末混合均匀后的渗剂中，装填到滚动密封金属容器中、并将其包裹在石英砂中并放置在绝缘陶瓷容器中封上盖，石英砂体积近似为60％金属容器的体积，再放置在微波炉中在0.5rpm转速下滚动加热25分钟，然后用保温60分钟，在金属垫片表面可获得厚度为110-130微米的锌-铁合金渗层。图3和图4为在金属垫片表面获得的锌-铁合金渗层金相照片。

实施例2：将经酸洗前处理的高强螺栓包埋在用325目的40％wt锌粉、10％wt铝粉、300目48％wt氧化铝粉末和2％wt氯化铵粉末混合均匀后的渗剂中，装入滚动金属容器并包埋在石英砂中，石英砂体积近似为70％金属容器的体积，再放置在微波炉中在1.5rpm滚动状态下加热30分钟控制温度在400℃，然后保温度40分钟，最后在空气中冷却，在高强螺栓表面可获得厚度平均为50-60左右微米的锌-铝-铁复合渗层。

实施例3：将经酸洗前处理的少量25#碳钢垫片包埋在用300目的30％wt锌粉、200目60％wt氧化铝粉末和3％wt氯化铵、7％wt的金属氧化钛粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有石英砂和碳化硅(比例10∶1)混合后的微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，混合微波发热材料粉末体积近似为80％金属容器的体积，再放置在微波炉中在3.0rpm滚动状态下加热40分钟控制温度在380℃，保温度50分钟后在空气中冷却，在垫片表面可获得厚度平均为40-50微米的锌-铁合金渗层。

实施例4：将经酸洗前处理的小尺寸金属螺母包埋在用325目的50％wt锌粉、200目40％wt氧化铝粉末和4％wt氯化锌、6％wt的稀土粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有碳化硅微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，其外包裹碳化硅固体材料的厚度为100mm，再放置在微波炉中在15.0rpm滚动状态下加热15分钟控制温度在420℃，保温度90分钟后，在金属螺母表面可获得厚度平均为30-40微米的锌-铁合金渗层。

实施例5：将经酸洗前处理的25#碳钢垫片包埋在用300目的60％wt锌粉、200目39.5％wt氧化铝粉末和1.5％wt氯化铵粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有石英砂微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，石英砂体积近似为60％金属容器的体积，其外包裹的碳化硅厚度为100mm，再放置在微波炉中在0.5rpm滚动状态下加热40分钟控制温度在550℃，保温度60分钟后在空气中冷却，在25#碳钢垫片表面可获得厚度平均为55-65微米的铝-铁合金渗层。

实施例6：将经酸洗前处理的25#碳钢垫片包埋在用300目的70％wt硼铁、25％wt木炭粉末和5％wt氟硼酸钾粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有石英砂微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，石英砂体积近似为60％金属容器的体积，其外包裹的碳化硅厚度为100mm，再放置在微波炉中在5rpm滚动状态下加热50分钟控制温度在600℃，然后保温度90分钟，在垫片表面可获得厚度平均为40-50微米的渗硼层。

实施例7：将经酸洗前处理的45#碳钢薄片包埋在用300目的70％wt硼铁、25％wt木炭粉末和5％wt氟硼酸钾粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有石英砂微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，石英砂体积近似为70％金属容器的体积，其外包裹的碳化硅厚度为130mm，再放置在微波炉中在8rpm滚动状态下加热50分钟控制温度在580℃，然后保温度90分钟，在钢薄片表面可获得厚度平均为35-45微米的渗硼层。

实施例8：将经酸洗前处理的45#钢板条包埋在用325目的60％wt锌粉、200目38％wt氧化铝粉末和2％wt氯化铵粉末混合均匀后的渗剂中，装入带有石英砂微波发热材料包裹的滚动密封金属容器中，石英砂体积近似为80％金属容器的体积，其外包裹的碳化硅厚度为150mm，再放置在微波炉中在10rpm滚动状态下加热15分钟控制温度在480℃，保温度20分钟后在空气中冷却，在钢板条工件表面可获得厚度平均为25-35微米的铝-铁合金渗层。

本发明公开和提出的一种业化微波加热扩散涂层制备方法及装置，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 (8)

1、一种工业化微波加热扩散涂层制备方法，其特征在于：

1)将金属工件包埋在传统的粉末渗剂中并装填在密封金属容器中；

2)该金属容器外部用吸收微波发热材料包裹起来；或将密封金属容器用粉末状吸收微波发热材料包埋起来放置更大尺寸的绝缘材料容器中；

3)将密封金属容器放置在微波处理炉中、在不断滚动下进行微波加热保温处理。

2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤(3)在滚动状态下启动微波加热装置，通过变换微波输入功率控制加热温度在380℃～600℃，加热处理时间控制在15～50分钟范围，保温时间控制在20～90分钟，进行热扩散涂层加工。

3、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的微波发热材料是由石英砂或碳化硅或氧化锌晶须复合材料制备的陶瓷块固体材料，其厚度为100～150mm。

4、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的粉末状吸收微波发热材料是粒度为40～200目的石英砂或碳化硅材料、其体积应≥60％被包埋密封金属容器的体积。

5、实现权利要求1或2的一种工业化微波加热扩散涂层制备方法的装置，包括微波处理炉、金属容器、吸收微波发热材料和传动装置；其特征是密封金属容器外部包裹有吸收微波发热材料；在微波处理炉内，传动装置在加热过程中带动金属容器滚动；在滚动密封金属容器内壁上设置有固定凸棱刀片；在微波处理炉内和滚动的金属容器之间填充有流动的吸收微波发热材料。

6、如权利要求5所述的装置，其特征在于所述的密封金属容器是：其截面形状一般为圆柱状容器，直径为500～800mm，长度为1500～2000mm；在密封金属容器的内壁上等距离安装有6-8个固定凸棱刀片。

7、如权利要求5所述的装置，其特征在于密封金属容器的转速调节范围为0.5～15转/分，并能正转或反转。

8、如权利要求5所述的装置，其特征在于所述的微波热处理炉是一种长方形容器结构，安装有打开的密封炉盖；外部整体炉壁由反射微波的不锈钢板构成，内部整体炉壁由透射微波隔热绝缘材料和吸收微波发热材料组成。

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