CN103060745A - 对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可提高渗钛效果的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，该工艺包括如下步骤：a、向容器内放入金属镁、颗粒状海绵钛和需要进行表面处理的金属器件，密闭容器；b、对容器进行加热，在140～310℃的温度条件下进行容器内的脱气处理；c、继续对容器进行加热，在升温过程中向容器内通入四氯化钛，并维持容器内压力0.02～0.04MPa；当升温至990～1010℃之间时恒温9～11小时；d、从容器内取出金属器件、冷却。本发明方法简单，科学合理，镀钛、渗钛、形成合金的效果优越，具有良好的推广应用价值。

Description

对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺
技术领域
本发明涉及一种表面处理工艺，具体涉及一种可提高渗钛效果的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺。
背景技术
根据需要对金属表面进行防护处理在很多领域广泛应用。本发明的主要应用之一是在对海绵钛生产用的新反应器的内表面进行处理。因为用镁还原真空蒸馏法生产海绵钛，是将熔融状态的金属镁和液体四氯化钛在反应器内发生还原反应生成海绵状的金属钛。反应器通常是用锅炉钢板（20g）或不锈钢（1Cr18Ni9Ti）制作，在高温状态下，与原料和产品直接接触的反应器内壁和其它钢铁构件中的铁将以杂质形式转入产品中，进而影响产品海绵钛的质量。
对新反应器内壁进行渗钛处理的研究始于上世纪60年代，其目的就是要给新反应器内壁增加保护层，防止铁对产品的污染。但以前的方法都是要把钛粉涂抹在反应器内壁，在随后的高恒温过程中靠粘附于器壁的钛粒与铁作用完成渗钛。这种老办法至今已沿用了半个多世纪，但表面渗钛处理效果并不理想。用老办法渗钛的新反应器生产的产品中铁含量只能控制在0.1%左右，所以第一炉产品铁含量在0.15％即为合格。老办法不仅效果不好，还要消耗大量价值昂贵的钛粉。同时由于操作过程中的不慎进气等原因，还极易造成渗钛处理失败。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高渗钛效果的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，包括如下步骤：
a、向容器内放入金属镁、颗粒状海绵钛和需要进行表面处理的金属器件，密闭容器；
b、对容器进行加热，在140～310℃的温度条件下进行容器内的脱气处理；
c、继续对容器进行加热，在升温过程中向容器内通入四氯化钛，并维持容器内压力0.02～0.04MPa；当升温至990～1010℃之间时恒温9～11小时；
d、从容器内取出金属器件、冷却。
其中，所述脱气处理是指在一定温度下将密闭容器中的空气脱除。
其中，上述工艺步骤c中，维持容器内压力0.02～0.04 MPa采取的措施是向容器内充入氩气。
其中，上述工艺中，所述海绵钛的颗粒直径为3～5mm。
其中，上述工艺步骤c在升温过程中维持容器内压力0.03MPa。
其中，上述工艺中步骤c当升温至1000℃时恒温10小时。
其中，上述工艺中对容器进行加热的设备是电炉。
本发明的有益效果是：本发明首先在特定温度下（140～310℃）进行脱气处理，然后在升温过程中控制容器内压力，为后续的一系列反应提供条件，利用四氯化钛在适当的温度压力条件下与还原剂镁发生的还原反应、与钛发生的二次反应及四氯化钛在被还原过程中生成的低价钛的歧化反应，在一系列气相反应的过程中，利用气相迁移使初生态的原子钛在欲处理的金属表面附着形核及晶粒长大，并使镀膜在温度升高后完成渗钛并形成合金；本发明方法立意新颖、简单并科学合理，镀钛、渗钛、形成合金的效果优越，具有良好的推广应用价值。
具体实施方式
本发明属于一种在容器内在适当的温度压力条件下，通过加入液态的四氯化钛和容器内予先放置的固态的金属镁、钛发生一系列化学反应，从而对置于容器内的欲处理的金属及部分非金属表面（包括容器内壁）实现镀钛、渗钛的新工艺。
本发明的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，包括如下步骤：
a、向容器内放入金属镁、颗粒状海绵钛和需要进行表面处理的金属器件，密闭容器；
b、对容器进行加热，在140～310℃的温度条件下进行容器内的脱气处理；
c、继续对容器进行加热，在升温过程中向容器内通入四氯化钛，并维持容器内压力0.02～0.04MPa；当升温至990～1010℃之间时恒温9～11小时；
d、从容器内取出金属器件、冷却。
本发明实现该过程所需的钛取自于加入的液态四氯化钛及小颗粒海绵钛。其反应机理是利用四氯化钛在一定条件下和镁发生还原反应、和钛发生二次反应，同时，四氯化钛在被还原过程中生成的低价钛发生的歧化反应：
TiCl4+2Mg=Ti+2MgCl2
3TiCl4+Ti=4TiCl3
TiCl4+Ti=2TiCl2
2TiCl3=TiCl2+TiCl4
2TiCl2=Ti+TiCl4
在一系列气相反应的过程中，使初生态的原子钛在欲处理的金属表面附着形核及晶粒长大，形成均匀的镀膜，并在温度升高后完成渗钛及形成合金。
本发明金属镁、海绵钛和四氯化钛的加入量根据反应适当加入即可。
本发明方法还适用于部分非金属器件。
因为上述一系列反应需要在隔绝空气的条件下进行，所以对密闭容器需要进行脱气处理。而在现场条件下，空气中水蒸汽使少量氯化物水解，需在低温条件下脱水，当温度大概超过310℃时，结晶水会以氢氧根的形式存留在氯化物中，并在随后的升温中生成氧化物留存下来，而无法除掉其中的氧。因此，本发明需要在140～310℃的温度条件下进行容器内的脱气处理
本发明步骤c中，容器内压力保持在0.02～0.04MPa，是为了使升温后各组份气相分压适合一系列气相反应的进行，从而可以保证镀钛渗钛的效果。
在完成一系列气相反应后，需要处理的容器内壁或内置的器物表面将被附着生成的钛晶粒均匀覆盖，当升温至大概1000℃后，钛晶粒表层原子活性大增，布朗运动加剧，实现向金属表层内的渗透。经试验恒温10小时渗透层厚度可满足一般处理要求。温度过低达不到渗钛效果，而当温度过高到1050℃时会生成钛铁合金，同样破坏渗钛效果。
优选的，上述工艺中，所述海绵钛的颗粒直径为3～5mm。目的是使投入的固体颗粒量与气态反应物有足够的接触表面积，又不能过于粉末状在脱气时被抽走，还可充份利用废钛。
优选的，为了进一步的提高渗钛的效果，上述工艺步骤c在升温过程中维持容器内压力0.03MPa。
优选的，为了进一步的提高渗钛的效果，上述工艺中步骤c当升温至1000℃时恒温10小时。
优选的，上述工艺中对容器进行加热的设备是电炉。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例之中。
实施例一
应用本发明工艺对生产海绵钛使用的新反应器内壁进行渗钛处理。
1将新反应器经检验合格后在稀盐酸中浸泡5天，然后用水清洗干净，并用压缩空气吹干。
2在反应器内放置少量固体镁和少量小颗粒海绵钛（3～5mm）。
3将组装好的反应器放入加热电炉，上好加料管。
4对反应器进行低温脱汽。启动真空泵抽空至-0.085MPa，送电升温，在150℃恒温1小时，300℃恒温2小时。
5在随后的升温过程中缓慢加入适量四氯化钛。加料过程要注意保持反应器内压力0.03MPa左右。
6缓慢升温至1000°Ｃ恒温10小时。升温过程要注意反应器内外压力平衡，防止反应器变形损坏。
7恒温结束，在维持微正压条件下上好盲板，确保密封。
8出炉冷却，冷却后即可拆炉。完成对新反应器的渗钛作业。
本发明实施例一，即对生产海绵钛使用的新反应器内壁进行渗钛。不用钛粉而代之以少量废钛（废钛即成品包装时淘汰出来的不合格海绵钛）做原料，采用本发明所述的全新工艺完成对新反应器的渗钛。用试验生产的12台新反应器生产的第一炉产品的质量分析结果，除前几炉调整工艺参数外，稳定生产的后7炉产品铁含量均小于0.03%，其中5炉为0.01%。这说明本发明的新工艺能使产品的铁杂质含量由0.1%下降到0.01%，用新反应器可直接生产出优质产品，也就是说用这种新方法对新反应器进行渗钛处理效果极佳。
实施例二
在实施例一的基础上（即本实施例所述容器选生产海绵钛使用的反应器），在反应器内所置支架上悬挂需进行表面镀钛、渗钛处理的金属器件。按实施例一步骤操作，即可在要处理器件表面完成镀钛、渗钛作业。如在海绵钛生产时须先放入反应器内的新钢制筛板。因筛板也直接接触产品海绵钛，也要进行表面渗钛处理。将该筛板表面酸洗除锈干燥后置于反应器内，然后按实施例一步骤操作，可使内置的筛板表面与该反应器的内表面一样得到极佳的渗钛效果。同样，也可在支架上放置金属板、管件，根据置入量的多少适当调整投入镁、钛、四氯化钛的量，按实施例一步骤操作，完成需处理部件的表面镀钛、渗钛。经这样处理的部件在日后的使用中表现出较好的抗腐蚀性。

Claims (5)

1.对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，其特征在于包括如下步骤：
a、向容器内放入金属镁、颗粒状海绵钛和需要进行表面处理的金属器件，密闭容器；
b、对容器进行加热，在140～310℃的温度条件下进行容器内的脱气处理；
c、继续对容器进行加热，在升温过程中向容器内通入四氯化钛，并维持容器内压力0.02～0.04MPa；当升温至990～1010℃之间时恒温9～11小时；
d、从容器内取出金属器件、冷却。
2.根据权利要求1所述的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，其特征在于：所述海绵钛的颗粒直径为3～5mm。
3.根据权利要求1所述的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，其特征在于：步骤c在升温过程中维持容器内压力0.03MPa。
4.根据权利要求1所述的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，其特征在于：步骤c当升温至1000℃时恒温10小时。
5.根据权利要求1所述的对金属表面进行镀钛、渗钛从而形成合金的表面处理工艺，其特征在于：对容器进行加热的设备是电炉。
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