CN1769526A - 钢铁管件内壁陶瓷化处理方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开钢铁管件内壁陶瓷化处理方法，先取内壁表面带有金属铝层的钢铁管件，将电极棒固定于钢铁管件的内腔，电极棒连接脉冲直流电源的负极，钢铁管件外表面连接电源的正极，保持钢铁管件的腔体内壁浸在碱性处理液中，调节电源的电压值，使其保持恒定电流密度适当时间。本发明还公开实现上述方法的装置，包括钢铁管件、脉冲直流电源、电极棒和处理液循环装置，钢铁管件连接电源的正极，电极棒的一端与电源的负极相连，另一端在钢铁管件的内腔内部，处理液循环装置保持处理液温度和浓度一致。本方法可在钢铁管件内壁生成均匀的耐高温、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长的陶瓷层，且装置结构简单、成本低廉，安装和拆卸方便。
Description
技术领域
本发明属于钢铁管件内壁陶瓷化处理方法及其装置，特别涉及一种利用等离子体电解氧化技术对钢铁管件内壁进行陶瓷化处理的方法及其装置。
背景技术
钢铁管件由于其极好的机械性能及挠度而广泛应用于工业界，同时它对我们的日常生活也有很大贡献。事实上，数十年来，工业上和商业上都已广泛地采用钢铁管件，如房屋、桥梁、家具、汽车及机械等，也用以作为供应水、油及气体等的流通管道，但是钢铁管件的腐蚀和磨损是所有使用者所共同面临的问题。而陶瓷材料正以其具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温、绝缘等许多特性成为新一代的工程材料，但同时由于单体的陶瓷材料脆性大、可加工性差等特点，又长期制约着它的广泛应用。当在钢铁管件的工作部分包覆一层陶瓷材料后，不仅能够保持钢管使用性能，又使管件表面具有陶瓷的特殊性能，形成了具有优良性能的复合陶瓷层体系。
等离子体电解氧化技术是近十几年以来，在阳极氧化的基础上发展起来的表面处理新技术，又称为电解等离子体处理(Electrolytic PlasmaProcessing)或者阳极火花沉积(Anodic Spark Deposition)，是在高电压、大电流下，将Ti、Al、Mg、Nb、Zr或Ta等阀金属及其合金置于处理液中，样品表面在脉冲电场作用下产生微弧放电，最终生成既具有冶金扩散型梯度结合特征，又有陶瓷层特性的膜层，此膜层具有优良的耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及绝缘性能。然而，除了Ti、Al、Mg、Nb、Zr和Ta等阀金属及其合金以外，工程上应用量很大的钢铁，还不能直接应用等离子体电解氧化技术制备陶瓷层。近些年来，自蔓延高温合成技术、等离子喷涂陶瓷、激光熔覆陶瓷和气相沉积陶瓷技术，已经在某些领域应用，但是当这些技术应用在钢铁基体上获得的陶瓷涂层时，有的不易进行后加工、有的处理工艺对基体的热影响很大、有的因成本过高，所以该技术难以大范围推广，尤其是对于钢铁管件内表面的陶瓷化而言，这些陶瓷化方法均存在工艺上的困难。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于提供一种加工方法简单并且价格低廉的钢铁管件内壁陶瓷化处理方法。
本发明的另一个目的是提供一种采用上述钢铁管件内壁陶瓷化处理方法的装置。
为实现上述目的，本发明一种钢铁管件内壁陶瓷化处理方法，包括以下步骤：
1、取内壁表面带有适当厚度金属铝层的钢铁管件，备用；
2、按重量与总体积比，选取硅酸钠5g/L-10g/L、氢氧化钠1g/L-5g/L和六偏磷酸钠2g/L-5g/L溶入去离子水中，配置碱性处理液；
3、将电极棒固定于上述钢铁管件的内腔，该电极棒连接脉冲直流电源的负极，钢铁管件外表面连接该脉冲直流电源的正极，保持钢铁管件的腔体的内壁浸在上述配置的碱性处理液中；
4、逐步调节脉冲直流电源的电压值，使其保持恒定电流密度适当时间。
其中，在步骤1中，所述钢铁管件内壁表面的金属铝层是采用热浸镀方法制备的；在步骤2中所述碱性处理液的配方为：按重量与总体积比，选取硅酸钠8g/L、氢氧化钠4g/L和六偏磷酸钠5g/L与去离子水充分混合。
其中，在步骤3中，通过将所述钢铁管件浸入处理槽中的碱性处理液中，以保持钢铁管件内表面浸在碱性处理液中；同时保持所述钢铁管件内腔与外表面的碱性处理液的温度和浓度一致。
进一步，所述保持钢铁管件内腔与外表面的碱性处理液的温度和浓度一致的方法为：在所述处理槽中设置增强管和与增强管相连的循环泵，钢铁管件外部的碱性处理液通过该增强管和循环泵，从钢铁管件的下端输入管件内腔且由钢铁管件的上端口溢出至处理槽中。
其中，在步骤3中，通过将所述钢铁管件内腔充满碱性处理液，以保持钢铁管件的内腔浸在碱性处理液中；同时保持所述钢铁管件内腔内的碱性处理液的温度和浓度一致。
进一步，所述保持钢铁管件内腔的碱性处理液的温度和浓度一致的方法为：将所述钢铁管件的两端部密封后，通过设置的碱性处理液的冷却系统，使碱性处理液在钢铁管件的内腔循环。
为实现上述目的，本发明一种钢铁管件内壁陶瓷化处理方法的装置，包括待加工的钢铁管件，其特征在于，还包括脉冲直流电源、电极棒和处理液循环装置；其中待加工的钢铁管件连接该脉冲直流电源的正极，该电极棒的一端与脉冲直流电源的负极相连，另一端设置在待加工的钢铁管件的内腔内部，处理液循环装置保持待加工的钢铁管件的内腔中的处理液温度和浓度一致。
进一步，所述处理液循环装置包括处理槽和循环泵，处理槽的外部腔体上设置有冷却池，在处理槽内设置有支架，所述待加工的钢铁管件安装在该支架上，待加工的钢铁管件的一端设置有密封胶垫，所述电极棒固定在该密封胶垫上，所述循环泵带有出水端和进水端，其中出水端连接有增强管，增强管的另一端设置在待加工大钢铁管件的内腔内，循环泵的进水端连接有进水管，进水管的另一端设置在处理槽中。
进一步，所述处理液循环装置为处理液循环冷却系统，该处理液循环冷却系统带有引入管和引出管，所述待加工的钢铁管件的两端部都设置有密封胶垫，引入管和引出管的端部分别穿过两个密封胶垫伸入待加工的钢铁管件内腔里。
进一步，所述处理液循环装置为处理液循环冷却系统，该处理液循环冷却系统带有引入管和引出管，所述待加工的钢铁管件的两端部和内腔内分别设置有三个密封胶垫，引入管和引出管的端部分别穿过待加工的钢铁管件两端部的密封胶垫伸入待加工的钢铁管件内腔里，设置在待加工的钢铁管件内腔内的密封胶垫、引入管和引出管均可沿待加工的钢铁管件的轴线移动。
采用上述工艺后，本发明具有以下优点：
(1)采用复合成膜技术在钢铁管件内壁得到金属铝层，再采用等离子体电解氧化技术在管件内壁制备陶瓷层，解决了钢铁管件内表面尤其是细长钢铁管件内表面的陶瓷化处理问题，该工艺只对管件内表面进行陶瓷化，管件外部可保持原样，防止了处理液对非处理表面的影响。
(2)通过热浸镀法在钢铁基体与陶瓷层之间，形成厚度匹配的合金层作为过渡层，其结构和成分均呈冶金扩散型梯度变化，使合金层与陶瓷层之间存在一定的铝层塑性区，此区域的存在，在一定程度上具有协调陶瓷层与基体之间抵抗变形的作用，使陶瓷层与基体之间的结合更加紧密，不易破损和脱落。
(4)在本发明的处理工艺中，由于电极棒置入钢铁管件内孔，使电场在孔内均匀分布，去除了电场屏蔽的影响；并且，处理液在循环冷却系统和钢铁管件内壁或处理槽之间形成循环流动，及时驱散了反应产生的气体和热量，确保了处理液温度和浓度趋于基本恒定，有利于在管件内壁生成均匀的耐高温、耐磨损、耐腐蚀、使用寿命长的陶瓷层，并且有利于处理液的统一回收，对环境起到了一定的保护作用。分段处理方法避免了一次性大面积处理所需的高电流，因此在较小功率的电源上，也可对较大尺寸的钢铁管件进行内壁陶瓷化处理。
(5)该工艺所需装置结构简单、成本低廉，安装和拆卸方便。
附图说明
图1为本发明采用全浸法的钢铁管件内壁陶瓷化装置结构示意图；
图2为本发明采用内浸法钢铁管件内壁陶瓷化装置结构示意图；
图3为本发明钢铁管件内壁陶瓷化分段处理的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种先在各种尺寸的钢铁管件表面，尤其是较大尺寸的钢铁管件表面进行热浸镀铝，然后对热浸镀铝进行陶瓷化处理的方法。采用本方法一方面可以提高钢铁基体与陶瓷层之间的结合，另一方面可以在钢铁管件内壁形成均匀的陶瓷层，满足各种使用需求。同时本发明还提供了一种在钢铁管件内壁采用等离子体电解氧化技术形成一层陶瓷层的处理装置。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
首先对钢铁管件内外表面进行热浸镀铝，将钢铁管件浸入铝液中，铝液温度控制在690～710℃之间，并对钢铁管件进行旋转和上下移动，在钢铁管件表面形成一定厚度的Fe-Al合金层。
然后配置碱性处理液，称取硅酸钠8g、氢氧化钠4g和六偏磷酸钠5g，溶入1L的去离子水中进行充分混合制成碱性处理液，备用。另外，碱性处理液的配方也可为：硅酸钠5g、氢氧化钠1g和六偏磷酸钠2g，溶入1L的去离子水中；或者配方为：硅酸钠10g、氢氧化钠5g和六偏磷酸钠3g，溶入1L的去离子水中。
图1中，钢铁管件内壁陶瓷化的处理方法为全浸法，处理槽3的外表面设置有冷却池2，处理槽3内充满了配置的碱性处理液，在处理槽3内安装有支架4，将经热浸镀铝的钢铁管件5竖直固定在支架4上，钢铁管件5的整体浸入在处理槽3中的碱性处理液中，将电极棒6放置于管件5的内腔中心，在钢铁管件5下端设置一下端密封胶垫7，电极棒6下端固定在下端密封胶垫7上，并在下端密封胶垫7上打孔，插入一增强管8，增强管8与循环泵9的出水端相连，循环泵的进水管10的端口放入处理槽3的最低液面处。然后将电极棒6连接脉冲直流电源1的负极，钢铁管件5连接脉冲直流电源1的正极，通过脉冲直流电源1对钢铁管件5施加电压，逐步调节电压值，保持恒定电流密度，处理一段时间后，在电极棒6的作用下，钢铁管件5内外表面原位生长出陶瓷层，该恒定电流密度及处理时间根据所制备陶瓷层的实际需要可调。在处理过程中，通过增强管8从钢铁管件5下端顶入新鲜处理液，由上端口溢出，及时驱散钢铁管件5内部反应产生的气体和热量，同时冷却池2对处理液进行循环冷却，保证处理液温度、浓度基本恒定；该电极棒6可采用不锈钢棒、钨棒或铂棒等惰性金属棒。
图2中，钢铁管件内壁陶瓷化的处理方法为内浸法，对钢铁管件热浸镀铝层后，将钢铁管件5垂直固定在支架4上，在钢铁管件5上、下两端分别设置有上孔口密封胶垫11和下孔口密封胶垫7，将电极棒6设置于钢铁管件5的内腔内，该电极棒6的两端分别固定在上孔口密封胶垫11和下孔口密封胶垫7的中心部位；在上、下孔口密封胶垫11(7)上打孔，分别接入增强管8，处理液通过增强管8从钢铁管件5的下端孔口进入管件内部，从上端孔口流出，并通过处理液循环冷却系统9形成循环流动；然后将电极棒6连接脉冲直流电源1的负极，钢铁管件5连接脉冲直流电源1的正极，通过脉冲直流电源1对钢铁管件5施加电压，逐步调节电压值，保持恒定电流密度，处理一段时间后，在电极棒6的作用下，钢铁管件5内表面原位生长出陶瓷层，该恒定电流密度及处理时间根据所制备陶瓷层的实际需要可调。
当钢铁管件5的尺寸较大时，可进行分段处理。如图3所示，即在全浸法和内浸法的处理过程中，在钢铁管件5内部增设一密封胶垫12，原先与下孔口密封胶垫7连接的增强管8，延伸至钢铁管件5的内部封胶垫12，这样钢铁管件5内部密封胶垫12与下孔口密封胶垫7之间将无处理液与钢铁管件5接触。将钢铁管件5的上部处理一段时间后，将钢铁管件5内部密封胶垫12向下移动，由于钢铁管件5上部(钢铁管件5内部密封胶垫12的原位置与上部密封胶垫11之间)已有陶瓷层生成，故再次接通电源后，产生反应的将是处理液新接触的管件内表面。
根据击穿电压的理论模型而研制的实验室用处理装置，在电源系统输出电流100～300A的条件下，一次性处理面积仅为0.05～0.20m2，处理更大表面积的零件意味着高能耗，生产环境危险，处理过程中产生大量的热，需要庞大的冷却装置冷却处理液，这些都增加了处理成本。本发明对较大尺寸的钢铁管件特提出的分段处理方法，避免了一次性大面积处理所需的高电流，因此在较小功率的电源上也可对较大尺寸的钢铁管件进行内壁陶瓷化处理。
Claims (10)
1、一种钢铁管件内壁陶瓷化处理方法，包括以下步骤：
(1)取内壁表面带有适当厚度金属铝层的钢铁管件，备用；
(2)按重量与总体积比，选取硅酸钠5g/L-10g/L、氢氧化钠1g/L-5g/L和六偏磷酸钠2g/L-5g/L溶入去离子水中，配置碱性处理液；
(3)将电极棒固定于上述钢铁管件的内腔，该电极棒连接脉冲直流电源的负极，钢铁管件外表面连接该脉冲直流电源的正极，保持钢铁管件的腔体的内壁浸在上述配置的碱性处理液中；
(4)逐步调节脉冲直流电源的电压值，使其保持恒定电流密度适当时间。
2、根据权利要求1所述方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述钢铁管件内壁表面的金属铝层是采用热浸镀方法制备的；在步骤(2)中所述碱性处理液的配方为：按重量与总体积比，选取硅酸钠8g/L，氢氧化钠4g/L和六偏磷酸钠5g/L溶于去离子水中。
3、根据权利要求2所述方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过将所述钢铁管件浸入处理槽中的碱性处理液中，以保持钢铁管件内表面浸在碱性处理液中；同时保持所述钢铁管件内腔与外表面的碱性处理液的温度和浓度一致。
4、根据权利要求3所述方法，其特征在于，所述保持钢铁管件内腔与外表面的碱性处理液的温度和浓度一致的方法为：在所述处理槽中设置增强管和与增强管相连的循环泵，钢铁管件外部的碱性处理液通过该增强管和循环泵，从钢铁管件的下端输入管件内腔且由钢铁管件的上端口溢出至处理槽中。
5、根据权利要求2所述方法，其特征在于，在步骤(3)中，通过将所述钢铁管件内腔充满碱性处理液，以保持钢铁管件的内腔浸在碱性处理液中；同时保持所述钢铁管件内腔内的碱性处理液的温度和浓度一致。
6、根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述保持钢铁管件内腔的碱性处理液的温度和浓度一致的方法为：将所述钢铁管件的两端部密封后，通过设置的碱性处理液的冷却系统，使碱性处理液在钢铁管件的内腔循环。
7、一种采用如权利要求1所述钢铁管件内壁陶瓷化处理方法的装置，包括待加工的钢铁管件，其特征在于，还包括脉冲直流电源、电极棒和处理液循环装置；其中待加工的钢铁管件连接该脉冲直流电源的正极，该电极棒的一端与脉冲直流电源的负极相连，另一端设置在待加工的钢铁管件的内腔内部，处理液循环装置保持待加工的钢铁管件的内腔中的处理液温度和浓度一致。
8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理液循环装置包括处理槽和循环泵，处理槽的外部腔体上设置有冷却池，在处理槽内设置有支架，所述待加工的钢铁管件安装在该支架上，待加工的钢铁管件的一端设置有密封胶垫，所述电极棒固定在该密封胶垫上，所述循环泵带有出水端和进水端，其中出水端连接有增强管，增强管的另一端设置在待加工大钢铁管件的内腔内，循环泵的进水端连接有进水管，进水管的另一端设置在处理槽中。
9、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理液循环装置为处理液循环冷却系统，该处理液循环冷却系统带有引入管和引出管，所述待加工的钢铁管件的两端部都设置有密封胶垫，引入管和引出管的端部分别穿过两个密封胶垫伸入待加工的钢铁管件内腔里。
10、根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理液循环装置为处理液循环冷却系统，该处理液循环冷却系统带有引入管和引出管，所述待加工的钢铁管件的两端部和内腔内分别设置有三个密封胶垫，引入管和引出管的端部分别穿过待加工的钢铁管件两端部的密封胶垫伸入待加工的钢铁管件内腔里，设置在待加工的钢铁管件内腔内的密封胶垫、引入管和引出管均可沿待加工的钢铁管件的轴线移动。
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