專利名稱：一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面改性或合金化處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種快速粉末滲鋅表面涂 層加工方法。
背景技術(shù)：
粉末滲鋅工藝是利用加熱狀態(tài)下金屬原子的滲透擴(kuò)散作用，在金屬基體沒有相變的條件 下，將鋅元素滲入鋼鐵構(gòu)件表面，形成不同Zn-Fe比例的合金保護(hù)層。粉末滲鋅表面合金涂 層的主要目的是改善和提高金屬工件表面的抗腐蝕、抗表面氧化及耐磨損性能等。傳統(tǒng)粉末滲鋅原理是1904年由英國冶金學(xué)家Sherard Cowper-Coles首先提出的，其一般過程可以在許多文獻(xiàn)或手冊中找到，如(蘇)利亞霍維奇主編、孫一唐等譯《金屬和合金的化 學(xué)熱處理手冊》，上?？萍汲霭嫔?，1986出版；盧燕平和于福洲合編《滲鍍》，機(jī)械工業(yè)出 版社，1985出版等。在這些文獻(xiàn)中描述的典型粉末滲鋅過程包括以下主要步驟首先采用化 學(xué)或噴砂方式對工件表面進(jìn)行處理；其次將前處理后的工件埋放在一個(gè)裝滿鋅粉、惰性填充 物和活化劑混合粉末的密封容器中，將容器放在熱處理爐中加熱到溫度為38(TC 45(TC范圍， 保溫2~4小時(shí)；最后將被滲鋅的工件從容器中分離出來進(jìn)行鈍化處理。為了進(jìn)行工業(yè)化的粉末滲鋅加工，目前國內(nèi)外己研究開發(fā)出許多具體的工業(yè)化生產(chǎn)的粉末滲鋅處理工、藝。主要包括以下專利1 、 1993年以色列Isaak Shtikan發(fā)明的Distek粉末滲鋅工藝(WO 98/41346)，目前該專利 授權(quán)有效(1998,9，24);2、 1993年北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院申請的"粉鍍(滲)鋅方法及裝置(CN1084582)"， 目前該專利權(quán)終止(2005, 12, 14);3、 1995年江蘇李顯揚(yáng)申請的"一種金屬真空固態(tài)滲鋅劑及其滲鋅工藝(CN1115792)"， 該專利在申請時(shí)已公開，但最終專利申請被駁回未申請成功；4、 1997年冶金部洛陽耐火材料研究院申請的"一種真空滲鋅爐(CN2334766)"，目前該 專利權(quán)終止(2000, 12，6);5、 2001年山東大學(xué)申請的"機(jī)械能助滲金屬表面改性技術(shù)(滲鋁、滲硅、滲銅、滲錳及 鋅鋁共滲，CN1320717)",目前該專利授權(quán)有效(2004, 1,7);6、 2001年北京科技大學(xué)申請的"鋼鐵制品鋅鋁包埋共滲方法及其滲劑(CN1428454)"， 目前該專利授權(quán)有效(2005， 3， 9);7、 2004年以色列GreenCote公司發(fā)明鋅/鋁復(fù)合共滲工藝(WO2004/050942-Al)，目前該 專利授權(quán)有效(2004, 6, 17);8、 2005年天津市先知邦鋼鐵防腐工程有限公司申請的"一種納米復(fù)合粉末滲鋅加工方 法(CN1730727)"，目前該專利己公開授權(quán)有效(2006， 4， 4)。但在上述粉末滲鋅技術(shù)中均采用燃?xì)饣螂姛崽幚頎t進(jìn)行加熱處理，其主要問題是在整個(gè) 滲鋅過程中從加熱到保溫至少要4小時(shí)以上(如鋅鋁包埋共滲將達(dá)到10小時(shí)以上，見 CN1428454說明)，工藝時(shí)間長、生產(chǎn)效率低；其次是在輻射傳導(dǎo)加熱過程中大量熱量消耗在 爐體和工件本身的加熱與保溫上，有效熱量利用率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重。如何加速熱擴(kuò)散處理 過程，提高生產(chǎn)效率及降低能量消耗是傳統(tǒng)粉末滲鋅工藝迫切期望解決的問題。對提高化學(xué)熱處理速度這一問題,國內(nèi)外研究者已進(jìn)行了許多研究工作，并取得不少研 究成果。如目前在工程中廣泛應(yīng)用的各種化學(xué)催滲技術(shù)是通過改變被處理工件的表面活化狀 態(tài)或加入催滲元素加速化學(xué)熱擴(kuò)滲過程；而物理催滲技術(shù)是利用等離子體技術(shù)、高頻電場及 真空技術(shù)等與熱能的復(fù)合作用加速化學(xué)熱處理過程。但有關(guān)技術(shù)在工程應(yīng)用中仍存在一定局 限性，如機(jī)械能輔助粉末滲鋅(見CN1320717說明)在縮短工藝周期及降低熱處理溫度方面并 不明顯，而等離子體輔助化學(xué)熱處理能耗及加熱溫度仍較高(>600°<:)，設(shè)備復(fù)雜、投資明顯 較大及不適合大批量生產(chǎn)等。微波能作為一種加熱熱源目前已在食物加工、紡織品和木制產(chǎn)品干燥；陶瓷、半導(dǎo)體、 無機(jī)和聚合物材料加工等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)輻射加熱過程比較，微波加熱具 有體積性直接加熱、加熱速度快(時(shí)間短、節(jié)能)、可進(jìn)行空間選擇性加熱并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)等 許多優(yōu)勢特點(diǎn)。材料的微波加工在2000年以前主要局限于陶瓷、半導(dǎo)體、無機(jī)和聚合物材料。 由于全部的金屬材料反射微波或引起等離子體形成，因此傳統(tǒng)觀念認(rèn)為微波能很難應(yīng)用于金 屬材料的加熱處理。但自從1998年美國材料學(xué)家R. Roy等首次在實(shí)驗(yàn)室證實(shí)微波能可以用于 各種金屬粉末的燒結(jié)后(R. Roy, D. Agrawal, J. Cheng and S. Gedevanishvili, "Full sintering of powdered metals parts in microwaves", Nature, 399, June 17， 1999)，微波在金屬材料加工領(lǐng)域的 應(yīng)用受到人們的普遍關(guān)注并在此進(jìn)行了許多研究，主要集中在金屬粉末冶金的加熱與燒結(jié)方 面。但目前還沒有利用微波加熱進(jìn)行粉末滲鋅及鋅/鋁共滲表面合金層的有關(guān)公開研究報(bào)道
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是將微波加熱與傳統(tǒng)粉末滲鋅厚理結(jié)合起來，提供一種快速粉末滲鋅表面 涂層加工方法，本發(fā)明的技術(shù)如下將金屬構(gòu)件包埋在含有鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉的金屬粉末滲鋅劑陶瓷滲鋅罐中，并放置在微 波加熱爐中在緩慢滾動(dòng)情況下進(jìn)行微波加熱處理，然后保溫冷卻取出構(gòu)件進(jìn)行后處理。所述的鋅/鋁復(fù)合金屬粉末中，鋁粉的體積比為《40%;其余為鋅粉。所述的金屬粉末滲鋅劑的組成是鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉末的體積百分比是10~40%;活化 劑的體積百分比是0~3%;其余為石英砂(Si02)或氧化鋁(A1203)填充劑。所述的鋅粉或鋁粉的粒度為120~325目，金屬鋅或鋁含量》98%;石英砂的粒度為40~200目。所述的活化劑為氯化銨(NH4C1)或氯化鋅(ZnCl2)。本發(fā)明的快速粉末滲鋅表面涂層加工方法具體的是(1)粉末滲鋅劑的配制將金屬粉末 鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉末、活化劑和填充劑按一定量混合均勻成滲鋅劑，得到復(fù)合粉末滲鋅劑；(2)滲鋅過程將金屬構(gòu)件、滲鋅劑填裝到陶瓷滲鋅罐中，填充劑的體積+金屬粉末體積+ 工件的體積等于滲鋅罐體積的90%~95%，然后將填裝好的陶瓷滲鋅罐放置在微波加熱爐中進(jìn) 行加熱處理，在加熱過程中可緩慢滾動(dòng)陶瓷滲鋅罐，轉(zhuǎn)速控制在1~5轉(zhuǎn)/分，加熱處理時(shí)間控 制在15 40分鐘范圍以內(nèi)，進(jìn)行滲鋅加工；(3)冷卻分離過程滲鋅加工完成后，將陶瓷滲鋅罐從微波加熱爐中取出，放置在分離機(jī)上在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)過程中進(jìn)行空氣冷卻，待溫度降低至 室溫度，在分離機(jī)上將工件與滲鋅劑進(jìn)行分離，工件進(jìn)行后處理。所述的所述的陶瓷滲鋅罐是一種耐高溫的微波透明材料。所述的微波透明材料為氧化鋁 或碳化硅琳堝。所述的微波加熱爐底部帶有旋轉(zhuǎn)的金屬托盤或滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，陶瓷滲鋅罐是靜止放置在旋轉(zhuǎn) 托盤上加熱，或是在滾動(dòng)機(jī)構(gòu)上緩慢滾動(dòng)下加熱。與傳統(tǒng)的粉末滲鋅方法相比，本發(fā)明提供一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法具有以下優(yōu)勢1、加熱速度快、效率高傳統(tǒng)的粉末滲鋅采用燃?xì)饣螂娂訜?，熱量通過輻射傳遞給滲鋅 罐，再通過輻射與傳導(dǎo)傳遞罐內(nèi)滲鋅劑和工件，大量熱量消耗在爐體內(nèi)部環(huán)境與工件本身的 加熱方面；而微波能直接集中加熱整體滲鋅劑，再將熱量直接傳導(dǎo)給工件表面實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散， 加熱速率非常高，試驗(yàn)表明滲鋅處理時(shí)間為傳統(tǒng)滲鋅工藝的1/5 1/8,極大地提高加工效率和
降低成本。2、 只加熱金屬工件表面?zhèn)鹘y(tǒng)加熱將使得被處理工件整體被加熱到所需溫度，這不僅消 耗大量熱量，而且有可能改變金屬材料的熱處理狀態(tài)和力學(xué)性能，由于微波能的選擇性加熱 特點(diǎn)，只將工件表面加熱到高溫度，熱源利用率高、不會(huì)影響金屬材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)和力學(xué) 性能。3、 加速滲鋅熱擴(kuò)散過程試驗(yàn)表明微波加熱擴(kuò)散過程比傳統(tǒng)擴(kuò)散處理更快，明顯促進(jìn)金 屬材料的化學(xué)熱處理擴(kuò)散過程。4、 更有效的利用熱量傳統(tǒng)加熱處理要將整個(gè)熱處理爐內(nèi)部加熱到給定的溫度，爐體環(huán) 境和工件本身消耗大量熱量，熱處理爐打開與關(guān)閉和保溫效果不好也將導(dǎo)致熱損失；而微波 加熱直接進(jìn)入到固體粉末和工件表面附近，以最大效率和最小能耗成本進(jìn)行加熱，試驗(yàn)表明 與傳統(tǒng)的粉末滲鋅比較，節(jié)省能量可達(dá)到50%以上。


圖h金屬墊片拐角處的滲層厚度分布圖； 圖2:金屬墊片平面上的滲層厚度分布圖。
具體實(shí)施方式
下面提供的具體實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步地說明。本發(fā)明所述的微波加熱粉 末滲鋅過程不只局限于該具體實(shí)例。 實(shí)施例1:在一種耐熱陶瓷制造的坩堝中放置有325目體積比(以下比例均為體積比)是30%鋅粉、 200目30%氧化鋁粉末和100目40%石英砂混合均勻滲鋅劑包埋的表面帶有少量銹蝕的金屬 墊片，將坩堝放置在800W功率微波加熱爐中轉(zhuǎn)盤上在常壓下進(jìn)行加熱處理，加熱時(shí)間為15 分鐘，然后在空氣下冷卻，在金屬墊片表面可獲得厚度平均為39.3微米的鋅-鐵合金滲層。圖 1和2為利用微波加熱在金屬墊片表面快速制備的鋅-鐵合金滲層金相照片，分別表示在金屬 墊片拐角和平面處的鋅-鐵合金滲層分布形態(tài)，可以看出無論在拐角處或平面上都可以獲得厚 度均勻的滲層。實(shí)施例2:在氧化鋁坩堝中放置有200目30%鋅粉、325目10%鋁粉和1%氯化銨粉末及其余為120 目石英砂填充劑混合均勻滲鋅劑，將除油除銹金屬墊片包埋在該滲鋅劑中，將坩堝用水玻璃
或耐火水泥密封后放置在800W微波爐中加熱保溫20分鐘，可在金屬墊片表面可獲得厚度平 均為50微米的鋅-鋁-鐵合金滲層。實(shí)施例3: .在氧化鋁坩堝中放置有200目10%鋅粉、325目30%鋁粉和3%氯化銨粉末及其余為200 目氧化鋁(A1203)填充劑混合均勻滲鋅劑，將前處理金屬墊片包埋在該滲鋅劑中，將坩堝密 封后放置在800W微波爐中加熱保溫'30分鐘，可在金屬墊片表面可獲得鋁-鋅-鐵合金滲層。實(shí)施例4:在氧化鋁坩堝中放置有325目25%鋅粉、200目10%鋁粉和其余為200目氧化鋁(八1203) 填充劑混合均勻滲鋅劑，將前處理金屬墊片包埋在該滲鋅劑中，將坩堝密封后放置在微波爐 中滾動(dòng)加熱保溫30分鐘，可在金屬墊片表面可獲得厚度約50微米鋅-鋁-鐵合金滲層。實(shí)施例5:將120目40%鋅粉、3%氯化銨粉末和100目57%石英砂填充劑充分混合均勻后，放置在 耐高溫陶瓷坩堝中，將金屬墊片包埋在該滲鋅劑中，然后將密封坩堝放置在微波爐中滾動(dòng)加 熱保溫30分鐘后冷卻，可在金屬墊片表面可獲得厚度約60微米鋅-鐵合金滲層。實(shí)施例6:將120目30%鋁粉、200目10%鋅粉和3%氯化銨粉末其余為100目石英砂填充劑充分混 合均勻后，放置在耐高溫陶瓷坩堝中，將金屬墊片包埋在該滲鋅劑中，然后將密封坩堝放置 在微波爐中滾動(dòng)加熱保溫40分鐘后在空氣中冷卻，可在金屬墊片表面可獲得厚度約70微米 鋁-鋅-鐵合金滲層。本發(fā)明公開和提出的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員可通過借鑒 本文內(nèi)容，適當(dāng)改變原料、工藝參數(shù)、工藝步驟等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的方法與技術(shù)已通過較 佳實(shí)施例子進(jìn)行了描述，相關(guān)技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對本文所 述的方法和技術(shù)進(jìn)行改動(dòng)或適當(dāng)變更與組合，來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明技術(shù)。特別需要指出的是，所有 相類似的替換和改動(dòng)對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、 范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
1、 一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于將金屬構(gòu)件包埋在含有鋅粉或鋅/ 鋁復(fù)合粉的金屬粉末滲鋅劑陶瓷滲鋅罐中，并放置在微波加熱爐中在緩慢滾動(dòng)情況下 進(jìn)行微波加熱處理，然后保溫冷卻取出構(gòu)件進(jìn)行后處理。
2、 如權(quán)利要求1所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的鋅/鋁復(fù) 合金屬粉末中，鋁粉的體積比為《40%;其余為鋅粉。
3、 如權(quán)利要求1所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的金屬粉 末滲鋅劑的組成是鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉末的體積百分比是10~40%;活化劑的體積百分 比是0~3%;其余為石英砂(Si02)或氧化鋁(A1203)填充劑。
4、 如權(quán)利要求1所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的鋅粉或 鋁粉的粒度為120-325目，金屬鋅或鋁含量》98%;石英砂的粒度為40 200目。
5、 如權(quán)利要求4所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的活化劑 為氯化銨(NH4C1)或氯化鋅(ZnCl2)。
6、 如權(quán)利要求1所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的快速粉 末滲鋅表面涂層加工方法是(1)粉末滲鋅劑的配制將金屬粉末鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉末、活化劑和填充劑按一定量混合均勻成滲鋅劑，得到復(fù)合粉末滲鋅劑；(2)滲鋅過程 將金屬構(gòu)件、滲鋅劑填裝到陶瓷滲鋅罐中，填充劑的體積+金屬粉末體積+工件的體積 等于滲鋅罐體積的90%~95%，然后將填裝好的陶瓷滲鋅罐放置在微波加熱爐中進(jìn)行加 熱處理，在加熱過程中緩慢滾動(dòng)陶瓷滲鋅罐，轉(zhuǎn)速控制在1~5轉(zhuǎn)/分，加熱處理時(shí)間控 制在15~40分鐘范圍以內(nèi)，進(jìn)行滲鋅加工；(3)冷卻分離過程:滲鋅加工完成后，將陶瓷滲鋅罐從微波加熱爐中取出，放置在分離機(jī)上在不斷轉(zhuǎn)動(dòng)過程中進(jìn)行空氣冷卻， 待溫度降低至室溫度，在分離機(jī)上將工件與滲鋅劑進(jìn)行分離，工件進(jìn)行后處理。
7、 如權(quán)利要求6所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的陶瓷滲 鋅罐是一種耐高溫的微波透明材料。
8、 如權(quán)利要求7所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的微波透 明材料為氧化鋁或碳化硅坩堝。
9、 如權(quán)利要求6所述的一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法，其特征在于所述的微波加 熱爐底部帶有旋轉(zhuǎn)的金屬托盤或滾動(dòng)機(jī)構(gòu)，陶瓷滲鋅罐是靜止放置在旋轉(zhuǎn)托盤上加熱， 或是在滾動(dòng)機(jī)構(gòu)上緩慢滾動(dòng)下加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種快速粉末滲鋅表面涂層加工方法。將金屬構(gòu)件包埋在含有鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉的金屬粉末滲鋅劑陶瓷滲鋅罐中，并放置在微波加熱爐中在緩慢滾動(dòng)情況下進(jìn)行微波加熱處理，然后保溫冷卻取出構(gòu)件進(jìn)行后處理。在鋅/鋁復(fù)合金屬粉末中，鋁粉的體積比為≤40％；其余為鋅粉。金屬粉末滲鋅劑的組成是鋅粉或鋅/鋁復(fù)合粉末的體積百分比是10～40％；活化劑的體積百分比是0～3％；其余為石英砂(SiO₂)或氧化鋁(Al₂O₃)填充劑。將填裝好的陶瓷滲鋅罐放置在微波加熱爐中進(jìn)行加熱處理。本發(fā)明利用微波其加熱過程時(shí)間明顯降低，為傳統(tǒng)滲鋅工藝的1/5-1/8，節(jié)省能量50％以上，極大地提高了粉末滲鋅加工過程的生產(chǎn)效率，明顯降低產(chǎn)生成本。
文檔編號C23C10/34GK101122005SQ200710058358
公開日2008年2月13日 申請日期2007年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月23日
發(fā)明者楊新岐, 秦紅珊 申請人:天津大學(xué)