專利名稱：表面冶金方法及專用高溫熔結爐的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面的復合處理方法及專用設備，特別是一種表面冶金方法及專用高溫熔結爐。
在冶金領域中，最早應用的是火法冶煉技術，許多有色金屬及各種鋼鐵材料都是采用這種方法冶煉的。就表面硬度而言，無論是鋼鐵或經過一定熱處理的結構鋼材，其表面硬度一般只能達到HRc58～60，若以熱處理或化學熱處理等方法繼續(xù)提高鋼材的表面硬度時，勢必帶來脆性而影響實際使用。為能達到表面硬度更高，而又具有一定結構強度的金屬材料，后來有了粉末冶金技術，粉末冶金制品可以把表面硬度提高到HRc70以上，但由于受到壓制及燒結等方法方法的限制，粉末冶金只能制造尺寸較小而結構比較簡單的制品。又如電鍍或真空鍍膜等技術，也可以在鋼鐵工件表面鍍上各種金屬或合金的薄膜，但鍍膜太薄，結合力不強，容易污染環(huán)境是它的固有缺陷。
本發(fā)明的目的是提供一種表面臺金方法，即采用熔結的工藝方法把具有耐磨、耐腐蝕特性的表面合金熔結在鋼鐵制品表面上，從而制成具有足夠結構強度又有優(yōu)異表面特性的復合金屬制品，它填補了表面硬度在HRc60～70之間的金屬結構材料的空白。當將表面合金熔結在金屬制品表面后，使其具有了耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗氧化性的優(yōu)良特性，且能制造出結構比較復雜而尺寸又較大的高硬度金屬制品。
本發(fā)明的另一目的，是提供一種可用于表面冶金中熔結工藝的高溫熔結爐，應用高溫熔結爐可以滿足表面冶金的各種功能的需求，如涂層、封孔和成型等，熔結涂層可薄可厚，不受工件結構、形狀和部位的限制，而且在涂層與基體之間是牢固的冶金結合，不會脫落。
表面冶金技術所采用的工藝方法，與已知的熔煉、鑄造、燒結、電鍍或真空鍍膜等方法完全不同，它是一種全新的熔結工藝。
本發(fā)明所述表面冶金方法是由以下技術方案實現的。
1、該表面冶金方法，包括以下步驟選配表面合金粉和配制有機粘結劑→調料→坯件清洗→涂敷→烘干→熔結。
(1)、根據工件的使用要求和工藝的制作要求選好表面合金粉其中表面冶金粉包括有Ni-基、Co-基或Fe-基，成份如下，Ni-基C0.1～1.1、Si1～5、Cr4.2～8.4、Mo0～4.、Fe2.5～15、Cu0～3、CrB5.8～26.1、WC0～20、余Ni；Co-基C0～1.4、Si0.7～4.5、Cr15.2～18、Mo0～6、Fe≤5、Ni0～28、CrB7.0～23.2、WC0～30、余Co；Fe-基C0.1～5、Si0.8～4.6、Cr6.2～0.8、Mo0～4.5、Ni0～42、CrB7.0～23.2、余Fe，有機粘結劑為受熱后可揮發(fā)性通用粘結劑。
(2)、調料將表面合金粉和有機粘結劑調制成粘稠狀涂料，其中粘結劑的用量為合金粉用量的1～3％；(3)、坯件清洗將不同品種的坯件放入清洗槽中，用清潔劑或酒精清洗并漂洗干凈。
(4)、涂敷以抹、撒或噴涂的方法把涂料涂敷到潔凈坯件的特定表面并達到所需厚度。
(5)、烘干在普通電烘箱內進行即可，烘干溫度為200℃以下，烘干時間視工件大小而定，可為1～3小時。
(6)、熔結將工件放入專用高溫熔結爐中，封閉爐體并抽真空后，對電爐通電加熱，當加熱到200℃以上時，有機粘結劑充分發(fā)揮；至800～900℃時，表面合金粉部分熔融并浸潤鋼質坯件的表面，此時在兩者的界面開始了金屬原子的擴散互溶過程，待擴散互溶到一定程度后在原來的界面上形成有一狹窄的互溶區(qū)；冷凝時，原來堆集的表面合金粉即熔融凝固成一個完整而致密的表面合金層，互熔區(qū)亦重結晶并以金屬鍵的方式將表面合金層與鋼質坯件牢固地冶金結合成一個整體。在熔結過程中采用非氧化氣氛保護或保持1～3×10-2mmHg真空度。熔結溫度為室溫1300℃以下。熔結周期為幾分鐘～幾小時。
專用于本發(fā)明表面冶金方法的高溫熔結爐，主要由爐體、爐底、爐架所構成，爐體為夾層水冷結構，在爐體內的頂部設有一冷卻水包，貫穿冷卻包和爐頂固定連接有一根導管，爐底亦為夾層水冷結構，爐底上由內筋圈和外筋圈支撐有托板，托板上用于放置待表面冶金的工件，在爐體與爐底上均設有進水口與出水口，爐底板上裝設有電極座與熱偶座，固定在電極座上的電極和固定在熱偶座上的熱電偶均通至爐膛。爐底板上裝設的電極座的個數可以是兩個或三個，并且是等角度均勻分布。電極座上固定的電極為空心結構，電極進水咀套設膠墊和電極壓蓋后伸入電極空心部位，電極與爐內爐絲相連。一真空抽氣裝置，其抽氣管路端頭連接的真空抽氣咀通至爐膛內。爐膛中裝設有一隔熱屏，將工件罩住，在爐體的頂部設有一頂帽裝置，該裝置內由轉軸座塊和密封盒支承有一根轉軸，轉軸上開設有一槽孔，槽孔上攜有一根卷揚鋼絲，鋼絲通過爐體上部冷卻水包的中心導管向下伸入爐膛，并與爐膛內的隔熱屏相連，密封盒內裝有壓緊環(huán)和動密封圈，密封盒蓋上固定有制動鍵，轉軸的外端固定有手輪，手輪上固定有棘輪，制動鍵與棘輪配合，使轉軸做單向旋轉。壓緊環(huán)為彈性材料，數個壓緊環(huán)呈拱型依托密封盒內壁支承轉軸。
本發(fā)明的顯著效果是
1、賦予制品表面以耐磨、耐腐蝕、耐高溫和抗氧化性的優(yōu)良特性。由于表面冶金材料是選用兩種或兩種以上的金屬材料復合而成，這種材料本身具有很高的硬度和極好的物理與化學穩(wěn)定性，當將其熔結在金屬制品表面后使其硬度明顯提高，耐腐蝕性亦非一般的耐蝕鋼或不銹鋼可比，其中ZJ-Ni和ZJ-Co兩種牌號表面合金在除了熱濃硫酸之外，幾乎在各種酸性或堿性化學介之中，其年腐蝕率均小于0.125mm/年。
2、熔結涂層范圍寬，其表面合金層厚度可為0.1mm～幾公分。
3、表面合金層與坯件之間是牢固的冶金結合，不會脫落。
4、熔結涂層不受坯件結構、形狀、和部位的限制，并達到致密無孔。
5、高溫熔結爐是在密閉和真空條件下工作，并配以電加熱和水冷系統，使熔結區(qū)既可快速升溫，亦可快速冷卻，滿足表面冶金技術對溫度的要求，節(jié)約能源，提高功效，與熱噴涂等方法相比，熔結爐的操作即無噪聲又無污染，可以完全做到對人體與環(huán)境無害。
6、性能價格比高，不僅提高了工件的表面性能，且大幅度降低了成本，例如將進口M-8型沖擊柱改為由本方法加工制造，其價格僅是進口原件價格的四分之一；又如ZJ-200型線材軋輥，以45號鋼代替硬質合金鋼作軋輥原材料，經過表面冶金方法處理，其成本僅為原來的五分之一。
綜上所述，表面冶金的熔結工藝與其它表面工藝相比，合金涂層厚度不限和對坯件的形狀、結構及部位不限這兩條是熔結合金層獨有的特性。電鍍、化學鍍、P.V.D及C.V.D等方法的最大局限性在于，其鍍層很薄，通常只有幾到幾百微米，且沒有牢固的冶金結合，容易脫落。噴涂、噴焊及激光表面合金化等技術的最大不足是均要受到工件形狀、結構與部位的限制。所以，表面冶金是表面工程發(fā)展至今，其綜合特性最佳的一種方法。
下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明

圖1是本發(fā)明中高溫熔結爐總體構造圖。
圖2是高溫熔結爐縱剖面構造圖。
圖3是高溫熔結爐爐底俯視圖。
圖4是圖4的A-A旋轉剖視圖。
圖5是圖4的B-B剖視圖。
圖6是高溫熔結爐頂帽裝置縱剖面構造圖。
圖7是圖6的A-A剖視圖。
圖8是高溫熔結爐電極縱面局部剖視圖。
圖中標號說明如下1、爐壁12、爐頂 11、水套壁 13、水套頂
14、進水咀15、隔板 16、出水咀117、導管 18、手把 19、帽座10、進水口2、爐底板21、定位柱22、托板 23、水套板24、熱偶座25、水咀 26、真空抽氣咀27、內筋圈28、外筋圈 29、電極座20、出水口3、帽壁31、帽蓋 32、轉軸座塊 33、密封盒34、轉軸 35、密封盒蓋 36、壓緊環(huán)37、動密封圈 38、手輪 39、制動鍵30、棘輪4、電極41、密封圈42、電極套 43、接電板44、電極棒45、膠墊 46、電極壓蓋47、電極進水5、爐架6、真空抽氣裝置實施例1采用表面冶金方法加工ZJ-66型沖擊柱。沖擊柱是日本M-8型超細粉碎機上的易損件，日本M-8型沖擊柱是用65Mn鋼經熱處理制成，其表面硬度只有Hv212，使用壽命按粉碎物料的數量計，不到2900噸。
本實施例提供了對替換產品ZJ-66型沖擊柱表面冶金的熔結工藝過程，其中包括以下步驟(1)、根據工件的使用要求和方法的制作要求選擇表面合金粉并配制有機粘結劑該例中選用Fe-基的ZJ-Fe型合金粉，其合金組成如下，C4.5～5、Si0.8～1.4、CrB36.3～38.9、余Fe；所配制有機粘結劑為酒精與松香組成的粘稠液體，該粘結劑能在熔結過程中自動分解并揮發(fā)干凈而不留下灰份。
(2)、調料將表面合金粉和有機粘結劑調制成粘稠適度的涂料，其中粘結劑的用量為合金粉用量的1-2％。
(3)、坯件清洗將普通的45號鋼作坯件放入清洗槽中，用清洗劑清洗并漂洗干凈。
(4)、涂敷以抹、撒或噴涂的方法把涂料涂敷到潔凈坯件的柱型表面并達到2mm厚度。
(5)、烘干在普通電烘箱內進行，烘干溫度為200℃，烘干時間為1小時。
(6)、熔結將工件放入專用高溫熔結爐中，封閉爐體并抽真空后，對電爐通電加熱，當加熱到200℃以上時，有機粘結劑充分發(fā)揮；至800～900℃時，表面合金粉部分熔融并浸潤45號鋼坯件的表面，此時在兩者的界面開始了金屬原子的擴散互溶過程，待擴散互溶到一定程度后在原來的界面上形成有一狹窄的互溶區(qū)；冷凝時，原來堆集的表面合金粉即熔融凝固成一個完整而致密的表面合金層，互熔區(qū)亦重結晶并以金屬鍵的方式將表面合金層與鋼質坯件牢固地冶金結合成一個整體。在熔結過程保持1～3×10-2mmHg真空度。熔結溫度為1200～1280℃。熔結周期為15分鐘。其表面硬度為Hv900，用本發(fā)明表面冶金方法處理過的ZJ-66型沖擊柱粉碎物料，可達到8000噸以上。
上述實施例1的表面冶金方法是在下述高溫熔結爐中完成熔結過程的。
在圖1中，直徑為1000mm的鐘罩形爐體座落于爐底上，爐底由爐架支撐，爐體上安裝有頂帽裝置，真空裝置由真空泵、真空管路和真空測量系統組成。
在圖2中，爐體為夾層水冷結構，內層為爐壁(1)和爐頂(12)，外層為水套壁(11)和水套頂(13)，內層的爐壁與爐頂焊接為一體，外層的水套壁水套頂焊接為一體，內外層之間形成夾層，內層所包容的空間為爐膛，水套頂上部設有進水咀(14)并與夾層相通，隔板(15)與爐頂焊接為一體并形成水包，爐頂上部設有出水咀(16)和進水口(10)，進水口和出水咀與水包相通，冷卻水經進水咀流入夾層，經進水口流入冷卻水包，再經出水咀排出爐外，導管(17)貫通于隔板及爐頂的頂部中心與爐膛相通，水套壁的下端部固定連接有手把(18)，爐頂焊接有帽座(19)。
在圖3、圖4、圖5中中爐底的底面為夾層水冷結構，爐底板(2)的上部經定位柱(21)安裝有托板(22)，工件放在托板上，爐底板的下部與水套板(23)焊接為一體并形成爐底水套，爐底中心貫穿爐底板、托板和水套板焊接連接有熱偶座(24)，熱電偶經此插座插入爐膛，水套板上焊接有一個進水咀(25)和一個出水咀(20)，此進水咀和出水咀與爐底水套相通，穿過爐底板和水套板焊接有真空抽氣咀(26)，真空抽氣咀伸入爐膛，爐底板與托板之間支撐有內筋圈(27)與外筋圈(28)，穿過爐底板按120°間隔焊接有三個電極座(29)，三支水冷銅電極由此電極座伸入爐膛。
在圖6、圖7中，頂帽裝置的帽壁(3)上端固定有帽蓋(31)，帽壁的一側固定有轉軸座塊(32)，相對的一側固定有密封盒(33)，轉軸(34)由轉軸座塊和密封盒支承并延伸于密封盒之外，轉軸中間部位設有槽孔，密封盒的外側面連接有密封盒蓋(35)，密封盒內設有壓緊環(huán)(36)，轉軸于密封盒內的軸段，在緊貼密封盒蓋處套有動密封圈(37)，密封盒蓋之外的軸端固定套裝有手輪(38)，手輪上連接有手輪柄，密封盒蓋的臺階部裝設有制動鍵(39)，手輪上與制動鍵相對應的位置處固定有棘輪(30)，兩者相嚙合，使手輪單向旋轉。在轉軸中間部位的槽孔上攜有一根卷揚鋼絲，鋼絲通過爐體上部冷卻水包的中心導管向下伸向爐膛，并與爐膛內的隔熱屏相連，當熔結完畢，爐膛需要冷卻時，只要轉動手輪，使鋼絲上揚，打開隔熱屏，就會達到快速冷卻的效果。
在圖8中水冷電極的電極(4)經套裝密封圈(41)和電極套(42)后安裝在電極座(29)內，電極中間為空心，其上端封閉并深入爐膛，其下端開口，并在固裝接電板(4 3)、套裝電極棒(44)后經膠墊(45)由電極壓蓋(46)封于底部，電極進水咀(47)經電極壓蓋深入電極的空心部位，接電板通過導線與與供電變壓器相連，電極則與爐膛內的加熱爐絲相連，環(huán)行加熱爐絲用耐火支架放置在托板上，在爐絲與水冷爐壁之間用隔熱屏隔開。
當需要熔結工件時，先在爐底的托板上放好大小合適的耐火墊，再把需表面冶金的工件，ZJ-66型沖擊柱平穩(wěn)安放在耐火墊上，落下隔熱屏，罩好并封閉爐體，抽真空后將電極通入電壓，待熔結完畢后立刻上揚鋼絲，通入冷卻水，打開隔熱屏，此時爐溫迅速下降，當爐溫下降至室溫時，停止抽真空，提起爐體，取出工件和耐火墊，即完成了此次熔結周期。
實施例2采用本發(fā)明表面冶金方法處理ZJ-200型線材軋輥。當今高速線材軋機的軋輥，均采用WC硬質合金線材軋輥，其價格昂貴。替代產品ZJ-200型線材軋輥的熔結工藝過程，包括以下步驟
(1)、根據工件的使用要求和方法的制作要求選擇表面合金粉并配制有機粘結劑該例中選用Ni-基的ZJ-Ni型合金粉，其合金組成如下，C0.52～0.6、Si2.8～3.36、B0.64～0.7、Mo2～3.2、Fe≤8、CrB12.56～15.44、WC15～20、余Ni；所配制有機粘結劑為酒精與松香組成的粘稠液體，該粘結劑能在熔結過程中自動分解并揮發(fā)干凈而不留下灰份。
(2)、調料將表面合金粉和有機粘結劑調制成粘稠適度的涂料，其中粘結劑的用量為合金粉用量的2-3％。
(3)、坯件清洗將普通的45號鋼作坯件放入清洗槽中，用清洗劑清洗并漂洗干凈。
(4)、涂敷以抹、撒或噴涂的方法把涂料涂敷到潔凈坯件的柱型表面并達到7～8mm厚度。
(5)、烘干在普通電烘箱內進行，烘干溫度為200℃，烘干時間為1.5小時。
(6)、熔結將工件放入專用高溫熔結爐中，封閉爐體并抽真空后，對電爐通電加熱，在熔結過程保持1～3×10-2mmHg真空度。熔結溫度為1050～1180℃。熔結周期為50分鐘。
實施例2采用的專用熔結爐與實施例1中相同。
實施例3采用表面冶金方法加工ZJ-65型制磚機絞刀頭。絞刀頭是最易磨損的部件，一只模具鋼的絞刀頭只能擠壓1500米左右磚坯；而一只ZJ-65型絞刀頭可以擠壓8000米以上。ZJ-65型絞刀頭是以45號鋼做坯件然后在螺旋葉上熔結1mm厚的ZJ-Ni型表面合金層。合金成份及方法過程與實施例2相同，熔結溫度也相同，而熔結時間為30分鐘。實施例3采用與實施例1相同的高溫熔結爐。
實施例4采用本發(fā)明提供的表面冶金方法及專用設備加工ZJ-61型泥漿泵缸套。泥漿泵缸套的內壁極易磨損，以往用電鍍硬質鉻鍍層來強化，鍍層不僅容易脫落，且使用壽命短。現以原缸套為坯件熔結0.6mm后的ZJ-Ni合金層來強化內壁，合金層不會脫落，且使用壽命延長了3～5倍。合金成分為C0.65～0.75、Si3.5～4.2、B0.64～0.7、Mo2.5～4、Fe≤10、CrB15.7～19.3、余Ni。熔結溫度為1050～1180℃。熔結周期為32分鐘。工藝過程及所采用的高溫熔結爐與實施例1相同。
實施例5采用表面冶金方法加工ZJ-66型球閥。用于火電站灰渣處理系統和煉油廠油漿處理系統的氣動偏芯旋轉調節(jié)閥，是一種要求耐磨、耐沖刷又耐腐蝕的球閥。原用316不銹鋼制作，其使用壽命僅為三個月左右，現在原來不銹鋼閥件表面熔結2mm厚的ZJ-Ni型表面合金層，使壽命提高到一年左右。合金成分與實施例4相同，熔結溫度亦相同，熔結時間為1小時。工藝過程及所采用的高溫熔結爐與實施例1相同。
實施例6ZJ-66型鋁型材擠壓模。在鋁型材擠壓模的型腔表面熔結1.5mm厚的ZJ-Ni型表面合金，可將使用壽命提高3～5倍。原因是ZJ-Ni型表面合金有極好的高溫硬度，足以抵御500～600℃高溫鋁溶液的擠壓和沖刷磨損。合金成分及熔結條件與實施例2相同。工藝過程及所采用的高溫熔結爐與實施例1相同。
權利要求
1.一種表面冶金方法，其特征在于包括以下步驟選配表面合金粉和配制有機粘結劑→調料→坯件清洗→涂敷→烘干→熔結；(1)、選配表面合金粉和配制有機粘結劑其中表面冶金粉包括有Ni-基、Co-基或Fe-基；有機粘結劑為受熱后可揮發(fā)性通用粘結劑；(2)、調料將表面合金粉和有機粘結劑調制成粘稠狀涂料，其中粘結劑的用量為合金粉用量的1～3％；(3)、坯件清洗將不同品種的坯件放入清洗槽中，用清潔劑或酒精清洗并漂洗干凈；(4)、涂敷以抹、撒或噴涂的方法把涂料涂敷到潔凈坯件的特定表面；(5)、烘干將敷有涂料的坯件放入普通電烘箱內進行烘干，烘干溫度為200℃以下，烘干時間為1～3小時；(6)、熔結將上述烘干后的坯件放入專用高溫熔結爐爐膛中，封閉爐體，通入非氧化氣氛或抽真空或后，對電爐通電加熱，經過特定時間的升溫和保溫，停止對電爐加熱、停止非氧化氣氛保護或停止抽真空，向爐體夾層和水包通入冷卻水，表面合金層與鋼質坯件冶金結合成一體。
2.據權利要求1所述的表面冶金方法，其特征在于在熔結工藝步驟中，抽真空后的爐膛內，其真空度為1～3×10-2mmHg。
3.據權利要求1所述的表面冶金方法，其特征在于在熔結工藝步驟中，熔結溫度為1300℃以下。
4.據權利要求1所述的表面冶金方法，其特征在于在熔結工藝步驟中，加熱熔結周期為幾分鐘～數小時。
5.一種用于權利要求1表面冶金方法的高溫熔結爐，主要由爐體、爐底、爐架所構成，其特征在于爐體為夾層結構，在爐體內的頂部設有一冷卻水包，貫穿冷卻包和爐頂固定連接有一根導管，爐底亦為夾層結構，爐底上支撐有托板，在爐體與爐底上均設有進水口與出水口，爐底板上裝設有電極座與熱偶座，固定在電極座上的電極和固定在熱偶座上的熱電偶均通至爐膛；另有一真空抽氣裝置，其抽氣管路端頭連接的真空抽氣咀通至爐膛內。
6.根據權利要求5所述的高溫熔結爐，其特征在于爐膛中裝設有一隔熱屏，在爐體的頂部設有一頂帽裝置，該裝置內由轉軸座塊和密封盒支承有一根轉軸，密封盒內裝有壓緊環(huán)和動密封圈，密封盒蓋上固定有制動鍵，轉軸的外端固定有手輪，手輪上與制動鍵相應的位置處設有棘輪，制動鍵與棘輪相嚙合。
7.根據權利要求5所述的高溫熔結爐，其特征在于爐底板上裝設的電極座的個數可以是兩個或三個，并且是等角度均勻分布。
8.根據權利要求5所述的高溫熔結爐，其特征在于電極座上固定的電極為空心結構，電極進水咀套設膠墊和電極壓蓋后伸入電極空心部位，電極與爐內的爐絲相連。
9.根據權利要求5所述的高溫熔結爐，其特征在于頂帽裝置上的壓緊環(huán)為彈性材料，數個壓緊環(huán)呈拱型依托密封盒內壁支承轉軸。
全文摘要
一種表面冶金方法及專用高溫熔結爐，其方法包括將表面合金粉與有機粘結劑調制成涂料、將涂料涂敷到清洗干凈的鋼鐵工件特定表面、烘干、熔結等步驟；熔結是在由爐體、爐底、爐架、頂帽裝置、真空系統、電極所構成的高溫熔結爐中進行，爐體和爐底為夾層水冷結構，把鋼鐵坯件放入爐膛，抽真空后加電，將具有耐磨和耐腐蝕特性的表面合金熔結在坯件表面，達到冶金結合并致密無孔，不受坯件形狀、結構的影響，表面合金層的厚度亦無限制。
文檔編號B22F7/00GK1316548SQ0010751
公開日2001年10月10日 申請日期2000年5月15日 優(yōu)先權日2000年4月4日
發(fā)明者吳仲行, 謝梅英 申請人:吳仲行