本发明专利技术为一种用于金属管形零件内表面强化的直流电场增强粉末法渗铝方法与装置，其采取在欲处理管形零件内部填充粉末渗铝剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，管形零件两端密封、绝缘，以柱状电极作为正极、管形零件作为负极，两极相互平行，管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂一起密封在渗箱中，置于箱式炉中加热，当炉温到设定值后，在管件与正极间施加适当的直流电场，即可实现管形零件内表面的快速渗铝。该法与现行方法相比，在650～950℃范围的不同温度，采用本方法的渗铝层厚度可增加一倍以上(与具体工艺参数有关)。该方法与装置可提高金属管形零件内表面的粉末法渗铝的渗速、降低渗铝温度、提高渗铝剂的利用率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属零件表面化学热处理的方法与装置，特指一种用于管形金属零件内表面改性、提高其耐腐蚀性、内表面抗渗碳与抗高温氧化性能的直流电场增强粉末法渗铝的方法与装置。
技术介绍
一些管形金属零部件(例如乙烯裂解炉中的裂解炉管、合成氨生产中的转化炉管)内表面主要以高温渗碳与高温氧化及由此导致的炉管开裂等方式失效。通过渗铝对其内表面进行改性来提高其内表面的抗渗碳与抗高温氧化性能是提高这些管形零件性能、延长使用寿命的十分有效的重要手段。通过内表面渗铝，还可有效提高碳素钢及低合金钢管内壁的抗腐蚀、抗磨损性能，进而取代价格昂贵的高合金钢管。将铝元素渗入零件表层的化学热处理工艺称为渗铝。渗铝层由于能在表层形成致密、稳定且与基体结合良好的Al2O3薄膜，阻碍碳与氧的渗入，因此具有很高的耐腐蚀、抗渗碳与抗高温氧化能力。渗铝可分为固体粉末法渗铝、热浸镀渗铝和气相渗铝等方法。对于管形金属零件(尤其是长/径比大的管形零件)的内壁渗铝，常采用固体粉末法渗铝，这在工艺操作上较方便。目前的粉末法渗铝根据零件性能要求及零件材质的不同，一般是在900 1100°C 之间进行的高温渗铝，常用保温时间6 10小时不等，获得几十至几百微米不等厚度的渗铝层。对于管形金属零件内壁的粉末法渗铝，目前所用方法与一般零件的粉末法渗铝基本相同，在管内填充渗铝剂后，将管件与渗剂密封于渗箱，置于炉中加热进行渗铝处理。现行的粉末法渗铝中活性铝原子的产生是由渗剂的热分解、相互反应而来，产生活性铝原子的效率较低，其浓度与渗铝温度、渗剂中供铝剂和活化剂含量等有着直接关系。随渗铝温度的提高，活性铝原子及含铝活性基团的浓度提高；活性铝原子及含铝活性基团向零件表面的扩散也主要依赖于温度作用的热扩散。要得到足够的渗铝层厚度，必须在高温下经过长时间保温，但高温长时间渗铝不仅能耗高，还会使零件基体材料组织粗化，降低零件基体材料的机械性能，加快渗箱等渗铝设备的氧化损耗；在一定范围内，增加渗剂中供铝剂和活化剂、催渗剂含量也可增加活性铝原子，提高渗速，但一些活化剂、催渗剂价格较昂贵，有些则会在渗铝过程中产生腐蚀等副作用，影响渗铝件的表面质量，同时也加快渗箱的失效。在以铝铁粉为供铝剂时，渗铝层均勻，但铝铁粉用量大，在渗剂中的含量一般高达60%以上，并且利用率不高。因此，现行管形金属零件内壁渗铝工艺存在处理温度高、处理时间长、能耗大、成本高等不足之处。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术通过强化渗铝剂反应，促进供铝剂的分解，加速活性铝原子的有效扩散和吸收，可显著降低渗铝温度，加快渗速，从而减少渗剂中供铝剂、活化剂的含量，提高供铝剂的利用率，缩短管形零件内壁渗铝时间。该法与管形零件内壁现行粉末法渗铝相比，在650 950°C范围的不同温度，采用本方法的渗铝层厚度可增加一倍以上。本专利技术克服了常规固体渗铝单纯依赖渗剂受热分解产生活性铝原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性铝原子的浓度与活性，减少腐蚀性活化剂的用量；柱状电极与管形零件内壁相对平行而置，在热扩散的同时，直流电场又加快铝向管形零件(负极)内壁的定向扩散速度，从而降低渗铝温度，加快渗速，提高供铝剂的利用率。本专利技术所述工作方法，其特征为在欲处理管形零件内部填充由供铝剂、活化剂、 填充剂组成的固体粉末渗铝剂，在渗剂中央放置一个柱状电极，以柱状电极作为正极，以管形零件作为负极，两极相互平行，极间距离2 50mm(具体根据管件内径确定)，两极由耐高温导线分别对应联接在一个电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源的正、负极上；管形零件(含柱状电极与渗铝剂)两端密封、绝缘，通过密封端盖与电源负极相通；密封后的管形零件(含柱状电极与渗铝剂)与防氧化填充剂一起再密封在渗箱中，将渗箱置于箱式炉中加热，温度范围为650 950°C，当炉温到设定值后，在两极间加上0 250伏之间的直流电压。本专利技术所述装置，其特征在于由置于管形零件内部填充的固体粉末渗铝剂中的柱形电极、管形零件两端的密封端盖(必须保证密封端盖与管形零件两端导电接触良好)与耐高温绝缘组件、放置管形零件(含柱状电极)与防氧化填充剂的渗箱、电压在0 250伏特范围连续可调的直流电源系统构成，直流电源正负两极分别通过耐高温导线连接柱状电极和一个密封端盖，通过端盖使管形零件与电源负极相联通。本专利技术中所用柱形电极可为实心电极，也可为材料壁厚范围为1 IOmm的中空柱形电极，采用熔点在1300°C以上的金属材料制作。柱形电极与欲渗铝管件内壁之间的距离5 50mm。柱形电极平行于欲渗铝管件内壁。采用熔点在1300°C以上的金属材料制作密封端盖。本专利技术的主要优点在于克服了常规固体渗铝单纯依赖渗剂受热分解产生活性铝原子之不足，利用直流电场的物理作用促进渗剂的分解，增加活性铝原子的浓度与活性，在热扩散的同时，直流电场还形成铝向管形零件(负极)内壁的定向扩散，增加活性铝原子与含铝活性基团在渗剂中扩散速度，从而可以降低渗铝温度，加快渗速，提高供铝剂的利用率。所以具有如下有益效果1)在采用与现行常规固体粉末渗铝相同的渗剂、温度和保温时间时，采用本方法的渗铝层厚度可增加一倍以上(与具体工艺参数有关)，供铝剂的利用率相应提高一倍以上；欲达到现行常规固体粉末渗铝层厚度，采用本方法可以减少供铝剂、活化剂的含量(至少可减少50 ，或缩短保温时间，或降低处理温度，从而节约能源，延长渗铝设备的寿命， 降低生产成本，提高管形零件的使用性能和寿命；2)相对于现有技术，本专利技术装置简洁、操作方便。附图说明附图1为管形零件内表面的直流电场增强粉末法渗铝装置示意图。1)耐火泥密封，2)渗箱，3)绝缘套管，4)柱形电极，5)密封盖，6)管形零件，7)电压连续可调直流电源系统，8)粉末渗铝剂，9)导电引线，10)耐火泥密封，11)防氧化填料，412)渗箱盖。 具体实施例方式本专利技术装置的示意图如附图1所示。下面为本专利技术的具体实施例实施例1被渗材料08Cr2AlMo钢材料的无缝钢管，钢管外径25mm、内径20mm、长度30mm ； 渗铝剂构成供铝剂(铝铁，含量20%)、活化剂(氯化铵2%，氟硼酸钾3%)、填充剂(碳化硅，余量)。将上述物质组成的固体粉末渗铝剂8装填在内壁欲渗铝钢管试样6中，渗剂中放置柱形电极4，柱形电极4和被渗钢管6内壁间距离8mm，钢管6两端及柱形电极4两端安装密封盖5、绝缘套3，再用耐火泥密封料10密封。以该柱形电极4作为正极，钢管6作为负极，钢管6与密封盖良好接触，两极分别通过导电引线9对应联接在一个电压在0 250 伏特范围连续可调的直流电源系统7的正、负极上，装配密封后的钢管试样6和柱形电极4 与防氧化填充剂11 一起由密封料1密封在带渗箱盖12的渗箱2中，将渗箱置于箱式炉中加热，渗铝温度为750°C，当炉温到设定值后，在两极间施加4A的直流电场，渗铝保温时间4 小时。试验结果08Cr2AlMo无缝钢管内壁获得近50 μ m的渗铝层；而采用同样渗剂配方，采用现有的常规粉末法渗铝工艺，同样经750°C X4小时渗铝，钢管内壁基本无渗铝层形成。实施例2被渗材料离心铸造HB40Nb奥氏体耐热钢管，钢管外径60mm、内径44mm、长度 60mm;渗铝剂构成供铝剂(铝铁，含量40%)、活化剂和催渗剂(本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谢飞，薛忠华，潘建伟，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：
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