專利名稱：小零件滲鉻的改進方法
技術領域：
本發明一般涉及給工業零件施加擴散涂層的方法，更具體地說，涉及一種快速而高效地給零散鐵質小工業零件滲鉻的新方法。
滲鉻是一種為了提高耐腐蝕性尤其是高溫時的耐腐蝕性，而在鐵質零件上形成鉻擴散涂層的方法。開發研究滲鉻法的目的是在受到極端條件作用的零件上形成完整的保護表面涂層，從而延長其使用壽命。
給螺釘、螺絲、螺栓等零件滲鉻一般是利用粉末包埋滲金屬方法完成的。該方法是在一曲頸甑中將零件包埋在氧化鋁、鉻和鹽激活劑的干燥粉末混合物中，然后將瓶密封加熱。在加熱過程中，曲頸甑的溫度升高至一定溫度然后保溫一段時間。在加熱過程中發生的化學反應形成了一層向鐵質零件內部擴散的高鉻表面層。冷卻曲頸甑和零件，然后從曲頸甑中取出具有一層鉻涂層的零件。
但是，包埋滲金屬法在用于零散小零件時有嚴重的缺點。各個零件之間或大零件表面各處的涂層厚度時常差異很大。這是由于粉末包埋層的導熱性較差，由此造成被包埋零件的升溫速度很慢而且不均勻。該方法的另一缺點是，如果零件彼此直接接觸，鉻涂層的擴散會在接觸部位將這些零件連結在一起。而且，該方法會造成大量的粉末廢棄物。
Davis轉讓給The Babcock & Wilcox Company的美國專利4,904,501公開了一種給鐵素體鋼鍋爐零件表面滲鉻的改進方法，該方法直接將含鉻的水性涂料組合物涂在需要滲鉻的表面。水性組合物中包含鉻、氧化鋁、藻酸銨或甲基纖維素之類的粘合劑和鹵化物活化劑。
Davis轉讓給The Babcock & Wilcox Company的美國專利5,135,777和5,041,309還公開了在包埋滲金屬技術基礎上的其它改進方法。在這些方法中，某種惰性耐火材料容器或陶瓷載體首先被涂以擴散組合物漿料。擴散組合物中包含作為擴散元素的鉻。然后將該載體或容器插入或放在需要涂覆的零件之內或之上，然后通過熱處理在零件上形成擴散層。然后在熱處理之后除去載體或容器。該方法有時被稱為“氈式”法，因為所述的惰性載體通常是用氧化鋁-二氧化硅纖維紡成的紙或氈。
氈式滲鉻法可在大表面上或大的連續區域上獲得均勻的鍍層而廢料很少。但是，該方法在用于例如帶螺紋的螺釘、螺栓等小的散件時，就不能完全表現出這個優點。例如，要給碳鋼螺栓(例如焊接在鍋爐管上的那些螺栓)滲鉻，在使用包埋滲金屬法術和氈式法時，需要采取特殊措施來確保各螺栓的位置以避免在熱處理過程中金屬與金屬的接觸點將螺栓熔結在一起。所用的特殊措施往往很費時間，而且效果不太，因為零件通常會在滲鉻過程中移動，因而還是熔結在一起。于是，又需要另外再花時間將有用的零件與因涂層不勻而報廢的零件分開。
本發明的目的之一是提供一種改進的滲鉻方法，它能夠快速而經濟地涂覆工業量的小散件。
本發明的另一目的是提供一種用鉻擴散涂層均勻涂覆鐵質零件來加強其在一些極端條件下耐用性的方法。根據此方法，需要一個底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑。將需要滲鉻的大量小的、零散的鐵質零件在耐火材料毛氈紙上放成一層。對這些零件噴涂含鉻漿料，然后在密封曲頸甑之前、同時或之后進行干燥。較好的是，含鉻漿料由氧化鋁、鉻和水組成，但是如果需要與例如硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭等其它元素共擴散時，也可以將這些其它物質加在以鉻為基的漿料中。曲頸甑在密封后，加熱至一定的溫度并保溫足夠的時間，產生化學反應從而給這些大量的鐵質零件滲鉻。在第一層零件上面可以先放一層耐火材料毛氈紙或滲鉻用的氈，接著放上另一層零件，這樣就可以在曲頸甑中放置許多層零件。各層噴涂有漿料的零件之間有耐火材料毛氈紙相隔離。可以以這種方式將曲頸甑裝滿，然后在將曲頸甑密封之前、同時或之后將各層噴涂有漿料的零件干燥。曲頸甑密封之后，將其加熱至一定的溫度并保溫足夠的時間，產生化學反應給大量鐵質零件滲鉻。然后可將已滲鉻的零件從曲頸甑中取出，進行最后加工(清潔處理)以供使用。
本發明還提供了同時給大量小的零散鐵質零件滲鉻的另一種方法。該方法也需要一個底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑。但是，不是先將大量鐵質零件放在耐火材料毛氈紙上然后噴涂含鉻漿料，而是先給零件噴涂含鉻漿料，然后放在耐火材料毛氈紙上。同樣，這大量零件和一層毛氈紙形成一層。在密封曲頸甑之前、同時或之后，將噴涂過的大量零件干燥。同樣，曲頸甑密封以后，將其加熱至一定的溫度并保溫足夠的時間，產生化學反應給大量鐵質零件滲鉻。大量鐵質零件可以通過在一個充滿漿料的大型容器中的翻滾來涂上鉻基漿料。如果需要在零件中共擴散例如硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭等其它元素，可以在零件翻滾的鉻基漿料中加入這些物質。
本發明還提供了一種同時給大量小的零散鐵質零件上形成鉻與選自硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中至少一種元素的共擴散涂層的方法。該方法需要一個底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑。大量需要擴散涂覆的零散鐵質小零件放在耐火材料毛氈紙上，這大量零件和毛氈紙形成第一層。然后給這些零件噴涂含有氧化鋁、鉻、水、粘合劑與選自硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中至少一種元素的漿料，然后在密封曲頸甑之前、同時或之后進行干燥。將曲頸甑密封以后，將其加熱至一定的溫度并保溫足夠的時間，產生化學反應從而在每一個鐵質零件上形成一層共擴散鍍層。
所附的權利要求書中體現了本發明的各種獨特的新穎性，這些權利要求是本發明公開內容的一部分。為了更好地理解本發明、其操作優點和通過使用達到的目的，以下將參照附圖和最佳實施方式對本發明進行說明。
在附圖中

圖1是用于本發明的曲頸甑的頂視圖；圖2是本發明使用的曲頸甑中各零件層的側視截面圖。
本發明的方法是在工業量的鐵質零散小零件(例如但不限于螺釘、螺母、墊圈、扣件、配件、耦合件、螺栓等或類似零件)上擴散涂覆一層高濃度鉻層的改進方法。
參見附圖，首先需要有一個如圖1和圖2所示的曲頸甑10。將一層耐火材料毛氈紙30放在曲頸甑10的底部。耐火材料毛氈紙30可以是任何一種的，例如用Unifrax Corporation的FIBERFRAX陶瓷纖維或者Thermal Ceramics的KAOXOOL陶瓷纖維制成的毛氈紙。它還可以是一層薄的絕緣氈料。
然后，許多小零件20(圖中以六角螺母和圓柱銷為例來表示)放在毛氈紙30上，這許多鐵質零件和毛氈紙視作一層。即使小零件可能互相接觸，但是在根據本發明方法給它們滲鉻即擴散涂覆時，它們卻不會象在包埋滲金屬法中那樣熔結在一起。這被認為主要是因為存在著氧化鋁，它能防止零件之間的彼此粘連。雖然為了達到這一目的，氧化鋁是較好的，但是據信任何非反應性陶瓷氧化物惰性填料也可具有相同的作用。將零件20在毛氈紙30上排成一層后，在這些零件20上噴涂滲鉻漿料，漿料基本上涂到零件上全部可達到的區域。這是本發明的重要優點之一，因為完全覆蓋一個零件的全部表面并不是加熱后在零件上形成一層適合工業使用的鉻擴散涂層所要求的。較好的滲鉻混合物漿料由氧化鋁粉末、鉻粉末、粘合劑和水組成，但是也可以使用漿料形式的其它滲鉻混合物。漿料中的鉻是在零件上形成主擴散涂層的物質的來源。漿料中氧化鋁的作用是使得鉻粉末分布均勻并防止零件熔結在一起。水起著載體的作用，形成在零件上進行噴涂的漿料。
在零件20上噴涂含鉻漿料可以方便地利用氣動噴漆機來完成。在制備漿料時，先將粉末組分干混合，然后再與作為粘合劑的2％甲基纖維素的去離子水溶液混合。干混合粉末組分與甲基纖維素溶液混合的重量比是70∶30。如上所述，可以向零件20隨鉻一起共擴散鋁和硅。這就需要如下的混合組合物氧化鋁漿料氧化鋁干粉 70％重量甲基纖維素溶液 30％重量鉻/氧化鋁漿料50/50的鉻/氧化鋁干粉混合物 70％重量甲基纖維素溶液 30％重量鉻/硅/氧化鋁漿料20/5/75的鉻/硅/氧化鋁干粉混合物70％重量甲基纖維素溶液 30％重量在第一層零件20涂以滲鉻漿料后，可以在第一層上放置另一層毛氈紙30作為第二層的墊底，就象圖2中所示的。毛布紙30防止層與層之間的相互作用，用作各層大量零件20之間的惰性分隔層。以后放上去的各層零件都同樣地涂以滲鉻漿料，然后再放上另一層毛氈紙30。如果需要，部分或全部的毛氈紙可以用浸漬了漿料的滲鉻用氈代替，以便更好地在鐵質零件上形成擴散涂層。
以這種方式，許多相同或不同的零件20(例如但不限于螺釘、螺母、墊圈、扣件、配件、耦合件、螺栓等)都可以同時放在曲頸甑10中進行滲鉻。在曲頸甑10被各層充滿后，進行干燥。雖然干燥步驟對于在進行擴散涂覆加熱之前去除全部濕氣是十分重要的，但可以在密封曲頸甑之前、同時或之后進行。如有必要，可以在密封曲頸甑時或密封后向其中的一部分通入氬氣或氮氣之類惰性氣體。驅出的空氣和濕氣則從曲頸甑上另一處的出口排出。可以一層層地進行干燥，但較好的是一次性對曲頸甑中的全部零件進行干燥。
曲頸甑10在密封后，以常規方法加熱，例如將曲頸甑10的溫度升高到一定的高溫(例如將其置于加熱爐中)，然后保溫足夠長的時間，使得滲鉻漿料與鐵質零件20中的鐵發生反應，并在涂有滲鉻漿料的零件20上形成高鉻濃度的表層。然后冷卻曲頸甑10，從構成各層墊底的毛氈紙30上取出已滲鉻的零件20。然后將這些零件20放在一轉筒中進行翻滾，以去除滲鉻零件20上殘留的碎屑，然后進行檢查使用。有關典型的滲鉻加熱方法，以及用于替代或與耐火材料難熔毛氈紙一起使用的滲鉻用氈是如何制造的，可參見前述美國專利4,904,501,5,135,777和5,041,309，本文全面結合參考了這些文獻。
以所述方法滲鉻的零件樣品，經顯微鏡檢查顯示，在每個被檢零件上都形成了一層均勻的涂層，該擴散涂層的厚度通常約為10密爾。如果滲鉻零件是有螺紋的扣件，由輕微粘連或廢漿料顆粒殘留引起的表面粗糙可以很方便地用電拋光技術來進行平整，這將有利于螺紋的嚙合。這種電拋光還被用在汽車管接件上，可以改善它們的外觀。電拋光技術使用15％的硫酸作為電解質，使用10至12伏的電壓和4至5A/cm3的電流密度，每個零件電拋光7分鐘。
用漿料涂覆零件20的另一種方法，是將零件20先在滾筒中涂覆滲鉻漿料，然后在曲頸甑中的耐火材料毛氈紙30上放置成層。其余步驟與前文所述的相同。
雖然為了說明本發明原理的應用而詳細描述了具體的實施例，但是本發明的原理還可以其它方式來實施。如前文所述，本發明主要是高效地生產大量滲鉻鐵質零件，但本發明的方法也可以方便地被改用于形成鉻和一種或多種例如硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭待其它元素的共擴散層。
權利要求
1．一種同時給大量零散鐵質小零件滲鉻的方法，它包括以下步驟提供底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑；將大量需要滲鉻的零散鐵質小零件放在耐火材料毛氈紙上，這些大量零件和耐火材料毛氈紙形成第一層；用含鉻漿料噴涂大量零件，并將經噴涂的這些大量零件干燥；加熱曲頸甑至一定溫度，然后保溫足以產生化學反應從而給大量鐵質零件滲鉻所需的時間。
2．根據權利要求1所述的方法，它還包括在曲頸甑中的第一層上放置第二層，用含鉻漿料噴涂第二層，再干燥各層中大量的經噴涂零件。
3．根據權利要求1所述的方法，它還包括增加其它層直至將曲頸甑充滿，用含鉻漿料噴涂各層中的大量零件，再干燥全部各層中大量的經噴涂零件。
4．根據權利要求3所述的方法，各層中至少有一層具有浸漬了含鉻漿料的滲鉻用氈。
5．根據權利要求1所述的方法，它還包括在熱處理和翻滾大量零件以去除其上的碎屑后從曲頸甑中取出大量零件。
6．根據權利要求1所述的方法，其中的含鉻漿料包含氧化鋁粉末、鉻粉末、粘合劑和水。
7．根據權利要求1所述的方法，其中的含鉻漿料包含氧化鋁粉末、鉻粉末、粘合劑、水與硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中的至少一種。
8．一種同時給大量零散鐵質小零件滲鉻的方法，它包括以下步驟提供底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑；用含鉻漿料涂覆大量鐵質零件；將大量已涂覆漿料的零散鐵質小零件放在耐火材料毛氈紙上，這些大量零件和耐火材料毛氈紙形成第一層，然后將經涂覆的大量零件干燥；加熱曲頸甑至一定溫度，然后保溫足以產生化學反應從而給大量鐵質零件滲鉻所需的時間。
9．根據權利要求8所述的方法，它還包括在曲頸甑中的第一層上放置第二層涂覆過的零件，然后干燥各層中大量涂覆過的零件。
10．根據權利要求8所述的方法，它還包括增加其它層涂覆過的零件直至將曲頸甑充滿，然后干燥全部各層中大量涂覆過的零件。
11．根據權利要求10所述的方法，各層中至少有一層具有浸漬了含鉻漿料的滲鉻用氈。
12．根據權利要求8所述的方法，它還包括在熱處理和翻滾大量零件以去除其上的碎屑后從曲頸甑中取出大量零件。
13．根據權利要求8所述的方法，其中的含鉻漿料包含氧化鋁粉末、鉻粉末、粘合劑和水。
14．根據權利要求8所述的方法，其中的含鉻漿料包含氧化鋁粉末、鉻粉末、粘合劑、水與硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中的至少一種。
15．一種同時在大量零散鐵質小零件上形成鉻與選自硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中至少一種的共擴散涂層的方法，它包括以下步驟提供底部襯有耐火材料毛氈紙的曲頸甑；將大量需要擴散涂覆的零散鐵質小零件放在耐火材料毛氈紙上，這些大量零件和耐火材料毛氈紙形成第一層；用含有氧化鋁、鉻、水、粘合劑與選自硅、鋁、釩、鉬、鈦、鈮、鎢和鉭中至少一種的漿料噴涂大量零件，然后將經噴涂的大量零件干燥；加熱曲頸甑至一定溫度，然后保溫足以產生化學反應從而在大量鐵質零件形成共擴散涂層所需的時間。
全文摘要
本發明公開了一種給工業量的鐵質工業小零件滲鉻的改進方法,這樣的零件例如但不限于螺釘、螺母、墊圈、扣件、配件、耦合件、螺栓等,該方法使用裝滿著涂有含鉻漿料的多層零件的曲頸甑。大量零件在各層耐火材料毛氈紙上排列成層,然后經受熱處理產生漿料與鐵質零件之間的滲鉻反應。
文檔編號C23C10/32GK1213014SQ9811564
公開日1999年4月7日 申請日期1998年6月30日 優先權日1997年9月26日
發明者D·D·齊格勒, J·M·坦佐什, W·R·莫恩 申請人:麥克德莫技術股份有限公司