[发明专利]工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性或合金化处理技术领域，特别是涉及一种工业化微波加热扩散涂层制备方法及装置。

背景技术

固态多元表面合金化处理是利用加热状态下金属原子的扩散渗透作用，将一种或多种金属元素扩散进金属材料表面形成一种合金防护层的一类粉末包埋化学热处理工艺，2008年出版的美国ASTM-A1059/A1059M-08：《Standard Specification for Zinc Alloy Thermo-DiffusionCoatings on Steel Fasteners，Hardware，and Other Products》标准将这种工艺形成的防护层称为热扩散涂层(Thermo-Diffusion Coatings-TDC)。通过热扩散涂层处理工艺可以明显改善金属材料表面耐腐蚀、耐磨损、抗氧化及抗冲击等使用性能，有效扩大金属材料的应用范围。因此固态多元热扩散表面改性及处理技术是机械制造领域最重要的热加工工艺和方法之一。

目前已开发了许多热扩散表面改性及处理工艺，如渗锌(Zn)、渗铝(Al)、锌-铝共渗、渗硼(B)、渗铬(Cr)、渗镍(Ni)、渗矾(V)等表面合金强化技术。这些传统粉末包埋化学热处理工艺可以在许多专著或手册中找到，如(苏)利亚霍维奇主编、孙一唐等译：《金属和合金的化学热处理手册》，上海科技出版社，1986年出版；卢燕平和于福洲合编：《渗镀》，机械工业出版社，1985年出版；孙希泰等编著：《材料表面强化技术》，化工出版社，2005年出版等。

传统的粉末包埋化学热处理工艺可采用静态或动态加热的处理方式(粉末包埋金属工件处于静止状态、或滚动状态下进行加热)。试验表明：在加热过程中粉末渗剂与金属工件之间的机械滚动摩擦、冲击作用，更有利于新鲜扩散渗剂与被处理工件表面的紧密接触，并且使得被加热介质温度场均匀化、加速冶金扩散化学反应。因此，工业化粉末包埋渗锌及锌铝共渗工艺都是采用不断滚动的加热处理方式。2001年山东大学基于机械滚动摩擦、冲击有助于促进粉末包埋热扩散过程、降低热扩散温度的原理(称为机械能助渗原理)，提出了“机械能助渗金属表面改性技术(CN1320717A)”，将滚动粉末渗锌方法拓宽到渗铝、渗硅、渗铜、渗锰及锌铝共渗过程。

目前工业化粉末包埋工艺(如粉末渗锌及锌/铝共渗等)均采用燃气或电热处理炉进行加热保温处理，所存在的主要问题仍是热处理工艺时间长、生产效率低(如滚动粉末渗锌过程中从加热到保温至少要4小时以上，而静态粉末包埋锌/铝共渗将达到10小时以上)，其次是在传统热辐射传导过程中，大量热量消耗在炉体环境和工件本身的加热与保温上，有效热量利用率很低、能源浪费严重。如何缩短工艺周期、降低能耗和生产成本是目前传统热处理行业迫切需要解决的主要问题、也是现代热处理工艺发展的重要方向，而要解决这一问题就必须在固态扩散化学热处理原理和机制、热处理工艺及热处理设备方面获得基础性突破进展。

微波能作为一种加热热源目前已在食物加工、纺织品和木制产品干燥；陶瓷、半导体、无机和聚合物材料加工等领域获得广泛应用。与传统热传导、辐射加热过程比较，微波加热具有体积性直接加热、加热速度快(时间短、节能)、加热效率高，可进行空间选择性加热并促进化学反应等许多优势。材料的微波加工在2000年以前主要局限于陶瓷、半导体、无机和聚合物材料。由于全部固体金属不吸收并反射微波、并引起电弧形成，因此传统观念认为微波能很难应用于金属材料的加热处理。但自从1998年美国材料学家R.Roy等首次在实验室证实金属粉末及混合介质的微波高温加热与烧结机制后(R.Roy，D.Agrawal，J.Cheng and S.Gedevanishvili，“Full sintering of powdered metals parts in microwaves”，Nature，399，June 17，1999)，微波在金属材料加工领域的应用研究获得突破性进展。