小零件渗铬的改进方法 本发明一般涉及给工业零件施加扩散涂层的方法，更具体地说，涉及一种快速而高效地给零散铁质小工业零件渗铬的新方法。
渗铬是一种为了提高耐腐蚀性尤其是高温时的耐腐蚀性，而在铁质零件上形成铬扩散涂层的方法。开发研究渗铬法的目的是在受到极端条件作用的零件上形成完整的保护表面涂层，从而延长其使用寿命。
给螺钉、螺丝、螺栓等零件渗铬一般是利用粉末包埋渗金属方法完成的。该方法是在一曲颈甑中将零件包埋在氧化铝、铬和盐激活剂的干燥粉末混合物中，然后将瓶密封加热。在加热过程中，曲颈甑的温度升高至一定温度然后保温一段时间。在加热过程中发生的化学反应形成了一层向铁质零件内部扩散的高铬表面层。冷却曲颈甑和零件，然后从曲颈甑中取出具有一层铬涂层的零件。
但是，包埋渗金属法在用于零散小零件时有严重的缺点。各个零件之间或大零件表面各处的涂层厚度时常差异很大。这是由于粉末包埋层的导热性较差，由此造成被包埋零件的升温速度很慢而且不均匀。该方法的另一缺点是，如果零件彼此直接接触，铬涂层的扩散会在接触部位将这些零件连结在一起。而且，该方法会造成大量的粉末废弃物。
Davis转让给The Babcock & Wilcox Company的美国专利4,904,501公开了一种给铁素体钢锅炉零件表面渗铬的改进方法，该方法直接将含铬的水性涂料组合物涂在需要渗铬的表面。水性组合物中包含铬、氧化铝、藻酸铵或甲基纤维素之类地粘合剂和卤化物活化剂。
Davis转让给The Babcock & Wilcox Company的美国专利5,135,777和5,041,309还公开了在包埋渗金属技术基础上的其它改进方法。在这些方法中，某种惰性耐火材料容器或陶瓷载体首先被涂以扩散组合物浆料。扩散组合物中包含作为扩散元素的铬。然后将该载体或容器插入或放在需要涂覆的零件之内或之上，然后通过热处理在零件上形成扩散层。然后在热处理之后除去载体或容器。该方法有时被称为“毡式”法，因为所述的惰性载体通常是用氧化铝-二氧化硅纤维纺成的纸或毡。
毡式渗铬法可在大表面上或大的连续区域上获得均匀的镀层而废料很少。但是，该方法在用于例如带螺纹的螺钉、螺栓等小的散件时，就不能完全表现出这个优点。例如，要给碳钢螺栓(例如焊接在锅炉管上的那些螺栓)渗铬，在使用包埋渗金属法术和毡式法时，需要采取特殊措施来确保各螺栓的位置以避免在热处理过程中金属与金属的接触点将螺栓熔结在一起。所用的特殊措施往往很费时间，而且效果不太，因为零件通常会在渗铬过程中移动，因而还是熔结在一起。于是，又需要另外再花时间将有用的零件与因涂层不匀而报废的零件分开。
本发明的目的之一是提供一种改进的渗铬方法，它能够快速而经济地涂覆工业量的小散件。
本发明的另一目的是提供一种用铬扩散涂层均匀涂覆铁质零件来加强其在一些极端条件下耐用性的方法。根据此方法，需要一个底部衬有耐火材料毛毡纸的曲颈甑。将需要渗铬的大量小的、零散的铁质零件在耐火材料毛毡纸上放成一层。对这些零件喷涂含铬浆料，然后在密封曲颈甑之前、同时或之后进行干燥。较好的是，含铬浆料由氧化铝、铬和水组成，但是如果需要与例如硅、铝、钒、钼、钛、铌、钨和钽等其它元素共扩散时，也可以将这些其它物质加在以铬为基的浆料中。曲颈甑在密封后，加热至一定的温度并保温足够的时间，产生化学反应从而给这些大量的铁质零件渗铬。在第一层零件上面可以先放一层耐火材料毛毡纸或渗铬用的毡，接着放上另一层零件，这样就可以在曲颈甑中放置许多层零件。各层喷涂有浆料的零件之间有耐火材料毛毡纸相隔离。可以以这种方式将曲颈甑装满，然后在将曲颈甑密封之前、同时或之后将各层喷涂有浆料的零件干燥。曲颈甑密封之后，将其加热至一定的温度并保温足够的时间，产生化学反应给大量铁质零件渗铬。然后可将已渗铬的零件从曲颈甑中取出，进行最后加工(清洁处理)以供使用。
本发明还提供了同时给大量小的零散铁质零件渗铬的另一种方法。该方法也需要一个底部衬有耐火材料毛毡纸的曲颈甑。但是，不是先将大量铁质零件放在耐火材料毛毡纸上然后喷涂含铬浆料，而是先给零件喷涂含铬浆料，然后放在耐火材料毛毡纸上。同样，这大量零件和一层毛毡纸形成一层。在密封曲颈甑之前、同时或之后，将喷涂过的大量零件干燥。同样，曲颈甑密封以后，将其加热至一定的温度并保温足够的时间，产生化学反应给大量铁质零件渗铬。大量铁质零件可以通过在一个充满浆料的大型容器中的翻滚来涂上铬基浆料。如果需要在零件中共扩散例如硅、铝、钒、钼、钛、铌、钨和钽等其它元素，可以在零件翻滚的铬基浆料中加入这些物质。
本发明还提供了一种同时给大量小的零散铁质零件上形成铬与选自硅、铝、钒、钼、钛、铌、钨和钽中至少一种元素的共扩散涂层的方法。该方法需要一个底部衬有耐火材料毛毡纸的曲颈甑。大量需要扩散涂覆的零散铁质小零件放在耐火材料毛毡纸上，这大量零件和毛毡纸形成第一层。然后给这些零件喷涂含有氧化铝、铬、水、粘合剂与选自硅、铝、钒、钼、钛、铌、钨和钽中至少一种元素的浆料，然后在密封曲颈甑之前、同时或之后进行干燥。将曲颈甑密封以后，将其加热至一定的温度并保温足够的时间，产生化学反应从而在每一个铁质零件上形成一层共扩散镀层。
所附的权利要求书中体现了本发明的各种独特的新颖性，这些权利要求是本发明公开内容的一部分。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过使用达到的目的，以下将参照附图和最佳实施方式对本发明进行说明。
在附图中：
图1是用于本发明的曲颈甑的顶视图；
图2是本发明使用的曲颈甑中各零件层的侧视截面图。
本发明的方法是在工业量的铁质零散小零件(例如但不限于螺钉、螺母、垫圈、扣件、配件、耦合件、螺栓等或类似零件)上扩散涂覆一层高浓度铬层的改进方法。
参见附图，首先需要有一个如图1和图2所示的曲颈甑10。将一层耐火材料毛毡纸30放在曲颈甑10的底部。耐火材料毛毡纸30可以是任何一种的，例如用Unifrax Corporation的FIBERFRAX陶瓷纤维或者Thermal Ceramics的KAOXOOL陶瓷纤维制成的毛毡纸。它还可以是一层薄的绝缘毡料。
然后，许多小零件20(图中以六角螺母和圆柱销为例来表示)放在毛毡纸30上，这许多铁质零件和毛毡纸视作一层。即使小零件可能互相接触，但是在根据本发明方法给它们渗铬即扩散涂覆时，它们却不会象在包埋渗金属法中那样熔结在一起。这被认为主要是因为存在着氧化铝，它能防止零件之间的彼此粘连。虽然为了达到这一目的，氧化铝是较好的，但是据信任何非反应性陶瓷氧化物惰性填料也可具有相同的作用。将零件20在毛毡纸30上排成一层后，在这些零件20上喷涂渗铬浆料，浆料基本上涂到零件上全部可达到的区域。这是本发明的重要优点之一，因为完全覆盖一个零件的全部表面并不是加热后在零件上形成一层适合工业使用的铬扩散涂层所要求的。较好的渗铬混合物浆料由氧化铝粉末、铬粉末、粘合剂和水组成，但是也可以使用浆料形式的其它渗铬混合物。浆料中的铬是在零件上形成主扩散涂层的物质的来源。浆料中氧化铝的作用是使得铬粉末分布均匀并防止零件熔结在一起。水起着载体的作用，形成在零件上进行喷涂的浆料。
在零件20上喷涂含铬浆料可以方便地利用气动喷漆机来完成。在制备浆料时，先将粉末组分干混合，然后再与作为粘合剂的2％甲基纤维素的去离子水溶液混合。干混合粉末组分与甲基纤维素溶液混合的重量比是70∶30。如上所述，可以向零件20随铬一起共扩散铝和硅。这就需要如下的混合组合物：
氧化铝浆料
氧化铝干粉 70％重量
甲基纤维素溶液 30％重量
铬/氧化铝浆料
50/50的铬/氧化铝干粉混合物 70％重量
甲基纤维素溶液 30％重量
铬/硅/氧化铝浆料
20/5/75的铬/硅/氧化铝干粉混合物 70％重量
甲基纤维素溶液 30％重量
在第一层零件20涂以渗铬浆料后，可以在第一层上放置另一层毛毡纸30作为第二层的垫底，就象图2中所示的。毛布纸30防止层与层之间的相互作用，用作各层大量零件20之间的惰性分隔层。以后放上去的各层零件都同样地涂以渗铬浆料，然后再放上另一层毛毡纸30。如果需要，部分或全部的毛毡纸可以用浸渍了浆料的渗铬用毡代替，以便更好地在铁质零件上形成扩散涂层。
以这种方式，许多相同或不同的零件20(例如但不限于螺钉、螺母、垫圈、扣件、配件、耦合件、螺栓等)都可以同时放在曲颈甑10中进行渗铬。在曲颈甑10被各层充满后，进行干燥。虽然干燥步骤对于在进行扩散涂覆加热之前去除全部湿气是十分重要的，但可以在密封曲颈甑之前、同时或之后进行。如有必要，可以在密封曲颈甑时或密封后向其中的一部分通入氩气或氮气之类惰性气体。驱出的空气和湿气则从曲颈甑上另一处的出口排出。可以一层层地进行干燥，但较好的是一次性对曲颈甑中的全部零件进行干燥。
曲颈甑10在密封后，以常规方法加热，例如将曲颈甑10的温度升高到一定的高温(例如将其置于加热炉中)，然后保温足够长的时间，使得渗铬浆料与铁质零件20中的铁发生反应，并在涂有渗铬浆料的零件20上形成高铬浓度的表层。然后冷却曲颈甑10，从构成各层垫底的毛毡纸30上取出已渗铬的零件20。然后将这些零件20放在一转筒中进行翻滚，以去除渗铬零件20上残留的碎屑，然后进行检查使用。有关典型的渗铬加热方法，以及用于替代或与耐火材料难熔毛毡纸一起使用的渗铬用毡是如何制造的，可参见前述美国专利4,904,501,5,135,777和5,041,309，本文全面结合参考了这些文献。
以所述方法渗铬的零件样品，经显微镜检查显示，在每个被检零件上都形成了一层均匀的涂层，该扩散涂层的厚度通常约为10密尔。如果渗铬零件是有螺纹的扣件，由轻微粘连或废浆料颗粒残留引起的表面粗糙可以很方便地用电抛光技术来进行平整，这将有利于螺纹的啮合。这种电抛光还被用在汽车管接件上，可以改善它们的外观。电抛光技术使用15％的硫酸作为电解质，使用10至12伏的电压和4至5A/cm3的电流密度，每个零件电抛光7分钟。
用浆料涂覆零件20的另一种方法，是将零件20先在滚筒中涂覆渗铬浆料，然后在曲颈甑中的耐火材料毛毡纸30上放置成层。其余步骤与前文所述的相同。
虽然为了说明本发明原理的应用而详细描述了具体的实施例，但是本发明的原理还可以其它方式来实施。如前文所述，本发明主要是高效地生产大量渗铬铁质零件，但本发明的方法也可以方便地被改用于形成铬和一种或多种例如硅、铝、钒、钼、钛、铌、钨和钽待其它元素的共扩散层。