一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法
2023-05-25 01:00:31
專利名稱：一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法
技術領域：
本發明屬於金屬材料表面改性處理技術領域，是一種瓦楞輥表面強化處理的新技 術。
背景技術：
瓦楞輥是瓦楞紙板生產線的核心部件，在運轉時連續處於高溫和受壓狀態。瓦楞 輥的最高使用溫度為225°C，最大工作壓力為1. 7MPa，運轉速度可高達400m/min，並不斷與 瓦楞芯紙相對位移產生摩擦擠軋，極易磨損。因此，瓦楞輥需要很高的質量，其耐磨耐蝕性 等使用性能直接決定成套設備質量的優劣。目前，國內廠家製造瓦楞輥使用的材料多為35CrMo、42CrMo或50Mn。瓦楞輥經表 面淬火等普通工藝處理後，輥齒的表面硬度為55 60HRC，具有較強的耐磨性能，使用壽命 一般在400萬 600萬長米。為了提高瓦楞輥的使用壽命，通常採用以下硬化熱處理的方式離子滲氮；中頻 或超音頻後鍍鉻；離子滲氮後雷射淬火；熱噴塗等幾種形式。通過提高瓦楞輥齒形表面硬 度，增加耐磨性、耐腐蝕作用而達到延長瓦楞輥使用壽命的目的。採用以上處理方式，或者 瓦楞輥使用壽命提升不明顯，如離子滲氮、中頻或超音頻後鍍鉻；或者廢品率較高，如離子 滲氮後雷射淬火；或者處理成本較高，如熱噴塗，在生產過程中均受到了很大的制約。
發明內容
本發明的目的是採用成本較低的表面硬化熱處理方式，有效提高瓦楞輥的使用壽 命，通過離子注滲的工藝，在瓦楞輥表面形成具有極高結合強度的氮化物耐磨陶瓷層，將瓦 楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。本發明的技術方案為一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，包括以下步驟步驟1 配製固體滲硼劑，所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組 成；步驟2 將上述步驟1中配製的固體滲硼劑均勻地塗抹在瓦楞輥表面，置於真空等 離子熱處理爐中，準備進行滲硼處理；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；步驟3 將上述步驟2中的真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統，抽真空，真空 室的極限真空度範圍在133X 10_2 5X 133X KT1Pa ；之後通入氬氣，達到工作氣壓為10 80Pa ；步驟4:啟動真空等離子熱處理爐的電源，真空爐內形成異常的輝光放電，產生活 性硼離子，硼離子在輝光放電空間內各種等離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形 成硼原子，並向基體內擴散，在極限溶解度之內，硼原子以溶質的形式存在於基體內；步驟5 提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，並保溫；步驟6 保溫結束後，切斷真空等離子熱處理爐的輝光電源，關閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟7 保持空心陰極真空爐內的瓦楞輥位置不變，排出保護氣氬氣，將真空室 抽至真空度5 15Pa後，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體積分數為25% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間；步驟8 再次啟動真空等離子熱處理爐的電源，爐內形成輝光放電，產生活性氮離 子，氮離子在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子後逐漸成為氮原 子，被工件表面吸收，並向內擴散，在此條件下，氮原子與之前滲透的硼原子均具有很高的 活性，故兩者極易在瓦楞輥表面結合，發生化學反應，形成氮化硼陶瓷層；步驟9 提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，並保溫滲氮；步驟10 保溫結束後，切斷輝光電源，關閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟11 取出工件，兩端安裝軸頭後即可使用。其中，供硼劑佔滲硼劑質量的40-50 %，填充劑佔滲硼劑質量的30-50 %，活化劑 佔滲硼劑質量的10-30%。供硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質量分數為3% 5%，其餘為硼 砂；活化劑為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟矽酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或混 合物；填充劑為碳化矽。 步驟5中的設備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，溫度為550°C 750°C，並保溫，保溫時間為2 4h。步驟9中的設備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，溫度為 500°C 600°C，並保溫滲氮，滲氮時間為IOmin 48h。步驟6及步驟10中的冷卻溫度為室溫。步驟1取得的固體滲硼劑與粘結劑松香混合調成膏狀後，再進行步驟2。於步驟2塗抹固體滲硼劑前先將瓦楞輥淬火處理。本發明的有益效果為本發明一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法採用 離子注滲的方式，在注滲元素的過程中，通過控制滲入元素的化學勢、處理溫度，以及工件 的表面狀態，在保持注滲元素向金屬基體擴散的同時，阻止注滲元素與金屬基體中的元素 發生化學反應。最終在金屬基體表面既生成緻密的氮化硼耐磨陶瓷層，又保證了該陶瓷層 與金屬基體為冶金結合，具備極高的結合強度，難以發生脫落。在瓦楞輥表面形成具有極高 結合強度的氮化物耐磨陶瓷層，將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。
具體實施例方式本發明一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其具體步驟如下1 配製固體滲硼劑。所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組成。供 硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質量分數為3% 5%，其餘為硼砂；活化劑 為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟矽酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或混合物；填充 劑為碳化矽，佔滲硼劑質量的30% 50% ；供硼劑佔滲硼劑質量的40% 50%、活化劑佔 滲硼劑質量的10% 30%。2.將上述第1步配製固體滲硼劑均勻地塗抹在瓦楞輥表面，置於真空等離子熱處 理爐中準備進行滲硼處理。瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連。此步驟前可以先將第1步取得的固體滲硼劑與粘結劑松香混合調成膏狀後，再進行塗抹。3.將上述第2步真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統，抽真空。真空室的極限 真空度範圍在133X 10_2 5 X 133 X IO-1Pa15之後充氬氣達到工作氣壓為10 80Pa。4.在第3步工作完成後，啟動真空等離子熱處理爐的電源。在上述IO-SOPa的低 真空氬氣條件下，真空爐內形成異常的輝光放電，產生活性硼離子。硼離子在輝光放電空間 內各種等離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形成硼原子，並向基體內擴散。在極 限溶解度之內，硼原子以溶質的形式存在於基體內。5.啟動設備電源後，緩慢提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫。設 備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為0. 5mA/cm2 5mA/cm2。6.升溫和保溫過程中，記錄溫度、電流、電壓、流量、氣壓等參數的數值和發生的特 殊情況。工件的保溫溫度為550°C 750°C，保溫時間為2 4h。7.保溫結束後，切斷輝光電源，關閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻，可以冷卻到室溫。8.在第7步所述工藝完成後，保持空心陰極真空爐內的瓦楞輥位置不變，排出保 護氣氬氣，將真空室抽至真空度5 15Pa後，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體 積分數為25% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間。9.啟動真空等離子熱處理爐的電源，爐內形成輝光放電，產生活性氮離子。氮離子 在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子後逐漸成為氮原子，被工件 表面吸收，並向內擴散。在此條件下，氮原子與之前滲透的硼原子均具有很高的活性，故兩 者極易在瓦楞輥表面結合，發生化學反應，形成氮化硼陶瓷層。10.上述第9步中的設備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2。保 溫溫度為500°C 600°C，滲氮時間為IOmin 48h。11.保溫結束後，如上述第7步操作設備。12.上述第11步結束後，取出工件，兩端安裝軸頭後即可使用。上述方法中的真空等離子熱處理爐是現有技術，其結構和使用方法再此不再贅 述。以下為具體實施例(如無特殊說明，涉及的含量皆為質量百分數)實施例一將原材料為42CrMo的瓦楞輥淬火處理後，於表面塗刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配 方之一供硼劑佔滲硼劑的40%，其中碳化硼佔供硼劑的5% ；其餘為硼砂；活化劑20% ； 填充劑40%。按此配方配製粉末滲劑，再與粘結劑松香混合調成膏狀。將塗有滲硼膏劑的瓦楞輥置於真空等離子熱處理爐中，並與陰極相接。抽真空至 133 X10_2Pa並通氬氣，使其工作氣壓為15Pa。啟動電源，使得設備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在600°C滲硼2小時。工件 冷卻後排出氬氣，再抽真空至5Pa並通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積分數為30%， 混合氣壓200Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件 升溫，在550°C滲氮10小時，形成氮化硼特種陶瓷。經測量氮化硼陶瓷硬化層為0. 5mm，氮 化硼富集層為0. 25mm，表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大於1500萬長米，提高3倍。實施例二
將原材料為35CrMo的瓦楞輥淬火處理後，於表面塗刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配 方之一供硼劑佔滲硼劑的40%，其中碳化硼佔供硼劑的3% ；其餘為硼砂；活化劑10% ； 填充劑50%。按此配方配製粉末滲劑，再與粘結劑松香混合調成膏狀。將塗有滲硼膏劑的瓦楞輥置於真空等離子熱處理爐中，並與陰極相接。抽真空 至5X133X ICT1Pa並通氬氣，使其工作氣壓為80Pa。啟動電源，使得設備整流輸出電流為 100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在550°C滲硼4小時。 工件冷卻到室溫後排出氬氣，再抽真空至15Pa並通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積 分數為25%，混合氣壓133Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在600°C滲氮48min，形成氮化硼特種陶瓷。經測量氮化硼陶瓷硬化層 為0. 5mm，氮化硼富集層為0. 25mm，表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大於1500萬長米， 提尚3倍。實施例三將原材料為50Mn的瓦楞輥淬火處理後，於表面塗刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配方 之一供硼劑佔滲硼劑的50%，其中碳化硼佔供硼劑的4% ；其餘為硼砂；活化劑15% ;±真 充劑35%。按此配方配製粉末滲劑，再與粘結劑松香混合調成膏狀。將塗有滲硼膏劑的瓦楞輥置於真空等離子熱處理爐中，並與陰極相接。抽真空 至2X133X ICT1Pa並通氬氣，使其工作氣壓為10Pa。啟動電源，使得設備整流輸出電流為 100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在750°C滲硼3小時。 工件冷卻到室溫後排出氬氣，再抽真空至IOPa並通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積 分數為35%，混合氣壓1330Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在500°C滲氮48小時，形成氮化硼特種陶瓷。經測量氮化硼陶瓷硬化 層為0. 5mm,氮化硼富集層為0. 25mm,表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大於1500萬長 米，提高3倍。
權利要求
一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於包括以下步驟步驟1配製固體滲硼劑，所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組成；步驟2將上述步驟1中配製的固體滲硼劑均勻地塗抹在瓦楞輥表面，置於真空等離子熱處理爐中，準備進行滲硼處理；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；步驟3將上述步驟2中的真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統，抽真空，真空室的極限真空度範圍在133×10 2～5×133×10 1Pa；之後通入氬氣，達到工作氣壓為10～80Pa；步驟4啟動真空等離子熱處理爐的電源，真空爐內形成異常的輝光放電，產生活性硼離子，硼離子在輝光放電空間內各種等離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形成硼原子，並向基體內擴散，在極限溶解度之內，硼原子以溶質的形式存在於基體內；步驟5提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，並保溫；步驟6保溫結束後，切斷真空等離子熱處理爐的輝光電源，關閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟7保持空心陰極真空爐內的瓦楞輥位置不變，排出保護氣氬氣，將真空室抽至真空度5～15Pa後，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體積分數為25％～35％，混合氣氣壓保持在(1～10)×133Pa之間；步驟8再次啟動真空等離子熱處理爐的電源，爐內形成輝光放電，產生活性氮離子，氮離子在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子後逐漸成為氮原子，被工件表面吸收，並向內擴散，在此條件下，氮原子與之前滲透的硼原子均具有很高的活性，故兩者極易在瓦楞輥表面結合，發生化學反應，形成氮化硼陶瓷層；步驟9提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，並保溫滲氮；步驟10保溫結束後，切斷輝光電源，關閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟11取出工件，兩端安裝軸頭後即可使用。
2.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於， 供硼劑佔滲硼劑質量的40-50%，填充劑佔滲硼劑質量的30-50%，活化劑佔滲硼劑質量的 10-30%。
3.如權利要求1或2所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於供硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質量分數為3% 5%，其餘為硼砂； 活化劑為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟矽酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或 混合物；填充劑為碳化矽。
4.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於， 步驟5中的設備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2， 溫度為550°C 750°C，並保溫，保溫時間為2 4h。
5.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於， 步驟9中的設備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，溫度為500°C 600°C， 並保溫滲氮，滲氮時間為IOmin 48h。
6.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於，步驟6及步驟10中的冷卻溫度為室溫。
7.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於， 步驟1取得的固體滲硼劑與粘結劑松香混合調成膏狀後，再進行步驟2。
8.如權利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特徵在於， 於步驟2塗抹固體滲硼劑前先將瓦楞輥淬火處理。
全文摘要
本發明提供一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其包含以下步驟首先配置固體滲硼劑，將其塗抹在瓦楞輥表面，置於真空等離子熱處理爐中；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；抽真空、通氬氣後啟動真空等離子熱處理爐的電源，產生活性硼離子；冷卻後排出保護氣氬氣，抽真空後，充入氮氣與氫氣的混合氣；再次啟動真空等離子熱處理爐的電源，產生活性氮離子；在此條件下，氮原子與之前滲透的硼原子均具有很高的活性，故兩者極易在瓦楞輥表面結合，發生化學反應，形成氮化硼陶瓷層；本發明有效提高瓦楞輥的使用壽命，通過離子注滲的工藝，在瓦楞輥表面形成具有極高結合強度的氮化物耐磨陶瓷層，將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2％以下。
文檔編號C23C8/36GK101906605SQ20091008498
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月5日 優先權日2009年6月5日
發明者劉煒, 楊金龍, 肖武, 陳俊忠, 陳立輝 申請人:清華大學;深圳市東方企業有限公司