CN101906606A - 一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其包含以下步骤：将瓦楞辊置于真空等离子热处理炉内，并与炉内阴极的阴极相连；密封开启真空系统，抽真空，之后充氢气与四氯化硅气体的混合气；启动真空等离子热处理炉的电源；提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门，工件冷却；排出四氯化硅与氢气混合气，将真空室抽真空后，充入氮气与氢气的混合气；再次启动电源；提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；本发明有效提高瓦楞辊的使用寿命，通过离子注渗的工艺，在瓦楞辊表面形成具有极高结合强度的氮化硅耐磨陶瓷层，将瓦楞辊寿命延长至1500万长米，废品率控制在2％以下。

Description

一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法

技术领域

本发明属于金属材料表面改性处理技术领域，是一种瓦楞辊表面强化热处理的新技术。

背景技术

瓦楞辊是瓦楞纸板生产线上的关键部件，在生产时既与瓦楞芯纸相对位移产生摩擦挤轧，又受到原纸中夹杂物和矿物硬粒的撞击。因此，瓦楞辊楞齿的顶部极易磨损，导致芯纸楞高过低，增加了涂胶量，降低了纸板的强度。对瓦楞辊进行强化及修复，以提高耐磨性，延长瓦楞辊使用寿命，并且实现失效辊的循环利用，是提高包装企业市场竞争力的关键途径。

国内厂家制造瓦楞辊的工艺流程如下：锻打下料→粗车→调质→精加工筒体及轴头配合处→热压组合筒体与轴头并封焊→去应力回火→精加工支撑位及筒体外围→粗磨齿→去磨削应力回火→中频淬火→半精磨齿→激光淬火→中辊开槽→精磨齿→镀铬→以筒体齿外围为基准加工两端轴头→总检→打包。瓦楞辊使用材料为35CrMo、42CrMo或50Mn，经镀铬层增强的辊齿表面硬度为55～60HRC，具有较强的耐磨性能，使用寿命一般在500万～800万长米。

目前，国内外生产厂家着力推广在瓦楞辊表面热喷涂碳化钨硬质合金的硬化处理方式，以进一步提高瓦楞辊使用寿命。碳化钨颗粒具备极高的硬度和耐磨性，经过超音速火焰喷涂系统加速，以3～5倍音速的速度撞击并镶嵌在瓦楞辊表面，形成致密的涂层，可以有效地将瓦楞辊寿命延长至1500万长米。然而，此工艺具有生产成本与废品率均较高的缺点，在推广中受到了很大的制约。

发明内容

本发明的目的是采用成本较低的表面硬化热处理方式，有效提高瓦楞辊的使用寿命。通过离子注渗的工艺，在瓦楞辊表面形成具有极高结合强度的氮化硅陶瓷层，将瓦楞辊寿命延长至1500万长米，废品率控制在2％以下。

本发明的技术方案为：一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，包括以下步骤：

步骤1：将瓦楞辊置于真空等离子热处理炉内，并与炉内阴极的阴极相连；

步骤2：将上述第1步真空等离子热处理炉密封，开启真空系统，抽真空，真空室的极限真空度范围在133×10^-2～5×133×10^-1Pa；之后充氢气与四氯化硅气体的混合气达到工作气压，使其工作气压压力范围为10～80Pa，其中四氯化硅气体的体积分数含量范围为60％～80％；

步骤3：启动真空等离子热处理炉的电源，真空炉内形成异常的辉光放电，产生活性硅离子，硅离子在辉光放电空间内各种等离子体的作用下，吸附在基体表面，夺取电子形成硅原子，并向基体内扩散，在极限溶解度之内，硅原子以溶质的形式存在于基体内；

步骤4：提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；

步骤5：保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件冷却；

步骤6：保持真空等离子热处理炉内的瓦楞辊位置不变，排出四氯化硅与氢气混合气，将真空室抽至真空度5～15Pa后，充入氮气与氢气的混合气，其中氮气含量体积分数为25％～35％，混合气气压保持在(1～10)×133Pa之间；

步骤7：再次启动真空等离子热处理炉的电源，炉内形成辉光放电，产生活性氮离子，氮离子在高压电场的作用下，高速轰击工件表面，夺取工件表面的电子后逐渐成为氮原子，被工件表面吸收，并向内扩散；在此条件下，氮原子与之前渗透的硅原子均具有很高的活性，故两者极易在瓦楞辊表面结合，发生化学反应，形成氮化硅陶瓷层；

步骤8：提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；

步骤9：保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件冷却；

步骤10：取出工件，两端安装轴头后即可使用。

其中，步骤4中的设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²；工件的保温温度为500℃～700℃，保温时间为2～4h。

步骤8中的设备放电电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²；保温温度为500℃～600℃，渗氮时间为10min～48h。

步骤5及步骤9中的冷却温度为室温。

于步骤1前先将瓦楞辊淬火处理。

本发明的有益效果为：本发明一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法采用离子注渗的方式，在注渗元素的过程中，通过控制渗入元素的化学势、处理温度，以及工件的表面状态，在保持注渗元素向金属基体扩散的同时，阻止注渗元素与金属基体中的元素发生化学反应。最终在金属基体表面既生成致密的氮化硅耐磨陶瓷层，又保证了该陶瓷层与金属基体为冶金结合，具备极高的结合强度，难以发生脱落。在瓦楞辊表面形成具有极高结合强度的氮化硅耐磨陶瓷层，将瓦楞辊寿命延长至1500万长米，废品率控制在2％以下。

具体实施方式

本发明一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其具体步骤如下：

1.将瓦楞辊置于真空等离子热处理炉内，并与炉内阴极的阴极相连。

2.将上述第1步真空等离子热处理炉密封，开启真空系统，抽真空。真空室的极限真空度范围在133×10^-2～5×133×10^-1Pa。之后充氢气与四氯化硅气体的混合气达到工作气压，其范围一般为10～80Pa。其中四氯化硅气体的体积分数含量范围为60％～80％。

3.在第2步工作完成后，启动真空等离子热处理炉的电源。在低真空10-80Pa的条件下，真空炉内形成异常的辉光放电，产生活性硅离子。硅离子在辉光放电空间内各种等离子体的作用下，吸附在基体表面，夺取电子形成硅原子，并向基体内扩散。在极限溶解度之内，硅原子以溶质的形式存在于基体内。

4.启动设备电源后，缓慢提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温。设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²。

5.升温和保温过程中，记录温度、电流、电压、流量、气压等参数的数值和发生的特殊情况。工件的保温温度为500℃～700℃，保温时间为2～4h。

6.保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件冷却，可以冷却至室温。

7.在第6步所述工艺完成后，保持真空等离子热处理炉内的瓦楞辊位置不变，排出四氯化硅与氢气混合气，将真空室抽至真空度5～15Pa后，充入氮气与氢气的混合气，其中氮气含量为25％～35％，混合气气压保持在(1～10)×133Pa之间。

8.启动真空等离子热处理炉的电源，炉内形成辉光放电，产生活性氮离子。氮离子在高压电场的作用下，高速轰击工件表面，夺取工件表面的电子后逐渐成为氮原子，被工件表面吸收，并向内扩散。在此条件下，氮原子与之前渗透的硅原子均具有很高的活性，故两者极易在瓦楞辊表面结合，发生化学反应，形成氮化硅陶瓷层。

9.上述第8步中的设备放电电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²。保温温度为500℃～600℃，渗氮时间为10min～48h。

10.保温结束后，如上述第6步操作设备。

11.上述第10步结束后，取出工件，两端安装轴头后即可使用。

上述方法中的真空等离子热处理炉是现有技术，其结构和使用方法再此不再赘述。

以下为具体实施例(如无特殊说明，涉及的含量皆为体积百分数)：

实施例一：

将原材料为42CrMo的瓦楞辊淬火处理后，置于真空等离子热处理炉中，并与阴极相接。抽真空至133×10^-2Pa并通四氯化硅与氢气的混合气，其中四氯化硅气体含量65％，工作气压15Pa。启动电源，设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²，工件升温，在550℃保温渗硅2小时。工件冷却后排出四氯化硅与氢气混合气，再抽真空至10Pa并通氮气与氢气的混合气，其中氮气含量为30％，混合气压200Pa。再次启动电源，电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²，工件升温，在550℃保温渗氮10小时，形成氮化硅特种陶瓷。经测量氮化硅陶瓷硬化层为0.35mm，氮化硼富集层为0.25mm，表面硬度为HRC70。瓦楞辊使用寿命大于1500万长米，提高3倍。

实施例二：

将原材料为35CrMo的瓦楞辊淬火处理后，置于真空等离子热处理炉中，并与阴极相接。抽真空至2×133×10^-1Pa并通四氯化硅与氢气的混合气，其中四氯化硅气体含量60％，工作气压10Pa。启动电源，设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²，工件升温，在500℃保温渗硅4小时。工件冷却后排出四氯化硅与氢气混合气，再抽真空至15Pa并通氮气与氢气的混合气，其中氮气含量为25％，混合气压133Pa。再次启动电源，电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²，工件升温，在500℃保温渗氮48小时，形成氮化硅特种陶瓷。经测量氮化硅陶瓷硬化层为0.35mm，氮化硼富集层为0.25mm，表面硬度为HRC70。瓦楞辊使用寿命大于1500万长米，提高3倍。

实施例三：

将原材料为50Mn的瓦楞辊淬火处理后，置于真空等离子热处理炉中，并与阴极相接。抽真空至5×133×10^-1Pa并通四氯化硅与氢气的混合气，其中四氯化硅气体含量80％，工作气压80Pa。启动电源，设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²，工件升温，在700℃保温渗硅2.5小时。工件冷却后排出四氯化硅与氢气混合气，再抽真空至5Pa并通氮气与氢气的混合气，其中氮气含量为35％，混合气压1330Pa。再次启动电源，电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²，工件升温，在600℃保温渗氮10min，形成氮化硅特种陶瓷。经测量氮化硅陶瓷硬化层为0.35mm，氮化硼富集层为0.25mm，表面硬度为HRC70。瓦楞辊使用寿命大于1500万长米，提高3倍。

Claims (5)

1.一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：将瓦楞辊置于真空等离子热处理炉内，并与炉内阴极的阴极相连；

步骤2：将上述第1步真空等离子热处理炉密封，开启真空系统，抽真空，真空室的极限真空度范围在133×10^-2～5×133×10^-1Pa；之后充氢气与四氯化硅气体的混合气达到工作气压，使其工作气压压力范围为10～80Pa，其中四氯化硅气体的体积分数含量范围为60％～80％；

步骤3：启动真空等离子热处理炉的电源，真空炉内形成异常的辉光放电，产生活性硅离子，硅离子在辉光放电空间内各种等离子体的作用下，吸附在基体表面，夺取电子形成硅原子，并向基体内扩散，在极限溶解度之内，硅原子以溶质的形式存在于基体内；

步骤4：提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；

步骤5：保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件冷却；

步骤6：保持真空等离子热处理炉内的瓦楞辊位置不变，排出四氯化硅与氢气混合气，将真空室抽至真空度5～15Pa后，充入氮气与氢气的混合气，其中氮气含量体积分数为25％～35％，混合气气压保持在(1～10)×133Pa之间；

步骤7：再次启动真空等离子热处理炉的电源，炉内形成辉光放电，产生活性氮离子，氮离子在高压电场的作用下，高速轰击工件表面，夺取工件表面的电子后逐渐成为氮原子，被工件表面吸收，并向内扩散；在此条件下，氮原子与之前渗透的硅原子均具有很高的活性，故两者极易在瓦楞辊表面结合，发生化学反应，形成氮化硅陶瓷层；

步骤8：提高工件电源电压，加大工件电流，使工件逐步升温，并保温；

步骤9：保温结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件冷却；

步骤10：取出工件，两端安装轴头后即可使用。

2.如权利要求1所述的一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其特征在于：

步骤4中的设备整流输出电流为100～150A，工件表面的电流密度一般为0.5mA/cm²～5mA/cm²；工件的保温温度为500℃～700℃，保温时间为2～4h。

3.如权利要求1所述的一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其特征在于：

步骤8中的设备放电电压400～800V，电流密度为0.5～15mA/cm²；保温温度为500℃～600℃，渗氮时间为10min～48h。

4.如权利要求1所述的一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其特征在于，步骤5及步骤9中的冷却温度为室温。

5.如权利要求1所述的一种在瓦楞辊表面注渗氮化硅特种陶瓷的方法，其特征在于，于步骤1前先将瓦楞辊淬火处理。