CN108048792B - 一种高寿命搓丝板的加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高寿命搓丝板的加工方法，该方法利用碳氮镧钇离子渗剂、镧钇活化渗剂和氧离子渗剂，将非金属元素和微量金属元素渗入进搓丝板基体的表面，形成碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层，不仅极大地提高了搓丝板的寿命，并且经处理后的搓丝板具有良好的力学性能，搓丝板的精度不受表面处理的影响。本发明搓丝板的渗层元素分布梯度平缓，不形成化合物层，整个搓丝板表面的应力分布均匀，不会出现搓丝板表面剥落，分层等现象。本发明的渗剂熔点低，流动性好，使渗层质量更加均匀稳定，并可以在更低温度下进行处理，且能够提高碳氮镧钇离子在基体中的扩散效率，降低扩散激活能。

Description

一种高寿命搓丝板的加工方法
技术领域
本发明涉及一种高寿命搓丝板的加工方法，属于紧固件加工技术领域。
背景技术
搓丝板是标准紧固件行业加工螺钉和螺栓时最常用的螺纹工具，加工原理主要采用冷挤压成型技术。目前影响搓丝板寿命主要有以下因素：1、材料。在被加工材料不变的情况下，通过改变搓丝板材料，如Cr12MoV，DC53，SKH-9等材质，以提高搓丝板的使用寿命；2、热处理方式。目前所采用的热处理方法主要是离子渗氮，其他方法还有真空淬火、碳氮共渗+保护气氛回火、碳氮共渗+盐浴回火，电子束表面淬火等；3、机械加工尺寸精度；4、使用条件，取决于滚压设备的状况和毛坯硬度等。因此在不改变机械加工尺寸和使用条件下，材质和热处理方式成为提高搓丝板寿命的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高寿命搓丝板的加工方法，该方法在现有搓丝板材料的基础上，能够提高搓丝板表面硬度和耐磨性，延长搓丝板的使用寿命。
本发明为针对搓丝板的加工方法，工艺中文名称是坚硬搓丝板工艺，英文名称flintiness screw plate，简称FSP工艺。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高寿命搓丝板的加工方法，包括以下步骤：
(1)预热：将搓丝板放入空气加热槽预热；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为420-440℃，时间为100-200分钟；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入后的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为430-450℃，时间为60-90分钟；
(4)氧离子渗入：经镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为400-430℃，时间为15-30分钟；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10-20#机油的油槽进行浸油，浸油时间3-10分钟。
所述的搓丝板的材质为Cr12MoV、DC53、SKH-9。
优选的，所述的搓丝板的材质为Cr12MoV。
所述的碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％-40％，NaHCO3 18％-20％，Sr(OH)2 5％-10％，NaCl 20％-25％，KH2PO4 3％-7％，ErCl3·6H2O1％-3％，Li2B4O7 5％-8％，Ce(NO3)3·6H2O 1％-3％，YbCl3 0.01％-0.02％，YCl3 0.05-0.1％，La2(CO3)3 0.5％-1.0％。
优选的，所述的碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 40％，NaHCO3 18％，Sr(OH)2 10％，NaCl 20％，KH2PO4 3％，ErCl3·6H2O l％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 2％，YbCl3 0.01％，YCl3 0.1％，La2(CO3)3 0.89％。
所述的镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％-35％，NaHCO310％-20％，K2O 10％-20％，NaCl 15％-20％，Na2SiO3·9H2O 7％-12％，K2CO3 1％-2％，ErCl3·6H2O 1％-2％，Li2B4O7 5％-10％，Ce(NO3)3·6H2O 1％-3％，YbCl3 0.01％-0.02％，YCl3 0.3％-1％，La2(CO3)3 1％-1.5％。
优选的，所述的镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 33％，NaHCO315％，K2O 13％，NaCl 20％，Na2SiO3·9H2O 9％，K2CO3 1％，ErCl3·6H2O 1％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 1％，YbCl3 0.01％，YCl3 0.5％，La2(CO3)3 1.49％。
所述的氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 25％-35％，NaNO2 15％-25％，K2CO3 30％-40％，NH4Cl 10％-20％，La2(CO3)3 0.5％-1.0％。
优选的，所述的氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 30％，NaNO220％，K2CO3 30％，NH4Cl 19％，La2(CO3)3 1.0％。
所述的预热是以5-10℃/min的速度升温至300-350℃，保温10-15分钟。
本发明的有益效果：
1、本发明搓丝板的加工过程为：
首先，利用碳氮镧钇离子渗剂进行渗入处理，其目的是在使碳氮镧钇离子渗剂中的有效离子扩散进入搓丝板内部，从而形成具有一定厚度的扩散层，该扩散层由碳在铁中的固溶体、氮在铁中的固溶体和微量的镧和钇间隙固溶体组成，具有较高的耐磨性。
再利用镧钇活化渗剂进行活化，能够促使金属离子和非金属离子向搓丝板基体方向更加深入的扩散，以增加复合渗层厚度，从而提高搓丝板的抗疲劳性能。
最后，利用氧离子渗剂进行渗入处理，残留于搓丝板表面的镧钇活化渗剂和氧离子渗剂反应，形成的渗层为氧的间隙固溶体为主，从而进一步提高搓丝板的耐磨性能。搓丝板表面形成碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层，渗层元素分布梯度平缓，不形成化合物层，整个搓丝板表面的应力分布均匀，不会出现搓丝板表面剥落，分层等现象。
2、本发明在离子渗剂中加入KOCN、NaHCO3、KH2PO4等组分，这些组分的熔点较低，能够大幅拉低离子渗剂的熔点，增加渗剂的流动性，使渗层质量更加均匀稳定，并可以在更低温度下进行处理，且能够提高碳氮镧钇离子在基体中的扩散效率，降低扩散激活能。本发明所采用的碳氮镧钇离子渗入温度是420-440℃，镧钇活化温度是430-450℃。即碳氮镧钇渗入和镧钇活化的处理温度区间在420-450℃，该温度区间远低于现已公开的类似技术处理温度，能够有效降低反应的条件，达到节能降耗的目的。在上述温度区间制备的搓丝板不产生变形，精度高，寿命长。优选的，采用本发明的升温方法，能够使搓丝板的温度更加均匀，降低内外的温度差，有利于后续的渗入处理，且不影响搓丝板的尺寸和精度。
3、本发明在离子渗剂中加入Sr、Er、Yb、Ce离子，能够有效提高渗入离子在基体中的扩散效率，降低扩散激活能，但含量比例不能过高。如当Ce超过3.5％，会抑制C在基体中的扩散效率。本发明的渗剂熔点低，稳定性好，离子相互配合，能够有效保证渗入效果，从而能够保证产品质量。通过将非金属元素和微量金属元素渗入进搓丝板基体的表面，在搓丝板基体的表面形成含碳、氮、氧、镧、钇的渗层，使搓丝板基体的表面形成耐磨层，不仅极大地提高了搓丝板的寿命，并且经处理后的搓丝板具有良好的力学性能，搓丝板的精度不受表面处理的影响。而且由于在氧离子渗入时，表面残余的氰根等有害离子也同时被氧化，生成对环境无公害的碳酸盐物质，从而实现了保护环境的目的，具有良好的社会和经济效益。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
一种高寿命搓丝板的加工方法，包括以下步骤：
(1)预热：将材质为Cr12MoV的搓丝板放入空气加热槽，以5℃/min的速度升温至305±5℃，保温15分钟；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为425±5℃，时间为200分钟；碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 40％，NaHCO3 18％，Sr(OH)2 10％，NaCl 20％，KH2PO4 3％，ErCl3·6H2O l％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 2％，YbCl3 0.01％，YCl30.1％，La2(CO3)3 0.89％；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入后的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为435±5℃，时间为60分钟；镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 33％，NaHCO3 15％，K2O 13％，NaCl 20％，Na2SiO3·9H2O9％，K2CO3 1％，ErCl3·6H2O 1％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 1％，YbCl3 0.01％，YCl30.5％，La2(CO3)3 1.49％；
(4)氧离子渗入：经镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为405±5℃，时间为30分钟；氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 30％，NaNO2 20％，K2CO3 30％，NH4Cl 19％，La2(CO3)3 1.0％；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10#机油的油槽进行浸油，浸油时间10分钟。
经过上述方法制备出的搓丝板，碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层的厚度为6μm，硬度为1100±50HV0.1。
实施例2
一种高寿命搓丝板的加工方法，包括以下步骤：
(1)预热：将材质为DC53的搓丝板放入空气加热槽，以10℃/min的速度升温至345±5℃，保温10分钟；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为430±5℃，时间为150分钟；碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 35％，NaHCO3 20％，Sr(OH)2 5％，NaCl 23％，KH2PO4 5％，ErCl3·6H2O 3％，Li2B4O7 7.4％，Ce(NO3)3·6H2O 1％，YbCl3 0.02％，YCl30.05％，La2(CO3)3 0.53％；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入后的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为440±5℃，时间为70分钟；镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％，NaHCO3 20％，K2O 10％，NaCl 18％，Na2SiO3·9H2O7％，K2CO3 2％，ErCl3·6H2O 2％，Li2B4O7 6％，Ce(NO3)3·6H2O 3％，YbCl3 0.02％，YCl31％，La2(CO3)3 0.98％；
(4)氧离子渗入：将镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为405±5℃，时间为15分钟；氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 25％，NaNO2 25％，K2CO3 39％，NH4Cl 10％，La2(CO3)3 1％；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10#机油的油槽进行浸油，浸油时间10分钟。
经过上述方法制备出的搓丝板，碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层的厚度为5μm，硬度为1150±50HV0.1。
实施例3
一种高寿命搓丝板的加工方法，包括以下步骤：
(1)预热：将材质为SKH-9的搓丝板放入空气加热槽，以10℃/min的速度升温至320±5℃，保温12分钟；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为435±5℃，时间为100分钟；碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％，NaHCO3 20％，Sr(OH)2 8％，NaCl 25％，KH2PO4 7％，ErCl3·6H2O 1.9％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 1.98％，YbCl3 0.02％，YCl30.1％，La2(CO3)3 1.0％；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入后的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为445±5℃，时间为90分钟；镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 31％，NaHCO3 10％，K2O 20％，NaCl 15％，Na2SiO3·9H2O12％，K2CO3 1％，ErCl3·6H2O 1％，Li2B4O7 6％，Ce(NO3)3·6H2O 2％，YbCl3 0.02％，YCl30.98％，La2(CO3)3 1％；
(4)氧离子渗入：将镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为425±5℃，时间为30分钟；氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH35％，NaNO2 15％，K2CO3 35％，NH4Cl 14％，La2(CO3)3 1％；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10#机油的油槽进行浸油，浸油时间10分钟。
经过上述方法制备出的搓丝板，碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层的厚度为5μm，硬度为1150±50HV0.1。
对照例1
对照例1的搓丝板的加工方法，包括以下步骤：
(1)预热：将材质为Cr12MoV的搓丝板放入空气加热槽，在320±5℃保温12分钟；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为640±5℃，时间为180分钟；碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 10％，NaCl 25％，K2SO3 20％，LiNO3 12％，CO(NH2)2 30％，Ce2(CO3)3 2％，YCl3 0.1％，La2(CO3)3 0.9％；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入过的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为650±5℃，时间为50分钟；镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 25％，NaHCO3 10％，K2O 20％，NaCl 14％，K2SO3 2％，LiNO3 6％，CO(NH2)2 20％，Ce2(CO3)3 1％，YCl3 1％，La2(CO3)3 1％；
(4)氧离子渗入：将镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为630±5℃，时间为30分钟；氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH35％，NaNO2 15％，NaNO3 35％，Ce2(CO3)3 15％；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10#机油的油槽进行浸油，浸油时间10分钟。
经过上述方法制备出的搓丝板，碳氮镧钇扩散层以及氧原子扩散层的厚度为3μm，硬度为880±50HV0.1。
实验例
(1)分别对本发明实施例1-3和对照例1的搓丝板进行寿命检测，同时以常规离子氮化方法生产的搓丝板为对照。
搓丝板材质分别为Cr12MoV、DC53、SKH-9，车型选择，207车；被加工螺栓材质1018钢；搓丝板型号30*60*150*170，M10*1.5，单斜面5°，结果见下表1。
表1测试结果
从表1中可以看出，针对加工1018钢材质的螺栓，经过本发明工艺处理后不同材质的搓丝板使用寿命相差很大，其中Cr12MoV的寿命可以提高1.9倍以上，高于DC53、SKH-9，且本发明的处理方法明显优于对照例1的处理方法。
(2)分别对本发明实施例1-3和对照例1的搓丝板进行寿命检测，同时以常规离子氮化方法生产的搓丝板为对照。
搓丝板材质分别为Cr12MoV、DC53、SKH-9，车型选择，209车；被加工螺栓材质45#钢；搓丝板型号40*80*230*250，M16*2.0，单斜面5°，结果见下表2。
表2测试结果
从表2中可以看出，针对加工45#钢材质的螺栓，经过本发明工艺处理后不同材质的搓丝板使用寿命相差很大，其中Cr12MoV的寿命可以提高1.8倍以上，高于DC53、SKH-9，且本发明的处理方法明显优于对照例1的处理方法。
(3)分别对本发明实施例1-3和对照例1的搓丝板进行寿命检测，同时以常规离子氮化方法生产的搓丝板为对照。
搓丝板材质分别为Cr12MoV、DC53、SKH-9，车型选择，213车；被加工螺栓材质304M；搓丝板型号45*80*285*310，M20*2.5，单斜面5°，结果见下表3。
表3测试结果
从表3中可以看出，针对加工304M钢材质的螺栓，经过本发明工艺处理后不同材质的搓丝板使用寿命相差很大，其中Cr12MoV的寿命可以提高2.2倍以上，高于DC53、SKH-9，且本发明的处理方法明显优于对照例1的处理方法。

Claims (8)

1.一种高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预热：将搓丝板放入空气加热槽预热；所述的搓丝板的材质为Cr12MoV、DC53、SKH-9；
(2)碳氮镧钇离子渗入：将预热后的搓丝板放入碳氮镧钇离子渗入槽，利用碳氮镧钇离子渗剂进行碳氮镧钇离子的渗入处理，温度为420-440℃，时间为100-200分钟；所述的碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％-40％，NaHCO3 18％-20％，Sr(OH)25％-10％，NaCl 20％-25％，KH2PO4 3％-7％，ErCl3·6H2O 1％-3％，Li2B4O7 5％-8％，Ce(NO3)3·6H2O1％-3％，YbCl3 0.01％-0.02％，YCl3 0.05-0.1％，La2(CO3)3 0.5％-1.0％；
(3)镧钇离子活化：将碳氮镧钇离子渗入后的搓丝板放入离子活化槽，利用镧钇活化渗剂进行镧钇离子的进一步渗入处理，温度为430-450℃，时间为60-90分钟；
(4)氧离子渗入：将镧钇离子活化后的搓丝板放入氧离子渗入槽，利用氧离子渗剂进行渗入处理，温度为400-430℃，时间为15-30分钟；
(5)空冷：将氧离子渗入后的搓丝板移至空冷槽中，自然冷却至室温；
(6)后清洗：用水清洗干净，清除搓丝板表面的渗剂残留，干燥；
(7)浸油：将干燥的搓丝板放入盛装10-20#机油的油槽进行浸油，浸油时间3-10分钟。
2.根据权利要求1所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的搓丝板的材质为Cr12MoV。
3.根据权利要求1所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的碳氮镧钇离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 40％，NaHCO3 18％，Sr(OH)2 10％，NaCl 20％，KH2PO4 3％，ErCl3·6H2O l％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 2％，YbCl3 0.01％，YCl30.1％，La2(CO3)3 0.89％。
4.根据权利要求1所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 30％-35％，NaHCO3 10％-20％，K2O 10％-20％，NaCl15％-20％，Na2SiO3·9H2O 7％-12％，K2CO3 1％-2％，ErCl3·6H2O 1％-2％，Li2B4O75％-10％，Ce(NO3)3·6H2O 1％-3％，YbCl3 0.01％-0.02％，YCl3 0.3％-1％，La2(CO3)31％-1.5％。
5.根据权利要求4所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的镧钇活化渗剂包括以下重量百分比计的组分：KOCN 33％，NaHCO3 15％，K2O 13％，NaCl 20％，Na2SiO3·9H2O 9％，K2CO3 1％，ErCl3·6H2O 1％，Li2B4O7 5％，Ce(NO3)3·6H2O 1％，YbCl3 0.01％，YCl3 0.5％，La2(CO3)3 1.49％。
6.根据权利要求1所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 25％-35％，NaNO2 15％-25％，K2CO3 30％-40％，NH4Cl10％-20％，La2(CO3)3 0.5％-1.0％。
7.根据权利要求6所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的氧离子渗剂包括以下重量百分比计的组分：NaOH 30％，NaNO2 20％，K2CO3 30％，NH4Cl 19％，La2(CO3)31.0％。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高寿命搓丝板的加工方法，其特征在于，所述的预热是以5-10℃/min的速度升温至300-350℃，保温10-15分钟。
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