CN110396710B - 一种耐磨搓丝板及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐磨搓丝板及其生产工艺，搓丝板包括基体、设于基体外部的纳米复合镀层，所述基体按质量百分比包括如下组分：C 1.0‑1.15%，Si 1.2‑1.6%，Mn 0.3‑0.6%，Cr 0.95‑1.25%，余量为Fe及不可避免杂质；所述纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，所述纳米镀液包括如下含量的组分：260‑300g/L NiSO4·6H2O、20‑30g/L NiCl2·6H2O、30‑40g/L硼酸、30‑40g/L纳米微粒、0.6‑1.3g/L分散剂。基体在9SiCr刀具钢的基础配方上提高C含量，使其纳米复合镀层与基体的结合更紧密。纳米复合镀层以镍镀层为基础，复合纳米微粒，兼具良好的韧性和塑性、强度和硬度，使镀层的抗粘着磨损率增强。

Description

一种耐磨搓丝板及其生产工艺
技术领域
本发明涉及搓丝板，特别涉及一种耐磨搓丝板及其生产工艺。
背景技术
搓丝板即用于加工丝锥、螺丝的专用刀具，分为动板和顶板，其表面设有牙纹。搓丝板可拆卸安装于搓丝机上，磨损至一定程度后需要进行更换。搓丝板因其工作性质，需要具有高硬度、优良耐磨性、高强度、抗疲劳性好等特点。
原本搓丝板常采用Cr12Mov钢制造，其耐磨性、强度、硬度等方面性能均十分优良，但生产成本高且工艺复杂，后来改用9SiCr钢制造，成本有所降低且使用寿命相对提高。不过9SiCr钢制搓丝板生产高强度螺栓时其磨损速率仍较快，使用寿命达不到理想指标，企业生产成本高，有待改进。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种耐磨搓丝板，具有极佳的耐磨性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种耐磨搓丝板，包括基体、设于基体外部的纳米复合镀层，所述基体按质量百分比包括如下组分：C 1.0-1.15%，Si 1.2-1.6%，Mn 0.3-0.6%，Cr 0.95-1.25%，余量为Fe及不可避免杂质；所述纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，所述纳米镀液包括如下含量的组分：260-300g/L NiSO4·6H2O、20-30g/L NiCl2·6H2O、30-40g/L 硼酸、30-40g/L 纳米微粒、0.6-1.3g/L 分散剂。
通过采用上述技术方案，基体在9SiCr刀具钢的基础配方上提高C含量，使其屈服点和弹性极限提高，保证基体的硬度和耐磨性。而相对地，基体的韧性会下降，加工高强度螺栓时易出现崩牙现象。在基体表面形成纳米复合镀层，可以保证一定韧性的基础上，还具有高硬度、高耐磨性。C含量的提高还有助于加强纳米复合镀层与基体的结合性能。
纳米复合镀层以镍镀层为基础，复合纳米微粒，借助于纳米粒子的表面效应和小尺寸效应，改变固体材料表面的形态、化学成分、阻止结构和应力状态，赋予材料表面良好的功能和力学性能。因此复合镀层兼具镍良好的韧性和塑性、纳米微粒的强度和硬度，使镀层金属与摩擦对偶之间的分子粘附力及剪切作用下降，使镀层的抗粘着磨损率增强。
本发明进一步设置为：所述纳米微粒包括8-10份纳米氧化铝、6-8份纳米二氧化铈、2-3份纳米氧化钇、6-8份纳米碳化硅、3-5份纳米氧化锆。
通过采用上述技术方案，纳米氧化铝颗粒具有高硬度和热稳定性，其增强了柱状晶的强度，在外力作用时能够阻碍位错的滑移和微裂纹的扩展，提高镀层的硬度和承载能力；同时氧化铝纳米颗粒细化了镀层晶粒，使得镀层表面晶粒细小，结构致密，产生位错强化，阻碍了材料变形时的位错运动，提高了镀层的减摩耐磨性能。纳米二氧化铈和纳米氧化钇对镀层晶粒的细化作用明显，有效提高其耐磨损性能。纳米碳化硅具有高硬度、高耐磨性、良好的自润滑性能及高温强度大等特点，还能提高镀液的沉积效果。纳米氧化锆硬度大，耐磨高温，与纳米氧化铝复合，可提高镀层断裂韧性、抗弯强度等性能。多种纳米微粒进行复配，使镀层的力学性能显著提高。
本发明进一步设置为：所述分散剂的制备过程如下：将二甘醇和丙酮混合，加热至40-45℃，再通氮气保护，并滴加IPDI，搅拌均匀后加热至60-65℃，反应3-4h，接着加入聚乙二醇单甲醚、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡，反应3-4h，最后减压蒸发除去丙酮，加入水混合搅拌得到分散剂；所述二甘醇、IPDI和聚乙二醇单甲醚的摩尔比为(2-2.5):(2-3):1。
通过采用上述技术方案，纳米微粒的种类越多，浓度越高，其力学性能会越好，但是同样地极易发生团聚，故而限制了其在镀层中的应用。此前镀层常采用一种纳米微粒且浓度较小，并使用表面活性剂进行分散改性。
本发明中的分散剂为水性聚氨酯，吸附到纳米微粒表面后，在颗粒与颗粒之间相互接近时，产生排斥能，进而起到促进分散作用，其分子结构中含有多个锚固基团，与纳米微粒的结合牢固，分散稳定。
本发明进一步设置为：所述基体还包括0.5-0.8%W。
通过采用上述技术方案，钨熔点高，比重大，可与碳形成具有高硬度和耐磨性的碳化钨。
本发明的另一目的是提供一种耐磨搓丝板的生产工艺。
一种耐磨搓丝板的生产工艺，包括如下步骤：S1下料；S2锻造；S3球化退火；S4机加工；S5冷滚螺纹；S6淬火；S7低温回火；S8磨加工；S9预处理；S10配置镀液；S11电沉积。
本发明进一步设置为：所述S9预处理的过程如下：先将搓丝板浸入除油液中，加热至60-80℃，处理10-15min，取出后依次水洗、丙酮洗、水洗，接着浸入6-10%硫酸溶液中，处理6-8min；除油液包括30-40g/L氢氧化钠、25-30g/L碳酸钠、0.4-0.8ml/L OP-10。
通过采用上述技术方案，搓丝板表面经过清洗，去除油污、氧化皮，有助于提高电沉积效果。
本发明进一步设置为：所述S10配置镀液的过程如下：先混合NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和水，再将分散剂投入，搅拌均匀，最后依次投入纳米二氧化铈、纳米氧化钇、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆；纳米微粒每次投料后超声搅拌2-3min，再进行下一次投料。
通过采用上述技术方案，纳米微粒分散性能好。
本发明进一步设置为：所述纳米微粒加入基础镀液前进行活化处理，其处理过程如下：
第一步，采集香樟叶，清洗后去除其主叶脉，再于60-70℃下烘干，粉碎后得到叶片粉末；
第二步，将叶片粉末浸入乙醇中，加热至80-90℃，回流提取2-3h，过滤后得到处理液；
第三步，多种纳米微粒各自单独浸入处理液中，加热至40-50℃，处理15-20min，过滤后水洗、烘干。
通过采用上述技术方案，香樟叶中的多糖成分提取出来，而纳米微粒表面的活性羟基易与多糖的羟基形成氢键作用，引入更多的活性基团，提高分散剂的作用效果。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 基体在9SiCr刀具钢的基础配方上提高C含量，使其纳米复合镀层与基体的结合更紧密。纳米复合镀层以镍镀层为基础，复合纳米微粒，兼具良好的韧性和塑性、强度和硬度，使镀层的抗粘着磨损率增强；
2.分散剂以及活化剂的作用，使得大浓度、多种类的纳米微粒分散效果好。
附图说明
图1是实施例一至三的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
一种耐磨搓丝板，包括基体、采用电沉积工艺覆于基体外部的纳米复合镀层。
基体按质量百分比包括如下组分：C 1.0%，Si 1.6%，Mn 0.3%，Cr 1.25%，W 0.5%，余量为Fe及不可避免杂质。
纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，纳米镀液包括如下含量的组分：260g/L NiSO4·6H2O、20g/L NiCl2·6H2O、30g/L 硼酸、30g/L 纳米微粒、0.6g/L分散剂。纳米微粒包括8份纳米α-Al2O3、6份纳米二氧化铈、2份纳米氧化钇、6份纳米碳化硅、3份纳米氧化锆。
分散剂的制备过程如下：将二甘醇和丙酮混合，加热至40℃，再通氮气保护，并滴加IPDI，搅拌均匀后加热至60℃，反应3h，接着加入聚乙二醇单甲醚、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡，反应3h，最后减压蒸发除去丙酮，加入水混合搅拌得到分散剂；二甘醇、IPDI和聚乙二醇单甲醚的摩尔比为2:3:1；辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡质量比为1:1且总重占二甘醇质量的0.1%。
一种耐磨搓丝板的生产工艺，如图1所示，包括如下步骤：
S1下料；
S2锻造；
S3球化退火：加热至800℃，保温2h，冷却至720℃，再保温7h，冷却至530℃，出炉；
S4机加工；
S5冷滚螺纹；
S6淬火：加热至640℃，保温0.5h，加热至880℃，保温0.25h，冷却出炉；
S7低温回火：加热至210℃，保温2h，冷却出炉；
S8磨加工：抛光打磨去除氧化皮，得到搓丝板；
S9预处理：先将搓丝板浸入除油液中，加热至60℃，处理10min，取出后依次水洗、丙酮洗、水洗，接着浸入6%硫酸溶液中，处理6min；除油液包括30g/L氢氧化钠、25g/L碳酸钠、0.4ml/L OP-10；
S10配置镀液：先混合NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和水，再将分散剂投入，搅拌均匀，最后依次投入纳米二氧化铈、纳米氧化钇、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆；纳米微粒每次投料后超声搅拌2min，再进行下一次投料；纳米微粒加入基础镀液前进行活化处理，其处理过程如下：
第一步，采集当年生香樟叶，清洗后去除其主叶脉，再于60℃下烘干，粉碎后得到叶片粉末；
第二步，将叶片粉末浸入乙醇中，加热至80℃，回流提取2h，过滤后得到处理液；
第三步，多种纳米微粒各自单独浸入处理液中，加热至40℃，处理15min，过滤后水洗、烘干；
S11电沉积：电流密度4A/dm2，搅拌速度400rpm，pH值4.6，温度50℃，超声波功率200W。
实施例二：
一种耐磨搓丝板，包括基体、采用电沉积工艺覆于基体外部的纳米复合镀层。
基体按质量百分比包括如下组分：C 1.15%，Si 1.2%，Mn 0.6%，Cr 0.95%，W 0.8%，余量为Fe及不可避免杂质。
纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，纳米镀液包括如下含量的组分： 300g/L NiSO4·6H2O、30g/L NiCl2·6H2O、40g/L 硼酸、40g/L 纳米微粒、1.3g/L分散剂。纳米微粒包括10份纳米α-Al2O3、8份纳米二氧化铈、3份纳米氧化钇、8份纳米碳化硅、5份纳米氧化锆。
分散剂的制备过程如下：将二甘醇和丙酮混合，加热至45℃，再通氮气保护，并滴加IPDI，搅拌均匀后加热至65℃，反应4h，接着加入聚乙二醇单甲醚、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡，反应4h，最后减压蒸发除去丙酮，加入水混合搅拌得到分散剂；二甘醇、IPDI和聚乙二醇单甲醚的摩尔比为2.5:2:1；辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡质量比为1:1且总重占二甘醇质量的0.1%。
一种耐磨搓丝板的生产工艺，如图1所示，包括如下步骤：
S1下料；
S2锻造；
S3球化退火：加热至800℃，保温2h，冷却至720℃，再保温7h，冷却至530℃，出炉；
S4机加工；
S5冷滚螺纹；
S6淬火：加热至640℃，保温0.5h，加热至880℃，保温0.25h，冷却出炉；
S7低温回火：加热至210℃，保温2h，冷却出炉；
S8磨加工：抛光打磨去除氧化皮，得到搓丝板；
S9预处理：先将搓丝板浸入除油液中，加热至80℃，处理15min，取出后依次水洗、丙酮洗、水洗，接着浸入10%硫酸溶液中，处理8min；除油液包括40g/L氢氧化钠、30g/L碳酸钠、0.8ml/L OP-10；
S10配置镀液：先混合NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和水，再将分散剂投入，搅拌均匀，最后依次投入纳米二氧化铈、纳米氧化钇、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆；纳米微粒每次投料后超声搅拌3min，再进行下一次投料；纳米微粒加入基础镀液前进行活化处理，其处理过程如下：
第一步，采集当年生香樟叶，清洗后去除其主叶脉，再于70℃下烘干，粉碎后得到叶片粉末；
第二步，将叶片粉末浸入乙醇中，加热至90℃，回流提取3h，过滤后得到处理液；
第三步，多种纳米微粒各自单独浸入处理液中，加热至50℃，处理20min，过滤后水洗、烘干；
S11电沉积：电流密度4A/dm2，搅拌速度400rpm，pH值4.6，温度50℃，超声波功率200W。
实施例三：
一种耐磨搓丝板，包括基体、采用电沉积工艺覆于基体外部的纳米复合镀层。
基体按质量百分比包括如下组分：C 1.07%，Si 1.4%，Mn 0.45%，Cr 1.1%，W0.65%，余量为Fe及不可避免杂质。
纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，纳米镀液包括如下含量的组分：280g/L NiSO4·6H2O、25g/L NiCl2·6H2O、35g/L 硼酸、35g/L 纳米微粒、0.9g/L分散剂。纳米微粒包括9份纳米α-Al2O3、7份纳米二氧化铈、2.5份纳米氧化钇、7份纳米碳化硅、4份纳米氧化锆。
分散剂的制备过程如下：将二甘醇和丙酮混合，加热至43℃，再通氮气保护，并滴加IPDI，搅拌均匀后加热至62℃，反应3.5h，接着加入聚乙二醇单甲醚、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡，反应3.5h，最后减压蒸发除去丙酮，加入水混合搅拌得到分散剂；二甘醇、IPDI和聚乙二醇单甲醚的摩尔比为2.2:2.5:1；辛酸亚锡和二月桂酸二丁基锡质量比为1:1且总重占二甘醇质量的0.1%。
一种耐磨搓丝板的生产工艺，如图1所示，包括如下步骤：
S1下料；
S2锻造；
S3球化退火：加热至800℃，保温2h，冷却至720℃，再保温7h，冷却至530℃，出炉；
S4机加工；
S5冷滚螺纹；
S6淬火：加热至640℃，保温0.5h，加热至880℃，保温0.25h，冷却出炉；
S7低温回火：加热至210℃，保温2h，冷却出炉；
S8磨加工：抛光打磨去除氧化皮，得到搓丝板；
S9预处理：先将搓丝板浸入除油液中，加热至70℃，处理12min，取出后依次水洗、丙酮洗、水洗，接着浸入8%硫酸溶液中，处理7min；除油液包括35g/L氢氧化钠、28g/L碳酸钠、0.6ml/L OP-10；
S10配置镀液：先混合NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和水，再将分散剂投入，搅拌均匀，最后依次投入纳米二氧化铈、纳米氧化钇、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆；纳米微粒每次投料后超声搅拌2.5min，再进行下一次投料；纳米微粒加入基础镀液前进行活化处理，其处理过程如下：
第一步，采集当年生香樟叶，清洗后去除其主叶脉，再于65℃下烘干，粉碎后得到叶片粉末；
第二步，将叶片粉末浸入乙醇中，加热至85℃，回流提取2.5h，过滤后得到处理液；
第三步，多种纳米微粒各自单独浸入处理液中，加热至45℃，处理18min，过滤后水洗、烘干；
S11电沉积：电流密度4A/dm2，搅拌速度400rpm，pH值4.6，温度50℃，超声波功率200W。
实施例四：
与实施例三的区别在于：纳米微粒未进行活化处理。
实施例五：
与实施例三的区别在于：基体不包括W。
实施例六：
与实施例三的区别在于：分散剂为十二烷基硫酸钠。
实施例七：
与实施例三的区别在于：纳米微粒为纳米α-Al2O3。
对比例一：
与实施例三的区别在于：纳米微粒的浓度为10g/L。
对比例二：
与实施例三的区别在于：纳米镀液不包括分散剂。
对比例三：
与实施例三的区别在于：基体不包括W，且C含量为0.9%。
对比例四：
与实施例三的区别在于：基体表面未设置纳米复合镀层。
搓丝板耐磨性能测试：
按JB/T 12607-2016《超硬刀具材料性能检测方法》中记载的方法，对实施例一至七、对比例一至四的搓丝板进行耐磨性测试，得到磨损量，见表1。
实施例一至三的搓丝板用于加工10.9级螺栓时使用寿命达至少40万件。
表1 搓丝板耐磨性能测试结果表
磨损量(10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>/Nm) 磨损量(10<sup>-5</sup>mm<sup>3</sup>/Nm)
实施例一 8.26 实施例七 17.69
实施例二 9.75 对比例一 20.25
实施例三 6.89 对比例二 83.68
实施例四 49.62 对比例三 58.16
实施例五 32.35 对比例四 126.52
实施例六 72.29 / /
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种耐磨搓丝板，包括基体、设于基体外部的纳米复合镀层，其特征在于：所述基体按质量百分比包括如下组分：C 1.0-1.15%，Si 1.2-1.6%，Mn 0.3-0.6%，Cr 0.95-1.25%，余量为Fe及不可避免杂质；所述纳米复合镀层由纳米镀液经电沉积工艺形成在基体表面，所述纳米镀液包括如下含量的组分：260-300g/L NiSO4·6H2O、20-30g/L NiCl2·6H2O、30-40g/L 硼酸、30-40g/L 纳米微粒、0.6-1.3g/L 分散剂；
所述纳米微粒包括8-10份纳米氧化铝、6-8份纳米二氧化铈、2-3份纳米氧化钇、6-8份纳米碳化硅、3-5份纳米氧化锆；
所述分散剂的制备过程如下：将二甘醇和丙酮混合，加热至40-45℃，再通氮气保护，并滴加IPDI，搅拌均匀后加热至60-65℃，反应3-4h，接着加入聚乙二醇单甲醚、辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡，反应3-4h，最后减压蒸发除去丙酮，加入水混合搅拌得到分散剂；所述二甘醇、IPDI和聚乙二醇单甲醚的摩尔比为(2-2.5):(2-3):1；
所述纳米微粒经过活化处理，其处理过程如下：
第一步，采集香樟叶，清洗后去除其主叶脉，再于60-70℃下烘干，粉碎后得到叶片粉末；
第二步，将叶片粉末浸入乙醇中，加热至80-90℃，回流提取2-3h，过滤后得到处理液；
第三步，多种纳米微粒各自单独浸入处理液中，加热至40-50℃，处理15-20min，过滤后水洗、烘干。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨搓丝板，其特征在于：所述基体还包括0.5-0.8%W。
3.一种权利要求1或2所述的耐磨搓丝板的生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：S1下料；S2锻造；S3球化退火；S4机加工；S5冷滚螺纹；S6淬火；S7低温回火；S8磨加工；S9预处理；S10配置镀液；S11电沉积。
4.根据权利要求3所述的一种耐磨搓丝板的生产工艺，其特征在于：所述S9预处理的过程如下：先将搓丝板浸入除油液中，加热至60-80℃，处理10-15min，取出后依次水洗、丙酮洗、水洗，接着浸入6-10%硫酸溶液中，处理6-8min；除油液包括30-40g/L氢氧化钠、25-30g/L碳酸钠、0.4-0.8ml/L OP-10。
5.根据权利要求3所述的一种耐磨搓丝板的生产工艺，其特征在于：所述S10配置镀液的过程如下：先混合NiSO4·6H2O、NiCl2·6H2O、硼酸和水，再将分散剂投入，搅拌均匀，最后依次投入纳米二氧化铈、纳米氧化钇、纳米氧化铝、纳米碳化硅、纳米氧化锆；纳米微粒每次投料后超声搅拌2-3min，再进行下一次投料。
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