CN115572937A - 一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法，属于化学热处理技术领域。本发明公开的一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，对钢丝圈进行氮碳共渗处理，促进碳、氮原子的渗入速度，提高化学热处理效率，解决了现有技术能耗大、耗时长的技术问题；本发明提供的方法仅仅需要简单的温度调控，对环境无污染，仅靠改变炉内温度和气氛实现，操作简单，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于化学热处理技术领域，具体涉及一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法。
背景技术
钢丝圈作为最小的纺织器材之一，虽然钢丝圈非常小，但其作用却很大。它是纺织细纱机完成加捻、卷绕不可缺的关键部件之一，其质量的优劣，直接影响成纱质量和纺纱效率。钢丝圈虽然产品小，但质量要求高，技术含量高，制造难度大。
钢丝圈在纺纱过程中的速度为45～50米/秒，相当于150～200公里/小时。钢丝圈的内脚在钢领跑道上的滑动是无润滑的摩擦磨损，它们处于高压、高速和高温的工作环境，引起接触面的不同程度磨损，导致钢领内跑道凹凸不平，钢丝圈运行不平稳，容易造成毛羽、棉结、断头等质量问题。因此，选择合适的钢丝圈材料和热处理技术是决定其使用寿命的重要因素之一。现在普通型钢丝圈常采用90#、T9A优质碳素工具钢和80WV合金钢制造，钢丝圈一般使用寿命在7～10天。现有的技术人员采用扩散渗V、W金属的BS(蓝宝石)表面处理与电镀+纳米金刚石共沉积方法(黑金)制备的钢丝圈寿命可达15～20天。
然而，由于大部分钢丝圈生产企业依然采用电镀等技术，存在一定的环境污染，能耗大等缺点；部分采用表面扩散渗金属方法由于需要长时间处理且表层组织控制难度大。因此，亟需开发一种高效节能的减摩钢丝圈表面处理技术，从而进一步改善和优化棉纺所需的高硬度减摩钢丝圈。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高硬度减摩钢丝圈及其制备方法，用以解决现有技术进行钢丝圈的表面强化处理时存在环境污染、能耗大、耗时长、表层组织控制难度大等技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，包括以下步骤：
将钢丝圈放置在加热设备中进行氧化处理，得到氧化后的钢丝圈；随后将氧化后的钢丝圈放置在氨气和甲醇溶液得到的裂解气的混合气体中，进行若干阶段的碳氮共渗处理，随后进行淬火，回火处理后得到一种高硬度减摩钢丝圈。
进一步地，所述高硬度减摩钢丝圈从表面至基体具有化合物弥散分布的硬化层；当化合物弥散分布的硬化层的厚度为15～35μm时，进行一个阶段的氮碳共渗处理，当化合物弥散分布的硬化层的厚度为36～100μm时，进行两个阶段的氮碳共渗处理。
进一步地，所述碳氮共渗处理在渗碳炉中进行；所述氮碳共渗处理的步骤为：将渗碳炉以升温速率15℃/min升至660～730℃，渗碳炉排气结束后将钢丝圈放置在渗碳炉中处理30～90min。
进一步地，所述甲醇溶液的滴入量为4.4-5.2mL/min，所述氨气的流量为0.48-0.55m3/h，氮碳总量为0.81％-1.14％。(重量百分比)。(本专利所述氮碳总量为采用定碳片(钢箔厚度0.05mm，碳含量0.03％)，在氮碳共渗温度下，保温30分钟空冷，利用重量法所测的数值)。
进一步地，所述回火处理参数为：在设置温度为350～400℃的箱式电阻炉中，保温30～60min，随后空冷至室温。
进一步地，所述淬火的方式为油淬；所述氧化处理的过程为：在350～400℃下将钢丝圈放置在加热设备中，保温30～60min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈。
本发明还公开了采用上述制备方法制备得到的高硬度减摩钢丝圈，所述高硬度减摩钢丝圈的表面具有致密白亮化合物层。
进一步地，所述致密白亮化合物层的厚度为3～10μm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了采用上述制备方法得到的高硬度减摩钢丝圈，所述高硬度减摩钢丝圈表面具有一定厚度的化合物弥散分布的硬化层，并且化合物弥散分布的硬化层的厚度可依靠改变炉内温度和气氛实现15～100μm之间的可控调整，能够提高钢丝圈表面硬度和耐磨性；另外在高硬度减摩钢丝圈的表面具有3～10μm的致密白亮化合物层，低于钢领的硬度～HV700，使其具有一定(约七天)寿命，且基本上不影响更为贵重的磨擦副-纲领的寿命。此外，本发明提供的方法仅需要简单的温度调控，对环境无污染，仅靠改变炉内温度和气氛实现，操作简单，既适用于碳素工具钢也适用于低碳及高碳合金结构钢，应用范围广泛，不受基体碳含量的影响，具有重要的应用价值。
进一步地，本方法使用的碳氮共渗温度为660～730℃，碳氮共渗热处理温度低，时间短，可以有效避免热处理变形问题，同时降低钢丝圈处理成本，节能高效。
本发明公开了采用上述制备方法得到的高硬度减摩钢丝圈，所述高硬度减摩钢丝圈从表面到基体具有化合物弥散分布的硬化层(梯度纳米硬化层)，并且梯度纳米硬化层的厚度可依靠改变炉内温度和气氛实现15～100μm之间的可控调整，能够提高钢丝圈表面硬度和耐磨性；另外在高硬度减摩钢丝圈的表面具有3～10μm的致密白亮化合物层，其具有耐磨、减摩自润滑的优异性能，可降低摩擦系数，有效避免钢丝圈因恶劣工作环境下高温、腐蚀和摩擦等因素报废过快，从而减少不必要的损失；根据相关实验结果表明，本发明制备得到的高硬度减摩钢丝圈能实现表面硬度适中(HV0.2:626～716)，并保持钢丝圈心部基体组织不变，保留足够的韧性(HV0.2:208～366)，获得表硬里韧的性能匹配，使得钢丝圈耐磨、减摩的同时具备较佳的装配韧性，实现即容易上纲领又耐磨，从而提高钢丝圈使用寿命。
附图说明
图1为实施例1得到的经700℃/90min+730℃/30min氮碳共渗+回火后得到的高硬度减摩钢丝圈的组织图；
其中：a-金相显微镜50X下的钢丝圈宏观形貌；b-金相显微镜500X下的钢丝圈表面的化合物弥散分布的硬化层形貌；
图2为实施例2得到的经660℃/60min+730℃/60min氮碳共渗+回火后得到的高硬度减摩钢丝圈的组织图；
其中：a-金相显微镜100X下的钢丝圈宏观形貌；b-金相显微镜500X下的钢丝圈表面的化合物弥散分布的硬化层形貌；
图3为82B钢丝圈经710℃/90min氮碳共渗+回火后的组织特征图；
其中：a-金相显微镜50X下的钢丝圈宏观形貌；b-金相显微镜500X下的钢丝圈表面的化合物弥散分布的硬化层形貌；
图4为GGr15钢丝圈经710℃/90min氮碳共渗+回火后的组织特征图；
其中：a-金相显微镜100X下的钢丝圈宏观形貌；b-金相显微镜500X下的钢丝圈表面的化合物弥散分布的硬化层形貌；
图5为GGr15钢丝圈经660℃/60min+710℃/60min氮碳共渗+回火后的组织图；
其中：a-金相显微镜100X下的钢丝圈宏观形貌；b-金相显微镜500X下的钢丝圈表面的化合物弥散分布的硬化层形貌。
具体实施方式
为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。
本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
实施例1
选取宽0.3mm的合金钢80WV钢丝圈，在超声波清洗仪中利用丙酮清洗钢丝圈，并干燥备用。将钢丝圈放入400℃箱式电阻炉，保温30min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈；随后将井式渗碳炉以15℃/min升温至710℃，将氧化后的钢丝圈放入井式渗碳炉中，甲醇的滴入量为4.4mL/min，通入氨气流量0.52m3/h，保温90min，氮碳总量为0.92％；随后继续升温至730℃，保温30min后，进行油淬火处理，然后在400℃下保温60min进行回火处理，空冷后，得到一种高硬度减摩钢丝圈；所述高硬度减摩钢丝圈从表面到基体获得了厚度为38μm的化合物弥散分布的硬化层，在表层获得了厚度约为8μm的致密白亮化合物层，如图1所示，其表层硬度高达716HV0.2(18μm处测量值)，次表面硬度高达428HV0.2(30μm处测量值)心部硬度为252HV0.2(120μm处测量值)。
实施例2
一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，包括以下步骤：
选取宽0.5mm的82B钢丝圈，在超声波清洗仪中利用丙酮清洗并干燥备用。将钢丝圈放入380℃箱式电阻炉，保温40min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈；随后将井式渗碳炉以15℃/min升温至660℃，将氧化后的钢丝圈放入井式渗碳炉中，甲醇的滴入量为4.6mL/min，通入氨气流量0.55m3/h，保温60min，氮碳总量为0.81％；随后继续将井式渗碳炉以15℃/min升温至730℃，甲醇的滴入量为4.8mL/min，保温60min，通入氨气流量0.50m3/h，氮碳总量0.90％，进行油淬火处理，然后在400℃下保温30min进行回火处理，空冷后，得到一种高硬度减摩钢丝圈；所述高硬度减摩钢丝圈从表面到基体获得了厚度为100μm的化合物弥散分布的硬化层，在表层获得了厚度约为3μm的致密白亮化合物层，如图2所示，其表层硬度高达626HV0.2(15μm处测量值)，次表面硬度高达534HV0.2(30μm处测量值)心部硬度为208HV0.2(200μm处测量值)。
实施例3
一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，包括以下步骤：
选取宽0.3mm的GGr15钢丝圈和0.5mm的82B钢丝圈，在超声波清洗仪中利用丙酮清洗钢丝圈(20min)并干燥备用。将两种钢丝圈放入350℃箱式电阻炉，保温30min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈；随后将井式渗碳炉以15℃/min升温至710℃，将氧化后的钢丝圈放入井式渗碳炉中，甲醇的滴入量为5.2mL/min，通入氨气流量0.48m3/h，保温90min，氮碳总量为1.05％；对82B和GGr15钢丝圈分别选择350℃和380℃进行保温60min，空冷后，得到一种高硬度减摩钢丝圈；82B钢丝圈获得渗层厚度为15～35μm的化合物弥散分布的硬化层，表层约4μm厚的致密白亮化合物层，如图3所示，其表层硬度高达650HV0.2(12μm处测量值)，次表面硬度高达468HV0.2(30μm处测量值)心部硬度为218HV0.2(150μm处测量值)。
实施例4
一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，包括以下步骤：
选取宽0.3mm的合金钢GGr15钢丝圈和0.45mm的T9A钢丝圈，利用丙酮溶液在超声波清洗仪清洗试样并干燥备用。将钢丝圈放入350℃箱式电阻炉，保温60min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈；随后将井式渗碳炉以15℃/min升温至660℃，将氧化后的钢丝圈放入井式渗碳炉中，甲醇的滴入量为4.64mL/min，通入氨气流量0.48m3/h，保温60min；随后继续将井式渗碳炉以15℃/min升温至710℃，甲醇的滴入量为4.96mL/min，保温60min，通入氨气流量0.50m3/h，氮碳总量1.14％，进行油淬火处理，然后在380℃下保温45min进行回火处理，空冷后，得到一种高硬度减摩钢丝圈；GGr15钢丝圈获得渗层厚度70μm的化合物弥散分布的硬化层，表层约10μm厚的致密白亮化合物层，如图5所示，其表层硬度高达693HV0.2(25μm处测量值)，心部硬度为366.7HV0.2(150μm处测量值)。T9A钢丝圈表面获得渗层厚度50μm的化合物弥散分布的硬化层，表层约4μm厚的致密白亮化合物层，其表层硬度高达652HV0.2(20μm处测量值)，次表面硬度高达527HV0.2(40μm处测量值)，心部硬度为250.7HV0.2(150μm处测量值)。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钢丝圈放置在加热设备中进行氧化处理，得到氧化后的钢丝圈；随后将氧化后的钢丝圈放置在氨气和甲醇溶液得到的裂解气的混合气体中，进行若干阶段的碳氮共渗处理，随后进行淬火，回火处理后得到一种高硬度减摩钢丝圈。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，其特征在于，所述高硬度减摩钢丝圈从表面至基体具有化合物弥散分布的硬化层；当化合物弥散分布的硬化层的厚度为15～35μm时，进行一个阶段的氮碳共渗处理，当化合物弥散分布的硬化层的厚度为36～100μm时，进行两个阶段的氮碳共渗处理。
3.根据权利要求2所述的一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，其特征在于，所述碳氮共渗处理在渗碳炉中进行；所述氮碳共渗处理的步骤为：将渗碳炉以升温速率15℃/min升至660～730℃，渗碳炉排气结束后将钢丝圈放置在渗碳炉中处理30～90min。
4.根据权利要求2所述的一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法，其特征在于，所述甲醇溶液的滴入量为4.4～5.2mL/min，所述氨气的流量为0.48～0.55m3/h，氮碳总量为0.81％～1.14％。
5.根据权利要求1所述的一种高硬度减摩钢丝圈，其特征在于，所述回火处理参数为：在设置温度为350～400℃的箱式电阻炉中，保温30～60min，随后空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的一种高硬度减摩钢丝圈，其特征在于，所述淬火的方式为油淬；所述氧化处理的过程为：在350～400℃下将钢丝圈放置在加热设备中，保温30～60min，随后进行空冷，得到氧化后的钢丝圈。
7.采用权利要求1～6中任意一项所述的一种高硬度减摩钢丝圈的制备方法制备得到的高硬度减摩钢丝圈，其特征在于，所述高硬度减摩钢丝圈的表面具有致密白亮化合物层。
8.根据权利要求7所述的一种高硬度减摩钢丝圈其特征在于，所述致密白亮化合物层的厚度为3～10μm。
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