CN1891847A - 瓦楞辊的表面强化改性方法及制造工艺 - Google Patents
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Abstract
瓦楞辊的表面强化改性方法及制造工艺，本发明公开了一种合金瓦楞辊的表面强化改性方法，即首先将工件进行氮碳盐浴共渗，使氮在金属表面富集，形成氮占主要成分的ε相铁氮化合物层和氮扩散层，然后对工件进行清洗抛光，去除表层较软的多孔性疏松层并使其表面光滑，再对工件进行盐浴氧化，使渗氮组织层表面覆盖氧化层。此外还公开了一种瓦楞辊的制造工艺以及该制造工艺所采用的原材料。经过合理的选材和表面强化改性处理后，赋予该瓦楞辊以优良的耐磨损、耐腐蚀和耐高温性能，显著提高瓦楞辊的工作质量和使用寿命，使生产成本明显降低，达到节能降耗，高效长寿的目的。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种合金瓦楞辊的表面强化改性方法及其制造工艺。
背景技术
瓦楞辊是单面瓦楞纸板机上最主要的工作部件。在瓦楞纸板生产过程中，被加热烘干的瓦楞原纸高速的送入上下对滚的瓦楞辊中间轧制粘合成瓦楞纸板。由于瓦楞辊工作温度高，其筒体温度一般被加热到200℃以上；楞尖窄小；相对运动快，有些先进的高速生产线运行速度甚至达到300M/MIN；处在无润滑的干摩擦状态下连续运转，尤其是瓦楞原纸中或多或少的含砂导致了瓦楞辊楞齿的剧烈磨损，使其成为经常需要更换修复，资金占用量大的易耗品。其质量和性能直接决定着瓦楞纸板的生产效率、产品质量和技术水平。为了提高耐磨性，延长瓦楞辊的使用寿命，各生产厂家想到了各种可能的制造方法以满足客户的要求，比如在中华人民共和国轻工行业标准QB/T 1447.1-2000《单面瓦楞纸板机 瓦楞辊》中，对瓦楞辊齿形表面的硬化处理，列举了一些较为成熟的处理方法，成为这些生产工艺的典型代表：
a)氮化：氮化深度0.3mm～0.6mm，HRC55～60；
b)感应淬火：硬化层深度大于1mm，HRC55～60；
c)渗碳淬火：渗碳深度0.8mm～1.2mm，HRC55～60；
d)激光淬火：硬化层深度0.5mm～1mm，HRC55～60；
e)镀硬铬
以上硬化处理均是基于筒体材料含碳量在0.35％～0.55％范围内的合金结构钢35CrMo、42CrMo、40CrNiMoA、45CrNiMoV或碳素结构钢45钢、50Mn钢等加工得到的。在上述各种硬化处理工艺中，单纯的氮化，如效果最为优良的离子氮化，因其设备投资大，工艺周期长，生产成本高昂和难以避免的狭缝现象及边角效应导致对复杂大件的处理困难，质量不稳定，已经被大多数生产厂家所淘汰；渗碳淬火因处理温度高，零件变形大而在实际生产中基本上未被采用；激光淬火因其功率控制不稳定易烧伤工件，导致瓦楞辊楞尖的塌陷，还处于小批量试用阶段。事实上大多数生产厂家采用的瓦楞辊生产的齿面硬化的主流工艺是感应淬火+镀硬铬，为了防止齿形淬火开裂和镀铬氢脆，还必须制定严格的工艺路线以保证合格率，其具体生产工艺为：
42CrMo精锻管——筒身调质——定长——焊轴头——去应力退火——粗加工——刨齿——粗磨齿——感应淬火——精磨齿——镀硬铬——驱氢热处理。
上述工艺对瓦楞辊原材料的要求高，必须采用精锻管，工艺路线复杂生产周期漫长，致使成本居高不下。实际使用证明采用上述工艺生产的瓦楞辊，其寿命在1000万米左右，在现今飞速发展的高速重型瓦楞纸板生产线上往往只能使用半年甚至三个月就要更换复修。
发明内容
为了克服现有瓦楞辊耐磨性能差，使用寿命短的缺点，本发明提供了一种对瓦楞辊楞齿表面进行强化改性的方法，该方法不仅能够大幅的提高瓦楞辊齿表面的硬度，而且还能极大地提高防锈性能，同时该方法还能使瓦楞辊齿表面带有一定的自润滑性能。使瓦楞辊的耐磨性能，抗咬合性能和抗疲劳性能得到了大幅度的提高。
本发明另一个要解决的技术问题是提供一种瓦楞辊的制造方法，采用该方法制造的瓦楞辊不仅耐磨性能好，使用寿命长，而且还能合理选材，缩短工艺路线，提高成品率，降低生产成本。
本发明对瓦楞辊齿表面进行强化改性的方法是：首先将工件进行氮碳盐浴共渗，使氮在黑色金属表面富集，形成氮占主要成分的ε相铁氮化合物层和氮扩散层，然后对工件进行清洗抛光，去除表层较软的多孔性疏松层并使其表面光滑，再对工件进行盐浴氧化，使渗氮组织层表面覆盖氧化层。
在上述表面处理方法的渗氮处理中，瓦楞辊合金材料中的Cr、Mo、等成分均可与氮形成硬度高、稳定性好的氮化物，并以弥散状态分布于渗氮层内，使其弥散强化，具有更高硬度和耐磨性；经渗氮处理后瓦楞辊楞齿表面形成35μm～50μm的渗氮组织层(白亮层+扩散层)，表面硬度为Hv750～Hv1200，耐磨性大大提高；同时白亮层下面的扩散层可以提高材料的疲劳强度。在盐浴渗氮后的清洗抛光处理，可去掉化合物外面的疏松层，提高工件的耐磨性，且使工件表面产生了与工作时受力方向相反的压应力，提高工件的疲劳强度。随后的盐浴氧化处理不仅降低了工件的表面粗糙度，使其表面黑亮，外观变得赏心悦目，减小了工件表面的摩擦系数，还大大提高了化合物层中的含氧量，从而进一步提高工件的抗蚀性能。
对于本发明的瓦楞辊的制造工艺，该技术问题是这样加以解决的：选用适宜氮化处理的38CrMoAl合金结构钢作为瓦楞辊筒身材料，其合金成分及含量：0.35％～0.42％的C，0.20％～0.45％的Si，0.30％～0.60％的Mn，0.15％～0.25％的Mo，1.35％～1.65％的Cr，0.70％～1.10％的Al，其余为Fe和不可避免的杂质。其工艺步骤为：
38CrMoAl热轧无缝钢管——筒身调质——定长——焊轴头——去应力退火——粗加工——刨齿——精磨——表面强化改性
由于本发明的瓦楞辊表面强化改性方法使工件几乎不变形，故此可以作为瓦楞辊加工的最后一道工序，尤其是取消了使工件变形量大，极易导致齿面开裂的感应淬火工序，也就相应的取消了感应淬火以后的又一次精磨加工工序，还可以使采用成本较低的热轧无缝钢管代替价格高昂的精锻管成为可能。
经过严格合理的选材和表面强化改性处理后，赋予该瓦楞辊以优良的耐磨损、耐腐蚀和耐高温性能，显著提高瓦楞辊的工作质量和使用寿命，使生产成本明显降低，达到节能降耗，高效长寿的目的。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的瓦楞辊及其表面处理方法和制造工艺作进一步详细描述，以下所列实施例为本发明的非限定性实施例，有关成分配比和工艺参数可在允许的范围进行调整，这种调整对本发明没有实质性影响。
实施例一：本例的瓦楞滚材料选用38CrMOAl热轧无缝钢管，材料外径φ426mm，长L＝2020mm，制成的瓦楞滚直径φ405mm。供货材质证明书中材料组成及重量含量为：C 0.40％，Si0.40％，Mn 0.52％，Mo 0.23％，Cr 1.60％，Al 1.06％，其余为铁和不可避免的杂质，与化验分析的结果相吻合。原材料依本发明的工艺步骤进行热处理调质、车削定长、焊轴头、去应力退火、粗加工、刨齿、精磨齿形后进行最终的表面强化改性。其表面强化的具体方法为：
1装卡：由于工件尺寸大，质量重，牢固的装卡是实施本工序的安全保证；
2清洗去油；
3预热：350-400℃30-50min。在井式空气炉中进行。预热的主要作用是烤干工件表面的水分，使冷工件升温后再入氮化炉，以防工件带水进入氮化炉引起盐浴溅射和防止冷工件入炉后盐浴温度下降太多。同时预热对减少工件变形和获得色泽均一的外观也有一定作用；
4氮化(盐浴氮碳共渗)：550-570℃160-180min。氮化用盐：40％(NH2)2CO+30％Na2CO3+20％K2CO3+10％KOH，CH->1％。氮化是本发明表面强化改性的核心工序。工件浸入氮化盐浴后，氰酸根分解产生的N、C原子可在工件表面形成高的N势和C势，由于N原子半径仅仅为Fe原子的一半，而C原子的半径更小，所以N、C原子可以在Fe原子点阵间隙中进行扩散。工件表面高浓度的N、C原子向内部扩散，先形成在a-Fe中的固溶体，随着表面原子浓度的提高，逐渐形成γ’(Fe4N)化合物和ε(Fe2_3N)化合物。最终由工件表面向中心形成N、C的浓度梯度。渗层组织为ε相、ε相+γ’相、γ’相，化合物层以下是N在α-Fe中的固溶体，形成扩散层；
5清洗抛光：清洗抛光处理，去掉化合物外面的疏松层；
6氧化：350-400℃20-30min。氧化工序的作用一是彻底分解工件从氮化炉带出来的氰根，达到环保要求。二是在工件表面形成黑色氧化膜增加防腐能力，对提高耐磨性也有一定好处；
7清洗去盐；
8干燥；
9浸油。
瓦楞辊经过本发明的表面强化改性后，表面渗层组织由三层构成：外表为美观的黑色氧化膜；中间为化合物层；向内为扩散层。其中以氧化物层最为重要，其主要组成为Fe2_3N，它是提高耐磨性的可靠保证，同时它的抗蚀性也很好。氧化膜的主要作用是与化合物一起构成极好的抗蚀层。同时它处于多孔状态可以储油，减小摩擦系数，对提高耐磨性有利，还有美化外观的作用。扩散层主要作用是提高工件的疲劳强度。本发明的瓦楞辊表面强化改性技术实现了渗氮工序和氧化工序的复合，氮化物和氧化物的复合，耐磨性和抗蚀性的复合，热处理技术和防腐技术的复合，满足了瓦楞辊表面需要的优良的理化性能和机械性能。经检测其齿表面硬度为Hv0.11030。
实施例二：本例选用的瓦楞辊材料为42CrMo精锻管，材料组成及重量含量为：C 0.41％，Si 0.36％，Mn 0.68％，Mo 0.24％，Cr 1.16％，其余为铁和不可避免的杂质。采用实施例一中完全相同的工艺方法同样得到了表面强化的硬化层。经检测其齿表面硬度为Hv0.1690，略低于实施例一，同样具有良好的耐磨性和耐蚀性。
对比以上两个实施例我们可以得到如下的结论：本发明的瓦楞辊表面强化改性方法几乎对所有的钢种有效，含一定量的Cr、MO、Al、Ti的钢效果更佳，尤其是Al可以显著的提高表面硬度，故此38CrMoAl是本发明中最为有效的材料选择之一。
下表是滑动磨损试验所得的不同处理方法的瓦楞辊楞齿表面机械性能对照表
| 序号 | 材料 | 处理方法 | 硬度 | 磨损值(mg) | 相对磨损比 |
| 1 | 38CrMoAl | 本发明方法 | Hv0.11030 | 0.22 | 1 |
| 2 | 42CrMo | 本发明方法 | Hv0.1690 | 0.36 | 1.6 |
| 3 | 42CrMo | 镀硬铬 | Hv0.1813 | 0.46 | 2.1 |
| 4 | 42CrMo | 离子氮化 | Hv0.1780 | 0.62 | 2.8 |
| 5 | 20# | 渗碳淬火 | HRC63.5 | 3.12 | 14 |
| 6 | 42CrMo | 中频淬火 | HRC59 | 5.18 | 23.7 |
Claims (3)
1.一种合金瓦楞辊的表面强化改性方法，即首先将工件进行氮碳盐浴共渗，使氮在金属表面富集，形成氮占主要成分的ε相铁氮化合物层和氮扩散层，然后对工件进行清洗抛光，去除表层较软的多孔性疏松层并使其表面光滑，再对工件进行盐浴氧化，使渗氮组织层表面覆盖氧化层。
2.根据权利要求1所述的表面强化改性方法，其特征在于：瓦楞辊预热：350-400℃ 30-50min；氮化(盐浴氮碳共渗)：550-570℃ 160-180min。氮化用盐：40％(NH2)2CO+30％Na2CO3+20％K2CO3+10％KOH，CH-＞1％；清洗抛光：清洗抛光处理，去掉化合物外面的疏松层。氧化：350-400℃ 20-30min。使瓦楞辊表面形成渗氮组织层和氧化层后，齿表面硬度在Hv0.1900-Hv0.11100。
3.一种瓦楞辊的制造工艺，其特征在于：选用适宜氮化处理的38CrMoAl合金结构钢作为瓦楞辊筒身材料，其合金成分及含量：0.35％～0.42％的C，0.20％～0.45％的Si，0.30％～0.60％的Mn，0.15％～0.25％的Mo，1.35％～1.65％的Cr，0.70％～1.10％的Al，其余为Fe和不可避免的杂质。其工艺步骤为：
38CrMoAl热轧无缝钢管——筒身调质——定长——焊轴头——去应力退火——粗加工——刨齿——精磨——表面强化改性。
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