專利名稱：一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料表面改性處理技術(shù)領(lǐng)域，是一種瓦楞輥表面強(qiáng)化熱處理的新 技術(shù)。
背景技術(shù)：
瓦楞輥是瓦楞紙板生產(chǎn)線上的關(guān)鍵部件，在生產(chǎn)時(shí)既與瓦楞芯紙相對位移產(chǎn)生摩 擦擠軋，又受到原紙中夾雜物和礦物硬粒的撞擊。因此，瓦楞輥楞齒的頂部極易磨損，導(dǎo)致 芯紙楞高過低，增加了涂膠量，降低了紙板的強(qiáng)度。對瓦楞輥進(jìn)行強(qiáng)化及修復(fù)，以提高耐磨 性，延長瓦楞輥使用壽命，并且實(shí)現(xiàn)失效輥的循環(huán)利用，是提高包裝企業(yè)市場競爭力的關(guān)鍵 途徑。國內(nèi)廠家制造瓦楞輥的工藝流程如下鍛打下料一粗車一調(diào)質(zhì)一精加工筒體及 軸頭配合處一熱壓組合筒體與軸頭并封焊一去應(yīng)力回火一精加工支撐位及筒體外圍一粗 磨齒一去磨削應(yīng)力回火一中頻淬火一半精磨齒一激光淬火一中輥開槽一精磨齒一鍍鉻一 以筒體齒外圍為基準(zhǔn)加工兩端軸頭一總檢一打包。瓦楞輥使用材料為35CrMo、42CrMo或 50Mn，經(jīng)鍍鉻層增強(qiáng)的輥齒表面硬度為55 60HRC，具有較強(qiáng)的耐磨性能，使用壽命一般在 500萬 800萬長米。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)廠家著力推廣在瓦楞輥表面熱噴涂碳化鎢硬質(zhì)合金的硬化處理 方式，以進(jìn)一步提高瓦楞輥使用壽命。碳化鎢顆粒具備極高的硬度和耐磨性，經(jīng)過超音速火 焰噴涂系統(tǒng)加速，以3 5倍音速的速度撞擊并鑲嵌在瓦楞輥表面，形成致密的涂層，可以 有效地將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米。然而，此工藝具有生產(chǎn)成本與廢品率均較高的缺 點(diǎn)，在推廣中受到了很大的制約。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用成本較低的表面硬化熱處理方式，有效提高瓦楞輥的使用壽 命。通過離子注滲的工藝，在瓦楞輥表面形成具有極高結(jié)合強(qiáng)度的氮化硅陶瓷層，將瓦楞輥 壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，包括以下 步驟步驟1 將瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐內(nèi)，并與爐內(nèi)陰極的陰極相連；步驟2 將上述第1步真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統(tǒng)，抽真空，真空室的 極限真空度范圍在133X 10_2 5X 133X ICT1Pa ；之后充氫氣與四氯化硅氣體的混合氣達(dá)到 工作氣壓，使其工作氣壓壓力范圍為10 80Pa，其中四氯化硅氣體的體積分?jǐn)?shù)含量范圍為 60% 80% ；步驟3 啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源，真空爐內(nèi)形成異常的輝光放電，產(chǎn)生活 性硅離子，硅離子在輝光放電空間內(nèi)各種等離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形 成硅原子，并向基體內(nèi)擴(kuò)散，在極限溶解度之內(nèi)，硅原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)；
步驟4 提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；步驟5 保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟6 保持真空等離子熱處理爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排出四氯化硅與氫氣混 合氣，將真空室抽至真空度5 15Pa后，充入氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其中氮?dú)夂矿w積分?jǐn)?shù) 為25% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間；步驟7 再次啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源，爐內(nèi)形成輝光放電，產(chǎn)生活性氮離 子，氮離子在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子后逐漸成為氮原 子，被工件表面吸收，并向內(nèi)擴(kuò)散；在此條件下，氮原子與之前滲透的硅原子均具有很高的 活性，故兩者極易在瓦楞輥表面結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氮化硅陶瓷層；步驟8 提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；步驟9 保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟10 取出工件，兩端安裝軸頭后即可使用。其中，步驟4中的設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為 0. 5mA/cm2 5mA/cm2 ；工件的保溫溫度為500°C 700°C，保溫時(shí)間為2 4h。步驟8中的設(shè)備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2 ；保溫溫度為 500600°C，滲氮時(shí)間為 IOmin 48h。步驟5及步驟9中的冷卻溫度為室溫。于步驟1前先將瓦楞輥淬火處理。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法采用 離子注滲的方式，在注滲元素的過程中，通過控制滲入元素的化學(xué)勢、處理溫度，以及工件 的表面狀態(tài)，在保持注滲元素向金屬基體擴(kuò)散的同時(shí)，阻止注滲元素與金屬基體中的元素 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。最終在金屬基體表面既生成致密的氮化硅耐磨陶瓷層，又保證了該陶瓷層 與金屬基體為冶金結(jié)合，具備極高的結(jié)合強(qiáng)度，難以發(fā)生脫落。在瓦楞輥表面形成具有極高 結(jié)合強(qiáng)度的氮化硅耐磨陶瓷層，將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其具體步驟如下1.將瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐內(nèi)，并與爐內(nèi)陰極的陰極相連。2.將上述第1步真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統(tǒng)，抽真空。真空室的極限 真空度范圍在133X10_2 5X133X KT1Patj之后充氫氣與四氯化硅氣體的混合氣達(dá)到工 作氣壓，其范圍一般為10 80Pa。其中四氯化硅氣體的體積分?jǐn)?shù)含量范圍為60% 80%。3.在第2步工作完成后，啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源。在低真空IO-SOPa的 條件下，真空爐內(nèi)形成異常的輝光放電，產(chǎn)生活性硅離子。硅離子在輝光放電空間內(nèi)各種等 離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形成硅原子，并向基體內(nèi)擴(kuò)散。在極限溶解度 之內(nèi)，硅原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)。4.啟動(dòng)設(shè)備電源后，緩慢提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫。設(shè) 備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為0. 5mA/cm2 5mA/cm2。5.升溫和保溫過程中，記錄溫度、電流、電壓、流量、氣壓等參數(shù)的數(shù)值和發(fā)生的特 殊情況。工件的保溫溫度為500°C 700°C，保溫時(shí)間為2 4h。
6.保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻，可以冷卻至室溫。7.在第6步所述工藝完成后，保持真空等離子熱處理爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排 出四氯化硅與氫氣混合氣，將真空室抽至真空度5 15Pa后，充入氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其 中氮?dú)夂繛?5% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間。8.啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源，爐內(nèi)形成輝光放電，產(chǎn)生活性氮離子。氮離子 在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子后逐漸成為氮原子，被工件 表面吸收，并向內(nèi)擴(kuò)散。在此條件下，氮原子與之前滲透的硅原子均具有很高的活性，故兩 者極易在瓦楞輥表面結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氮化硅陶瓷層。9.上述第8步中的設(shè)備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2。保溫 溫度為500°C 600°C，滲氮時(shí)間為IOmin 48h。10.保溫結(jié)束后，如上述第6步操作設(shè)備。11.上述第10步結(jié)束后，取出工件，兩端安裝軸頭后即可使用。上述方法中的真空等離子熱處理爐是現(xiàn)有技術(shù)，其結(jié)構(gòu)和使用方法再此不再贅 述。以下為具體實(shí)施例(如無特殊說明，涉及的含量皆為體積百分?jǐn)?shù))實(shí)施例一將原材料為42CrMo的瓦楞輥淬火處理后，置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極 相接。抽真空至133X10_2Pa并通四氯化硅與氫氣的混合氣，其中四氯化硅氣體含量65%， 工作氣壓15Pa。啟動(dòng)電源，設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為 0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在550°C保溫滲硅2小時(shí)。工件冷卻后排出四氯化硅與 氫氣混合氣，再抽真空至IOPa并通氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其中氮?dú)夂繛?0%，混合氣壓 200Pa。再次啟動(dòng)電源，電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在550°C 保溫滲氮10小時(shí)，形成氮化硅特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硅陶瓷硬化層為0. 35mm，氮化硼富集 層為0. 25mm，表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大于1500萬長米，提高3倍。實(shí)施例二 將原材料為35CrMo的瓦楞輥淬火處理后，置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極 相接。抽真空至2X133X ICT1Pa并通四氯化硅與氫氣的混合氣，其中四氯化硅氣體含量 60%，工作氣壓10Pa。啟動(dòng)電源，設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一 般為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在500°C保溫滲硅4小時(shí)。工件冷卻后排出四氯化硅 與氫氣混合氣，再抽真空至15Pa并通氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其中氮?dú)夂繛?5%，混合氣 壓133Pa。再次啟動(dòng)電源，電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在500°C 保溫滲氮48小時(shí)，形成氮化硅特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硅陶瓷硬化層為0. 35mm，氮化硼富集 層為0. 25mm，表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大于1500萬長米，提高3倍。實(shí)施例三將原材料為50Mn的瓦楞輥淬火處理后，置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極相 接。抽真空至5 X 133 X ICT1Pa并通四氯化硅與氫氣的混合氣，其中四氯化硅氣體含量80%， 工作氣壓80Pa。啟動(dòng)電源，設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為 0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在700°C保溫滲硅2. 5小時(shí)。工件冷卻后排出四氯化硅與氫氣混合氣，再抽真空至5Pa并通氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其中氮?dú)夂繛?5%，混合氣壓 1330Pa。再次啟動(dòng)電源，電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在600°C 保溫滲氮lOmin，形成氮化硅特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硅陶瓷硬化層為0. 35mm，氮化硼富集層 為0. 25mm，表面硬度為HRC70。瓦楞輥使用壽命大于1500萬長米，提高3倍。
權(quán)利要求
一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1將瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐內(nèi)，并與爐內(nèi)陰極的陰極相連；步驟2將上述第1步真空等離子熱處理爐密封，開啟真空系統(tǒng)，抽真空，真空室的極限真空度范圍在133×10 2～5×133×10 1Pa；之后充氫氣與四氯化硅氣體的混合氣達(dá)到工作氣壓，使其工作氣壓壓力范圍為10～80Pa，其中四氯化硅氣體的體積分?jǐn)?shù)含量范圍為60％～80％；步驟3啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源，真空爐內(nèi)形成異常的輝光放電，產(chǎn)生活性硅離子，硅離子在輝光放電空間內(nèi)各種等離子體的作用下，吸附在基體表面，奪取電子形成硅原子，并向基體內(nèi)擴(kuò)散，在極限溶解度之內(nèi)，硅原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)；步驟4提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；步驟5保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟6保持真空等離子熱處理爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排出四氯化硅與氫氣混合氣，將真空室抽至真空度5～15Pa后，充入氮?dú)馀c氫氣的混合氣，其中氮?dú)夂矿w積分?jǐn)?shù)為25％～35％，混合氣氣壓保持在(1～10)×133Pa之間；步驟7再次啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源，爐內(nèi)形成輝光放電，產(chǎn)生活性氮離子，氮離子在高壓電場的作用下，高速轟擊工件表面，奪取工件表面的電子后逐漸成為氮原子，被工件表面吸收，并向內(nèi)擴(kuò)散；在此條件下，氮原子與之前滲透的硅原子均具有很高的活性，故兩者極易在瓦楞輥表面結(jié)合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成氮化硅陶瓷層；步驟8提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；步驟9保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟10取出工件，兩端安裝軸頭后即可使用。
2.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其特征在于 步驟4中的設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度一般為0. 5mA/cm2 5mA/cm2 ；工件的保溫溫度為500°C 700°C，保溫時(shí)間為2 4h。
3.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其特征在于 步驟8中的設(shè)備放電電壓400 800V，電流密度為0.5 15mA/cm2 ；保溫溫度為500600°C，滲氮時(shí)間為 IOmin 48h。
4.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其特征在于， 步驟5及步驟9中的冷卻溫度為室溫。
5.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其特征在于， 于步驟1前先將瓦楞輥淬火處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在瓦楞輥表面注滲氮化硅特種陶瓷的方法，其包含以下步驟將瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐內(nèi)，并與爐內(nèi)陰極的陰極相連；密封開啟真空系統(tǒng)，抽真空，之后充氫氣與四氯化硅氣體的混合氣；啟動(dòng)真空等離子熱處理爐的電源；提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；保溫結(jié)束后，切斷輝光電源，關(guān)閉閥門，工件冷卻；排出四氯化硅與氫氣混合氣，將真空室抽真空后，充入氮?dú)馀c氫氣的混合氣；再次啟動(dòng)電源；提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫；本發(fā)明有效提高瓦楞輥的使用壽命，通過離子注滲的工藝，在瓦楞輥表面形成具有極高結(jié)合強(qiáng)度的氮化硅耐磨陶瓷層，將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2％以下。
文檔編號C23C8/36GK101906606SQ20091008498
公開日2010年12月8日 申請日期2009年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
發(fā)明者劉煒, 楊金龍, 肖武, 陳俊忠, 陳立輝 申請人:清華大學(xué);深圳市東方企業(yè)有限公司