專利名稱：一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法
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化處理的新技 術(shù)。
背景技術(shù)：
瓦楞輥是瓦楞紙板生產(chǎn)線的核心部件，在運轉(zhuǎn)時連續(xù)處于高溫和受壓狀態(tài)。瓦楞 輥的最高使用溫度為225°C，最大工作壓力為1. 7MPa，運轉(zhuǎn)速度可高達400m/min，并不斷與 瓦楞芯紙相對位移產(chǎn)生摩擦擠軋，極易磨損。因此，瓦楞輥需要很高的質(zhì)量，其耐磨耐蝕性 等使用性能直接決定成套設(shè)備質(zhì)量的優(yōu)劣。目前，國內(nèi)廠家制造瓦楞輥使用的材料多為35CrMo、42CrMo或50Mn。瓦楞輥經(jīng)表 面淬火等普通工藝處理后，輥齒的表面硬度為55 60HRC，具有較強的耐磨性能，使用壽命 一般在400萬 600萬長米。為了提高瓦楞輥的使用壽命，通常采用以下硬化熱處理的方式離子滲氮；中頻 或超音頻后鍍鉻；離子滲氮后激光淬火；熱噴涂等幾種形式。通過提高瓦楞輥齒形表面硬 度，增加耐磨性、耐腐蝕作用而達到延長瓦楞輥使用壽命的目的。采用以上處理方式，或者 瓦楞輥使用壽命提升不明顯，如離子滲氮、中頻或超音頻后鍍鉻；或者廢品率較高，如離子 滲氮后激光淬火；或者處理成本較高，如熱噴涂，在生產(chǎn)過程中均受到了很大的制約。

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)合強度的氮化物耐磨陶瓷層，將瓦 楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，包括以下步驟步驟1 配制固體滲硼劑，所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組 成；步驟2 將上述步驟1中配制的固體滲硼劑均勻地涂抹在瓦楞輥表面，置于真空等 離子熱處理爐中，準備進行滲硼處理；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；步驟3 將上述步驟2中的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 KT1Pa ；之后通入氬氣，達到工作氣壓為10 80Pa ；步驟4:啟動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 性硼離子，硼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 成硼原子，并向基體內(nèi)擴散，在極限溶解度之內(nèi)，硼原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)；步驟5 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6 保溫結(jié)束后，切斷真空等離子熱處理爐的輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟7 保持空心陰極真空爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排出保護氣氬氣，將真空室 抽至真空度5 15Pa后，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體積分數(shù)為25% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間；步驟8 再次啟動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)擴散，在此條件下，氮原子與之前滲透的硼原子均具有很高的 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)，形成氮化硼陶瓷層；步驟9 提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫滲氮；步驟10 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11 取出工件，兩端安裝軸頭后即可使用。其中，供硼劑占滲硼劑質(zhì)量的40-50 %，填充劑占滲硼劑質(zhì)量的30-50 %，活化劑 占滲硼劑質(zhì)量的10-30%。供硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)為3% 5%，其余為硼 砂；活化劑為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟硅酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或混 合物；填充劑為碳化硅。 步驟5中的設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，溫度為550°C 750°C，并保溫，保溫時間為2 4h。步驟9中的設(shè)備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，溫度為 500°C 600°C，并保溫滲氮，滲氮時間為IOmin 48h。步驟6及步驟10中的冷卻溫度為室溫。步驟1取得的固體滲硼劑與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀后，再進行步驟2。于步驟2涂抹固體滲硼劑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硼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散的同時，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硼耐磨陶瓷層，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)合強度，難以發(fā)生脫落。在瓦楞輥表面形成具有極高 結(jié)合強度的氮化物耐磨陶瓷層，將瓦楞輥壽命延長至1500萬長米，廢品率控制在2%以下。
具體實施例方式本發(fā)明一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其具體步驟如下1 配制固體滲硼劑。所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組成。供 硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)為3% 5%，其余為硼砂；活化劑 為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟硅酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或混合物；填充 劑為碳化硅，占滲硼劑質(zhì)量的30% 50% ；供硼劑占滲硼劑質(zhì)量的40% 50%、活化劑占 滲硼劑質(zhì)量的10% 30%。2.將上述第1步配制固體滲硼劑均勻地涂抹在瓦楞輥表面，置于真空等離子熱處 理爐中準備進行滲硼處理。瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連。此步驟前可以先將第1步取得的固體滲硼劑與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀后，再進行涂抹。3.將上述第2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 5 X 133 X IO-1Pa15之后充氬氣達到工作氣壓為10 80Pa。4.在第3步工作完成后，啟動真空等離子熱處理爐的電源。在上述IO-SOPa的低 真空氬氣條件下，真空爐內(nèi)形成異常的輝光放電，產(chǎn)生活性硼離子。硼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，奪取電子形成硼原子，并向基體內(nèi)擴散。在極 限溶解度之內(nèi)，硼原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)。5.啟動設(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。6.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550°C 750°C，保溫時間為2 4h。7.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，可以冷卻到室溫。8.在第7步所述工藝完成后，保持空心陰極真空爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排出保 護氣氬氣，將真空室抽至真空度5 15Pa后，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體 積分數(shù)為25% 35%，混合氣氣壓保持在(1 10) X133Pa之間。9.啟動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)擴散。在此條件下，氮原子與之前滲透的硼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)，形成氮化硼陶瓷層。10.上述第9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，滲氮時間為IOmin 48h。11.保溫結(jié)束后，如上述第7步操作設(shè)備。12.上述第11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。以下為具體實施例(如無特殊說明，涉及的含量皆為質(zhì)量百分數(shù))實施例一將原材料為42CrMo的瓦楞輥淬火處理后，于表面涂刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配 方之一供硼劑占滲硼劑的40%，其中碳化硼占供硼劑的5% ；其余為硼砂；活化劑20% ； 填充劑40%。按此配方配制粉末滲劑，再與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀。將涂有滲硼膏劑的瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極相接。抽真空至 133 X10_2Pa并通氬氣，使其工作氣壓為15Pa。啟動電源，使得設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在600°C滲硼2小時。工件 冷卻后排出氬氣，再抽真空至5Pa并通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積分數(shù)為30%， 混合氣壓200Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件 升溫，在550°C滲氮10小時，形成氮化硼特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硼陶瓷硬化層為0. 5mm，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。實施例二
將原材料為35CrMo的瓦楞輥淬火處理后，于表面涂刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配 方之一供硼劑占滲硼劑的40%，其中碳化硼占供硼劑的3% ；其余為硼砂；活化劑10% ； 填充劑50%。按此配方配制粉末滲劑，再與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀。將涂有滲硼膏劑的瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極相接。抽真空 至5X133X ICT1Pa并通氬氣，使其工作氣壓為80Pa。啟動電源，使得設(shè)備整流輸出電流為 100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在550°C滲硼4小時。 工件冷卻到室溫后排出氬氣，再抽真空至15Pa并通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積 分數(shù)為25%，混合氣壓133Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在600°C滲氮48min，形成氮化硼特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硼陶瓷硬化層 為0. 5mm，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， 提尚3倍。實施例三將原材料為50Mn的瓦楞輥淬火處理后，于表面涂刷固體滲硼膏劑。滲硼劑的配方 之一供硼劑占滲硼劑的50%，其中碳化硼占供硼劑的4% ；其余為硼砂；活化劑15% ;±真 充劑35%。按此配方配制粉末滲劑，再與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀。將涂有滲硼膏劑的瓦楞輥置于真空等離子熱處理爐中，并與陰極相接。抽真空 至2X133X ICT1Pa并通氬氣，使其工作氣壓為10Pa。啟動電源，使得設(shè)備整流輸出電流為 100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2，工件升溫，在750°C滲硼3小時。 工件冷卻到室溫后排出氬氣，再抽真空至IOPa并通氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣的體積 分數(shù)為35%，混合氣壓1330Pa。再次啟動電源，放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，工件升溫，在500°C滲氮48小時，形成氮化硼特種陶瓷。經(jīng)測量氮化硼陶瓷硬化 層為0. 5mm,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硼特種陶瓷的方法，其特征在于包括以下步驟步驟1配制固體滲硼劑，所述固體滲硼劑由供硼劑、活化劑和填充劑三部分組成；步驟2將上述步驟1中配制的固體滲硼劑均勻地涂抹在瓦楞輥表面，置于真空等離子熱處理爐中，準備進行滲硼處理；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；步驟3將上述步驟2中的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；之后通入氬氣，達到工作氣壓為10～80Pa；步驟4啟動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)生活性硼離子，硼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，奪取電子形成硼原子，并向基體內(nèi)擴散，在極限溶解度之內(nèi)，硼原子以溶質(zhì)的形式存在于基體內(nèi)；步驟5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6保溫結(jié)束后，切斷真空等離子熱處理爐的輝光電源，關(guān)閉閥門停止供氣和抽氣，工件冷卻；步驟7保持空心陰極真空爐內(nèi)的瓦楞輥位置不變，排出保護氣氬氣，將真空室抽至真空度5～15Pa后，充入氮氣與氫氣的混合氣，其中氮氣含量的體積分數(shù)為25％～35％，混合氣氣壓保持在(1～10)×133Pa之間；步驟8再次啟動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)擴散，在此條件下，氮原子與之前滲透的硼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)，形成氮化硼陶瓷層；步驟9提高工件電源電壓，加大工件電流，使工件逐步升溫，并保溫滲氮；步驟10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11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硼特種陶瓷的方法，其特征在于， 供硼劑占滲硼劑質(zhì)量的40-50%，填充劑占滲硼劑質(zhì)量的30-50%，活化劑占滲硼劑質(zhì)量的 10-30%。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于供硼劑為碳化硼和硼砂的混合物，其中碳化硼的質(zhì)量分數(shù)為3% 5%，其余為硼砂； 活化劑為選擇氟化鈉、氟化鈣、氟硼酸鉀、氟硼酸鈉、氟硅酸鈉和氟鋁酸鈉中的一種或 混合物；填充劑為碳化硅。
4.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于， 步驟5中的設(shè)備整流輸出電流為100 150A，工件表面的電流密度為0. 5mA/cm2 5mA/cm2， 溫度為550°C 750°C，并保溫，保溫時間為2 4h。
5.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于， 步驟9中的設(shè)備放電電壓400 800V，電流密度為0. 5 15mA/cm2，溫度為500°C 600°C， 并保溫滲氮，滲氮時間為IOmin 48h。
6.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于，步驟6及步驟10中的冷卻溫度為室溫。
7.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于， 步驟1取得的固體滲硼劑與粘結(jié)劑松香混合調(diào)成膏狀后，再進行步驟2。
8.如權(quán)利要求1所述的一種在瓦楞輥表面注滲氮化硼特種陶瓷的方法，其特征在于， 于步驟2涂抹固體滲硼劑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硼特種陶瓷的方法，其包含以下步驟首先配置固體滲硼劑，將其涂抹在瓦楞輥表面，置于真空等離子熱處理爐中；瓦楞輥與真空等離子熱處理爐的陰極相連；抽真空、通氬氣后啟動真空等離子熱處理爐的電源，產(chǎn)生活性硼離子；冷卻后排出保護氣氬氣，抽真空后，充入氮氣與氫氣的混合氣；再次啟動真空等離子熱處理爐的電源，產(chǎn)生活性氮離子；在此條件下，氮原子與之前滲透的硼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)，形成氮化硼陶瓷層；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)合強度的氮化物耐磨陶瓷層，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C23C8/36GK101906605SQ20091008498
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