專利名稱：瓦楞輥的表面強化改性方法及制造工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種合金瓦楞輥的表面強化改性方法及其制造工藝。
背景技術：
瓦楞輥是單面瓦楞紙板機上最主要的工作部件。在瓦楞紙板生產過程中，被加熱烘干的瓦楞原紙高速的送入上下對滾的瓦楞輥中間軋制粘合成瓦楞紙板。由于瓦楞輥工作溫度高，其筒體溫度一般被加熱到200℃以上；楞尖窄小；相對運動快，有些先進的高速生產線運行速度甚至達到300M/MIN；處在無潤滑的干摩擦狀態下連續運轉，尤其是瓦楞原紙中或多或少的含砂導致了瓦楞輥楞齒的劇烈磨損，使其成為經常需要更換修復，資金占用量大的易耗品。其質量和性能直接決定著瓦楞紙板的生產效率、產品質量和技術水平。為了提高耐磨性，延長瓦楞輥的使用壽命，各生產廠家想到了各種可能的制造方法以滿足客戶的要求，比如在中華人民共和國輕工行業標準QB/T 1447.1-2000《單面瓦楞紙板機 瓦楞輥》中，對瓦楞輥齒形表面的硬化處理，列舉了一些較為成熟的處理方法，成為這些生產工藝的典型代表a)氮化氮化深度0.3mm～0.6mm，HRC55～60；b)感應淬火硬化層深度大于1mm，HRC55～60；c)滲碳淬火滲碳深度0.8mm～1.2mm，HRC55～60；d)激光淬火硬化層深度0.5mm～1mm，HRC55～60；e)鍍硬鉻以上硬化處理均是基于筒體材料含碳量在0.35％～0.55％范圍內的合金結構鋼35CrMo、42CrMo、40CrNiMoA、45CrNiMoV或碳素結構鋼45鋼、50Mn鋼等加工得到的。在上述各種硬化處理工藝中，單純的氮化，如效果最為優良的離子氮化，因其設備投資大，工藝周期長，生產成本高昂和難以避免的狹縫現象及邊角效應導致對復雜大件的處理困難，質量不穩定，已經被大多數生產廠家所淘汰；滲碳淬火因處理溫度高，零件變形大而在實際生產中基本上未被采用；激光淬火因其功率控制不穩定易燒傷工件，導致瓦楞輥楞尖的塌陷，還處于小批量試用階段。事實上大多數生產廠家采用的瓦楞輥生產的齒面硬化的主流工藝是感應淬火+鍍硬鉻，為了防止齒形淬火開裂和鍍鉻氫脆，還必須制定嚴格的工藝路線以保證合格率，其具體生產工藝為42CrMo精鍛管——筒身調質——定長——焊軸頭——去應力退火——粗加工——刨齒——粗磨齒——感應淬火——精磨齒——鍍硬鉻——驅氫熱處理。
上述工藝對瓦楞輥原材料的要求高，必須采用精鍛管，工藝路線復雜生產周期漫長，致使成本居高不下。實際使用證明采用上述工藝生產的瓦楞輥，其壽命在1000萬米左右，在現今飛速發展的高速重型瓦楞紙板生產線上往往只能使用半年甚至三個月就要更換復修。

發明內容
為了克服現有瓦楞輥耐磨性能差，使用壽命短的缺點，本發明提供了一種對瓦楞輥楞齒表面進行強化改性的方法，該方法不僅能夠大幅的提高瓦楞輥齒表面的硬度，而且還能極大地提高防銹性能，同時該方法還能使瓦楞輥齒表面帶有一定的自潤滑性能。使瓦楞輥的耐磨性能，抗咬合性能和抗疲勞性能得到了大幅度的提高。
本發明另一個要解決的技術問題是提供一種瓦楞輥的制造方法，采用該方法制造的瓦楞輥不僅耐磨性能好，使用壽命長，而且還能合理選材，縮短工藝路線，提高成品率，降低生產成本。
本發明對瓦楞輥齒表面進行強化改性的方法是首先將工件進行氮碳鹽浴共滲，使氮在黑色金屬表面富集，形成氮占主要成分的ε相鐵氮化合物層和氮擴散層，然后對工件進行清洗拋光，去除表層較軟的多孔性疏松層并使其表面光滑，再對工件進行鹽浴氧化，使滲氮組織層表面覆蓋氧化層。
在上述表面處理方法的滲氮處理中，瓦楞輥合金材料中的Cr、Mo、等成分均可與氮形成硬度高、穩定性好的氮化物，并以彌散狀態分布于滲氮層內，使其彌散強化，具有更高硬度和耐磨性；經滲氮處理后瓦楞輥楞齒表面形成35μm～50μm的滲氮組織層(白亮層+擴散層)，表面硬度為Hv750～Hv1200，耐磨性大大提高；同時白亮層下面的擴散層可以提高材料的疲勞強度。在鹽浴滲氮后的清洗拋光處理，可去掉化合物外面的疏松層，提高工件的耐磨性，且使工件表面產生了與工作時受力方向相反的壓應力，提高工件的疲勞強度。隨后的鹽浴氧化處理不僅降低了工件的表面粗糙度，使其表面黑亮，外觀變得賞心悅目，減小了工件表面的摩擦系數，還大大提高了化合物層中的含氧量，從而進一步提高工件的抗蝕性能。
對于本發明的瓦楞輥的制造工藝，該技術問題是這樣加以解決的選用適宜氮化處理的38CrMoAl合金結構鋼作為瓦楞輥筒身材料，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，其余為Fe和不可避免的雜質。其工藝步驟為38CrMoAl熱軋無縫鋼管——筒身調質——定長——焊軸頭——去應力退火——粗加工——刨齒——精磨——表面強化改性由于本發明的瓦楞輥表面強化改性方法使工件幾乎不變形，故此可以作為瓦楞輥加工的最后一道工序，尤其是取消了使工件變形量大，極易導致齒面開裂的感應淬火工序，也就相應的取消了感應淬火以后的又一次精磨加工工序，還可以使采用成本較低的熱軋無縫鋼管代替價格高昂的精鍛管成為可能。
經過嚴格合理的選材和表面強化改性處理后，賦予該瓦楞輥以優良的耐磨損、耐腐蝕和耐高溫性能，顯著提高瓦楞輥的工作質量和使用壽命，使生產成本明顯降低，達到節能降耗，高效長壽的目的。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明的瓦楞輥及其表面處理方法和制造工藝作進一步詳細描述，以下所列實施例為本發明的非限定性實施例，有關成分配比和工藝參數可在允許的范圍進行調整，這種調整對本發明沒有實質性影響。
實施例一本例的瓦楞滾材料選用38CrMOAl熱軋無縫鋼管，材料外徑φ426mm，長L＝2020mm，制成的瓦楞滾直徑φ405mm。供貨材質證明書中材料組成及重量含量為C 0.40％，Si0.40％，Mn 0.52％，Mo 0.23％，Cr 1.60％，Al 1.06％，其余為鐵和不可避免的雜質，與化驗分析的結果相吻合。原材料依本發明的工藝步驟進行熱處理調質、車削定長、焊軸頭、去應力退火、粗加工、刨齒、精磨齒形后進行最終的表面強化改性。其表面強化的具體方法為1裝卡由于工件尺寸大，質量重，牢固的裝卡是實施本工序的安全保證；2清洗去油；3預熱350-400℃30-50min。在井式空氣爐中進行。預熱的主要作用是烤干工件表面的水分，使冷工件升溫后再入氮化爐，以防工件帶水進入氮化爐引起鹽浴濺射和防止冷工件入爐后鹽浴溫度下降太多。同時預熱對減少工件變形和獲得色澤均一的外觀也有一定作用；4氮化(鹽浴氮碳共滲)550-570℃160-180min。氮化用鹽40％(NH2)2CO+30％Na2CO3+20％K2CO3+10％KOH，CH->1％。氮化是本發明表面強化改性的核心工序。工件浸入氮化鹽浴后，氰酸根分解產生的N、C原子可在工件表面形成高的N勢和C勢，由于N原子半徑僅僅為Fe原子的一半，而C原子的半徑更小，所以N、C原子可以在Fe原子點陣間隙中進行擴散。工件表面高濃度的N、C原子向內部擴散，先形成在a-Fe中的固溶體，隨著表面原子濃度的提高，逐漸形成γ’(Fe4N)化合物和ε(Fe2_3N)化合物。最終由工件表面向中心形成N、C的濃度梯度。滲層組織為ε相、ε相+γ’相、γ’相，化合物層以下是N在α-Fe中的固溶體，形成擴散層；5清洗拋光清洗拋光處理，去掉化合物外面的疏松層；6氧化350-400℃20-30min。氧化工序的作用一是徹底分解工件從氮化爐帶出來的氰根，達到環保要求。二是在工件表面形成黑色氧化膜增加防腐能力，對提高耐磨性也有一定好處；7清洗去鹽；8干燥；9浸油。
瓦楞輥經過本發明的表面強化改性后，表面滲層組織由三層構成外表為美觀的黑色氧化膜；中間為化合物層；向內為擴散層。其中以氧化物層最為重要，其主要組成為Fe2_3N，它是提高耐磨性的可靠保證，同時它的抗蝕性也很好。氧化膜的主要作用是與化合物一起構成極好的抗蝕層。同時它處于多孔狀態可以儲油，減小摩擦系數，對提高耐磨性有利，還有美化外觀的作用。擴散層主要作用是提高工件的疲勞強度。本發明的瓦楞輥表面強化改性技術實現了滲氮工序和氧化工序的復合，氮化物和氧化物的復合，耐磨性和抗蝕性的復合，熱處理技術和防腐技術的復合，滿足了瓦楞輥表面需要的優良的理化性能和機械性能。經檢測其齒表面硬度為Hv0.11030。
實施例二本例選用的瓦楞輥材料為42CrMo精鍛管，材料組成及重量含量為C 0.41％，Si 0.36％，Mn 0.68％，Mo 0.24％，Cr 1.16％，其余為鐵和不可避免的雜質。采用實施例一中完全相同的工藝方法同樣得到了表面強化的硬化層。經檢測其齒表面硬度為Hv0.1690，略低于實施例一，同樣具有良好的耐磨性和耐蝕性。
對比以上兩個實施例我們可以得到如下的結論本發明的瓦楞輥表面強化改性方法幾乎對所有的鋼種有效，含一定量的Cr、MO、Al、Ti的鋼效果更佳，尤其是Al可以顯著的提高表面硬度，故此38CrMoAl是本發明中最為有效的材料選擇之一。
下表是滑動磨損試驗所得的不同處理方法的瓦楞輥楞齒表面機械性能對照表

權利要求
1.一種合金瓦楞輥的表面強化改性方法，即首先將工件進行氮碳鹽浴共滲，使氮在金屬表面富集，形成氮占主要成分的ε相鐵氮化合物層和氮擴散層，然后對工件進行清洗拋光，去除表層較軟的多孔性疏松層并使其表面光滑，再對工件進行鹽浴氧化，使滲氮組織層表面覆蓋氧化層。
2.根據權利要求1所述的表面強化改性方法，其特征在于瓦楞輥預熱350-400℃ 30-50min；氮化(鹽浴氮碳共滲)550-570℃ 160-180min。氮化用鹽40％(NH2)2CO+30％Na2CO3+20％K2CO3+10％KOH，CH-＞1％；清洗拋光清洗拋光處理，去掉化合物外面的疏松層。氧化350-400℃ 20-30min。使瓦楞輥表面形成滲氮組織層和氧化層后，齒表面硬度在Hv0.1900-Hv0.11100。
3.一種瓦楞輥的制造工藝，其特征在于選用適宜氮化處理的38CrMoAl合金結構鋼作為瓦楞輥筒身材料，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，其余為Fe和不可避免的雜質。其工藝步驟為38CrMoAl熱軋無縫鋼管——筒身調質——定長——焊軸頭——去應力退火——粗加工——刨齒——精磨——表面強化改性。
全文摘要
瓦楞輥的表面強化改性方法及制造工藝，本發明公開了一種合金瓦楞輥的表面強化改性方法，即首先將工件進行氮碳鹽浴共滲，使氮在金屬表面富集，形成氮占主要成分的ε相鐵氮化合物層和氮擴散層，然后對工件進行清洗拋光，去除表層較軟的多孔性疏松層并使其表面光滑，再對工件進行鹽浴氧化，使滲氮組織層表面覆蓋氧化層。此外還公開了一種瓦楞輥的制造工藝以及該制造工藝所采用的原材料。經過合理的選材和表面強化改性處理后，賦予該瓦楞輥以優良的耐磨損、耐腐蝕和耐高溫性能，顯著提高瓦楞輥的工作質量和使用壽命，使生產成本明顯降低，達到節能降耗，高效長壽的目的。
文檔編號C23C22/70GK1891847SQ20051008036
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月4日 優先權日2005年7月4日
發明者姚松柏, 翟蘭 申請人:北京博大通達商貿有限公司