CN115637403A - 滚光工具的加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及滚压技术领域，尤其是涉及滚光工具的热处理加工工艺，包括如下步骤：（1）装炉：将待加工滚光工具装入治具；（2）前洗：将待加工滚光工具浸没于清洗剂中；（3）渗碳：通入活性渗碳介质；（4）后洗：将淬火后滚光工具清洗；（5）深冷：将清洗后滚光工具送入深冷机内深冷；（6）回火：将深冷后滚光工具回火多次；（7）渗硼：将回火后滚光工具置于含硼介质中加热。本申请的加工工艺可用于高硬度的滚光工具的生产。

Description

滚光工具的加工工艺

技术领域

本发明涉及滚压技术领域，尤其是涉及滚光工具的加工工艺。

背景技术

滚压技术是一种压力光整加工技术，利用金属在常温状态的冷塑性特点，通过滚压工具对工件表面施加一定的压力，使得工件表层金属产生塑性流动，填入到原始残留的底凹波谷中，从而使得工件表面的粗糙值降低。

其中，滚光工具是一种常见的滚压工具，一般根据不同加工工件的要求，设置不同的尺寸。由于滚光工具需要对工件表面施加压力从而将工件表面打磨光滑，因此工件表面反作用于滚光工具的力较大，使用一段时间后滚光工具易损坏，使用寿命不长。

发明内容

为了延长滚光工具的使用寿命，本申请提供滚光工具的加工工艺。

本申请提供滚光工具的加工工艺采用如下的技术方案：

滚光工具的加工工艺，包括以下步骤：

(1)装炉：将待加工滚光工具装入治具，并将待加工滚光工具竖放；

(2)前洗：将待加工滚光工具浸没于清洗剂中，得到前洗后滚光工具；

(3)渗碳：将前洗后滚光工具置于渗碳炉内，通入活性渗碳介质并加热至单向奥氏体区渗碳，得到渗碳后滚光工具，

将渗碳后滚光工具淬火，得到淬火后滚光工具；所述活性渗碳介质为甲醇、丙烷和氮气混合而成的混合气体；

(4)后洗：将淬火后滚光工具清洗，得到清洗后滚光工具；

(5)深冷：将清洗后滚光工具送入深冷机内深冷，得到深冷后滚光工具；

(6)回火：将深冷后滚光工具回火多次，得到回火后滚光工具；

(7)渗硼：将回火后滚光工具置于含硼介质中加热，自然冷却后得到滚光工具；所述含硼介质由供硼剂和催渗剂以重量比为(1-2)∶(2-3)的比例混合而成。

当杆状的滚光工具装炉后，在后续处理过程中，滚光工具不易歪斜变形，从而提高了由此制成的滚光工具的合格率。渗碳过程中，活性渗碳介质中的活性碳原子被分解，渗入前洗后滚光工具的表面，从而使得前洗后滚光工具的表层具有高碳层，由于高碳层内部具有均匀分布的大量碳化物，且前洗后滚光工具的内部仍然保持原有的成分，使得由此制成的滚光工具具有高硬度的表面和高韧性的芯部。

由于深冷处理主要作用于材料内部，通过改变材料的微观组织来提高刀具的硬度、耐磨性，从而提高由此制成的滚光工具的表面硬度和耐磨性，同时提高了滚光工具的尺寸稳定性。

经三次回火处理后，得到的回火后滚光工具的淬火应力降低、韧性提高，从而使得由此制成的滚光工具不易被磨损，延长了由此制成的滚光工具的使用寿命。相较于一次回火所制成的滚光工具，三次回火处理后的滚工具的韧性明显提高；但相较于三次以上回火处理的滚光工具，三次回火处理后的滚光工具的韧性相近，因此采用三次回火的效率较高，且由此制成的滚光工具的韧性较好。

渗硼过程中，活性硼原子渗入回火后滚光工具的表面，形成渗层。渗层的表面是硬而脆的硼化铁层，内层是韧性较好、硬度较大的膨化亚铁层，从而使得由此制成的滚光工具能够具有硬度较大的表面和韧性较好的芯部，提高了由此制成的滚光工具的表面硬度和耐磨性，同时改善了由此制成的滚光工具的耐热性和耐蚀性，提高了由此制成的滚光工具的红硬性。

清洗后滚光工具经过深冷后，得到了具有较好的表面硬度、耐磨性以及尺寸稳定性的深冷后滚光工具，深冷后滚光工具经过多次回火后，得到了韧性较好的回火后滚光工具，将回火后滚光工具渗硼后，制成的滚光工具具有较好的表面硬度以及韧性较好的内层。相较于未经过深冷，且直接一次回火所制得的滚光工具，采用本申请优选的深冷、回火所制得的滚光工具能够具有更好的尺寸稳定性和芯部的韧性。相较于未经过深冷所制得的滚光工具，采用本申请优选的深冷、回火和渗硼所制得的滚光工具的红硬性更强。

优选的，步骤(7)中，所述供硼剂为非晶态硼粉、硼铁合金或高熔点金属的硼化物，所述高熔点金属的硼化物为钽、铌、钨或钼的硼化物。

本申请采用粉末渗硼的方式，采用非晶态硼粉、硼铁合金或高熔点金属的硼化物作为供硼剂，由此制成的滚光工具的红硬性较高。但由于渗硼层的脆性大，且渗层温度偏高，工件易变形，因此前序步骤中需要深冷和三次回火，从而提高滚光工具的尺寸稳定性以及芯部的韧性，从而使得长期使用过程中，滚光工具不易剥落或开裂。

优选的，所述供硼剂为钽、铌、钨、钼的硼化物中的一个或多个的混合物。

由于钽、铌、钨、钼的硼化物均具有较好的耐高温性，提高了由此制成的滚光工具的渗硼层的耐热性，同时由于滚光工具表层的渗硼层表现为渗硼梳齿状组织，即渗硼层在滚光工具表层结合得较为紧密，从而提高了由此制成的滚光工具的红硬性。

优选的，所述供硼剂为硼化钽、硼化铌、硼化钨、硼化钼的按照重量比 (1-2):(1-4):(1-3):(2-4)混合而成的混合物。

采用本申请优选范围内的钽、铌、钨、钼的硼化物，并按照本申请优选的混合比例混合后，采用此范围内的供硼剂参与渗硼处理的过程中，由此制得的滚光工具的红硬性和耐磨性较好，且滚光工具表面的耐高温氧化性较高，滚光工具的芯部的韧性较好。

优选的，所述供硼剂为硼化钽、硼化铌、硼化钨、硼化钼的按照重量比 1:1:1:1混合而成的混合物。

采用本申请优选的混合比例得到的供硼剂，并按照本申请优选的渗硼处理所制成的滚光工具具有较好的红硬性、耐磨性和抗高温氧化性。长期使用过程中，滚光工具表面不易磨损或腐蚀，从而延长了由此制成的滚光工具的使用寿命。

优选的，步骤(3)中，所述催渗剂为氟硼酸钾与氯化铵、氟化铵中一种或两种混合而成的混合物。

氟硼酸钾、氯化铵、氟化铵均具有较好的渗硼能力，采用本申请优选范围内的催渗剂所制成的滚光工具表层的渗硼层具有较大的渗层深度，从而使得滚光工具的表层的耐磨性和硬度较大，提高了滚光工具的红硬性。

氟硼酸钾与氯化铵、氟化铵中的一种或两种混合后，其中氟硼酸钾作为主要的催渗剂，氯化铵和/或氟化铵与氟硼酸钾充分混合，用于提高氟硼酸钾的催渗能力，从而增大由此制成的滚光工具表层的渗硼层的渗层深度。使得滚光工具表层的耐磨性、硬度和红硬性提高。

优选的，所述活性渗碳介质为甲醇、丙烷和氮气的按照体积比 (2-4):(2-4):(1-3)混合而成的混合气体。

气体渗碳过程中，活性渗碳介质在高温下分解出活性碳原子，渗入淬火后滚光工具表层，采用本申请优选的活性渗碳介质做渗碳处理时，活性渗碳介质配比较为稳定，因此制成的渗碳后滚光工具表面的高碳层的均匀程度较好。且气体渗碳的渗碳速度较快，生产周期较短，在大批量的生产过程中的渗碳效率极高。

采用本申请优选的活性渗碳介质后，制得的渗碳后滚光工具的表层碳浓度略高、渗碳层的层深较大，且渗碳炉内的炭黑少，便于操作人员在长期使用渗碳炉后，快速清理渗碳炉内部。采用本申请优选的活性渗碳介质做渗碳处理后，制得的滚光工具的表层的硬度和耐磨性较好，大批量渗碳的效率较高。

优选的，步骤(3)中，得到所述渗碳后滚光工具后通入空气。

经过一端时间渗碳处理后，渗碳炉内的碳浓度过高，通入空气后能够调节渗碳炉内的碳浓度，从而调节渗碳后滚光工具的渗碳层的深度，使得制成的渗碳后滚光工具的表层硬度高、芯部的韧性高。生产过程中，工作人员能够通过控制通入渗碳炉内的气体的量，控制渗碳炉内的反应程度。

优选的，步骤(6)中，将深冷后滚光工具回火三次。

本申请中，采用三次回火后所制得的滚光工具的芯部的韧性最好，且保有了表面的高硬度；若采用三次以上的回火次数，制得的滚光工具的表面的红硬性以及芯部的韧性相近，采用三次以上的回火次数的生产能耗过大。

优选的，步骤(2)中，所述清洗剂为水基金属清洗剂。

由于由于水基金属清洗剂是一种表面活性剂，而表面活性剂能够降低液体的表面张力，产生定向吸附、润湿、乳化、分散、增溶等综合作用，从而使得油污等尽快脱离待加工滚光工具的表面，分散到清洗液中，用于待加工滚光工具表面的污垢。

水基金属清洗剂清洗待加工滚光工具时，不易损伤待加工滚光工具的表面，从而便于后续步骤中，清洗后滚光工具的表面形成硬度较高的高碳层。

优选的，所述待加工滚光工具的原材料为GCr15轴承钢。

由于GCr15轴承钢是一种合金含量较少、综合性能好、应用广泛的高碳铬轴承钢，耐磨性能和解除疲劳强度较高。GCr15轴承钢依次经过深冷、三次回火和渗硼后，表面形成红硬性较好的高碳层、同时内部具有韧性较好的芯部。且由于GCr15轴承钢的成本较低，从而降低了生产滚光工具的生产成本。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1.通过设置清洗后滚光工具依次经过深冷、多次回火和渗硼，从而使得制得的滚光工具不易形变，具有韧性高的芯部，以及红硬性高、耐磨损性好的表层；

2.通过设置钽、铌、钨、钼的硼化物与渗硼剂配合，在渗硼处理前设置深冷处理，提高了深冷后滚光工具的尺寸稳定性后，再通过渗硼处理使得制成的滚光工具的表层硬度较高、耐磨性较好且耐蚀性较好，不易在长时间使用过程中出现破损或开裂的情况；

3.通过设置甲醇、丙烷和氮气的混合物作为活性渗碳介质，并在渗碳完成后通入空气，使得制成的渗碳后滚管工具能够具有高硬度的渗碳层，且渗碳层不易过深，芯部仍然能够具有较好的韧性。

附图说明

图1是本申请实施例18的样品的晶界图。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

原料

本发明中各原料组分如表1：

表1各原料组分的来源

原料	型号/牌号
		普通淬火油	快速光亮淬火油
KR-F400水剂	KR-F400
		椰子油酸二乙醇酰胺	椰氏6501
GCr15轴承钢	GCr15

实施例

制备例1的制备方法：

将Gcr15轴承钢机加工，制成直径100mm、高度50mm的待加工滚光工具。

实施例1

(1)装炉：将制备例1装入治具，并将待加工滚光工具竖放；

(2)前洗：将待加工滚光工具浸没于KR-F400水剂中，清洗温度95℃、浸泡 30min，清水喷淋15min，沥水5min，得到前洗后滚光工具；

(3)渗碳：将前洗后滚光工具置于渗碳炉内，通入18ml/min的甲醇气体、18ml/min的丙烷气体、9ml/min的氮气，加热至900℃的单向奥氏体区，保温120min后通入空气，得到渗碳后滚光工具，

将渗碳后滚光工具淬火，得到淬火后滚光工具，淬火油选用普通淬火油；

(4)后洗：将淬火后滚光工具送入清洗槽内清洗，清洗温度95℃，浸泡30min，喷淋15min，沥水5min后得到清洗后滚光工具；

(5)深冷：将清洗后滚光工具送入深冷机内深冷，深冷温度-196℃，保温120min，深冷介质采用液氮，得到深冷后滚光工具；

(6)回火：将深冷后滚光工具回火三次，每次回火的温度均为180℃，保温时间均为120min，得到回火后滚光工具；

(7)渗硼：将10kg硼化钽、10kg硼化铌、10kg硼化钨、20kg硼化钼混合得到供硼剂，

将10kg氟硼酸钾与10kg氯化铵混合，得到催渗剂；

将2kg供硼剂、3kg催渗剂置于搅拌机中搅拌混合，得到含硼介质，将回火后滚光工具装入渗箱，并加入含硼介质，加热至910℃，保温2h，得到滚光工具。

实施例2-9

与实施例的不同之处在于，步骤(7)中添加的供硼剂不同，具体如表2所示。

表2实施例2-9中添加的供硼剂

供硼剂	硼化钽(kg)	硼化铌(kg)	硼化钨(kg)	硼化钼(kg)
					实施例2	15	10	10	20
实施例3	20	10	10	20
					实施例4	20	20	10	20
实施例5	20	40	10	20
					实施例6	20	20	20	20
实施例7	20	20	30	20
					实施例8	20	20	20	30
实施例9	20	20	20	40

实施例10

与实施例6的不同之处在于，步骤(7)中，氯化铵替换为相同质量的氟化铵。

实施例11

与实施例6的不同之处在于，步骤(7)中，催渗剂替换为10kg氟硼酸钾、10kg 氯化铵、10kg氟化铵的混合物。

实施例12

与实施例11的不同之处在于，步骤(7)中，供硼剂替换为非晶态硼粉。

实施例13

与实施例11的不同之处在于，步骤(7)中，供硼剂替换为硼铁合金粉末。

实施例14-19

与实施例11的不同之处在于，步骤(3)中，通入的活性渗碳介质不同，具体如表3所示。

表3实施例14-19通入的活性渗碳介质

实施例20

与实施例18的不同之处在于，步骤(3)中，不通入空气。

实施例21

与实施例18的不同之处在于，步骤(2)中，KR-F400水剂替换为椰子油脂肪酸二乙醇酰胺。

实施例22

与实施例18的不同之处在于，回火次数为两次。

实施例23

与实施例18的不同之处在于，回火次数为四次。

对比例

对比例1

与实施例12的不同之处在于，清洗后滚光工具不做深冷处理，直接做回火处理。

对比例2

与实施例12的不同之处在于，深冷后滚光工具不做回火处理，直接做渗硼处理。

对比例3

与实施例12的不同之处在于，步骤(6)中回火次数为一次。

对比例4

与实施例12的不同之处在于，回火后滚光工具不做渗硼处理。

性能检测试验

从实施例1-21和对比例1-5中制得的滚光工具中，每个滚光工具分别随机取3 块直径100mm、高度50mm的样本成一组样品，对每组样品进行以下性能检测实验，每组三个监测数据取平均值。

一、表面硬度检测

利用维氏硬度检测仪器对每个样品检测并记录数据，计算出实施例1-21和对比例1-5中式样的表面硬度(HV)。

二、抗磨损性能测试

采用砂轮摩擦法对每个样品检测并记录数据，计算出实施例1-21和对比例1-5 中试样的磨损量(mm³)。

三、耐腐蚀性能测试

参照《GB/T 10125-2021》中的中性盐雾试验对每个样品检测并记录数据，计算出实施例1-21和对比例1-5中试样表面出现锈迹的时间(h)。

检测结果：对实施例1-21和对比例1-5的样品的检测结果如表4所示。

表4样品的性能测试结果表

四、晶界图检测

取实施例18的样品切割后，依次做襄埋、抛光处理，用金相显微镜检测样品的产品组织，检测结果如图1所示。

参照实施例12和对比例1并结合表4可以看出，未采用深冷处理，直接做回火处理所制成的样品的硬度较低、磨损量较大，深冷处理后做回火处理所制成的样品的硬度较高、磨损量较小，即热处理工艺中采用深冷处理所制得的滚光工具能够具有硬度较高、耐磨性较好的表层。

参照实施例12和对比例2、3并结合表4可以看出，未采用回火处理所制成的样品的磨损量较大，仅采用一次回火处理所制成的样品的磨损量略小，采用三次回火处理所制成的样品、采用四次回火处理所制成的样品的磨损量相近，即热处理工艺中未采用回火处理所制成的滚光工具的表层耐磨性较差，仅采用一次回火处理所制成的滚光工具的表层耐磨性稍差，采用三次及以上的回火处理后制成的滚光工具的表层耐磨性均较好。

参照实施例12和对比例4并结合表4可以看出，未采用渗硼处理所制成的样品的硬度较差，采用渗硼处理所制成的样品的硬度较高，即热处理工艺中采用渗硼处理所制成的滚光工具的表层耐磨性较好。

参照实施例1-9并结合表4可以看出，采用本申请优选的硼化钽、硼化铌、硼化钨、硼化钼的添加比例所制成的样品的硬度较高，即热处理工艺中采用本申请优选的供硼剂所制成的滚光工具的表层的硬度较高。

参照实施例6、10、11并结合表4可以看出，采用本申请优选的催渗剂的样品的硬度和磨损量均相近，其中，采用实施例11的催渗剂所制成的样品的硬度最好、磨损量最小，即热处理工艺中采用本申请优选的催渗剂所制成的滚光工具的硬度和耐磨性均相近，其中，采用氟硼酸钾、氯化铵、氟化铵三者的混合物所制成的催渗剂最终获得的滚光工具的硬度较高，耐磨性较好。

参照实施例11-13并结合表4可以看出，采用本申请优选的供硼剂制成的样品的硬度较大，其中，采用实施例11的供硼剂所制成的样品的硬度最大、磨损量最小，即采用本身申请优选的供硼剂制成的滚光工具的硬度较大，耐磨性较好。

参照实施例11、14-19并结合表4可以看出，采用本申请优选的活性渗碳介质制成样品的硬度较大、磨损量较小且样品表面出现锈迹的时间较长，即采用本申请优选的活性渗碳介质制成的滚光工具的硬度较大、耐磨性较好且耐蚀性较好。

参照实施例18、20并结合表4可以看出，采用本申请优选的渗碳处理方法所制成的样品的磨损量较小，即采用本申请优选的渗碳处理方法所制成的滚光工具的耐磨性较好。

参照实施例18、21并结合表4可以看出，采用本申请优选的清洗剂所制成的样品的硬度、磨损量相近，其中采用KR-F400水剂作为清洗剂所制成的样品的表面出现锈迹的时间稍长，即采用本申请优选的清洗剂所制成的滚光工具的硬度相近、耐磨性相近，其中采用KR-400水剂作为清洗剂的样品所制成的滚光工具的耐蚀性较好。

参照实施例18、22、23并结合表4可以看出，采用本申请优选的回火次数所制成的样品具有较好的硬度和磨损量，且表面出现锈迹的时间略长，采用四次回火所制成的样品的硬度、磨损量和表面出现锈迹的时间均与三次回火的结果相近，即采用本申请优选的回火次数的样品具有较好的表面硬度、抗磨损性能以及耐腐蚀性。

综上所述，在具有较高的硬度和较好的耐磨性、耐蚀性的实施例中，实施例18的硬度较高、磨损量较小、样品表面出现锈迹的时间较长，即采用实施例18的热处理加工工艺所制成的滚光工具的硬度较高、耐磨性和耐蚀性较好。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.滚光工具的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：

（1）装炉：将待加工滚光工具装入治具，并将待加工滚光工具竖放；

（2）前洗：将待加工滚光工具浸没于清洗剂中，得到前洗后滚光工具；

（3）渗碳：将前洗后滚光工具置于渗碳炉内，通入活性渗碳介质并加热至单向奥氏体区渗碳，得到渗碳后滚光工具，

将渗碳后滚光工具淬火，得到淬火后滚光工具；所述活性渗碳介质为甲醇、丙烷和氮气混合而成的混合气体；

（4）后洗：将淬火后滚光工具清洗，得到清洗后滚光工具；

（5）深冷：将清洗后滚光工具送入深冷机内深冷，得到深冷后滚光工具；

（6）回火：将深冷后滚光工具回火多次，得到回火后滚光工具；

（7）渗硼：将回火后滚光工具置于含硼介质中加热，自然冷却后得到滚光工具；所述含硼介质由供硼剂和催渗剂以重量比为(1-2):(2-3)的比例混合而成。

2.根据权利要求1所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：步骤（7）中，所述供硼剂为非晶态硼粉、硼铁合金或高熔点金属的硼化物，所述高熔点金属的硼化物为钽、铌、钨或钼的硼化物。

3.根据权利要求2所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：所述供硼剂为钽、铌、钨、钼的硼化物中的一个或多个的混合物。

4.根据权利要求3所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：所述供硼剂为硼化钽、硼化铌、硼化钨、硼化钼的按照重量比(1-2):(1-4):(1-3):(2-4)混合而成的混合物。

5.根据权利要求4所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：所述供硼剂为硼化钽、硼化铌、硼化钨、硼化钼的按照重量比1:1:1:1混合而成的混合物。

6.根据权利要求5所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：步骤（7）中，所述催渗剂为氟硼酸钾与氯化铵、氟化铵中一种或两种混合而成的混合物。

7.根据权利要求6所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：步骤（3）中，所述活性渗碳介质为甲醇、丙烷和氮气的按照体积比(2-4):(2-4):(1-3)混合而成的混合气体。

8.根据权利要求7所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：步骤（3）中，得到所述渗碳后滚光工具后通入空气。

9.根据权利要求1所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：步骤（6）中，将深冷后滚光工具回火三次。

10.根据权利要求1所述的滚光工具的加工工艺，其特征在于：所述待加工滚光工具的原材料为GCr15轴承钢。

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