（机械设计及理论专业论文）等离子体磨辊表面改性应用技术的研究.pdf

摘要 磨辊是磨粉机的核心构件，其技术性能直接影响碾磨效果和制粉工艺。国内磨辊技 术性能的研究经过长期的发展，已取得很大的进步，但其关键问题并未得到有效解决， 即磨辊在工作过程中存在硬度、耐磨性与表面机加工性能之间的矛盾。目前，国内磨辊 制造企业和研究机构通常把优化磨辊材料的配方和改善磨辊制造工艺作为研究的重点， 力图有效地解决磨辊存在的矛盾问题。 等离子体表面热处理技术是近期发明的新型表面处理技术，其可以代替某些常规的 表面处理工艺，提高工件表层硬度、耐磨性并保持工件内部韧性，提高工件的综合机械 性能。本文将等离子体表面处理技术引入粮食机械加工领域，采用等离子体表面热处理 工艺技术对磨辊辊齿部分进行处理，提高辊齿齿顶表层硬度和耐磨性，延长辊齿的工作 寿命，同时不影响磨辊的重复拉丝。 本课题分别采用等离子体表面淬火工艺和多元共渗表面合会化+ 自激冷淬火复合强 化工艺，对辊齿进行强化处理。重点对等离子体辊齿表面淬火处理工艺进行实验研究， 通过单因素实验得出各重要因素对硬化层深度、表面硬度以及沿硬化层深度方向显微硬 度分布状况的影响规律，并对其组织变化进行理论分析：通过正交实验优化出等离子体 磨辊辊齿表面淬火处理的最佳工艺参数。磨辊辊齿表层多元合金共渗+ 自激冷淬火复合 强化实验，只采用等离子弧对磨辊表面进行渗镍铬等合金元素处理，并对渗层成份和金 相组织进行理论分析。试验研究结果表明，磨辊存在的问题可以通过等离子体表面强化 处理技术的深入研究得到有效解决。 文中还详细阐述了等离子体的基本概念、热处理工艺原理及其等离子体表面热处理 相变理论，并对其试验结果进行详细的理论分析，为磨辊等离子体表面处理工艺技术的 深入研究奠定了基础。 关键词：等离子体磨辊表面淬火多元共渗耐磨性 a b s t r a c t g r i n d i n g r o l l e ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h ef l o u r - m i l l i n gm a c h i n e ，a n di t s p e r f o r m a n c e sd i r e c t l yi n f l u e n c et h em i l l i n gp u r p o s ea n dt h em i l l i n gc r a f t s t h eg r i n d i n gr o l l e r m a n u f a c t u r e di nc o u n t r yh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e db yal o n g t e r ms t u d y b u tt h ek e y p r o b l e mb e t w e e nt h er i g i d i t y , t h ew e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t ya n dt h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c eh a s n o tb e e ns e t t l e d f o rt h em o m e n t , m o r er o l l e r - m a n u f a c t u r e d c o r p o r a t i o n s a n ds t u d y i n s t i t u t i o n se m p h a s i z eo no p t i m i z i n gt h em a t e r i a lc o m p o u n d i n ga n di m p r o v i n gf a b r i c a t i o n p r o c e s st os e t t l et h ek e yp r o b l e ma v a i l a b l y t h ep l a s m as u r f a c e h e a tt r e a t m e n tt e c h n i q u ei san e ws t y l es u r f a c e - h a r d e n i n gc r a f t ， w h i c hc a ns u b s t i t u t ef o rs o m er o u t i n eh e a tt r e a t m e n tc r a f t st oi m p r o v et h er i g i d i t y , t h ew e a r r e s i s t i n gp r o p e r t y ，a n dt op r e s e r v et h et o u g h n e s so ft h es u r f a c el a y e ro fw o r k ，a n dt oa d v a n c e t h es y n t h e s i sp e r f o r m a n c eo fm e c h a n i s m t h ep l a s m as u r f a c e h a r d e nt e c h n i q u ei si n t r o d u c e d i n t ot h eg r a i n m a c h i n em a n u f a c t u r e df i e l d t h ea p p l i c a t i o no ft h ec r a f tt om i l l i n gr o l l e rt e e t h p e a kh i g h l yu p g r a d e st h es u r f a c ei n t e n s i t y , s u r f a c es t i f f n e s sa n dr e s i s t a n c et ow e a r , a n d p r o l o n gt h el i f e s p a no f t h et e e t h t h ei t e r a t i v ep u l lw i r eh a sn o tb e e ni n f l u e n c e da c t u a l l y t h e p l a s m as u r f a c eq u e n c h i n g c r a f ta n dt h ec r a f to f p l a s m ac o m p l e xa l l o yc e m e n t a t i o n a r es e p a r a t e l ya d o p t e dt oh a r d e nt h et e e t h p e a ks u r f a c eo fm i l l i n gr o l l e r t h et h e s i se m p h a s i z e o nt h es t u d yo ft h ep l a s m as u r f a c eq u e n c h i n gc r a f ta p p l i c a t i o nt oh a r d e nt h er o l l e rt e e t h t h e i n f l u e n c eo f t h em a i nf a c t o r so nt h ed e p t ho f h a r d e nl a y e r , s u r f a c er i g i d i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o n o fm i c r o h a r d n e s sa l o n gt h ed e p t h ，i st h ee m p h a s e so ft h es t u d y a n dt h em e t a l l u r g i c a l s t r u c t u r ec h a n g eo ft h es a m p l eh a sb e e na n a l y z e dp a r t i c u l a r l y t h eo p t i m a l l yp a r a m e t e r s h a v eb e e no b t a i n e db yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h em i l l i n gr o l l e rt e e t ha r eh a r d e nb y c o m p l e xa l l o y ( n i c k e l a n dc h r o m i u m ) c e m e n t a t i o na n ds e l f - c o o l i n g q u e n c h i n g s u r f a c e t r e a m a e n tc r a f t ，a n dt h ec o m p o n e n ta n dt h em e t a l l u r g i c a ls t r u c t u r eo f h a r d e nl a y e ra r e a n a l y z e d t h er e s u l t o fs t u d yi n d i c a t e st h a tt h ek e yp r o b l e mc a nb es e t t l e da v a l l a b l yb y l u c u b r a t i n go nt h ep l a s m as u r f a c e - h a r d e n i n g c r a f t t h ec o n c e p t so f p l a s m a ，t h ep r i n c i p l eo f p l a s m as u r f a c e - h a r d e n i n gc r a f ta n dt h et h e o r yo f i l m e t a l l u r g i c a ls t m c t u r ea r ep a r t i c u l a r l ye x p o u n d e d t h es t u d yo ft h et h e s i se s t a b l i s h e st h e f o u n d a t i o n sf o rt h es u b s e q u e n ts t u d yo np l a s m as u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：p l a s m am i l l i n gr o l l e r s u r f a c eq u e n c h i n g c o m p l e xa l l o yc e m e n t a t i o n w e a r - r e s i s t i n gp r o p e r t y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 论文作者签名：j 乏盈：隆日期： 九妒刍岁2 - 工 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本 人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：l 麴垒匿日期：。超! ：圭生 导师签名：趔：苎苎过日期：翌! ：堑 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 1 1 工程背景 第一章绪论 磨损、腐蚀和疲劳断裂是机械零件、工程构件的三种主要破坏形式。其中以磨损和 腐蚀造成的经济损失尤为严重。据不完全统计，美国每年因痦损造成的经济损失高达 1 0 0 0 亿美元，世界能源的l 3 1 2 消耗于摩擦，机械零件8 0 失效原因是磨损“。而我国 与世界工业发达国家相比，平均能源消耗要高l 6 倍，原材料消耗要高出5 0 2 0 0 “。 材料表面改性技术属于表面工程学的范畴，是针对零件失效的形式、特征和机理，采用 相应的表面处理工艺方法，制备出性能优良的表面功能薄层，使零件具备比基体材料更 好的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等性能。材料表面改性技术具有优质、高效、低耗等先 进制造技术的基本特征。 材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域。”。金属表面热处理是材料表面处理 技术的一个重要内容，利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成表面合会层 或改变其表层金相组织，获得满足零件工况要求的功能表层，取代零件昂贵的整体合会， 节约贵金属和战略材料，从而大幅度降低成本。金属表面热处理是通过使金属表层发 生相变或表层渗入功能性元素，产生高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的表面，从而极大 地改善零件工作表面的机械性能的方法。该技术是解决材料耐磨、抗腐蚀问题的有效途 径。工业生产中有许多种金属表面热处理工艺应用，但是每种表面处理工艺方法都有它 的应用局限性。研究开发表面处理的新工艺新技术，仍然是现代表面工程发展的重要课 题。 等离子弧表面淬火技术是近十年来发展起来的一种具有良好应用前景的新工艺、“， 作为一种新的表面强化技术，使用它可以显著提高钢与铸铁的表面硬度，耐磨性及零件 的使用寿命在已有的文献当中，等离子表面淬火技术多应用在汽车零件的制造和机床 耐磨零件的处理方面，并注重对等离子弧表面淬火的工艺性和淬火效果的研究较多，本 文将此新型表面处理技术引入粮食机械产品的制造行业，对磨粉机核心构件( 磨辊) 进 行表面辊齿强化处理，提高其辊齿表层的硬度和耐磨性，延长其寿命，并通过试验对其 硬化机理进行理论研究。 河南工业大学硕士学位论文 111 磨辊制造技术 磨辊是磨粉机的核心构件。制粉工艺要求皮磨系统应生产出数量多、质量好的麦渣 和麦心，为此齿辊必须具备良好的碾磨性能，而磨辊质量的差异不仅在于磨辊粗糙度和 磨齿的加工，很大程度上取决于磨辊制造材料的优劣。许多制粉企业都是利用磨辊材料 的研发来提高磨粉机的工作效率和降低成本的”“。 现代磨辊制造绝大部分为离心铸造。1 9 5 3 年h e n r ys i m o n 公司从美国发明人和专利 持有者处获得了生产离心浇铸双金属磨辊的许可。离心铸造磨辊被称为“均匀激冷浇铸” ( e v e n c h i l l ) 辊简。在磨辊的浇铸过程中，模型高速旋转，其速度须达到足以使会属熔液 均匀分布在模型壁周围。熔化了金属被抛到冷却的模型壁上，将金属由外及内浇铸，形 图卜t 激冷浇注磨辊硬度曲线 实线一双金属离心浇注虚线一静止浇注t 一径向深度t 【一合金层厚度 成具有较大强度晶体结构。尺寸准确性、动平衡性及机械加工性能较静止浇铸得到改善。 磨辊外表面耐磨能够保证丝1 3 轮廓，且表层硬而不脆，避免辊齿碎裂。我国面粉厂目前 采用的磨辊基本上都是离心浇铸而成，外层是含有镍、铬元素的激冷合金白1 3 铸铁，内 层为荻口铸铁，磨辊表面硬度和耐磨性得到较大改善，但与国外同类材料和相同制造工 艺生产的磨辊相比，在辊面硬度、辊面硬度偏差、辊体表面粗糙度和使用寿命方面，尚 存在一定的差距。 制粉工业作为传统工业，表面上看起来吝于变革。然而，随着冶金业的不断发展和 对磨辊性能要求的提高，影响并导致了各国制粉企业对磨辊材料的研究。从1 9 6 0 年到 1 9 8 0 年人们多次企图通过采用各种等级钢材和合金铸铁的辊筒来延长辊齿的使用寿命， 但均未能成功。2 0 世纪8 0 年代m i s s e 程( m i se n g i n e e r i n g ) 与南非的p r e m i e r 磨粉公司 ( p r e m i e rm i l l i n gc o m p a n y ) 合作共同研制出一些实验性高合金磨辊，在磨辊制造方面取 2 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 得突破。为了将此种高合金磨辊导入制粉工业，m i s 公司1 9 9 0 年与r o b i n s o n 带1 粉公司进 行合作，在英国的硬麦制粉厂和软麦制粉厂长期做的试验证明，磨辊的使用寿命可延长 2 3 倍。拉丝间歇周期延长，使停机修理、换磨辊耗用劳动力以及机加工费用减少。按 表1 1 国内外磨辊质量和技术经济比较一 注l ：v 7 ：r a l 6 v 8 = r a o 8 ；注2 ：无锡厂熔化浇注工程中的温度控制靠光学温度计，误差较走；化学威份是 炉前取样，事后分析；离心机转速等凭经验集体搛作 吨料价格算，生产成本因磨辊使用寿命的延长而明显下降。世界各国制粉行业的研发机 构和企业对辊筒继续进行材料方面的研究，佐竹公司己研发出称之为“s u p e rr o l l ”( 超 辊) 的磨辊，这是一种使用寿命更长的辊筒，现已投放亚洲市场。磨辊使用寿命的延长 得益于工作层材料的晶体结构的优化，它使磨齿更为坚韧。其它欧洲辊筒制造商也已推 出了类似的高合会辊筒产品，例如西班牙辊筒制造商f u n d i c i o n e sb a l a g u e r 公司生产的 “k 1 2l o n g l i f e ”( k 1 2 长命) 辊筒，德国的辊筒制造商b r e i t e n b a c h 公司生产出“m a r a t h o n ” 牌辊筒。英国的辊筒制造商t u r n e r c h i l l e dr o l l sl t d 生产出“n i - - c h r o m e ”牌辊筒。 国内磨辊制造工艺与f 1 本、欧美等工业发达国家相比存在较大的差距。我国乡镇中 小制粉企业磨粉机磨辊仍然是以珠光体为基体的低合金或普通白口铸铁材料，虽然切削 性能较好，但硬度、耐磨性较差，使用寿命较短，正常使用7 1 5 天即需更换重复拉丝。 国内磨辊制造厂家目前也采用双金属离心铸造工艺，磨辊表层为合金层，且合金层厚度 大于n p b 帝o 造的磨辊，但由于合会配方的不同和国内辊筒制造工艺、检测手段等因素的 3 河南- 业大学硕士学位论文 落后，磨辊使用寿命仍低于国外磨辊。以无锡粮机厂生产的8 0 0 m m 磨辊为例，一支8 0 0 m m 磨辊年加工小麦量为6 6 3 6 , 电等级粉，r 本的同等规格磨辊年加工等级粉量为9 8 4 0 吨，为 国内磨辊的1 5 倍。由于国内制粉企业难以承受国外商合金磨辊的昂贵价格，大多制 粉厂家仍然选用国内生产的磨辊。 国内磨辊寿命的提高，一方面通过改进功能合金层的配方和磨辊铸造工艺方法，并 提高相应的在线检测手段；另一方面，国内有些制粉企业研发机构在现有磨辊材料的基 础上，运用表面热处理技术对磨辊表面改性处理，期望提高磨辊的使用寿命，但此项技 术仍处于试验研究阶段。本文运用等离子弧表面热处理技术对磨辊辊齿进行试验处理， 并对其硬化机理进行深入研究。 112 等离子弧表面淬火技术 会属表面热处理技术是一种传统而重要的工业加工技术，许多机械零件需要经过表 面热处理以获得功能表层。伴随着控制和检测手段的提高，表面热处理技术也在不断进 步。概括起来，表面热处理方法可分为两类：一类是表面化学热处理即材料表层的化学 成分和令相组织产生需要的变化，主要是表面固态扩渗强化：另一类是表面固态相变强 化即材料表层金相组织发生变化而不改变其化学成分，这类技术是利用快速淬火的方法 使金属表层发生相变。目前普遍采用的快速淬火的表面热处理方法有两种，一种是较高 能量密度的表面淬火，如火焰加热表面淬火、感应加热表面淬火，另一种是高能量密度 的表面淬火，如激光表面淬火强化、等离子体表面淬火强化。 火焰加热表面淬火就是将温度很高的火焰喷射到工件表面，使其较快加热到相变临 界点以上，随后用水和其它介质冷却的表面淬火。这种技术的主要缺点是由于火焰温度 不高，工件表面温度上升的速度受到了限制，致使淬火表面的热影响区域扩大，造成工 件变形较大，甚至损坏失效。 感应加热表面淬火就是利用电磁感应原理，在工件表面形成感应涡流，产生集肤效 应将工件表面短时间内加热到奥氏体状态，然后冷却淬火。此种技术目前应用较为广泛， 但也存在较多不足之处。如局部温度控制比较困难，尤其是有锐边或厚度不均的零件； 某些工件由于它们的几何形状而不能有效加热；并且不同形状或尺寸的工件需要特殊设 计的感应圈，这些特殊感应线圈设计、制造和使用的费用相对较大。 激光表面淬火已成为当前引人注目的表面强化处理技术”。激光表面淬火工艺就是 利用其高能量密度束快速扫描工件表面，在极短的时间内工件表层达到相变温度以上， 然后通过急速冷却，实现工件表层的硬化，从而增强工件表层的硬度和耐磨性，获得表 面功能层。现在激光表面处理己作为机械零件表面强化的重要手段被广泛研究和应用， 4 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 具有很大的技术经济效益。激光表面淬火技术广泛应用于航空、航天、机械、电器、兵 器和汽车等制造行业。 等离子弧表面淬火技术是一种新型表面强化技术。其工艺原理就是运用通过机械 和电磁压缩产生的高能量密度的收缩等离子弧柱，快速加热金属工件表面，使工件表面 组织在极短时间内奥氏体化，然后急速冷却，使工件表层组织细化，从而提高表层的硬 度和耐磨性，提高工件的机械性能。用于淬火的等离子弧是高能量密度的压缩电弧，可 以利用它产生的高温、高速热流进行表面强化处理。等离子弧表面淬火作为一种极具潜 力的表面处理技术，对于提高零部件的耐磨性，使用寿命及可靠性，改善机械设备的性 能质量，支持高技术和新技术发展以及节约材料，节约能源等各方面都具有十分重要的 意义。近年来，各种各样的表面技术的研究与开发异常活跃，发展非常迅速，在科技界 成为一个令人瞩目的新兴领域”1 。等离子弧表面淬火可用于用常规硬化方法不能处理或 者几乎不可能处理到的表面，如：丝杠螺纹部分、齿轮和齿条的齿部、凸轮和靠模的工 作面以及许多零件的各种槽、沟、孔的局部硬化处理。对于表面积较大的工件如导轨、 主轴、杆等而言，运用等离子弧表面淬火同样可以获得理想的硬化层。同样作为新型表 面淬火技术，等离子弧的能量密度是仅低于激光的高能量密度热源。用等离子弧作为热 源对工件进行表面淬火，具有与激光淬火相同的优点，同时具有比激光表面淬火更为显 著的优点哺。：( 1 ) 等离子弧表面淬火设备简易，只需在普通应用的等离子弧发生器的基础 上作些改进即可满足表面淬火要求，便于推广使用。而目前国内只能生产功率较低的激 光表面淬火设备，限制了激光表面淬火技术的应用范围；( 2 ) 在激光淬火前，工件需要 进行黑化处理，以提高光的吸收能力。这样就增加了表面淬火工艺工序，且黑化质量对 激光热处理的效果影响很大。而等离子表面淬火工艺较为简单，无需类似工序即可完成； ( 3 ) 由于技术和设备的原因，目前激光器的工业效率( 即电光能量转换效率) 很低，不超 过1 5 ，而等离子弧表面淬火设备的热效率要高出许多。( 4 ) 激光表面淬火设备的价格昂 贵，体积庞大，对操作人员的技术要求高，对安装场地要求高，生产成本高，而等离子 弧表面淬火设备价格便宜，体积小，降低了生产成本；( 5 ) 由于激光设备的原因，激光 淬火在内孔表面等部位的淬火长度受到限制，等离子弧表面淬火通过采用合适的工装， 可以实现对深孔表面强化。 国外资料表明，等离子弧表面淬火系统，可以克服火焰表面淬火、感应表面淬火的 不足之处，达到激光表面淬火的效果。1 。它在热处理时允许金属表面温度在熔化温度和 相变温度之间变化，尽管过热度较大，却不致发生过热或过烧的现象。其过热度和过冷 度均大于常规热处理，因此表面硬度也高于常规热处理。它对金属进行非接触式加热， 且加热速度和冷却速度快，热应力较小，工件变形小。正是因为加热速度快，奥氏体长 5 河南工业大学硕士学位论文 大及碳原子和合金原子的扩散时间短而受到限制，可获得细化和超细化的金相组织，而 且急冷可抑制碳化物的析出，从而减少脆性相的影响。等离子弧表面硬化工艺可调参数 多，用过参数调整，工件表面可得到不同的硬度和硬化层深度，完全可能达到或接近激 光表面淬火的耐磨效果。 等离子体表面淬火技术在工业发达国家已完成了实验室阶段，工业应用较为普遍。 等离子弧自二十世纪二十年代被开发成功以来，以其热源装置简单，工作成本低，操作 方便等优点，展现出巨大的发展潜力。二十世纪七十年代能源危机的发生，更加速了等 离子体技术的发展。等离子弧作为高能量密度的热源被广泛应用于多种工业领域，如等 离子弧焊接，等离子弧切割，等离子弧喷涂等领域，今已为人们所熟知。到二十世纪 八十年代。随着激光表面淬火技术的迅速发展，人们对等离子弧应用于表面淬火的研究 充满希望，格外关注。j 9 8 4 年，美国t o w n s e n d p u 首先提出可将等离子技术应用于工 件的表面淬火：1 9 9 1 年日本的木村达夫，宫崎俊行等人用小口径喷枪对碳钢进行了等离 子淬火的试验，证实了用等离子进行表面淬火的可行性，人们逐渐认识到等离子淬火技 术的重要性。国外的一些科研机构为此做了大量的研究，其中，俄罗斯，美国，r 本， 德国等激光表面淬火技术先进的国家在等离子弧表面淬火技术方面也处于领先地位，并 相继将一些成果转化为产品。前苏联将等离子弧表面淬火法成功地用于强化铸铁轧辊， 使轧辊使用寿命提高了1 4 6 倍。，获得很大经济效益，后又用氢热等离子弧喷射局部硬 化高碳钢，同样获得良好效果“5 。；m v s e l i v a n o v 用以氩为源离子的等离子弧硬化铸铁 部件1 ，研究其抗磨层特性，其硬度可达5 2 6 0 h r c ；v v g r i s h a n o v 等将激光表面淬火工 艺和等离子弧表面淬火工艺相结合“，证明可有效的避免表面裂纹、涂层剥落、工件翘 曲的缺陷：y m ，d o m b r o v s k n 用空气等离子弧扫描7 0 号高碳钢工件表面“，进行表面强 化处理，表面硬化层宽为4 0 m m ，厚2 5 m m ，并对处理后金属表面的机械性能进行了研究， 图卜2 缸体等离子弧淬火图1 3 淬火后的缸体内壁 论证了结构强度的变化；a g s a a k o v 提出运用等离子弧强化轮副m 1 ，可以有效的提高其 接触疲劳强度。国内在等离子弧方面的研究和应用则起步较晚，到了二十世纪九十年代， 才逐渐引起国内一些研究机构的重视，如山东科技大学的崔洪芝、徐克宝、尹华跃，青 6 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 岛建筑工程学院的林化春等为此做了定的工作。其中有些产品已经付诸实践，如内燃 机缸套内壁的强化、刮板输送机中部槽强化、各类冷热轧辊的强化、机床导轨的强化等 等：”3 。但目前将等离子表面淬火技术应用在粮食机械的加工制造方面的研究与应用较 少，且技术不够成熟。 1 1 3 等离子体多元共渗表面合金化技术 化学热处理是利用固态扩散使其他元素渗入令属工件表面的热处理工艺，也称为表 面固态扩渗热处理。常规化学热处理工艺是将工件放入含有渗入元素的活性介质中，加 热到一定温度后进行保温，使渗入元素吸附并扩散渗入表面层，改变表面层化学成分， 致使工件表层的组织结构和性能发生变化。形成渗层的结构遵守相图，结构连续，属于 冶金结合。“1 。化学热处理对节约合会元素，提高工件的使用寿命具有重大的意义。当前， 化学热处理正朝着提高质量、缩短处理时间、降低成本、节约能源以及防止对环境污染 的方向发展。 等离子多元共渗表面合余化技术是近年来研究丌发的新型表面热处理技术。，是由 山东矿业学院材料工程研究所在等离子体表面淬火工艺理论基础上研究开发的新技术。 其基本原理为：在常压下用含有多种元素的等离子束流扫描钢铁或铸铁表面，或扫描涂 有合金元素、催渗元素涂料的零件表面，这些元素在等离子束的高温强电场环境中分解、 电离、荷电，并高速轰击瞬间加热到高温的零件表面等离子束斑点处，在温度和电场力 双重作用下，合金元素迅速渗入零件表层。当扫描斑点移动后，该点迅速冷却，形成合 金元素过饱和固溶体、隐针马氏体、合会渗碳体、合金碳化物以及氮化物、硼化物、硫 化物等。实验证实，在一定功率的等离子束流快速扫描( 即表面不产生微熔) 的情况下， 合会元素( 包括较大原子量的稀土元素) 渗入深度可达6 0 微米以上，整个硬化层深度达 1 5 0 微米。在以硼、硅为主的等离子柬多元共渗条件下，1 6 m n 钢热轧板的表面硬度从h r c 2 8 升高至j j h r c 5 5 ( 由显微硬度换算) ，扶铸铁表面硬度由h r c 2 4 升高到h r c 6 7 。该技术的方便 之处还在于可根据使用目的和要求调整所需渗入合金元素的种类与含量。例如对减摩性 和抗咬合性要求较高时，可增加硫、磷元素含量，对表面疲劳强度要求较高时，可增加 氮、镍、铬等合金元素，以提高表层压应力。此外还可调整扫描密度与重复次数，以获 得优越的表面性能。由此可见等离子束扫描多元共渗合余化技术在表面热处理方面的优 势和潜力。 本文运用等离子体多元共渗表面合会化技术，对磨辊的辊齿进行等离子弧扫描渗镍 铬合金处理，通过表层合金化和表面自激冷淬火双重强化工艺处理，提高辊齿表面硬度、 强度及耐磨性。 7 河南工业大学硕士学位论文 1 2 课题的提出及研究意义 冷铸铁磨辊长期存在的问题是硬度、耐磨性与切削加工性能之间的矛盾，即磨辊 表面合金层硬度过高，则给磨辊表面切削加工齿纹及重复拉丝切削带来困难；硬度过低， 则辊齿工作磨损较快，重复拉丝的间隔周期变短，表面合金层消耗速度较快，磨辊的整 体寿命将大幅度降低。众所周知，常规离心铸造齿辊在正常使用一段时问后，才能取得 优良的碾磨效果，但由于辊齿材质本身的硬度较低，耐磨性较差，好的研磨效果只能维 持较短一段时间。随着辊齿的进一步磨损，粉质变差，磨辊表面需要重新加工齿纹。拉 丝后新换上的齿辊，由于齿顶棱角过于锋利，麸片容易切碎，灰份增加，降低粉质；使 用后期因磨齿变钝，剥刮效率降低，面多渣少，电耗增加。因此，磨辊辊齿的硬度、耐 磨性与切削加工性能之间的矛盾需要得到有效解决。 运用等离子体表面改性技术对辊齿进行表面淬火处理，或者多元共渗十自激冷表面 淬火双重强化工艺处理，可以有效克服上述缺点。由于等离子弧能量密高，束炬直径尺 寸可以通过等离子发生器喷嘴孔直径的变化来获得，喷嘴直径适合于只对辊齿齿顶宽的 扫描处理，齿槽部分基本保持原有的金相组织。齿顶通过处理，其表面硬度等到显著提 高，而辊齿内层组织未有变化，仍保持原有的韧性。辊齿表面硬度大幅度的提高，有利 于提高辊齿的耐磨性，延长辊齿的寿命，减少磨辊拆卸的劳动力及相关费用，减少停机 的次数，缩短整体停机时间，将大大提高单支磨辊的生产率，降低企业的生产成本。同 时，由于等离子弧束只是对磨辊齿顶部分进行表面淬火或渗金属处理，硬化层深度在 0 1 5 o 3 m m 之间，对磨辊重复拉丝所要进行的机械切削加工基本没有影响。 本课题的研究，有助于解决当前国内生产的磨辊存在的问题，能够提高磨辊辊齿表 面强度，硬度，耐磨性及抗疲劳能力，提高其配副性能，对于提高生产效率，降低生产 成本等具有十分重要的应用价值和现实意义。 1 3研究的内容及目标 本课题目标在于运用等离子体表面淬火工艺和多元合金共渗+ 自激冷表面淬火复合 强化表面处理工艺，对辊齿进行强化处理，以提高其表面强度，硬度，耐磨性及抗疲劳能 力，提高其配副性能，从而延长磨辊在生产加工中的寿命。 本课题主要研究内容：( 1 ) 磨辊辊齿表面淬火处理实验研究，即运用等离子弧对辊 齿进行快速扫描表面淬火处理，采用单因素和正交法进行试验研究。通过单因素实验研 究得出各工艺参数对淬硬层深度、表面硬度以及沿深度方向硬度的分布的影响规律；通 8 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 过正交实验研究得出等离子磨辊辊齿表面淬火处理的最佳工艺参数；( 2 ) 辊齿表层渗会 属处理实验研究，即运用等离子弧对磨辊表面进行渗镍铬等合金元素处理，并对渗层成 份及组织进行理论分析和研究。 9 河南工业大学硕士学位论文 第二章等离子体磨辊表面改性工艺原理概述 2 1 等离子弧 2 1 1 等离子体 所谓等离子体，指的是电离到一定程度的气体。在现代物理学中规定，电离度超过 o 1 的气体为等离子体。显然，等离子体是离子、电子、中性原子和分子的集合体。 由于等离子体中带电粒子所持有的正、负电荷总量相等，因此等离子体在宏观平均意义 上仍呈现电中性。但是，等离子体中存在着的相当数量的电子和离子，使其表现出相应 的电磁学等性能。等离子体中的带电粒子不但有热运动、扩散运动，同时又有在电场作 用下的迁移运动。故等离子在诸多性质上已不再相同于一般中性气体。 等离子体是物质在1 0 0 0 k 以上温度时的存在形态，因此它与固、液、气三种形态并 列被称为物质的第四态。就整个宇宙范围而言，绝大部份物质是处于等离子态“。 按等离子体的温度，可分为热等离子体和冷等离子体。热等离子体，其中的重粒子 ( 离子和中性原子) 的温度与电子的温度相同，又称为热平衡等离子体。热等离子体又可 分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体温度可达1 0 8 1 0 9 k ，低温等离子体也 在2 0 0 0 5 0 0 0 0 k “，在冷等离子体中，重粒子的温度远低于电子的温度，前者接近常温， 而后者却高达1 0 l o k ，冷等离子体因此也称为非热平衡等离子体 按照产生方式的不同，热等离子体可以分为电弧等离子体、高频等离子体和超高频 等离子体，其中电弧等离子体包括直流电弧等离子体和交流电弧等离子体“”。统计表明， 直流电弧等离子体占整个市场份额的9 9 左右“。图2 1 为直流电弧等离子体射流。 图2 - 1 直流电弧等离子体射流 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 气体在常温下是不导电的，当外界通过某种方式给予气体分子或原子以足够的能量 时，例如，处于两电极之间的气体受到电场的作用，气体的分子和原子受到从电极发出 的大最高速运动的粒子( 如电子) 的碰撞，或者对原子的加热等，就可使电子脱离原子和 分子，成为带“一”电的自由电子，而失去电子的原子或分子则成为带“+ ”电的正离子， 这就是气体的电离现象。促使气体电离的因素很多，如碰撞作用( 碰撞电离) ，热作用( 热 电离) ，光作用( 光致电离) 等等。在电场作用下，维持气体强烈的电离，形成弧光放电， 即产生电弧。电弧的高温又n , n 气体的电离。这样，原来呈绝缘状态的气体就充满了带 电的质点，变成了导体，可以通过较大的电流。我们把这种已充分电离，正负离子相等 的气体称为等离子体，或称为等离子态“1 。 212 自由电弧与等离子弧的产生 【电源 团 熙缈 串 t 图2 - 2 自由电弧示意图 通常运用的手工电弧焊或氩弧焊，在电极和工件之间产生的电弧没有受到任何外界 的约束，如图2 2 所示。这种电弧叫自由电弧或敞开电弧。在自由电弧弧柱区的中心部 位也是处于等离子态，但自由电弧弧柱较粗，气体电离度很低，即电弧区内的气体尚未 完全电离。因此，电弧温度较低，能量分散。自由电弧的温度与弧电流和弧电压成f 比， 与弧柱直径成反比。而弧柱的直径又是与电流、弧压成正比的，而流过弧柱的电流密度 趋近于常数，弧柱的温度只有通过增加电弧功率的方法来提高，这样自由电弧的运用就 受到了限制。利用等离子弧喷枪，在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使 气体电离形成电弧。此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，使弧柱受 到强行压缩，这种电弧通常称为压缩电孤。如图2 3 所示。电弧被压缩后，和自由电弧 相比会产生很大的变化，其突出特点是弧柱直径变细，促使弧柱电流密度显著提高。流 l l 河南工业大学硕士学位论文 经喷嘴孔道的气体，受到剧烈的碰撞和热作用，使气体能充分电离，产：生正负离子相等 的等离子体弧柱，因此把这种压缩电弧称为等离子弧：“1 。 等离子弧的产生主要是由于水冷紫铜喷嘴和气流促使电弧内部热电离过程的变化 而实现的。喷嘴和气流对电弧的作用主要通过以下三方面的效应”： ( 1 ) 热收缩效应 * 史 图2 - 3 压缩电弧示意图 紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性，由于受到水冷，使得孔道壁面温度很低。气 体连续地流过孔道，在靠近壁面的气流受到冷却，形成很薄的冷气流层( 冷气壁) 。由 图2 - 4 平行导线同向电流受力示意图 于这一冷气壁温度低，电离度很低，几乎不能通过电流，迫使电弧电流往电离度高的中 心部位流过，即电弧向中心部位收缩。显然，对于孔道壁面的冷却效果、气流量的大小 及通过方式( 旋流或直流) 等，将对热收缩效应的强弱产生影响。 1 2 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 ( 2 ) 机械压缩效应 等离子弧柱周围的冷气壁依附于喷嘴孔道壁面，因此，喷嘴孔径大小就基本上确定 了环形冷气壁的直径，也就相应地确定了等离子弧弧柱的粗细。显然，喷嘴孔径及其几 何尺寸，除了热收缩效应实现对电弧不同程度的压缩外，还起到对电弧机械压缩的作用。 ( 3 ) 自磁压缩效应 电弧电流具有确定的流向，弧柱相当于一束与电流方向相同的平行导体，每根通电 导体部在它周围产生磁场。在磁场作用下，根据左手定则，每根导体受到的电磁力都是 指向此束导体的中心，如图2 4 所示。这种自身磁场产生的电磁力作用的结果，使弧柱 受到一个指向弧柱轴心的压缩力，从而使电弧受到压缩。热收缩和机械压缩效应迫使弧 束变细，弧柬变细后，则自磁压缩效应更强。以上三个效应对电弧作用的结果，使得电 弧受到强行压缩而产生等离子弧束。这三个压缩效应是互为依存，共同作用的。热收缩 效应和机械压缩效应是外因，是人为的可控制的，而自磁压缩效应是电弧本身具有的现 象，是内在因素。在没有机械压缩效应和热收缩的条件下，由于弧柱较粗，自磁压缩力 很弱，在小电流时，甚至可以忽略。对这三个效应的分析表明，喷嘴压缩孔道的性状和 几何尺寸，孔道壁面的冷却效果，工作气流量的大小和气流结构，是影响电弧压缩效果 的主要因素，这为等离子发生器的设计提供了最基本的原则。 2 1 3 等离子弧的类型和特性 图2 - 5 非转移型等离子孤 ( 1 ) 弧束类型州 非转移型弧 喷嘴接正极，钨极接负极，电弧建立在钨极与喷嘴内表面之间，高温的等离子焰流 从喷嘴内喷出。按电弧刚性的不同，可选用于喷镀、切割或加热促使化学反应等方面， 如图2 5 所示。 13 河南工业大学硕士学位论文 转移型弧 图2 - 6 转移型等离子弧 工件接正极，钨极接负极，电弧建立在钨极和工件之间。其温度较非转移弧高，能 量集中。具有矸i 同压缩性的转移弧，可用于金属切割、熔炼、焊接、送丝堆焊等，如图 2 6 所示。 联合型弧 非转移弧和转移弧并存称为联合型等离子弧。在采用联合弧时，一般非转移弧是作 为辅助热源。联合型弧一般用于粉末喷焊，如图2 7 所示。 图2 - 7 联合型等离子弧 ( 2 ) 弧束特性蚓 等离子弧和自由电弧相比，显著的不同是弧柱细、电流密度大、气体电离充分，因 而具有以下主要特点： 温度高、能量集中弧柱相当于一段通电导体， 通电导体的热功率密度w 为： w = 61 r 1 4 从焦耳一愣次定律的微分形式可知 ( 2 1 ) 等离子体磨辊表面改性应用技术的研究 面 图2 - 8自由电弧与等离子弧挺度的对比。“ 式中6 一电流密度( a c m 2 )f - - 导电率( i i q c n l ) 从式( 2 一i ) 可知，热功率密度与电 流密度的平方成f 比。由于等离子弧具有很高的导电性，能承受的电流密度大大高于自 由电弧，因而弧柱的热功率密度大大高于自由电弧，如图2 8 所示。这就使得等离子弧 具有极高的温度和能量的高度集中。如图2 9 所示，等离子弧的温度可达1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 k ， 这样高的温度，用其它方法是很难达到的。氧乙炔火焰高温核心只有3 2 0 0 k 左右：手工电 弧焊只有5 0 0 6 0 0 0 k 左右。 稳定性好等离子弧弧柱挺直，在整个弧长内弧柱直径变化不大，在弧柱较长时仍能 保持弧柱稳定，无自由电弧易于飘动的缺点。 4 l2 蠢0 蜡2 4 ol o2 03 0 4 u5 0 距离m m 图2 9非转移型等离子弧的温度分布1 可控性好通过气体的选择和改变压缩效应的外因条件，从而容易获得所需要的气 氛、刚度和弧束参数这是自由电弧难以实现的。 214 等离子弧的工作气体 产生等离子弧的工作气体( 离子气) ，常用的有氮( n 2 ) 、氢( h 2 ) 、氩( a r l 、氦( h e ) 等。 河南1 ：业大学硕士学位论文 工作气体的选用要根据具体加工工艺要求来定，同时要考虑气体的供应是否方便以及价 格因素。不同种类的气体，具有不同的热物理性质，如导热系数、密度、比热、电离电 位、分解度等。在同样的输入功率下，不同气体等离子弧的热焓和温度相差悬殊。工作 气体的此类特性对等离子弧的伏安特性产生显著影响。 双原子气体n 2 和h 2 ，在热电离时首先吸收热量分解成原子，然后再电离。单原子气 体氩气没有此热分解过程，而是直接地吸收热量电离。气体在分解和电离过程中吸收的 热能就是等离子体蕴藏的热能，称为气体的热焓。显然双原子气体的热焓要高于单原子 气体的热焓。由于单原子气体氩无热分解过程，吸收热量温度很快升高且电离，因此引 弧性能就优于双原子气体。维持电弧稳定燃烧所需的电弧电压比双原子气体要低，电弧 稳定性好。 以上分析表明，等离子体金属表面淬火处理，选用单原子气体氩做工作气体是比较 理想的。惰性气体氩在空气中所占的比例是较多的，以体积计算，氩约占空气的0 9 3 ， 氩是无色无味的，比空气重2 5 ，液态气化温度为一1 8 6 ，介于氧( 一1 8 3 ) 和氮( 一1 9 6 。c ) 之l h j 。氩气是在分馏液态空气时制得的，氲气具有良好的保护气氛，它不与金属起化学 反应，而且不溶解于金属内。因此淬火时金属表面烧损少，也不易产生气孔等缺陷。氧 和氮是影响氩气纯度的主要因素，影响弧的稳定性，且易引起会属氧化、氮化，降低表 面处理层的质量“。 2 1 5 等离子弧的组成 等离子弧