專利名稱：輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝及其設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝及其設備。
背景技術：
輪胎模具選用材料及其表面強化處理是影響輪胎模具性能和壽命諸因素中的主要因素。
目前國外輪胎模具普遍采用昂貴的精密塑料模具鋼，這種材料具有較好的耐磨、耐蝕性能，但其價格為國產塑料模具鋼的3～4倍，造成輪胎模具材料成本的大幅度上揚。采用表面強化技術，用價格低廉的國產塑料模具鋼替代價格昂貴的進口精密塑料模具鋼，制造出在服役條件下具有良好使用性能和延長使用壽命的輪胎模具是擺在我們面前必須解決的課題。
眾所周知，氣體軟氮化及氣體加氧軟氮化是廣為應用的工藝技術，氣體軟氮化是低溫氮碳共滲的過程，氮化層由化合物層及擴散層組成。χ射線結構分析表明化合物層是ε-Fe 2-3(N.C)的單相層，其厚度為2～15μm，無法承受較大的接觸應力負荷，在腐蝕性氣體工作條件下的耐腐蝕性能也有待提高；氣體加氧軟氮化是在氣體軟氮化基礎上添加少量氧氣的工藝，氧的加入提高了氮原子的活性，使ε相層厚度增加，并在最外層形成由Fe3O4和Fe2O3構成的氧化膜，提高了模具表面的防銹抗腐蝕性，但存在著氮化溫度略高且滲速略慢耐磨性較差等缺點。
普通氮化爐一般只能進行加氧軟氮化，雖然加氧軟氮化與單純氮化比較，有速度快且脆性低等特點，但其硬度卻有所下降，碳的加入雖提高了滲氮速度，但滲氮溫度仍然較高，工件的變形量仍較大。
輪胎模具直徑遠比其高度大，根據此特點設計該爐直徑與高度的比例約為8∶7，因為直徑比高度大，普通氮化爐對輪胎模具不適應，輪胎模具表面處理設備的爐內氣體流通、受熱均勻有一定的困難，所以熱氣流以及節(jié)能問題必須解決。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對上述缺點，提供一種能耗低、變形小、滲速快，而且耐磨性高、抗腐蝕性好、抗咬合性好和抗粘附性好的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝及其設備。
本發(fā)明的基本原理在原軟氮化工藝的基礎上，使用稀土元素作為催滲劑提高滲速增厚白亮層，并利用鈦與氮結合生成氮化物來提高輪胎模具的耐磨性和耐腐蝕性。稀土元素在化學熱處理過程中起到催滲和微合金化雙重作用，使工藝過程明顯加快，滲速可提高20％～25％。且稀土原子比鐵原子大很多，稀土原子的滲入使鐵中的原子陣列發(fā)生畸變，從而改善了滲層性能。
采用新爐體及降低共滲溫度，新爐體采用中溫電熱爐的加熱模式，將電能轉變?yōu)闊崮埽ㄟ^熱傳導、熱對流和熱幅射，使被處理模具在較短時間內達到五元共滲所要求的550±10℃。采用共滲罐內氣流加速循環(huán)的方式，使工件均勻加熱并加速換氣，提高共滲質量及共滲速率。為保證大型五元共滲爐加熱均勻，采用三段供熱，每段加熱均可自行調節(jié)溫度并實現溫度自動控制。五種滲入元素N、O、C、稀土、Ti分別采用氣體、液體及固體提供，通入氨氣使其熱分解產生活性氮原子，通入氧氣產生氧原子，滴入乙醇生成活性碳原子，稀土元素通過溶在有機溶劑中滴進爐內，鈦原子通過固體鈦獲得。在共滲罐達到一定溫度時，產生復雜的化學反應，實現五種元素復合滲入輪胎模具表面的目的。
本發(fā)明的技術解決方案依如下方式實現輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝，按以下工序依次進行A升溫排氣a、空爐升溫時間為35～50min，使爐溫達到550±10℃；b、將工件連同海綿鈦置于共滲罐中，并大通量滴入甲醇進行排氣，時間為30～45min，直到工件溫度到達550±10℃；B強滲乙醇和稀土有機溶液分別以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為40％～55％，氧通量控制在占爐氣總量的0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，強滲時間為3～4h；C擴散乙醇和稀土有機溶液仍以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為75％～85％，氧通量控制在占爐氣總量的0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1.5～2h；D降溫a、僅通氨氣，控制氨分解率為80％以上，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1～1.5h，使工件溫度降至500±10℃；b、僅滴甲醇140～160d/min，時間為2～3h，控制壓力為＜100mm水柱，使工件溫度降至450℃以下，進行空冷或油冷；油冷用于不易變形工件，對于易變形工件要求爐冷至250℃以下出爐。
采用上述輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所需要的設備，含有由爐殼、爐襯、共滲罐、爐蓋組成的爐體，還含有與爐體連接并連通共滲罐的介質加入裝置、氣壓調節(jié)及廢氣出口和自動控溫裝置；自動控溫裝置通過熱電偶與共滲罐連接；爐襯由保溫層和耐火層組成，耐火層設置有擱置電熱絲的擱絲磚，共滲罐置于爐襯中，共滲罐的罐口設置有冷卻及密封裝置，冷卻及密封裝置由設置于爐蓋上的雙水冷循環(huán)風機、設置于罐口處的風扇和密封圈組成，密封圈設置于罐口與爐蓋接合處，雙水冷循環(huán)風機及風扇的運轉，氣流加速循環(huán)，使熱對流、熱幅射作用于被處理模具，使工件均勻加熱并加速換氣，在較短時間內達到五元共滲所要求的550±10℃，提高共滲質量及共滲速率。
本發(fā)明，保溫層可以由粘貼在爐殼內壁的硅酸鋁耐火纖維氈和輕質保溫磚砌成，輕質保溫磚與耐火層之間的夾層用超輕珍珠巖填充，使爐襯能起到很好的保溫作用，爐殼溫度一般不超過50℃。
本發(fā)明，耐火層的擱絲磚可以采用楔形砌磚結構形式，避免電熱絲在使用過程中掉落。
本發(fā)明，電熱絲共有十八根，可以采用三段加熱的模式，每組都單獨由電熱絲控制溫度加熱，整個設備分別由三組功率為45KW的電熱元件組成，爐子總功率為135KW。三組電熱元件分別采用星形接法，溫度測量由三個熱電偶分別實現。
本發(fā)明的有益效果1、采用價格低廉的國產塑料模具鋼替代價格昂貴的進口精密塑料模具鋼，制造出在服役條件下具有良好使用性能和延長使用壽命的輪胎模具；2、稀土的加入降低滲氮的溫度，從原來的570±10℃下降到550±10C，從而減少了工件的變形量，另外稀土的加入也使白亮層得到一定程度的增厚，鈦的加入與氮結合生成高硬度氮化鈦從而使輪胎模具耐磨性提高；3、輪胎模具在五元共滲表面強化處理設備中進行表面強化處理后，輪胎模具表面具有優(yōu)異的性能，特別是在弱酸中的耐腐蝕性能，經金相檢測表明，金相組織顯示了明顯的化合物層及擴散層，這種致密的ε-相層具有耐磨、抗腐蝕性能，采用新工藝后與一般軟氮化比較，其白亮層由原來10～15μm增至20～30μm，且表面硬度可達700～800HV，試樣經5％稀鹽酸一個月腐蝕后依然光滑無損，克服了以往在輪胎硫化過程中輪胎模具的銹蝕現象；4、由于輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝及其設備的綜合先進性，使設備的能耗大大降低。五元共滲設備總功率為135KW，共滲罐有效容積為3M3，每立方米共滲罐容積占用功率為45KW，而傳統(tǒng)井式氣體氮化爐每立方米爐膛容積所需功率為80KW，例如上海電爐廠生產的井式氮化爐，爐膛容積φ1000×1500mm，爐子功率95KW，每1M3爐膛容積所需功率為79.2KW。在同等升溫速度的狀況下，五元共滲設備節(jié)能40％以上。
本發(fā)明，適用于輪胎模具表面改性處理。
下面實施例結合


對本發(fā)明作進一步的說明。

圖1為輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝曲線圖；圖2為輪胎模具五元共滲表面強化處理設備結構示意圖。
圖中，1、爐殼，2、爐襯，3、共滲罐，4、爐蓋，5、雙水冷循環(huán)風機，6、介質加入裝置，7、熱電偶，8、風扇，9、硅酸鋁耐火纖維氈，10、保溫層，11、耐火層，12、擱絲磚，13、電熱絲，14、密封圈，15、氣壓調節(jié)及廢氣出口，16、輕質保溫磚，17、楔形砌磚。
具體實施例方式
輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝實施例成分為0.42％～0.48％C、0.17％～0.37％Si、0.50％～0.80％Mn、＜0.03％P、＜0.03S的滑塊連同海綿鈦置于共滲罐中，大通量滴入甲醇進行排氣，直到工件溫度到達550℃；乙醇和稀土有機溶液分別以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為40％～55％，氧通量控制在占爐氣總量0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，強滲時間為3～4h；然后氨氣通量控制氨分解率為75％～85％，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1.5～2h；接著僅通氨氣，控制氨分解率為80％以上，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1～1.5h，使工件溫度降至500℃，以160d/min速率滴入甲醇，時間為2～3h，控制壓力為＜100mm水柱，使工件溫度降至450℃出爐油冷。經金相檢測表明其白亮層約20～30μm，滲層厚度約0.55mm，效果理想。
輪胎模具五元共滲表面強化處理設備實施例參照圖2，本實施例含有由爐殼1、爐襯2、共滲罐3、爐蓋4組成的爐體，還含有與爐體連接并連通共滲罐3的介質加入裝置6、氣壓調節(jié)及廢氣出口15和自動控溫裝置；自動控溫裝置通過熱電偶7與共滲罐3連接；爐襯2由保溫層10和耐火層11組成，保溫層10由粘貼在爐殼1內壁的硅酸鋁耐火纖維氈9和輕質保溫磚16砌成，輕質保溫磚16與耐火層11之間的夾層用超輕珍珠巖填充；耐火層11設置有擱置電熱絲13的擱絲磚12，耐火層11的擱絲磚12采用楔形砌磚17結構形式，電熱絲13共有十八根，分成三組，每組都單獨由電熱絲13控制溫度加熱；共滲罐3置于爐襯2中，共滲罐3的罐口設置有冷卻及密封裝置，冷卻及密封裝置由設置于爐蓋4上的雙水冷循環(huán)風機5、設置于罐口處的風扇8和密封圈14組成，密封圈14設置于罐口與爐蓋接合處。
本發(fā)明的使用，以爐殼1外圍直徑及爐體高度為依據挖一水泥地坑，將爐殼1置于坑中，在爐殼1中砌筑爐襯2，先把硅酸鋁耐火纖維氈9粘貼于爐殼1內，再砌筑十二組輕質保溫磚16，再砌筑擱絲磚12，并置入電熱絲13和熱電偶7，然后在輕質保溫磚與耐火層之間的夾層中倒入超輕質珍珠巖，砌筑爐口磚及連接好爐蓋4，最后把自動控溫裝置與爐體連接好；爐蓋4為以焊接好的焊接件，雙水冷循環(huán)風機5用螺栓連接于爐蓋上，且要求很好的密封，然后把介質加入裝置6連接于爐蓋4上；工件裝入共滲罐3中后蓋上爐蓋4，則可實現輪胎模具表面強化處理。
權利要求
1.一種輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝，其特征在于按以下工序依次進行A升溫排氣a、空爐升溫時間為35～50min，使爐溫達到550±10℃；b、將工件連同海綿鈦置于共滲罐中，并大通量滴入甲醇進行排氣，時間為30～45min，直到工件溫度到達550±10℃；B強滲乙醇和稀土有機溶液分別以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為40％～55％，氧通量控制在占爐氣總量的0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，強滲時間為3～4h；C擴散乙醇和稀土有機溶液仍以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為75％～85％，氧通量控制在占爐氣總量的0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1.5～2h；D降溫a、僅通氨氣，控制氨分解率為80％以上，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1～1.5h，使工件溫度降至500±10℃；b、僅滴甲醇140～160d/min，時間為2～3h，控制壓力為＜100mm水柱，使工件溫度降至450℃以下，進行空冷或油冷。
2.根據權利要求1所述的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝，其特征在于成分為0.42％～0.48％C、0.17％～0.37％Si、0.50％～0.80％Mn、＜0.03％P、＜0.03S的滑塊連同海綿鈦置于共滲罐中，大通量滴入甲醇進行排氣，直到工件溫度到達550℃；乙醇和稀土有機溶液分別以60～80d/min的速度滴入，氨氣通量控制氨分解率為40％～55％，氧通量控制在占爐氣總量0.1～0.2％，控制壓力為+130～160mm水柱，強滲時間為3～4h；然后氨氣通量控制氨分解率為75％～85％，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1.5～2h；接著僅通氨氣，控制氨分解率為80％以上，控制壓力為+130～160mm水柱，時間為1～1.5h，使工件溫度降至500℃，以160d/min速率滴入甲醇，時間為2～3h，控制壓力為＜100mm水柱，使工件溫度降至450℃出爐油冷。
3.一種輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所采用的設備，含有由爐殼(1)、爐襯(2)、共滲罐(3)、爐蓋(4)組成的爐體，其特征在于還含有與爐體連接并連通共滲罐(3)的介質加入裝置(6)、氣壓調節(jié)及廢氣出口(15)和自動控溫裝置；所述自動控溫裝置通過熱電偶(7)與共滲罐(3)連接；所述爐襯(2)由保溫層(10)和耐火層(11)組成，所述耐火層(11)設置有擱置電熱絲(13)的擱絲磚(12)，所述共滲罐(3)置于爐襯(2)中，所述共滲罐(3)的罐口設置有冷卻及密封裝置，所述冷卻及密封裝置由設置于爐蓋(4)上的雙水冷循環(huán)風機(5)、設置于罐口處的風扇(8)和密封圈(14)組成，所述密封圈(14)設置于罐口與爐蓋接合處。
4.根據權利要求3所述的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所采用的設備，其特征在于所述保溫層(10)由粘貼在爐殼(1)內壁的硅酸鋁耐火纖維氈(9)和輕質保溫磚(16)砌成，輕質保溫磚(16)與所述耐火層(11)之間的夾層用超輕珍珠巖填充。
5.根據權利要求3或4所述的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所采用的設備，其特征在于所述耐火層(11)的擱絲磚(12)采用楔形砌磚(17)結構形式。
6.根據權利要求3或4所述的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所采用的設備，其特征在于所述電熱絲(13)共有十八根，分成三組，每組都單獨由電熱絲(13)控制溫度加熱。
7.根據權利要求5所述的輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝所采用的設備，其特征在于所述電熱絲(13)共有十八根，分成三組，每組都單獨由電熱絲(13)控制溫度加熱。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種輪胎模具五元共滲表面強化處理工藝及其設備。技術特征處理工藝的工序升溫階段，置入工件及海綿鈦，大通量滴入甲醇進行排氣；強滲和擴散階段，控制乙醇和稀土有機溶液滴入量、氨氣通量、氧通量、控制壓力、時間；降溫階段，控制氨分解率和控制壓力，空冷或油冷。所需要的設備含有爐體、與爐體連接介質加入裝置、氣壓調節(jié)及廢氣出口和自動控溫裝置；爐襯由保溫層和耐火層組成，耐火層設置有擱置電熱絲的擱絲磚，共滲罐置于爐襯中，共滲罐的罐口設置有冷卻及密封裝置。具有能耗低、變形小、滲速快，而且工藝處理后輪胎模具耐磨性高、抗腐蝕性好、抗咬合性好和抗粘附性好的優(yōu)點。本發(fā)明，適用于輪胎模具表面改性處理。
文檔編號C23C12/00GK1563475SQ20041002650
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月13日 優(yōu)先權日2004年3月13日
發(fā)明者鄭向新, 鄭栩 申請人:廣東巨輪模具股份有限公司