塑料薄膜生產(chǎn)線鋼板導(dǎo)軌制造工藝研究

摘 要：綜合雙向拉伸塑料薄膜行業(yè)鏈鋏軌道系統(tǒng)的發(fā)展情況，介紹了一種高性能鋼板導(dǎo)軌的技術(shù)指標(biāo)，并對其制造工藝進(jìn)行對比研究。通過研究試驗(yàn)，對比氮化、軟氮化、離子氮化三種制作工藝的硬度指標(biāo)結(jié)果和金相組織照片發(fā)現(xiàn)：軟氮化完全不符合指標(biāo)要求；氮化工藝雖然表面硬度值稍穩(wěn)定，但其金相組織里出現(xiàn)了白亮層（脆性相），鋼板導(dǎo)軌受力時易出現(xiàn)表層開裂和剝落；離子氮化工藝內(nèi)部硬度值曲線平緩，金相組織分布均勻細(xì)致，沒有滲入合成化合物，無白亮層（脆性相）。因此，選擇離子氮化作為鋼板導(dǎo)軌的制造工藝。采用該工藝制造的鋼板導(dǎo)軌，鏈鋏能在其上長期、連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到提高薄膜生產(chǎn)線穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性的目的，降低生產(chǎn)線的維護(hù)成本。

關(guān)鍵詞：鋼板導(dǎo)軌；氮化；熱處理；橫向拉伸機(jī)；雙向拉伸塑料薄膜

中圖分類號：TQ320.5""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""" 文章編號：1671-0797（2025）02-0072-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.02.018

0""" 引言

在雙向拉伸聚丙烯薄膜的生產(chǎn)過程中，片材的橫向拉伸是在橫向拉伸機(jī)（簡稱橫拉機(jī)）上完成的。橫拉機(jī)左右對稱配備有兩圈連續(xù)、同步運(yùn)轉(zhuǎn)的滾子鏈，鏈鋏安裝在鏈條上，能夠牢固地夾住薄膜兩側(cè)，并裝配在可調(diào)節(jié)距離的導(dǎo)軌上[1]。

橫拉機(jī)所采用的鏈鋏主要有兩種形式，即滾動鏈鋏和滑動鏈鋏。在采用滾動鏈鋏拉伸薄膜時亦需采用相應(yīng)的鋼板導(dǎo)軌，如圖1所示。常用的長寬高尺寸為3 000 mm×100 mm×8 mm。

國產(chǎn)鋼板導(dǎo)軌由于在材料選擇、制造工藝技術(shù)、質(zhì)量等方面與國外鋼板導(dǎo)軌存在較大差距，直接影響了生產(chǎn)線的運(yùn)行，并最終影響到薄膜的成膜穩(wěn)定性和連續(xù)性，因而成為制約國產(chǎn)高速寬幅薄膜生產(chǎn)線快速發(fā)展的瓶頸之一。本文將根據(jù)筆者多年雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線的設(shè)計及使用經(jīng)驗(yàn)，對鋼板導(dǎo)軌的技術(shù)指標(biāo)及其制造工藝進(jìn)行分析。

1""" 鋼板導(dǎo)軌的技術(shù)指標(biāo)

鋼板導(dǎo)軌采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼板材，具有材料通用、易機(jī)加工、熱處理性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于BOPP、BOPET、BOPE、BOPS等塑料薄膜拉伸生產(chǎn)線。國產(chǎn)塑料薄膜生產(chǎn)線某些指標(biāo)已接近國外同類設(shè)備，但生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備還依賴進(jìn)口；在鋼板導(dǎo)軌的技術(shù)指標(biāo)方面亦存在較大差距，使用壽命僅為國外廠商的1/5～1/3。

在使用滾動鏈鋏生產(chǎn)塑料薄膜時，鋼板導(dǎo)軌的性能決定了生產(chǎn)線穩(wěn)定性及耐用性?，F(xiàn)階段，鋼板導(dǎo)軌的材料主要采用60Si2MnA，熱處理主要采用滲氮處理的工藝方法進(jìn)行，表面硬度值在500 HV0.5左右。實(shí)際運(yùn)用中，由于材料選擇或熱處理硬度達(dá)不到要求，鋼板導(dǎo)軌在拉伸拐彎、進(jìn)口調(diào)偏及出口主傳動處經(jīng)常出現(xiàn)磨損及斷裂的現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)線需要停機(jī)更換備件，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。

總結(jié)薄膜生產(chǎn)線長期實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，鋼板導(dǎo)軌既要保證一定的表面硬度，能耐磨、抗沖擊、抗腐蝕，又要保證一定的芯部柔韌性，滿足大拉伸比的要求。在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善鋼板導(dǎo)軌的技術(shù)指標(biāo)：熱處理層厚度0.2～0.3 mm，表面處理硬度600～650 HV0.5，芯部硬度300～350 HV0.5。熱處理硬度數(shù)值示意圖如圖2所示。

2""" 鋼板導(dǎo)軌制造工藝研究

在總結(jié)以往鋼板導(dǎo)軌磨損情況，分析參考國外設(shè)計制造技術(shù)的基礎(chǔ)上，開展工藝流程設(shè)計，優(yōu)化工藝步驟，采用三種制造工藝——氮化、軟氮化、離子氮化進(jìn)行比較研究。

2.1""" 前期準(zhǔn)備工作

2.1.1""" 材料選擇

42CrMo屬于超高強(qiáng)度鋼，具有極高的強(qiáng)度和韌性，淬火后的可變性也相當(dāng)好。經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后，該鋼材不會出現(xiàn)明顯的回火脆性，展現(xiàn)出較高的疲勞極限和抗沖擊性能，同時其在低溫環(huán)境下也具備出色的抗沖擊韌性。這類鋼材非常適用于制造那些要求具備耐沖擊性和高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)部件[2]，其性能使其成為制造鋼板導(dǎo)軌的理想原材料。

2.1.2""" 毛坯下料

采用熱軋鋼板切割下料，切割方向與鋼板軋制方向一致，毛坯下料長度為3 100 mm×115 mm×12 mm。

2.1.3""" 粗加工

下料完成后，去除飛邊毛刺，除銹，清洗工件表面。

2.1.4""" 調(diào)質(zhì)處理

采用淬火后高溫回火進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，通過這種方式可獲得所需的回火索氏體。步驟如下：

1）42CrMo毛坯料低溫裝爐，階梯升溫到870 ℃后保溫1 h。

2）放入油中冷卻至50～100 ℃，然后取出放在空氣中自然冷卻；淬火后硬度可達(dá)500～550 HV0.5。

3）為防止開裂應(yīng)立即進(jìn)行600 ℃回火處理，達(dá)到回火溫度后保溫2 h。

4）在回火爐中自然冷卻，出爐，經(jīng)檢驗(yàn)硬度為300～350 HV0.5。

調(diào)質(zhì)完成后，如有輕微變形，需用校正設(shè)備進(jìn)行校正。

2.1.5""" 精加工

完成調(diào)質(zhì)處理后，先進(jìn)行線切割加工：長度3 100 mm，預(yù)留100 mm作為加工完成后的分析樣品；寬度102 mm，預(yù)留2 mm作為精加工余量；厚度10 mm，預(yù)留2 mm作為精加工余量。

隨后，按要求進(jìn)行精加工，需保證標(biāo)注的粗糙度及形位公差要求。

1）長度公差±0.15 mm，寬度公差±0.1 mm，厚度公差0～0.05 mm；

2）長、寬、高六個面的相互垂直度公差0.05 mm；

3）厚度方向兩個面的直線度公差0.03/100 mm，平面度公差0.03/100 mm；

4）六個精加工面的粗糙度為Ra=0.8 μm。

2.2""" 鋼板導(dǎo)軌的制造工藝

在完成前期準(zhǔn)備工作后，就可以對其進(jìn)行表面熱處理。

2.2.1""" 氮化工藝

氮化指在一定溫度范圍內(nèi)使用某種特定氣體，將氮原子滲入零件表面。處理后的零件表現(xiàn)出出色的抗磨損、抗疲勞、抗腐蝕和耐高溫等特性[3]。

通常采用氮化爐進(jìn)行氣體氮化處理。滲氮工藝參數(shù)如下：

1）在升溫之前需要進(jìn)行排氣。首先通氨氣，持續(xù)15 min。接著，將控溫儀的數(shù)值設(shè)為160 ℃并開啟自動加熱，同時進(jìn)行排氣和加熱，持續(xù)1 h。

2）當(dāng)排出的氣體中NH3含量超過90%時，控溫儀表被重新設(shè)定為520 ℃。在這個階段，氨氣流量被減小，以維持爐內(nèi)的正壓狀態(tài)。當(dāng)爐溫升至520 ℃時，滲氮進(jìn)入恒溫恒流階段，持續(xù)25 h，此時氨的分解率為35%。

3）升溫到550 ℃，保持氨分解率為45%，滲氮25 h。

4）最后，調(diào)小氨氣壓力，進(jìn)行1～2 h的退氮操作，然后切斷電源，停止加熱。在氮化爐溫度降到150 ℃以下之前，需要持續(xù)供應(yīng)少量氨氣，保持爐內(nèi)正壓。當(dāng)爐溫降至150 ℃以下時，停止供應(yīng)氨氣并出爐。

鋼板導(dǎo)軌氮化處理后有輕微變形，需用校正設(shè)備進(jìn)行校正，使零部件滿足尺寸精度要求。每件樣品取5個點(diǎn)，每個點(diǎn)依次遞進(jìn)深度0.05 mm，測量其硬度值并進(jìn)行金相分析，如圖3、圖4所示。

結(jié)果表明：樣品2-1-1表面硬度和芯部硬度均不符合要求，金相組織里出現(xiàn)了白亮層（脆性相），鋼板導(dǎo)軌受力時易出現(xiàn)表層開裂和剝落。

2.2.2""" 軟氮化工藝

軟氮化，指的是在某種氣體介質(zhì)中把碳原子和氮原子同時滲入零件表面的化學(xué)熱處理工藝。通常采用氮化爐進(jìn)行氣體軟氮化處理。軟氮化工藝參數(shù)如下：

1）在升溫之前需要進(jìn)行排氣。首先通氨氣，持續(xù)15 min。接著，將控溫儀的數(shù)值設(shè)為160 ℃并開啟自動加熱，同時進(jìn)行排氣和加熱，持續(xù)1 h。

2）當(dāng)排出的氣體中NH3含量超過90%時，控溫儀表被重新設(shè)定為590 ℃，調(diào)節(jié)氨氣流量至3 m3/h，維持爐內(nèi)的正壓狀態(tài)；當(dāng)爐溫升到590 ℃時，通入煤油4 mL/min作滲劑，甲醇5 mL/min為稀釋劑，恒溫恒流滲氮5 h。

3）最后，調(diào)小氨氣壓力，進(jìn)行1～2 h的退氮操作，然后切斷電源，停止加熱。在氮化爐溫度降到150 ℃以下之前，需要持續(xù)供應(yīng)少量氨氣，保持爐內(nèi)正壓。當(dāng)爐溫降至150 ℃以下時，停止供應(yīng)氨氣并出爐。

鋼板導(dǎo)軌軟氮化處理后有輕微變形，需用校正設(shè)備進(jìn)行校正，使零部件滿足尺寸精度要求。每件樣品取5個點(diǎn)，每個點(diǎn)依次遞進(jìn)深度0.05 mm，測量其硬度值并進(jìn)行金相分析，如圖5、圖6所示。

結(jié)果表明：樣品2-2-1表面硬度和芯部硬度均不符合要求，金相組織里均出現(xiàn)了白亮層，鋼板導(dǎo)軌受力時易出現(xiàn)表層開裂和剝落。

2.2.3""" 離子氮化工藝

離子氮化，是指將工件放在輝光放電裝置的真空容器中，工件為陰極，容器壁或另設(shè)金屬板為陽極，充有稀薄的含氮?dú)怏w，在直流高壓電場的作用下，氣體原子電離成離子，使之以較高的速度撞擊工件，陰極表面上氮離子失去能量被工件吸收，并向內(nèi)部擴(kuò)散形成滲氮層的過程[4]。

離子氮化處理通常需要用到大型真空脈沖等離子氮化設(shè)備。具體滲氮工藝參數(shù)如下：

1）首先將爐內(nèi)真空度抽至約20 Pa，然后以0.1～0.15 m/h的速率通入純氨氣并起弧放電以使氨氣分解；

2）隨后進(jìn)行輝光放電等離子氮化處理，處理時間為32 h，保持爐內(nèi)氣壓在220 Pa，并且保持溫度在500 ℃；

3）待爐子自然冷卻后取出樣品，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氮化層深度超過0.2 mm，且硬度高于600 HV0.5[5]。

鋼板導(dǎo)軌離子氮化處理后有輕微變形，需用校正設(shè)備進(jìn)行校正，使零部件滿足尺寸精度要求。每件樣品取6個點(diǎn)，每個點(diǎn)依次遞進(jìn)深度0.05 mm，測量其硬度值并進(jìn)行金相分析，如圖7、圖8所示。

結(jié)果表明：樣品2-3-1表面硬度和芯部硬度均符合要求。樣品內(nèi)部硬度值曲線平緩，金相組織分布均勻細(xì)致，沒有滲入合成化合物。

2.2.4""" 對比分析

通過研究試驗(yàn)，對比氮化、軟氮化、離子氮化三種制造工藝的硬度指標(biāo)結(jié)果和金相組織照片發(fā)現(xiàn)：軟氮化完全不符合指標(biāo)要求；氮化工藝雖然表面硬度值稍穩(wěn)定，但其金相組織里出現(xiàn)了白亮層（脆性相），鋼板導(dǎo)軌受力時易出現(xiàn)表層開裂和剝落；離子氮化工藝內(nèi)部硬度值曲線平緩，金相組織分布均勻細(xì)致，沒有滲入合成化合物，無白亮層（脆性相）。因此，離子氮化更適合作為鋼板導(dǎo)軌的制造工藝。

3""" 結(jié)束語

雙向拉伸塑料薄膜生產(chǎn)線正向著高速、寬膜方向發(fā)展，目前最快生產(chǎn)線膜寬達(dá)10.4 m，運(yùn)行速度達(dá)600 m/min，這就對鋼板導(dǎo)軌的性能提出了更高的要求。特別是BOPET類生產(chǎn)線，國外鋼板導(dǎo)軌的表面硬度值已達(dá)到750～900 HV1，處理層深度達(dá)0.7 mm，能滿足各類厚膜生產(chǎn)線的要求。因此，我們還需要加深對鋼板導(dǎo)軌制造工藝的研究，從而促進(jìn)雙向拉伸塑料薄膜行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 羅明，宛農(nóng)，楊新武.大型42CrMoS4圓鋼鍛材的淬火工藝優(yōu)化[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報，2014，33（2）：30-32.

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[5] 范航京，梁益龍，鄒雄，等.42CrMo鋼等離子氮化和水射流噴丸復(fù)合處理[J].中國表面工程，2016，29（6）：23-29.

收稿日期：2024-09-04

作者簡介：賴福剛（1988—），男，廣西桂林人，高級工程師，從事雙向拉伸塑料薄膜設(shè)備的設(shè)計研發(fā)及工程技術(shù)工作。