電離滲氮不銹鋼板及其制造和使用方法

專利名稱：電離滲氮不銹鋼板及其制造和使用方法
技術領域：
本發明涉及壓力場合中使用的電離滲氮鋼板，更具體來說，涉及一種改進的耐用的具有高質量微觀光潔度的電離滲氮不銹鋼壓板和在耐磨裝飾層壓板生產中的使用的上述壓板的制造方法。
裝飾層壓板的制造已經歷了一系列改進，用戶對裝飾層壓板的耐劃傷，刮傷，擦傷及磨損的性能要求越來越高。最近人們對生產這種耐磨裝飾層壓板，特別是高壓裝飾層壓板的努力包括在層壓板表面內加入極硬的不同粒度的氧化鋁顆粒。過去，某些裝飾層壓板所使用的配方包括在液態樹脂中重量占百分之一的六微米的顆粒和在液態樹脂中重量占百分之零點五的十五微米顆粒，但是現在產品所用配方一般包括在液態樹脂中重量占百分之九的高達三十微米的顆粒，這樣做之所以必要是為了滿足用戶對層壓板耐磨性的要求。
生產裝飾層壓板用的壓板在整體幾何形狀上有些獨特。壓板是用各種等級的鋼，特別是不銹鋼制成的，是矩形橫截面的平板，往往有較大的縱向和橫向尺寸，例如，縱向尺寸16英尺，橫向尺寸5英尺那樣大。具有如此大表面積的壓板，只有大約八分之一英寸厚。
在拋光的狀況下，由于具有極為均勻平整的表面，壓板呈鏡面樣的外觀，消除了微小的不均勻性。在壓板拋光的情況下，壓板的微觀光潔度可由觀察在其表面上反映的影象，檢驗反映的影象的光學誤差來確定。
由機械噴砂或化學腐蝕其平表面或用上述兩種方法而制成的具有某種組織結構的壓板通常比拋光壓板光澤差，因此，評價其質量的主要方法通常是儀表光澤度測量而不是視覺反映，不過也可用視覺檢查測出某些缺陷。儀表光澤度測定一般是由層壓板制造商根據用戶的要求而采用的，使用的是ISO(國際標準組織)或NEMA(國家電子制造商聯合會)標準。層壓板光澤度水平又直接與用來生產層壓板的壓板的光澤度有關。壓板的光澤度越大，壓板的磨損越明顯。
壓板的大平表面要用來使纖維素支承的粘性樹脂基體具有良好的表面光潔度，因此壓板必須沒有翹曲。翹曲一般有兩種形式。第一種是在整個縱向或橫向尺寸上出現的弓形。只要在壓床的壓力下(一般為6.9至11.0N/mm2)壓板能呈現接近于完好平面的形狀，這種有節制的弓形是可以接受的。第二種翹曲是局部變形和彎曲，壓板相對于假想理想平面的相對高度呈現變化。由于第二種翹曲在壓床壓力下往往不能得到自我校正，因而往往導致層壓板外觀缺陷及壓板的劃傷，所以第二種翹曲是完全不可接受的。由應力釋放或不平均受熱引起的這兩種翹曲往往會在用普通的手段硬化壓板的過程中出現。
因此，在壓床兩側，對于形成和保持光滑的微觀光潔度和無翹曲的整個平面所要求的制造精度水平是要求很嚴格的。例如，壓板一般用于夾層結構中，夾層具有兩種層壓浸有樹脂的紙夾在其間，面向相反的方向，然后將夾入的層壓材料和壓板的復合層，裝入一臺壓床，以進行熱硬化和加壓固化。如果壓板上有過度的第一種翹曲或任何第二種翹曲，以及表面光潔度有缺陷，那么在制成的裝飾層板板外觀就會有明顯的嚴重缺陷。
然而，過去為改進裝飾層壓板的耐磨性而使用氧化鋁顆粒，既便使用了較小的粒度和濃度，也會損壞為制造裝飾層壓板而迄今采用的普通壓板的表面光潔度。
配方中的顆粒和壓板表面間的相互物理作用會造成微小的劃傷，導致較低的光澤度，模糊，嚴格的點狀組織磨損，有時還造成金屬磨耗。另外，由于壓板的表面微觀光潔度關系到層壓板成品的總體表面光潔度，例如，關系到能否形成裝飾層壓板的高光澤度或花紋表面光潔度，因而對壓板表面微觀光潔度的任何劃傷都會使壓板不能使用，并往往要求重新磨光損傷的壓板，這要花費很大的費用，或最后被報廢。
使用較大表面硬度的壓板的努力沒有產生從技術和經濟上來說是可行的方案。普通的拋光不銹鋼壓板在有任何粒度的氧化鋁顆粒存在時只要經過一次壓制就會產生不可接受的嚴重的微觀劃傷。花紋的不銹鋼壓板也容易受到氧化鋁顆粒的微觀劃傷。雖然看上去不明顯，但是由于其低得多的初始光澤度和固有的花紋結構，拋光的壓板上會產生光澤度的逐漸變劣和花紋結構的損壞，特別是在使用于較大的粒度和濃度的情況下，這就需要經常進行再光制。
如果這種不銹鋼壓板用的普通的熱處理方法硬化，壓板會變得太脆，可能出現應力裂紋，會產生嚴重的翹曲問題。鍍鉻鋼壓板在經過不多壓制過程后，也會產生嚴重的微觀劃傷。曾有人采用過在不銹鋼板上鍍鉻和后烘干的無電鎳沉積，但是并沒有滿意地解決硬粒產生的微觀劃傷和壓板磨損的問題。另外，用于拋光壓板的磨光和拋光操作或用于花紋壓板的噴砂光制操作容易不均勻地除掉薄的鍍層，而再次在表面上鍍層又要花費很大的成本。使用更大粒度的硬粒，和增大硬粒濃度的配方的趨勢只會加劇上述問題。
至今為止，人們曾通過各種處理方法對鐵基金屬進行表面硬化，其中涉及向基底金屬中沉積和彌散附加元素和化合物，主要是氮和碳。但是，對不銹鋼零件進行表面硬化的許多工業中應用的方法尚有尺寸局限和高的處理溫度等問題，往往要求其后進行油或水冷卻，這會導致不可接受的表面光潔度和零件翹曲。因此，要處理大而較薄的壓板，這些方法就不可行了。
本發明不可預見性地發現稱為電離滲氮的概念能克服公知的壓板硬化手段的固有缺陷，并首次制成了用于生產大氧化鋁顆粒濃度的耐磨層壓板的壓板。電離滲氮技術已在許多場合應用于很小的產品或具有較小的表面/體積比的較大的產品，其中最終的微觀表面光潔度都不是產品的重要的裝飾性方面，例如，具有自動控制和電弧放電抑制系統的MPT GmbH Plasma-Triding工藝，這種工藝調整等離子輸入能量以便更好地控制工件處理質量。這些應用都沒有提出過電離滲氮是一種解決本發明所要解決的問題的技術方案。
電離滲氮的基礎是等離子放電物理學，其操作是將帶有負電荷的金屬工件表面暴露于帶正電荷的氮離子。在密封容器內的真空條件下，在系統中加上電勢，容器為正電陽極(電子接受器)，工件為負電陰極(陽離子接受器)。高壓能用來從送入容器中的含氮氣體分子剝離電子，形成等離子，氮離子向著工件加速。氮離子在工件表面的沖擊產生從動能向勢能轉換的熱能。隨著氮離子向工件表面的沖擊，鐵原子在沖擊點上被顯著地濺出與氮離子結合形成在工件表面上方的氮化鐵離子的輝光放電層。這些氮化鐵離子然后在加熱的工件表面上沖擊并沉積，彌散入表面下的分子邊界中，產生暴露的表面層和獨特的面下結構，從而提供了上述的壓板所需要的特性，高硬度而不脆，不易劃傷的表面光潔度，以及確定的表面硬化層深度。
本發明的一個目的是提供一種硬化的平工件，如用于經濟地生產耐磨裝飾層壓板的壓板。
本發明的一個主要目的是提供一種電離氮化的壓板，它在生產裝飾層壓板的過程中具有很長的耐磨壽命。
本發明的另一個目的是提供一種用于經濟地生產耐磨層壓板的壓板，這種壓板具有高質量微觀表面光潔度和很長的壓板壽命。
本發明還有一個目的是提供一種用于經濟地生產耐磨層壓板的壓板，這種壓板沒有不可接受的翹曲。
本發明的另一個目的是提供一種生產電離滲氮的壓板的方法，所生產的壓板在生產裝飾層壓板過程中具有很長的耐磨壽命。
本發明的另一個目的是提供生產用于經濟地制造耐磨裝飾層壓板的電離滲氮的壓板的工藝參數。
本發明的另一個目的是提供一種使用壓板的方法，這種壓板是用電離滲氮法硬化的，用于經濟地生產耐磨裝飾層壓板。
參閱附圖，對本發明的詳細描述及權利要求書，將使本發明的其它目的，優點和特征更為清晰。
本發明提供的方法和裝置，使用電離滲氮技術來硬化壓板，就申請人所知，過去從未有人對如此大型工件進行過電離滲氮，或從未取得過成功。
本發明將電離滲氮法用于要求很高的成品微觀光潔度的大型工件上，且參數調整和預期效果之間有著復雜的關系，因而勘稱一大進步。上述關系包括工件幾何形狀，材料表面及表面下結構和預想結果，工藝溫度，壓力，加熱時間，熱負荷，輻射和對流熱能效果，對冷卻系統的要求和氣體混合物成份。
因此，為了生產合格產品，需要協調進行試驗和分析以確定適當的工作參數，工作參數的相互關系，以及在每個工作參數或一系列工作參數中允差。為此目的，要用一般幾何公式來表達壓板表面積對厚度之比值，對應該比值來應用所需要的參數。
為更全面的理解本發明，需要對照下述附圖，以舉例的方式詳細描述本發明的實施例。


圖1是本發明有關的電離滲氮容器的簡化立體圖，其中裝有壓板支架;
圖2是沿圖1中的2-2線的壓板夾具的前視圖;
圖3是沿圖1中的3-3線的壓板夾具的側視圖;
圖4是按照本發明的方法的時間-溫度曲線;
圖5是使用本發明的壓板的壓床和壓制組件的側視圖。
在各附圖中相同的標號代表相同的或相應的零件。圖1表示反應容器10和裝好的不銹鋼壓板支架100的總體結構。與本發明相關的反應容器10是采用THERMION
工藝和控制設備的MPT GmbH PLASMA-TRIDING
方法中所使用的容器。
為簡化描述起見，容器10具有一圓筒形外壁12，一圓筒形內壁13以及一圓筒形熱偏轉罩14，都同軸地設置在外壁12內。顯然，其它容器形狀(即水平矩形腔容器)和控制系統結構也可用來產生理想的結果，容器的尺寸的重要性只關系到所加工的壓板大小。下面將要講到，外壁12，內壁13和熱偏轉罩14在滲氮過程中用做陽極。在外壁12和內壁13之間是環形冷卻水室，其中流過冷卻水來幫助維持重要的工藝溫度，這一點下面將詳述。外壁12，內壁13和熱偏轉罩14共用一個觀察孔20，以便進行滲氮過程中壓板的“輝光檢查”。內壁13和熱偏轉罩14最好用不銹鋼或合金制成以防止無關金屬游離并污染處理壓板的氣體混合物。
容器10還設有供水裝置22，向環形冷卻室16提供連續有規律的冷卻水以避免容器10內溫度過高，否則會使壓板溫度過高，導致以后不可接受的壓板翹曲。容器10還設有真空泵24，含氮氣源26，高壓電源28和控制裝置30。高壓電源28向容器10的結構提供直流正電荷，向容器中懸掛的支架一壓板組件100提供直流負電荷。控制裝置30相當于MPT GmbH PLASMA-TRIDING
工藝中使用的THERMION
控制設備。
圖1中的支架100由底座102，支桿104，橫桿106和支臂108。如圖1，2和3所示，壓板50用夾具110和懸桿112懸掛在支臂108上。相鄰壓板50間必須隔開足夠的間距以避免一壓板的輝光放電等離子邊界與相鄰壓板的輝光放電等離子邊界之間的相互作用。另外，該間距必須使一壓板向另一壓板的熱傳遞減至最小，以避免受熱引起的變形。最初的試驗表明，該間距最好為大約8英寸(20.3厘米)或更大，不過其它壓板尺寸也許要求不同的間距標準。
如圖1和2所示，夾具110為簡單的由懸桿112支承的U形夾。在相對端，槽口116的尺寸與壓板50的厚度相適應，使壓板在其中可滑動。壓板厚度一般大約為八分之一英寸。壓板50插入槽口后，旋緊緊固件118使夾具110固定壓板50然后將夾具110通過懸桿112安裝于支臂108。為了減少繞壓板50邊緣的吸熱材料量，夾具110切除或銑掉角部120(虛線所示)而形成朝著槽口116的向內錐形。因此，減少了從壓板50吸收熱量的材料量，這是本發明的一個重要方面。使壓板50暴露于盡可能小的溫度梯度以避免翹曲是十分重要的。因此，使每塊壓板50夾在夾具110上，連接于與橫桿106相連的支臂108，這樣來使壓板50懸掛在容器內，避免使其與支架100有過多的相互的熱作用。
推薦的滲氮方法是使用THERMION
工藝和控制設備的MPT GmbH PLASMA-TRIDING
方法。這種方法利用具有電弧放電抑制控制裝置的電子控制設置以減小板的缺陷。按照本發明對壓板必須使用特別的工藝條件，下面將描述這些工藝條件。如不加控制，氮離子的沖擊能往往會產生熱能，使工件的溫度上升，從而使大型工件如壓板不能使用。這種損壞包括不可接受的翹曲，彎曲，微觀光潔度的疵點如弧痕局部熔斑，夾痕和其它對工件的損壞。因此，為硬化具有很大的表面/體積比值的大型工件如壓板，商業上使用電離滲氮迄今以來都認為是不可行的。
按照本發明的壓板處理方法，在滲氮前包括兩步清洗工序以便從工件上除去水溶的，油溶的或不溶的殘留物。清除這些殘留物的失敗將導致在最初的滲氮過程中特別強的電弧放電，這會損壞壓板50的微觀表面光潔度。
在壓板表面的殘留物一般是壓板過去加工中少量地留下來的、最新光制的壓板，雖然看起來很清潔，但是在其表面仍有殘留的拋光或磨光劑，一般由很細小的磨料如氧化鋁混以蠟狀材料(在室溫時固態，而在處理過程的暖壓板上時熔化)或磨料混以在水基乳劑中的油脂酸“潤滑脂”(在室溫下熔化)。用噴砂技術新光制的花紋板一般殘留著噴砂中噴射損傷形成的很細塵粒，由于靜電附著壓板的表面上。油膩的指紋，和在壓板或花紋板上的油脂斑點也是常見的污染種類。另外，壓板，特別是未重新光制的壓板其表面常有痕量的脫模擠，脫模劑可能是直接施加在板上的(外部脫模劑)，但大多是液面樹脂中的內部脫模劑。這些脫模劑促使壓板在硬化工序后容易從層壓板上分開。最常用的脫模劑是油脂酰基脫模劑，包括常用的動物脂酸肥皂(硬脂酸酯/棕櫚酸混合物)，硬脂酸鋅粉末(直接旋加在板上)和多種市售的本專業人員熟悉的產品。
兩步清洗過程包括首先用去離子水徹底清洗板，使其干燥后，再用氯化烴溶劑，最好用1，1，1，-三氯乙烯溶劑徹底清洗。以這種方式，水溶的和油溶的物質都會溶解并從板上清除掉，借助物理清洗方式留下的不溶顆粒也被清除去。
然后以上述方式將壓板50裝在支架100上。做為本發明的一個重要方面，壓板的負載和裝卡對工藝參數的選擇有直接的影響。壓板的熱負載會產生輻射和對流熱能，這又必須對壓板溫度作適當調制。這樣產生的熱能的發散通過輸入電壓的調制，冷卻水室16的流動速率以及容器10內壓板50的間距來控制。
位于容器10內的溫度傳感裝置，最好是如圖1所示的熱電偶是容器10內產生熱能調制中的主要因素。熱電偶52放在支架100上的位于中部的壓板邊緣上，已證明這是對這種幾何形狀的最理想位置。由于等離子物理學，也由于在一條邊緣或角部的所有表面的離子轟擊，所以這種邊緣或角部具有比板50中心加熱更快的傾向。所以，壓板50外側表面的溫度要比板的中心增加得快一些。因此邊緣上的熱電偶52能更好地控制加熱速率，在板50的橫截面上提供恒定的溫度分布。已經發現熱電偶設在其它位置會導致錯誤的溫度數據，使控制裝置30的輸入混亂，會導致變形和不均勻的表面硬化。
在裝載后密封容器10，由真空泵24抽走空氣以在容器中形成真空。然后通過含氮氣源26向容器中注入0.04至0.12磅/英寸2(3至8毫巴)的含氮氣體，如氣態氨。也可以使用其它含氮原子的氣態混合物。例如，對于含鉻量高的壓板，推薦使用氮氣和氫氣的混合物，原因是氫氣能促進氮化鉻的形成。另外，這種氣態混合物較容易控制純度和干燥度。但是基底材料含氮量低或不含氮，則氫氣會產生氫脆化。由于滲碳的不良影響，不推薦在氣體混合物中使用含碳氣體如甲烷。
然后通過高壓電源28向系統施加電壓，隨著處理進入濺射階段，在壓板周圍形成輝光放電。在輝光放電中產生的電弧放電指向工件上的殘留物和沉積物并用做最后的清除方法，因此，所以殘留物或沉積物從工件上氣化并清除掉。在這個階段中，工件本身緩慢升溫至大約200°F。這個階段相應于圖4中的區域Ⅰ，一直持續到所有沉積物被除去且電弧放電消失為止。
如圖4區域Ⅱ所示，然后穩步升高電壓以加速離子轟擊，并開始向著最適于滲氮階段的溫度升溫。在這個階段中，用人眼來進行“輝光檢查”工作。由于這項工作要求調整增加電力輸入的速率，所以要通過容器10上的孔20作輝光檢查，以觀察輝光放電的均勻性和顏色。隨著繞壓板50外側表面開始產生輝光，重要的是要使壓板50的中心達到同一溫度，而不要在壓板50的邊緣和中心部分產生大的，可能造成損壞的溫差。因此，當壓板50的外緣產生輝光，適當的輝光顏色表明達到適當的溫度時，要保持電壓強度大約1小時，如圖4區域Ⅲ所示，使壓板的其余部位達到均勻的溫度分布。已經確定，這一輝光溫度應該保持在最高滲氮溫度的百分之七十至八十。
另外，在此期間還要檢查壓板50上的“熱斑”。由于輝光顏色與壓板表面溫度成正比，所以顏色的變化指示溫度的變化，這是應該加以避免的。如上所述，溫度是可以通過電壓輸入和冷卻水室16中通過的水流速率來控制的。
一旦工作溫度穩定后，就增加電壓，如圖4中區域Ⅳ所示，增加至最大理想溫度的百分之一百，可以使用自動處理系統來控制以后的處理過程，如圖4的區域Ⅴ所示。在圖4所示的冷卻階段，也要使用控制裝置30，同時將容器10保持在真空狀態下以避免在壓板上產生氧化。在冷卻室16中的水流也應當予以維持。
在區域Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ和Ⅴ的處理過程中，必須向容器10中加入另外的含氮氣體以補充已離子化的和沉積在工件上的含氮氣體或在真空系統中損耗的含氮氣體。因此要以很低的流動速率恒定地輸入氣體以維持容器的局部壓力。已確定這個流動速率取決于循環時間并根據需要而變化。
以實驗結果為基礎，表A中列出了對于壓板的幾何形狀最適宜的工藝參數。
參數“調整”的選擇取決于所要求的工件硬度和表面硬化深度。硬度是在工件的兩個部位試證的;即復合層和彌散區。復合層是在暴露表面形成的，基本由氮化鐵復合物組成，在不銹鋼的情況下，含一定百分比的氮化鉻復合物。彌散區在復合層之下，其硬度稍低，這是由于氮離子和氮化鐵離子進入晶界形成氮化物濃度下降的緣故。因此，被硬化的復合層和彌散區構成表面硬化深度，是與壓板50的材料和幾何形狀有關的。應注意的是，電勢(及相應的溫度)和處理時間是反向相關的;如果區域Ⅴ的處理時間延長，則總的最大溫度可以減小。
與本發明相關的幾何公式是檢驗表面積對厚度的比。表面積(平方英尺)和板厚度(英寸)的關系應該是150平方英尺/英寸至2800平方英尺/英寸(5.5平方米/厘米至102.5平方米/厘米)。這些比值分別相應于壓板的公稱尺寸為3英尺×7英尺(0.9米×2.1米)見方，厚度為1/4英寸(0.64厘米)和5英尺×16英尺(1.5米×4.9米)見方，厚度為1/16英寸(0.16厘米)。在上述比值之內的長度、寬度和厚度的結合應包括在本發明所指出的參數之內。
已經確定，推薦的復合層深度在0.0001和0.0004英尺(0.0025和0.0102毫米)之間。表向硬化總深度，包括復合層和彌散區，在0.001和0.004英寸(0.025和0.102毫米)之間。但是，根據最后產品的具體要求也可以制得其它的復合層和彌散區厚度。
最好容器10經過通風，只在其達到室溫后再將壓板50從解除密封的容器10中取出。但是，當壓板溫度冷卻至大約200°F(100℃)時就可以取出壓板50。雖然為了提高生產率的目的，在其達到室溫前取出壓板50可減少處理時間達6個小時，但是，當打開容器10時進入的室溫下的空氣與溫熱的壓板50接觸，也會在壓板上產生某種程度的氧化，如需要可以將這一氧化層磨掉。如果允許使工件達到室溫，即，與上述的2-8小時的短時間相比，顯著延長冷卻時間的話，可以獲得幾乎不氧化的較為光亮的表面光潔度。為了加速冷程過程的最后階段，在無電壓輸入條件下向容器內引入氮氣或惰性氣體可以避免壓板50高于室溫時進入容器10的室溫空氣引起氧化的情況發生。
但是必須強調的是，當板仍在高溫(介于處理溫度和大約200°F(100℃))時加速冷卻速率會導致板的應力釋放伴隨著板的變形。進入容器10的較冷空氣接觸壓50并不均勻地形成急劇的熱梯度且伴隨著應力釋放。降低冷卻室16的溫度，增加冷卻室16的流動速率，使容器10與大氣通風(這將導致板面的嚴重氧化)或引入惰性“冷卻氣體”都是在較高溫度下促使應力釋放和變形的機理。想進行這種加速冷卻的溫度越高，板的變形和可能產生的氧化越嚴重。
為正確評價本發明的優點要說明的是，用于生產無硬粒裝飾層壓板的普通非硬化拋光壓板，由于正常工作損壞平均每200個循環就必須再次拋光，壓制要求更嚴格的顏色如暗色或黑色的固體顏色層壓板，由于工作損壞只是30-50循環就要再次拋光。以便維持可以接受的層壓板光潔度質量，否則質量就要降級。
除了用于確定壓板表面光潔度的光學變形評價之外，用壓板制造的層壓板的表面光潔度也可用來確定壓板表面光潔度質量。NE-MA(美國全國電氣制造商協會)60光澤度測量通常用來評定層壓板的光潔度。由于近年來市場的要求越來越荷刻，現在要求無霧(HAZE-FREE)高光澤度表面。因此，表B中的評價標準是工業中廣泛接受的。
表B層壓板光澤度 光潔度質量≥100 極好95-99 好-很好90-94 臨界<90 不可接受為了測量滲氮壓板性能的改善，在黑色光澤的光潔度“驗證”層壓板上試驗運轉，編制了最為嚴格的壓板光潔度質量試驗，其中使用全尺寸的4英尺×10英尺(1.22×3.05米)的拋光壓板，如表C所示。使用氧化鋁顆粒混合在液態的三聚氰胺-醛表面樹脂中。
表 C 產生商業不合格微觀劃傷的壓制運行次數
＊在8次壓制時NEMA60光澤度99.1，在63次壓制時NEMA60光澤度95.8＊＊在1次壓制時NEMA60光澤度98.5，Dorigon光澤度43.5以及濁度指數(HAZE INDEX)1.20，在100次壓制時NEMA60光澤度97.1，Dorigon光澤度60.7以及濁度指數0.93
例如，在試驗運行中使用鍍鉻拋光壓板，用含粒度為3μ硬粒重量占5%的液態樹脂生產層壓板，證明板面質量變劣，層壓板微觀表面光潔度出現微觀損傷。這種試驗運行中NEMA光澤度值從接近極佳的很好的99.1降至臨界合格的95.8說明在經過55次壓制期間出現嚴重的板面磨損。直至81次壓制一直持續這種降低可接受度的傾向。
與此相反，使用滲氮拋光壓板，用更易造成壓板損傷的6μ和15μ硬粒配方，壓制100次之后，光澤度仍保持在恒定的好至很好的范圍之內。由于Dorigon光澤度是層壓板光潔度質量的很好指示，所以它是用于生產層壓板的拋光壓板的質量的重要指標。經驗表明40或更大的Dorigon光澤度值和1.5的濁度指數表示極佳質量的高反射性層壓板和壓板微觀表面光潔度。應注意的是，即使采用易造成壓板損傷的硬粒配方，100次壓制后生產的層壓板的Dorigon光澤度仍未見變劣。令人驚奇的是，在反射性上似乎取得了任何拋光壓板很少能取得的十分重大的改進。值得注意的是，暴露于重量占液態樹脂的百分之一的6微米硬粒在234次壓制循環后被再次拋光，可再進行103次壓制循環以生產質量合格的層壓板。另外，雖然重量占液態樹脂百分之九的30微米硬粒，與較小硬粒濃度和粒度相比，限制了壓板的耐用性，但是如果可以較為經常地對壓板進行再拋光(與“暗色”質量的普通拋光頻度相同)，那么還是可以使用這種對壓板有損傷的硬粒配方的。
另外在試驗運行中也觀察到，滲氮壓板比普通拋光壓板更容易然硬化和壓制過程后從層壓板上脫開。如上所述，使用時壓板兩相對的表面放有樹脂浸透的層壓紙，如圖5所示。多層壓板50，層壓材料200，隔板201和墊板203放在載盤207上構成層壓組件202，然后將層壓組件202裝在壓床204的加熱/冷卻工作臺205之間進行溫度和壓力處理以便固化和硬化。應注意的是，將材料送入壓床204的加熱/冷卻工作臺205之間的間隙是由壓床開度206限制的，壓床開度206即當壓床204完全打開時兩工作臺之間的間距，從圖5可以看出壓板的第一種過度翹曲會干涉層壓組件202向壓床204中移進的能力。
硬化溫度一般為260至300°F(125至150℃)，硬化約45至90分鐘后再進行冷卻，由操作者改變物理作用的水平對于將層壓組件202拆成壓板和層壓板成品件是必要的。例如，已經發現花紋板的脫開性能一般要比拋光板差。另外，可能會出現樹脂粘著或少量沉積或纖維材料留在壓板50上的情況，這些又會從壓板50上轉移到其后壓制的層壓板上，污染其表面。在最壞的情形中，整個層壓板可能粘著在壓板50上，引起需重新光制的嚴重問題。
上述問題往往通過使用脫模劑來解決，大多數脫模劑是混入樹脂中的，或者使用鍍鉻板解決。在上述壓板試驗過程中，已令人驚奇地發現，滲氮硬化壓板的脫模比起普通拋光鋼板要容易得多。從理論上講，復合層的沉積會填入表面微觀組織，產生更為平滑的微觀表面光潔度，減少其附著在與其接觸的層壓板表面的傾向。因此，萬一脫模劑質量有問題，或要避免鍍鉻的麻煩，可以期望使用電離滲氮壓板來獲得更大的脫模能力。
另外，本發明并不局限于高壓裝飾層壓板，也可以有利地應用于低壓裝飾層壓板，例如那些含有微粒板或中等密度纖維板基體而不是含有許多高壓裝飾板的酚醛樹脂浸透的纖維素芯板，(其表面有印制的或固體彩色板以及可以選擇地具有一層貼面板)。與高壓裝飾板的在1000至1600磅/英寸2(6.9至11.0N/mm2)范圍的壓力下硬化大約45至90分鐘相比照，低壓裝飾層壓板的循環時間是在200至300磅/英寸2(1.4至2.1N/mm2)的壓力下大約1分鐘，在生產低壓層壓板中使用快速循環速度時在層壓板中使用損傷力強的硬粒配方或其它硬質材料將迅速使所使用的壓板變劣。因此，本發明可廣泛實用于多種裝飾層壓板產品。
雖然表C的壓制試驗局限于410不銹鋼的滲氮拋光板，板的硬度從38-45HRC增至60-70+HRC，不過硬度最好超過65HRC，對于滲氮硬化壓板的潛在應用要廣泛得多，可以這樣處理各種等級的不銹鋼。與普通的花紋鋼制壓板相比較使用電離滲氮的花紋壓板可以取得更大的耐用性以抵抗與硬粒有關的微觀劃傷，磨損和光澤度變劣。
另外，長久以來一直選用410不銹鋼，電離滲氮也能很好地應用于630和304不銹合金鋼。
630不銹鋼與410不銹鋼相似，但是其含碳量只及后者的大約一半(0.05-0.08%對0.15%)，通過專門的沉積硬化工藝可保持相等的硬度(42-45HRC)。由于花紋壓板的化學腐蝕最好含碳量要低。按照本發明的全尺寸(4英尺×10英尺即1.22米×3.05米)花紋壓板試件使表面硬度從42-45HRC提高到67-70HRc。
按照本發明對304不銹鋼也做了有限的試驗。304不銹鋼是退火的“大塊體積不能硬化的”奧氏不銹鋼，與410不銹鋼相比較具有較高的含鉻量(18.0-20.0對11.5-13.5)和較高的含鎳量(8.0-10.5對0.75)。雖然304不銹鋼壓板，包括高光澤度鏡面光潔度的壓板在市面上有售，并且由于其價格較低而用做壓板，但是，它們由于較軟而易于受到劃傷和其它板面損傷。304不銹鋼很軟，只能由洛氏硬度來標記(如用“較軟的”布式硬度比較硬度，則304不銹鋼為140，而410不銹鋼為390)。使用本發明所得到的表面硬度為73HRc而其最初的硬度只有29HRc。因此，304不銹鋼經電離滲氮可以解決原來304不銹鋼存在的問題。還有其它的應用場合，例如對鍍鉻板滲氮以進一步提高硬度。
顯然以上只是對具體實施例的零件的細節，材料和布置的描述來闡明本發明的性質。本專業的技術人員可以做出種種變化而并不超出權利要求書所限定的本發明的范圍。
權利要求
1.一種用于生產裝飾層壓板的鐵基壓板，它具有基本形成所述裝飾層壓板的表面光潔度的一平的表面；以及滲氮到至少55HRc的硬度的表面硬化層，所述表面硬化層的總厚度至少為0.0001英寸。
2.按照權利要求1所述的鐵基壓板，其特征在于所述壓板具有鏡面表面光潔度，基本上沒有視覺可分辨的表面缺陷和翹曲。
3.按照權利要求1所述的鐵基壓板，其特征在于所述壓板為不銹鋼正四棱柱體，其一側尺寸至少為3英尺，第二側尺寸至少為7英尺，第三側尺寸為1/4英寸或更小。
4.按照權利要求1所述的鐵基壓板，其特征在于所述壓板的以平方英尺為單位的表面積與以英寸為單位的板厚之比為150平方英尺/英寸至2800平方英尺/英寸。
5.按照權利要求1所述的鐵基壓板，其特征在于所述壓板由鐵基合金制成，并經過由輝光放電產生的氮離子轟擊，所述輝光放電促進來自含氮原子的氣體或氣體混合物的氮在所述壓板上及進入壓板的沉積以增加壓板的硬度，所述輝光放電也增加所述壓板的溫度，所述壓板的所述溫度基本低于1000°F。
6.按照權利要求5所述的鐵基壓板，其特征在于所述氣體是氮氣和氫氣的混合物。
7.按照權利要求5所述的鐵基壓板，其特征在于所述氣體是氨。
8.生產裝飾層壓板的裝置，它具有用于支承樹脂混合物和作為基本平面層的基底材料的裝置;具有一基本平面的鐵基板，該平面基本限定了所述裝飾層壓板的表面光潔度，所述鐵基板具有硬度至少為55HRc的滲氮硬化層，所述硬化層的總厚度至少為0.0001英寸;以及迫使所述平面抵壓所述樹脂混合物和基底材料以便形成一基本平整的層壓板的裝置。
9.按照權利要求8所述的裝置，其特征在于構成所述層壓板的所述樹脂混合物含有重量占液態樹脂百分之一的6微米粒度的氧化鋁顆粒，在所述壓板200次壓制后所生產的所述層壓板具有超過95的NEMA60光澤度。
10.按照權利要求8所述的裝置，其特征在于構成所述層壓板的樹脂混合物含有重量占液態樹脂百分之一的6微米粒度的氧化鋁顆粒和重量占液態樹脂百分之零點五的15微米粒度的氧化鋁顆粒，在所述壓板100次壓制后所生產的所述層壓板具有超過95的NEMA60光澤度。
11.生產用于制造裝飾層壓板的鐵基壓板的方法，所述壓板具有一個基本限定所述裝飾層壓板的表面光潔度的平面，所述方法包括以下步驟設置一鐵基壓板;清洗所述壓板，從其上除去殘留物;在能夠對鐵材料滲氮的容器中懸掛所述壓板;通過輝光放電加熱所述壓板，以促使來自含有氮原子的一種氣體或氣體混合物的氮離子在所述壓板表面和進入所述壓板表面的沉積，從而增加所述壓板的硬度，增加所述壓板的溫度，使所述壓板的所述溫度基本低于1000°F;使所述壓板暴露于所述含有氮原子的氣體至少20小時，通過輝光放電產生的氮離子轟擊產生硬度至少為55HRc的表面硬化層，所述表面硬化層的總厚度至少為0.0001英寸;冷卻所述壓板;以及從所述容器取出所述壓板。
12.按照權利要求11所述的方法，其特征在于還包括以下步驟在溫度上升到高于大于200°F時中斷所述加熱步驟來觀察所述壓板的輝光放電;以及在溫度達到最高溫度的70-80%的范圍時進一步中斷所述加熱步驟，以便在所述壓板中能夠有均勻的溫度分布。
全文摘要
本發明涉及使用電離滲氮技術硬化生產含有氧化鋁顆粒的耐磨裝飾層壓板的壓板，同時提高壓板使用壽命的方法和裝置。由于參數調整和預期效果之間相互依存關系的確定，上述方法應用于壓板，使壓板能滿足嚴格的微觀表面光潔度要求。上述相互依存關系包括工件幾何形狀，表面和表面下的結構和要求的效果，處理溫度，壓力，加熱時間，熱負載，反射性輻射和熱效應，冷卻系統，以及氣體混合物組成。
文檔編號C23C28/00GK1083126SQ9211464
公開日1994年3月2日 申請日期1992年12月19日 優先權日1991年12月19日
發明者肯尼斯·J·勞倫斯, 沃爾夫岡·基浮里 申請人:浮爾米卡技術公司