CN101412103A - 一种原生柱/带状硬质相耐磨复合磨辊的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊的制备方法，制得的复合耐磨磨辊由芯部和表面耐磨层构成，该方法首先机加工出轧辊芯部，再用高合金粉芯丝/带材(注：带材可由丝材压制而成)在磨辊芯部表面编织出一定厚度的丝/带状骨架并绑扎或焊接固定好，将编织好的预制件放入浇铸型腔中，利用高温钢液进行浇铸，对高合金粉芯丝/带材进行铸渗、烧结或溶化，在磨辊表面实现高硬度柱/带状硬质相与高韧性基体金属两部分的冶金结合，形成内含一定比例的柱/带状硬质相的表面硬质相耐磨复合层。本发明的方法制备的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊，具有高耐磨、高韧性、高抗冲击性能、高抗疲劳磨损性及良好的机加工性能。

Description

一种原生柱/带状硬质相耐磨复合磨辊的制备方法

技术领域

本发明涉及用于冶金，电力，矿山，建材等行业的各种中速磨粉机的磨辊的制备，特别涉及一种原生柱/带状硬质相耐磨复合磨辊的制备方法，该方法制备的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊，特别适合于火力发电厂或者处于冲击环境下的中速磨粉机使用，其制备方法不受磨辊形状的限制，亦可用于其他耐磨件的制备。

背景技术

在煤炭、冶金、矿山、电力、建材、耐火材料、能源等行业，制粉系统使用大量的磨辊，它作为主要的磨损件。它运行情况的好坏，一定程度上决定了企业的经济效益。本发明主要针对火力发电厂的中速磨煤机的磨辊而进行研发的，目前火力发电厂所用的磨辊主要为整体铸造的高铬铸铁。随焊接技术的提高，当高铬铸铁磨损后在其上面反复修补堆焊耐磨合金层，来提高磨辊的使用寿命。目前磨辊的材质主要是高铬铸铁，采用整体铸造工艺铸出的毛坯，对后续的机械加工过程中遇到了许多困难，人们往往为了满足易于加工的性能，常降低铬的含量，但铬含量降低后，其硬度和耐磨性变差，这样出现了磨辊的耐磨性和机械加工性能这一对矛盾。同时高铬铸铁的脆性决定其抗冲击性能差，铬含量越高，耐磨性越好，脆性越大，铬含量越低，耐磨性越差，韧性越好，这样又出现了抗冲击性和耐磨性的矛盾。通常磨粉系统的磨辊均处在一定的冲击下运行，在我国火电厂，使用的煤质差别较大，造成磨辊往往达不到设计的寿命就失效。同时整体铸造的高铬铸铁磨辊，其机械加工性能较差，不利于后续处理。堆焊虽然能提高使用寿命，但堆焊设备昂贵，堆焊一次，其寿命增加不大，同时电厂磨辊频繁的更换需要停机，造成了极大的经济损失。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种原生柱/带状硬质相耐磨复合磨辊的制备方法，该方法通过对合金粉芯进行原位复合生成高耐磨的硬质相，且硬质相与高韧性基体相界面实现冶金结合，具有高耐磨性和高韧性，从而达到延长其使用寿命。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊的制备方法，其特征在于，该方法制得的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊的表面复合材料由高硬度柱/带状硬质相和高韧性基体金属两部分通过浇铸复合而成，具体包括下列步骤：

步骤一，在机加工出的磨辊芯部表面上编织出一定厚度的合金粉芯丝/带材骨架，并通过绑扎或焊接的方法在轧辊芯部表面固定，形成预制件，合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合层总体积的20％～80％；

步骤二，用树脂砂按照铸造工艺要求制作磨辊铸型；

步骤三，将预制件放置在磨辊铸型的型腔中；

步骤四，将冶炼熔化的高温基体金属钢液浇铸到磨辊铸型型腔内，高温基体金属钢液的热量对编制的合金粉芯丝材骨架进行铸渗、烧结或溶化，合金粉芯丝材中的合金元素在高温基体金属钢液热量下进行短程扩散，在原位生成高度弥散的高硬度柱状合金硬质相；

步骤五，室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，即制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的复合耐磨磨辊。

采用本发明的方法制备的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊具有以下技术效果：

1、由于采用合金粉芯丝/带材，内部填充合金粉末，在基体金属液的高温作用下，合金粉芯丝/带材中的合金粉末烧结、溶解、扩散，与基体金属液发生冶金化合反应，同时由于合金粉末的吸热作用，降低了局部的温度，缩短了结晶过程，阻碍了合金元素的进一步扩散，从而使合金元素在原位富集，晶粒显著细化，析出大量弥散的高硬度的硬质化合物，凝固后便形成了镶嵌在基体金属中的宏观上呈柱/带状的硬质相，并与基体金属形成良好的冶金过渡结合，界面结合牢固，解决了硬质相脱落、碎裂的难题，耐磨性与韧性有机统一，可有效地避免热疲劳磨损，且复合耐磨层抗拉性能和抗压性能好。本法制备的耐磨复合磨辊的整体性能优良，显著优于合金钢、铸铁和陶瓷材料制备的磨辊或复合磨辊。

2、合金粉末可根据工件的使用要求进行配比，成分可调，适应性广。

3、由于合金粉芯丝/带材不含粘结剂等杂质，因此不会产生夹渣气孔等缺陷，内部组织性能优良，明显优于一般的粉末冶金方法制备耐磨复合材料的组织结构。

4、本发明的复合成型工艺可控性强、成品率高、生产质量稳定，便于大规模生产。

5、柱/带状硬质相为整体原位反应生成，相界面达到冶金结合，材料组织致密且无明显缺陷，耐磨层和磨辊芯部表面结合良好，避免了像组合式磨辊在工作过程中出现的开裂现象和使用过程中的脱落现象。

6、可根据使用工况，柱/带状硬质相在基体中的比例可调，并分布均匀；

7、根据各种中速磨粉机对磨辊的使用要求，可调整柱/带状硬质相的直径或形状大小以及分布形式，金粉芯丝/带材尺寸可从毫米级向微米级调整；

8、其使用寿命可比高合金钢、铸铁或陶瓷材料制成的轧辊寿命提高5-10倍。

附图说明

图1为合金粉芯丝材结构示意图；

图2编织骨架的结构示意图；

图3是柱状硬质相耐磨复合磨辊制备工艺示意图；

图4是经浇铸得到的复合磨辊结构示意图(剖视图)；

图5是图4A局部放大图；

图6复合材料的组织金相图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

具体实施方式

参见附图，按照本发明的技术方案，制备一定直径和合金粉末配比的合金粉芯丝材3，合金粉芯丝材3的制备是，将合金粉末1包裹于低碳钢管皮2中，形成合金粉芯丝材3；也可以将合金粉芯丝材3制成压制带材使用。本实施例选用截面尺寸为Φ3mm的合金粉芯丝材3，编织在机加工出的磨辊芯部4表面上形成带材骨架5，并通过绑扎或焊接的方法将带材骨架5固定，形成预制件；采用树脂砂按照铸造工艺要求制作浇铸磨辊铸型6；将预制件放入浇铸磨辊铸型6的型腔中，合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合层总体积的20％～80％；再用经冶炼熔化的基体金属7浇入浇铸磨辊铸型6的型腔内，在基体金属的热作用下，对合金粉芯丝/带材3制成的骨架5进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金粉芯丝/带材3中的合金元素在高温基体金属钢液热量下进行短程扩散，在原位生成高度弥散的高硬度柱状合金硬质相9；然后室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱/带状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，即制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的复合耐磨磨辊。

合金粉芯丝/带材截面可为圆形或方形或长方形(圆截面直径范围Φ2mm～Φ10mm，方形截面边长范围2mm10mm；长方形截面尺寸由丝材压制成相应带材截面形状决定)，包裹合金粉末的低碳钢管皮壁厚为0.1mm～1mm；芯部装有粒度为50目～300目的合金粉末。

上述合金粉芯丝/带材芯部的合金粉末1由高碳铬铁粉构成，根据需要可添加钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉等合金粉。

上述合金粉末1也可以由碳化钨、碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅、氮化钛粉末中的一种或几种构成。

上述基体金属是高锰钢、低碳钢、合金钢、灰口铸铁、球墨铸铁等公知的铸钢或铸铁中的一种。

以下是发明人给出的实施例，但本发明并不限于以下实施例。

实施例：制备高铬合金为硬质相、A3钢为基体的丝状复合耐磨磨辊

1、取合金粉末1包裹于低碳钢管皮2中，形成合金粉芯丝材3；选用截面尺寸为Φ3mm的合金粉芯丝材3，合金粉末1为高碳铬铁粉，粒度100～150目；合金粉芯丝材3也可以制成压制带材使用，合金粉芯丝/和或带材截面为圆形或方形或长方形(圆截面直径范围Φ2mm～Φ10mm，方形截面边长范围2mm～10mm；长方形截面尺寸由丝材压制成相应带材截面形状决定)，包裹合金粉末1的低碳钢管2皮壁厚为0.1mm～1mm；合金粉芯丝/带材3的芯部灌装有合金粉末，粒度为50～300目；合金粉芯丝材3具有良好柔软度，可机械化编制成各种形状的骨架结构。

2、将合金粉芯丝材3编织在磨辊芯部4表面上，形成带材骨架5；

3、采用树脂砂按照铸造工艺要求制作浇铸磨辊铸型6，将预制件(将磨辊芯部4和带材骨架5整体称为预制件)放置在浇铸磨辊铸型6的型腔中；合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合层总体积的30％；

4、选用A3钢作为基体金属7，用中频炉冶炼熔化，达到1600℃出炉，将钢液从浇道8浇入浇铸磨辊铸型6的型腔内，注满为止；

5、在基体金属7的热作用下，对合金粉芯丝/带材骨架5进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金粉芯丝/带材中的合金元素在高温基体金属钢液热量下进行短程扩散，在原位生成高度弥散的高硬度柱状合金硬质相9；

6、室温冷却，待金属液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，即制成高铬合金为柱状硬质相9、A3钢为基体金属7的耐磨复合磨辊。

当然，根据实际需要，合金粉末也可以选择高碳铬铁粉与钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉的混合物。

按照不同的需求，合金粉末还可以选择碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅或氮化钛粉末中的一种或几种混合物。

上述实施例中，按照不同的需求，基体金属3还可以选择灰口铸铁或球墨铸铁，均能够制成合格的耐磨复合磨辊。

采用本发明方法制备的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊，由于选用包覆有高合金粉芯的丝/带材，经基体高温原位生成高硬度高耐磨的柱/带状硬质相，并与高韧性金属基体具有冶金结合的界面，使磨辊表面具有高耐磨、高韧性、高抗冲击性能、高抗疲劳磨损性及良好的机加工性能。综合性能显著优于高合金钢、高铬铸铁和陶瓷材料制备的磨辊(或复合磨辊)，可满足冶金，电力，矿山，建材等行业的各种中速磨粉机的磨辊的使用要求。

Claims (7)

1、一种原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊的制备方法，其特征在于，该方法制得的原生柱/带状硬质相复合耐磨磨辊的表面复合材料由高硬度柱/带状硬质相和高韧性基体金属两部分通过浇铸复合而成，具体包括下列步骤：

步骤一，在机加工出的磨辊芯部表面上编织出一定厚度的合金粉芯丝/带材骨架，并通过绑扎或焊接的方法在轧辊芯部表面固定，形成预制件，合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合层总体积的20％～80％；

步骤二，用树脂砂按照铸造工艺要求制作磨辊铸型；

步骤三，将预制件放置在磨辊铸型的型腔中；

步骤四，将冶炼熔化的基体金属钢液浇铸到磨辊铸型的型腔内，高温基体金属钢液的热量对编制的合金粉芯丝材骨架进行铸渗、烧结或溶化，合金粉芯丝材中的合金元素在高温基体金属钢液热量下进行短程扩散，在原位生成高度弥散的高硬度柱状合金硬质相；

步骤五，室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，即制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的复合耐磨磨辊。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的合金粉芯丝/带材截面为圆形或方形或长方形，其中圆形直径范围Φ2mm-Φ10mm，方形截面边长范围2mm-10mm；长方形截面尺寸由丝材压制成相应带材截面形状决定；包裹合金粉末的低碳钢管皮壁厚为0.1mm～1mm，合金粉芯丝材的芯部灌装有合金粉末，粒度为50目～300目。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的合金粉末为碳化钨、碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅或氮化钛粉末中的一种或几种混合物。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的合金粉末为高碳铬铁粉，或者是高碳铬铁粉与钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉的混合物。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基体金属是铸钢或铸铁。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的铸钢是高锰钢、低碳钢或合金钢。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的铸铁是灰口铸铁或球墨铸铁。

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