CN101585081B - 一种复合材料磨辊与磨盘及其负压铸造方法 - Google Patents
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Abstract
一种复合材料磨辊与磨盘及其负压铸造方法，首先将WC颗粒与粘结剂制成膏状，填充于模具中形成蜂窝状预制体并置于铸型型腔的端面侧；然后熔炼金属母体材料形成金属液，金属液由浇口杯直浇道和内浇道进入铸型型腔底部凝固后形成复合材料磨辊与磨盘。本发明的增强体采用蜂窝状结构，一方面有利于阻挡金属液的冲刷作用，利于铸件稳定生产，减少废品率；另一方面，蜂窝状的增强体可以实现复合材料磨辊服役过程中的宏观阴影效应，有助于提高材料耐磨性，同时又可以避免纯块状增强体剥落或掉块的现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料及其制造方法，特别涉及一种具有双阴影抗磨效应的辊磨机复合材料磨辊与磨盘及其负压铸造方法。
背景技术
大型辊磨机(辊式破碎机，辊式粉碎机等)是矿山、冶金、水泥、建材等行业对矿物和建筑材料进行物料破碎必不可少的设备，而磨辊是辊磨机中能耗最大的磨损配件。其工作原理是依靠滚动的磨辊碾压位于磨盘上的物料而达到粉碎物料的目的。仅水泥、电力工业，我国每年大型磨辊的消耗量就高达80万吨，产值160亿元以上。目前，国产大型磨辊由于抗磨性差，使用寿命短，更换频繁，成为制约物料粉碎效率的关键因素，因而国内大部分大型磨辊仍采用进口产品，造成极大地国民经济损失。因此开发新型磨辊材料及其加工成形技术，提高磨辊的使用寿命并改善过度依赖进口大型磨辊的现状已成为亟待解决的问题。
目前国内采用的磨辊主要有整体铸造磨辊：所涉及的材料有高铬铸铁(中国发明专利CN1943861)、球墨铸铁(中国实用新型专利CN2373207)、镍铬低合金铸铁(原商业部磨辊行业标准SB/T3515-1993)、高锰钢(Mn13)等；复合磨辊：包括双液双金属复合铸造磨辊(中国发明专利01134317.6、01134317、中国实用新型专利200620067961)，镶铸或镶嵌磨辊(中国实用新型专利01242782.9、200620009872)，表面堆焊或整体堆焊磨辊(中国实用新型专利92215303.5)。对于整体铸造磨辊，虽然其具有高的强韧性、在运行过程中不易发生断裂，但由于磨辊的整体硬度较低，不足以抵抗物料的长期不间断磨料磨损作用，所以耐磨性差，使用寿命短，尽管人们通过调整合金成分和改进热处理工艺等措施试图提高磨辊的抗磨性，其结果往往是制造成本显著增加，而抗磨性提高甚微；所谓复合磨辊，是指将一种高硬度的材料如高铬铸铁或硬质合金与一种高韧性且价格低廉的铸铁或铸钢通过复合铸造、焊接或镶嵌等方法组合在一起制作成磨辊，将其中高硬度材料作为磨辊的碾磨面以提高磨辊的抗磨性，而高韧性材料位于磨辊的内部以防止断裂与剥落。这类磨辊制造工艺复杂、成本高(对于硬质合金更是如此)，且工艺稳定性差，在结合部位易产生裂纹、应力集中等缺陷，因此在实际运行中往往会发生两种材料的结合部位由于裂纹扩展而断裂剥落的现象；堆焊磨辊是采用专用抗磨焊条在铸铁或铸钢磨辊的端部(打击面或工作面)堆焊一层具有高硬度的抗磨层，其缺点是需要专用焊机，堆焊工艺复杂，工艺控制难度大，堆焊层中存在大量微裂纹、夹杂、气孔等缺陷，因此运行中堆焊层的剥落和掉块是其主要失效形式。
国际上有美国燃烧工程有限公司开发的粉碎机用节能磨辊，俄罗斯泰亚兹赫马什公司研制的新型磨辊，这些均为整体式磨辊，服役安全性高，但是使用寿命有限，更换频繁。比利时马克托公司生产地复合材料磨辊(US2002136857(A1)、US2007184235(A1))采用高耐磨陶瓷颗粒增强铁基复合材料具有很高的耐磨性，使用寿命大幅度提高，因而占据了国际大型磨辊的大片市场，但是该公司采用的陶瓷颗粒为氧化锆增韧氧化铝陶瓷，这种材料与钢铁材料的润湿性略差，结合强度有限。
因此，本研究所近年来致力于研究界面润湿性好，结合牢固的WC陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料，并开发出铸渗法制备WC颗粒增强铁基复合材料的多项技术。包括有：铁基复合材料及其铸造方法(中国发明专利CN200510096149.5)；WCp增强铁基表层复合材料用复合剂技术(中国发明专利CN200510043187.4)；局部复合材料及其制造方法(中国发明专利CN95113785.9)等等。这些发明专利克服了前述技术的缺点，提供了一种成型方法简单，复合材料层与金属母体呈冶金结合的复合材料磨辊新思路。这种磨辊在服役过程中，由于复合材料层中陶瓷颗粒的高硬度，将逐渐突出于复合材料层表面而对周围基体金属产生一种微观的阴影效应，保护了基体免于进一步磨损，这一微观阴影效应已在磨损试验中得到证实。
然而，上述现有复合技术中常常采用块状增强体与金属母体进行复合，往往会发生复合层剥落或掉块的现象。因此，最近本研究所采用柱状增强体研制了颗粒增强铁基复合材料新技术(中国发明专利CN200910021871.0，CN200910021867.4)，使得制备的复合材料具有宏观阴影效应，复合材料层与金属母体界面结合牢固，服役过程中不易脱落。但与此同时，这种复合材料制备工艺要求严格：柱状金属网的制备过程复杂，采用柱状金属网所获得的增强体易在移动碰撞过程中溃散；柱状增强体在金属液浇注的过程中会发生近内浇道位置的少量增强体被冲散的现象，不利于稳定生产。总之，采用柱状增强体制备复合材料的新工艺对技术人员的要求较高，且不易实现批量化生产，因此限制了其应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种铸造工艺稳定，改善了增强体与母体金属的结合形式，使其在浇注过程中增强体不易溃散，实际磨料磨损工况下增强体不会与母体金属分离，从而延长使用寿命的复合材料磨辊与磨盘及其负压铸造方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)首先将粒度为300～750μm的WC颗粒与粘结剂按100∶3-5的质量比混制成膏状，填充于模具中，抽芯、脱模、并在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体并置于铸型型腔的端面侧；
2)采用中频感应电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1470～1530℃，浇注温度为1420～1480℃，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯、直浇道和内浇道进入铸型型腔底部，金属液出炉前5min启动真空泵，通过真空吸管对铸型型腔造成负压气氛，通过冒口对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵使铸件冷却至室温，通过打箱、机加工后组合形成复合材料磨辊或磨盘；
其中WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝S·h·ρ
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
S——预制体块的底面积，mm2；
h——预制体块的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3。
本发明的金属母体材料为高铬铸铁、镍铬低合金铸铁或高锰钢；WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3；模具材料为45钢，结构由抽芯设备和脱模设备构成，将WC颗粒与粘结剂混制成膏状，填充于模具当中后，从模具底部抽芯，从模具侧面脱模；粘结剂为含质量百分比15～20％的Na2B4O7·10H2O，13～18％的Na2SiO3·12H2O，余量为水。
按本发明的铸造方法制得的复合材料磨辊与磨盘，内部材料为高铬铸铁、镍铬低合金铸铁或高锰钢，端部即工作面或碾压面由金属母体与蜂窝状预制体组成，蜂窝状预制体硬度为HRC55～67。
由于本发明的增强体采用蜂窝状结构，一方面有利于阻挡金属液的冲刷作用，利于铸件稳定生产，减少废品率；另一方面，蜂窝状的增强体可以实现复合材料磨辊服役过程中的宏观阴影效应，有助于提高材料耐磨性，同时又可以避免纯块状增强体剥落或掉块的现象。除此之外，这种蜂窝状增强体可以采用模具批量生产，质量稳定。按本发明的制备方法制得的复合材料磨辊与磨盘具有双阴影抗磨效应，其结构是由母体金属与蜂窝状增强体构成。增强体是通过WC陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成的复合材料，其微观组织由陶瓷颗粒与基体组成。磨损过程中，由于增强体的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于母体而产生一种宏观的阴影效应，保护了母体免于进一步磨损。本发明改善了增强体与母体金属的结合形式，使得在磨辊与磨盘实际运行工况下复合材料增强体不会与母体金属分离而出现剥落或脱落，从而延长了磨辊与磨盘的使用寿命。本发明的制备方法所获得的复合材料磨辊与磨盘中增强体硬度为HRC55～67，厚度为25～35mm，具有优异的抗磨性能；增强体与金属母体的界面、以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高，WC颗粒分布均匀；本发明生产的冶金轧钢用导位板(磨盘的另一种形式)，其寿命是传统合金钢导位板的15倍。
附图说明
图1为本发明复合材料磨辊的铸造工艺图；
图2为本发明复合材料磨辊的组合结构图；
图3为本发明复合材料磨辊与磨盘预制体的模具图；
图4为本发明复合材料磨辊与磨盘预制体图
图5为本发明复合材料磨辊与磨盘碾磨面的宏观阴影效应示意图；
图6为本发明复合材料磨辊的增强体中陶瓷颗粒对周围基体产生的微观阴影效应图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：参见图1，首先采用水玻璃砂进行磨辊与磨盘的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为20％的硼砂、17％的Na2SiO3·12H2O和63％的水制成的粘结剂按照100∶4的质量比混制成膏状，填充于如图3所示的模具10当中，抽芯、脱模、并在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体2并置于铸型型腔1的端面侧；采用250kg中频感应电炉熔炼高铬铸铁形成金属液，金属液的出炉温度为1530℃，浇注温度为1480℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和由隔板7形成的内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口8对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵使铸件冷却至室温，通过打箱、机加工后组合形成如附图2所示的复合材料磨辊9。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝S·h·ρ
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
S——预制体块的底面积，mm2；
h——预制体块的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
实施例2：参见图1，首先采用树脂砂进行磨辊与磨盘的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为15％的硼砂、13％的Na2SiO3·12H2O和72％的水制成的粘结剂按照100∶3的质量比混制成膏状，填充于如图3所示的模具10当中，抽芯、脱模、并在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体2并置于铸型型腔1的端面侧；采用250kg中频感应电炉熔炼镍铬低合金铸铁形成金属液，金属液的出炉温度为1470℃，浇注温度为1420℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和由隔板7形成的内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口8对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵使铸件冷却至室温，通过打箱、机加工后组合形成如附图2所示的复合材料磨辊9。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝S·h·ρ
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
S——预制体块的底面积，mm2；
h——预制体块的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
实施例3：参见图1，首先采用水玻璃砂进行磨辊与磨盘的造型，将硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3，粒度为300μm～750μm的WC颗粒与含质量百分比为18％的硼砂、18％的Na2SiO3·12H2O和64％的水制成的粘结剂按照100∶5的质量比混制成膏状，填充于如图3所示的模具10当中，抽芯、脱模、并在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体2并置于铸型型腔1的端面侧；采用250kg中频感应电炉熔炼高锰钢形成金属液，金属液的出炉温度为1510℃，浇注温度为1460℃；金属液出炉前5min启动真空泵，真空度为0.12MPa，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯4直浇道5和由隔板7形成的内浇道6进入铸型型腔1，通过真空吸管3对型腔1造成负压气氛，通过冒口8对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵使铸件冷却至室温，通过打箱、机加工后组合形成图2所示的复合材料磨辊结构。
WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝S·h·ρ
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
S——预制体块的底面积，mm2；
h——预制体块的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3；
本发明依靠真空泵的负压作用，使金属液渗透到预制体的孔隙中，从而在铸件端面(工作面或碾压面)形成蜂窝状增强体。其中，制备预制体时使用粘结剂，一方面起粘结WC颗粒的作用，烘制后又可保证预制层有足够的强度；另一方面可以改善金属液与WC颗粒的润湿性，提高金属液的浸渗能力。采用本发明制备的复合材料磨辊与磨盘增强体硬度为HRC55～67，长度为25～35mm，增强体与金属母体的界面以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合。磨损过程中，由于增强体的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于母体而产生一种宏观的阴影效应，保护了母体免于进一步磨损，如附图5所示；同时由于增强体中陶瓷颗粒的高硬度与高耐磨性，亦将逐渐突出于增强体中的基体而产生一种微观的阴影效应，保护了基体免于进一步磨损，如附图6所示。本发明生产的磨辊与磨盘，其寿命是传统镍铬低合金铸铁的3～8倍。
按本发明的制备方法制得的复合材料磨辊与磨盘具有双阴影抗磨效应，其结构是由母体金属与蜂窝状增强体构成。增强体是通过WC陶瓷颗粒预制体(如附图4所示)与母液金属的熔渗而形成的复合材料，其微观组织由陶瓷颗粒与基体组成，如附图6所示。磨损过程中，由于增强体的高硬度与高耐磨性，将逐渐突出于母体而产生一种宏观的阴影效应，保护了母体免于进一步磨损，如附图5所示。本发明改善了增强体与母体金属的结合形式，使得在磨辊与磨盘实际运行工况下复合材料增强体不会与母体金属分离而出现剥落或脱落，从而延长了磨辊与磨盘的使用寿命。本发明的制备方法所获得的复合材料磨辊与磨盘中增强体硬度为HRC55～67，厚度为25～35mm，具有优异的抗磨性能；增强体与金属母体的界面、以及增强体中WC颗粒与基体的界面呈良好的冶金结合，结合强度高，WC颗粒分布均匀；本发明生产的冶金轧钢用导位板(磨盘的另一种形式)，其寿命是传统合金钢导位板的15倍。
Claims (6)
1.一种复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法，其特征在于：
1)首先将粒度为300～750μm的WC颗粒与粘结剂按100∶3-5的质量比混制成膏状，填充于模具(10)中，抽芯、脱模、并在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体(2)并置于铸型型腔(1)的端面侧；
2)采用中频感应电炉熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的出炉温度为1470～1530℃，浇注温度为1420～1480℃，然后金属液出炉浇注，浇注时金属液经由浇口杯(4)直浇道(5)和内浇道(6)进入铸型型腔(1)底部，金属液出炉前5min启动真空泵，通过真空吸管(3)对铸型型腔(1)造成负压气氛，通过冒口(8)对金属液进行补缩，浇注完毕后4min关闭真空泵使铸件冷却至室温，通过打箱、机加工后组合形成复合材料磨辊或磨盘；
其中WC颗粒使用量根据下式计算：
W＝S·h·ρ
式中：
W——WC颗粒的重量，g；
S——预制体块的底面积，mm2；
h——预制体块的高度，mm；
ρ——WC颗粒的密度，g/mm3。
2.根据权利要求1所述的复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法，其特征在于：所述的金属母体材料为高铬铸铁、镍铬低合金铸铁或高锰钢。
3.根据权利要求1所述的复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法，其特征在于：所述的WC颗粒的硬度为2500～3000Hv，密度为15.8～16.5g/mm3。
4.根据权利要求1所述的复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法，其特征在于：所述的模具材料为45钢，结构由抽芯设备和脱模设备构成，将WC颗粒与粘结剂混制成膏状，填充于模具当中后，从模具底部抽芯，从模具侧面脱模，在100℃下烘制10h形成蜂窝状预制体。
5.根据权利要求1所述的复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法，其特征在于：所述的粘结剂为含质量百分比15～20％的Na2B4O7·10H2O，13～18％的Na2SiO3·12H2O，余量为水。
6.一种按照权利要求1所述的复合材料磨辊与磨盘的负压铸造方法铸造的复合材料磨辊与磨盘，其特征在于：磨辊与磨盘的内部材料为高铬铸铁、镍铬低合金铸铁或高锰钢，端部即工作面或碾磨面由金属母体与蜂窝状预制体组成，蜂窝状预制体硬度为HRC55～67。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: GUANGZHOU RESEARCH INSTITUTE OF NONFERROUS METALS |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Gao Yimin Inventor after: Huang Zhifu Inventor after: Li Yefei Inventor after: Zheng Kaihong Inventor after: Xing Jiandong Inventor after: Li Lin Inventor after: Shi Fangjie Inventor after: Zheng Feiyan Inventor after: Yin Hongfei Inventor after: Bao Chonggao Inventor before: Gao Yimin Inventor before: Li Yefei Inventor before: Xing Jiandong Inventor before: Bao Chonggao Inventor before: Huang Zhifu Inventor before: Zheng Kaihong Inventor before: Shi Fangjie Inventor before: Yin Hongfei |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: GAO YIMIN LI YEFEI XING JIANDONG BAO CHONGGAO HUANG ZHIFU ZHENG KAIHONG SHI FANGJIE YIN HONGFEI TO: GAO YIMIN LI YEFEI ZHENG KAIHONG XING JIANDONG LI LIN SHI FANGJIE ZHENG FEIYAN YIN HONGFEI BAO CHONGGAO HUANG ZHIFU |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20100506 Address after: 710049 Xianning Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant after: Xi'an Jiaotong University Co-applicant after: Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals Address before: 710049 Xianning Road, Shaanxi, China, No. 28, No. Applicant before: Xi'an Jiaotong University |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110601 Termination date: 20140623 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |