CN103361591B - 传送带托辊梯度耐磨涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传送带托辊梯度耐磨涂层及其制备方法，它是在预处理的碳钢托辊表面喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层，再在过渡层上同时喷焊NiCrBSi自熔性合金粉末和Fe、Ti、WC、B₄C混合粉末，从而在过渡层上形成一个以镍基自熔性合金作为粘结基相，以TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC高硬度陶瓷颗粒作为耐磨强化相的陶瓷涂层。本发明在陶瓷涂层与碳钢托辊之间，采用镍基自熔性合金作为过渡层，浸润性好，与基体呈现良好的冶金结合，同时该过渡层缓解了涂层和基体材料的热应力，降低涂层中的残余应力，使涂层兼具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能。

Description

传送带托辊梯度耐磨涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及运输设备--传送带托辊，尤其是托辊表面耐磨复合涂层，详细地说，是一种依靠等离子喷焊工艺激发涂层材料原位反应获得高硬度、耐磨损、耐腐蚀性能优异的金属基硼化物+碳化物梯度复合涂层的制备技术。

背景技术

胶带输送机是一种简便、安全、可靠的运输设备,在煤矿井下输送及选煤、洗煤等领域获得广泛应用。它的传动部件主要由滚筒及许多托辊组成。托辊的作用是支撑输送带和物料重量，并保证输送带垂度在设计限定的范围内，其支撑状况直接影响输送机的使用效果。在现有的技术中，托辊材料一般是采用金属材料或胶合材料，近年来也有采用陶瓷托辊的，如采用静压成型、高温烧结工艺制备的Al₂O₃-SiO₂陶瓷材料体系。比如：

中国专利ZL200810084490.2、ZL95117063.5也分别介绍了两种新型陶瓷托辊，均采用配制原材料-制备毛坯-高温焙烧的方法成型。传统的碳钢托辊由于工作状况恶劣以及自身机械结构等方面的原因，存在不同程度的易腐蚀、耐磨损性能差、使用寿命短等缺点。陶瓷托辊虽然硬度高，耐磨损性能好，但其抗弯曲强度不高、抗冲击力差、易碎、易折、成品率低。采用涂层技术或复合材料技术可有效提高托辊的表面性能。

中国专利ZL201020672972.2中介绍了一种表面附有橡胶胶带套圈的托辊，

中国专利ZL20092021介绍了一种表面涂有四氟材料的耐磨托辊，均为采用橡胶材料作为托辊的工作层。但橡胶的工作表面易于粘附运输物料，清除较困难。粘附物料的存在,使磨损过程加剧，同时会引起其他不良的观象：托辊工作表面粘附物料使托辊的几何形状变化；胶带重心改变，以致造成沿整个胶带长擞落物料。另外托辊的老化失效会导致输送机运行阻力变大，从而会增加功率消耗。

中国专利ZL200920257874.X介绍了一种带有耐磨合金表层的托辊，采用焊接的方式在托辊表面制备一层耐磨合金。

中国专利ZL201120306908.7则采用涂覆+焙烧的方法在钢表面制备一层搪瓷涂层，提高耐磨性。采用表面包覆或涂层的方式可大幅度提高托辊的表面性能，涂层结构及材料设计对延长托辊使用寿命非常关键，单一涂层，特别是陶瓷涂层虽然耐磨性好，但在循环应力作用下容易发生疲劳剥落现象。

针对上述问题，本发明结合矿用托辊工作环境及性能要求，开发出一种采用等离子喷焊反应技术,制备梯度镍基自熔性合金+TiB₂-TiC-Fe₂B-Fe₃C-WC高硬度陶瓷相强化的耐磨复合涂层，很好的解决了托辊在恶劣工况环境下的腐蚀和磨损问题。

发明内容

本发明的目的是解决煤矿井下环境及选煤、洗煤等工况环境下胶带输送机托辊材料表面耐磨耐蚀性能不足的技术难题，开发一种新型金属/陶瓷梯度涂层制备技术，采用等离子喷焊反应的方法在碳钢托辊表面制备高性能、高结合强度、低残余应力梯度复合涂层。

为达到上述目的，本发明的涂层是在预处理的碳钢托辊表面喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层，再在过渡层上同时喷焊NiCrBSi自熔性合金粉末和Fe、Ti、WC、B₄C混合粉末，从而在过渡层上形成一个以镍基自熔性合金作为粘结基相，以TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC等高硬度陶瓷颗粒作为耐磨强化相的陶瓷涂层；要求获得的陶瓷涂层平均显微硬度1135～1277HV_0.2，过渡层平均显微硬度877～967HV_0.2。

本发明涂层的制备方法如下：

第一步：原料的准备

原料包括喷焊反应粉末原料和过渡层原料；

取工业纯粉末Fe、Ti、WC、B₄C，要求Fe、Ti粉末粒径为61-74μm，WC、B₄C粉末粒径为44-53μm，按照摩尔比Fe：Ti：B₄C=2:1:1或者3:2:2配料，分别标注为2-1-1和3-2-2体系；在2-1-1或3-2-2体系中加入WC，作为喷焊反应粉末原料，WC的加入量为喷焊反应粉末原料总质量的5～10%，将喷焊反应粉末原料放入混料机中球磨4h，取出后备用；

取NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层材料备用，粉末粒度为44-74μm；

第二步：托辊表面预处理

托辊表面预处理分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除托辊表面的油污，再对托滚表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色；托辊表面预处理的目的主要是形成活性表面，提高喷焊层与基体的接触面积和结合强度，避免喷焊层脱落；

第三步：梯度涂层的制备

第3.1步：将表面预处理后的托辊装入旋转工作台上，采用等离子喷焊设备制备涂层，双筒送粉器送粉，其中一个送粉筒装入NiCrBSi自熔性合金粉末，另一送粉筒装入自制的喷焊反应粉末原料；

第3.2步：过渡层制备

采用单筒送粉，在旋转工作台上的托辊表面先等离子喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末；

等离子喷焊反应工艺参数：镍基自熔性合金送粉量20g/min，转移弧电流约150A，电压约40V，工件转动表面线速度100mm/min，送粉气量6L/min,频摆50次/min，喷距7mm，涂层厚度控制在0.5-1.0mm；

第3.3步：耐磨陶瓷层制备

采用双筒送粉器同时送粉，在带有过渡层的托辊表面同时喷焊镍基自熔性合金粉末和喷焊反应粉末原料，喷焊反应粉末原料Fe、Ti、WC、B4C在等离子热源下加热作用下粉末中发生原位反应：

Ti+B₄C→TiC+TiB₂

Fe+B₄C→Fe₂B+Fe₃C

反应形成的TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C硬质相与未反应的WC复合一起，最终组成TiB₂-TiC-Fe₂B-Fe₃C-WC陶瓷涂层；

等离子喷焊反应工艺参数：镍基自熔性合金送粉量5-12g/min，等离子喷焊反应粉末原料送粉速率控制在20～30g/min，转移弧电流约150A，电压约40V，工件转动表面线速度100mm/min，送粉气量6L/min,频摆50次/min，喷距7mm，涂层厚度控制在1.0-1.5mm；

第3.4步：涂层修整

待喷有涂层的工件冷却至室温后，表面采用SiC砂轮磨削托辊涂层表面，使托辊表面平整、外径达到设计尺寸即可。

本发明积极效果如下：

（1）本发明在陶瓷涂层与碳钢托辊之间，采用镍基自熔性合金作为过渡层，浸润性好，与基体呈现良好的冶金结合，同时该过渡层缓解了涂层和基体材料的热应力，降低涂层中的残余应力，借助于镍基自熔性合金的支撑及硬质陶瓷相的强化作用，涂层表现出高的硬度和结合强度，可以更好地发挥陶瓷涂层的高耐磨性；另外，本发明过渡层材料，也具有一定的耐磨和耐腐蚀性能，并且硬度介于碳钢和TiB₂、TiC、WC等陶瓷相之间，在涂层和基体之间起到过渡作用，并且在等离子束射流的作用下，TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC等陶瓷颗粒向过渡层中射入，陶瓷相由表层向基体是梯度过渡、均匀分布，进一步增加涂层的致密度与结合力。

（2）本发明陶瓷涂层采用自制的等离子喷焊反应粉末，在等离子喷焊过程中反应原位生成TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C等硬质陶瓷相，与粉末原料中的WC复合在一起，组成TiB₂-TiC-Fe₂B-Fe₃C-WC陶瓷涂层，提高碳钢托辊的耐磨性；

（3）本发明陶瓷涂层在制备过程中，选用镍基自熔性合金作为粘结基相，TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC等高硬度陶瓷颗粒作为耐磨强化相，使涂层兼具有优异的耐磨损和耐腐蚀性能；

（4）本发明采用等离子喷焊反应制备涂层，成本低、加热速度快、工作效率高、托辊变形小，并且在等离子束射流的作用下，陶瓷颗粒向过渡层中射入，陶瓷相由表层向基体是梯度过渡、均匀分布，进一步增加涂层的致密度与结合力。该发明技术适用于煤炭刮板，尤其适合于煤矿选煤、洗煤等严苛的工况条件下的托辊、截齿、刮板输送机中部槽、洗煤仓流道中板等耐磨耐蚀件。

附图说明

图1陶瓷层和过渡层微观组织形貌图；

图2过渡层和基体微观组织形貌图。

具体实施方式

下面结合附图，以在煤炭输送碳钢托辊上获得Ni60A过渡层、TiB₂-TiC-Fe₂B-Fe₃C-WC陶瓷复合涂层为例，对本申请的实施过程进行描述。

实施例一

第一步：金属/陶瓷复合涂层原材料制备

喷焊反应粉末原材料为Fe、Ti、WC、B4C，粉末粒度：Fe、Ti粉末粒径为61-74μm，WC、B4C粉末粒径为44-53μm，按照摩尔比Fe：Ti：B4C=2:1:1，WC加入量占喷焊反应粉末原材料总质量的10%。将喷焊反应原材料放入混料机中球磨4h，取出后备用；

过渡层材料选用Ni60A，粉末粒度为44-74μm；

第二步：托辊表面预处理工艺

托辊表面预处理的目的主要是形成活性表面，提高喷焊层与基体的接触面积和结合强度，避免喷焊层脱落。分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除托辊表面的油污，再对托滚表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色；

第三步：梯度复合涂层制备工艺

（1）将表面预处理后的托辊装入旋转工作台上，采用等离子喷焊设备制备涂层，双筒送粉器送粉，其中一个送粉筒装入Ni60A，另一送粉筒装入等离子喷焊反应粉末；

（2）过渡层制备：先采用单筒送粉，先等离子喷焊一层镍基自熔性合金。等离子喷焊反应工艺参数：镍基自熔性合金送粉量20g/min，转移弧电流约150A，电压约40V，工件转动表面线速度100mm/min，送粉气量6L/min,频摆50次/min，喷距7mm，涂层厚度控制在1.0mm；

（3）耐磨陶瓷层制备：采用双筒送粉器同时送粉，在带有过渡层的托辊表面同时喷焊镍基自熔性合金粉末和喷焊反应粉末原料；

镍基自熔性合金送粉量5g/min，等离子喷焊反应粉末送粉速率控制在30g/min，等离子喷焊转移弧电流180A，涂层厚度控制在1.5mm，其他参数同过渡层制备参数；

（4）涂层修整：工件冷却至室温后，表面采用SiC砂轮磨削托辊涂层表面，使托辊表面平整、外径达到设计尺寸即可。

获得的陶瓷复合涂层平均显微硬度1277HV_0.2，过渡层镍基自熔性合金平均显微硬度967HV_0.2。

制备的陶瓷层和过渡层微观组织形貌图见图1，过渡层和基体微观组织形貌图见图2。从图1和图2中可以看出：本发明的涂层是在预处理的碳钢托辊基体表面喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层，再在过渡层上同时喷焊NiCrBSi自熔性合金粉末和Fe、Ti、WC、B₄C混合粉末，从而在过渡层上形成一个以镍基自熔性合金作为粘结基相，以TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC等高硬度陶瓷颗粒作为耐磨强化相的陶瓷涂层。

实施例二:

除粉末原料Fe、Ti、WC、B4C按照摩尔比Fe:Ti:B4C=3:2:2，简写为3-2-2体系，在3-2-2体系中WC加入量为喷焊反应原材料总质量的5%，过渡层厚度控制在0.5mm，耐磨陶瓷层制备时镍基自熔性合金送粉量10g/min，等离子喷焊反应粉末送粉速率控制在20g/min，耐磨陶瓷层制备时的等离子喷焊转移弧电流150A之外，其他工艺及参数同实施例一。

获得的陶瓷复合涂层平均显微硬度1135HV_0.2，过渡层镍基自熔性合金平均显微硬度877HV_0.2。

实施例三

除粉末原料中WC加入量为喷焊反应原材料总质量的7%，耐磨陶瓷层制备时镍基自熔性合金送粉量12g/min，等离子喷焊反应粉末送粉速率控制在25g/min，耐磨陶瓷层制备时的等离子喷焊转移弧电流160A之外，其他工艺及参数同实施例二。

获得的陶瓷复合涂层平均显微硬度1192HV_0.2，过渡层镍基自熔性合金平均显微硬度920HV_0.2。

Claims (1)

1.一种传送带托辊梯度耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述的传送带托辊梯度耐磨涂层，是在预处理的碳钢托辊表面喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层，再在过渡层上同时喷焊NiCrBSi自熔性合金粉末和Fe、Ti、WC、B₄C混合粉末，从而在过渡层上形成一个以镍基自熔性合金作为粘结基相，以TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C、WC高硬度陶瓷颗粒作为耐磨强化相的陶瓷涂层；要求获得的陶瓷涂层平均显微硬度1135～1277HV_0.2，过渡层平均显微硬度877～967HV_0.2；

该传送带托辊梯度耐磨涂层的制备方法为：

第一步：原料的准备

原料包括喷焊反应粉末原料和过渡层原料；

取工业纯粉末Fe、Ti、WC、B₄C，要求Fe、Ti粉末粒径为61-74μm，WC、B₄C粉末粒径为44-53μm，按照摩尔比Fe：Ti：B₄C＝2:1:1或者3:2:2配料，分别标注为2-1-1体系和3-2-2体系；在2-1-1体系或3-2-2体系中加入WC，作为喷焊反应粉末原料，WC的加入量为喷焊反应粉末原料总质量的5～10％，将喷焊反应粉末原料放入混料机中球磨4h，取出后备用；

取NiCrBSi自熔性合金粉末作为过渡层材料备用，粉末粒度为44-74μm；

第二步：托辊表面预处理

托辊表面预处理分为清洗-喷砂两个步骤：先使用丙酮或汽油彻底清除托辊表面的油污，再对托滚表面喷砂处理，除锈、除氧化皮,使表面呈银灰色；

第三步：梯度涂层的制备

第3.1步：将表面预处理后的托辊装入旋转工作台上，采用等离子喷焊设备制备涂层，双筒送粉器送粉，其中一个送粉筒装入NiCrBSi自熔性合金粉末，另一送粉筒装入自制的喷焊反应粉末原料；

第3.2步：过渡层制备

采用单筒送粉，在旋转工作台上的托辊表面先等离子喷焊一层NiCrBSi自熔性合金粉末；

等离子喷焊反应工艺参数：镍基自熔性合金送粉量20g/min，转移弧电流150A，电压40V，工件转动表面线速度100mm/min，送粉气量6L/min,频摆50次/min，喷距7mm，涂层厚度控制在0.5-1.0mm；

第3.3步：耐磨陶瓷层制备

采用双筒送粉器同时送粉，在带有过渡层的托辊表面同时喷焊镍基自熔性合金粉末和喷焊反应粉末原料，喷焊反应粉末原料Fe、Ti、WC、B₄C在等离子热源下加热作用下粉末中发生原位反应：

Ti+B₄C→TiC+TiB₂

Fe+B₄C→Fe₂B+Fe₃C 

反应形成的TiB₂、TiC、Fe₂B、Fe₃C硬质相与未反应的WC复合一起，最终组成TiB₂-TiC-Fe₂B-Fe₃C-WC陶瓷涂层；

等离子喷焊反应工艺参数：镍基自熔性合金送粉量5-12g/min，等离子喷焊反应粉末原料送粉速率控制在20～30g/min，转移弧电流150A，电压40V，工件转动表面线速度100mm/min，送粉气量6L/min,频摆50次/min，喷距7mm，涂层厚度控制在1.0-1.5mm；

第3.4步：涂层修整

待喷有涂层的工件冷却至室温后，表面采用SiC砂轮磨削托辊涂层表面，使托辊表面平整、外径达到设计尺寸即可。