CN103849789A - 一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法。采用含有Ni；55-75；Cr：15-25；B：1-5；Si：12-15镍铬硼硅作为粘结合金和含有所占体积百分含量为15-25％，颗粒平均粒度为190μm的WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相，将镍铬硼硅粘结合金填充在增强颗粒间，采用模具成型的方法，使试样表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，通过高频感应烧结技术在钢基体上制备用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料。耐磨性为同等条件下淬火45钢的10-20倍，仿生耐磨复合材料冶金结合强度达到150-230Mpa。

Description

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法

 

技术领域

本发明涉及一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

粉磨设备是冶金、矿山、化工、煤炭、火力发电、建材、陶瓷和耐火材料等行业所广泛使用的重要设备之一，而磨辊又是粉磨设备的的重要的关键工作部件和大宗易磨损零件，其提前失效的原因30-60％属于表面磨损。目前提高机械部件表面耐磨技术主要有研发新型耐磨材料、添加润滑材料、从结构上进行合理设计和表面改性等。研发耐磨材料已成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

在各种磨损形式中，材料的磨粒磨损占到磨损总量的50％左右，其表现形式为硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损，具体表现为塑性材料表面的犁沟、微观切削以及脆性材料断裂。通常认为耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构，在正常载荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬质相直接承受载荷，而软相则起着支持硬质相的作用。因此，采用硬质颗粒增强相制备的耐磨复合材料的研发思路一般都是通过提高基体材料的耐磨性和基体材料与颗粒增强相的界面结合强度以期减少颗粒增强相的脱落，从而达到提高材料的耐磨性能。

研究发现，生物体表普遍存在几何非光滑特征，即一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于其体表某些部位，其结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等。因此，受生物体结构和功能的启发，基于典型生物体表的耐磨形态、结构、材料等因素的生物耦合现象，通过仿生耦合设计的相似性原则，对仿生耦合单元体的形状、尺寸、分布规律、数量等几何参数进行优化设计，利用焊接技术在磨辊表面进行处理，制备仿生耦合耐磨表层，提高磨辊表面的耐磨性能和粉磨效果，有效提高磨辊的使用寿命。

发明内容

对于采用WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相组成制备的耐磨复合材料，WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒的脱落是其失效的主要原因之一。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒的脱落与基体材料的耐磨性、颗粒尺寸和形态、颗粒与基体合金成分比、颗粒与基体合金的界面结构及耐磨复合材料表面形态结构有关。

本发明的目的在于提供一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法。基于仿生耦合设计思想，综合成分、材料和结构等多因素的作用，采用镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相，将镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金填充在WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒间，采用模具成型的方法，使试样表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，通过高频感应烧结技术在钢基体上制备用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，所述的复合材料由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相组成，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％ ) ：Ni ：55-75 ；Cr ：15-25；B ：1-5 ；Si ：12-15 ,复合材料中的WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒所占体积百分含量为15-25％，颗粒平均粒度为190μm。

所述的仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d=1.2mm，凸包高度h= 0.6mm，凸包间距S=2.5mm。

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒大小为60-80μm的工业镍铬硼硅（NiGrBSi）金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。将按设计成分制备好的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金再与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒颗粒按一定配比混合均匀；

第二步，将按设计配比混合均匀的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体；

第三步，采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料的工艺参数为：真空度控制在6×10^-2Pa 以上，烧结温度650-850℃，轴向压力15-28MPa，保温时间5-20min，升温速率控制在120℃ /min。

本发明所述的一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，是由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成。粘结合金成分的确定非常重要，需要同时兼顾与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒和钢基体的相互作用。

WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的体积百分比含量对仿生耐磨复合材料的强度和耐磨性影响显著。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的体积百分比含量过低或过高均不能发挥仿生耐磨复合材料的耐磨性优势。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的体积百分比含量过低导致复合材料中的增强硬质相浓度低，从磨损机理和材料耐磨性两方面来看，起连接和固结作用的镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金相对耐磨性较差，在磨损过程中，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金先期被磨损掉，最终将导致c-BN 单晶颗粒的脱落，降低复合材料的耐磨性。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的体积百分比含量过高，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金对WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的固结、支撑和连接作用减弱，在进行磨损试验，受到较大载荷的作用致使c-BN 单晶颗粒更易脱落，耐磨性降低。通过对比试验，WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒的体积百分比含量在15-25％时，仿生耐磨复合材料性价比最高，耐磨性最好。

耐磨复合材料的研发思路较多考虑基体材料和增强相的自身性能。单纯考虑材料自身性能对提高复合材料的耐磨性能是非常有限的。某些生物体材料具有良好的韧性和较高的硬度与耐磨性等综合性能，这是因为它们通过不同的形态、结构、材料和构成等彼此之间的耦合作用，表面具有不同尺度的多级结构。研究结果表明，仿生耐磨复合材料通过烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体可以显著提高其耐磨性能。非光滑凸包单元体的尺寸分布与所添加的增强硬质相的颗粒尺寸密切相关。

本发明所述的一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，达到的技术指标：(1) 耐磨性为同等条件下淬火45钢的10-20倍；(2)仿生耐磨复合材料冶金结合强度达到150-230Mpa。

具体实施方式

通过以下给出的实施例对本发明方法作进一步具体阐述。

实施方式1

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，所述的复合材料由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和c-BN 超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％ ) ：Ni ：55-60 ；Cr ：20-25；B ：1-5 ；Si ：12-15 ,复合材料中的WC、TiC、NbC颗粒所占体积百分含量为20-25％，颗粒平均粒度为170μm。

所述的仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d=1.2mm，凸包高度h=0.6mm，凸包间距S=2.5mm。

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒大小为60-80μm的工业镍铬硼硅（NiGrBSi）金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。将按设计成分制备好的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金再与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒颗粒按一定配比混合均匀；

第二步，将按设计配比混合均匀的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体；

第三步，采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料的工艺参数为：真空度控制在6×10^-2Pa 以上，烧结温度650-850℃，轴向压力15-28MPa，保温时间5-20min，升温速率控制在120℃ /min。

实施方式2

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，所述的复合材料由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和TiN、NbN、VC超硬材料单晶颗粒作为增强硬质相组成，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％ ) ：Ni：55-65 ；Cr：15-20；B：1-4 ；Si：12-14 ,复合材料中的c-BN 单晶颗粒所占体积百分含量为15-20％，颗粒平均粒度为190μm。

所述的仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d=1.2mm，凸包高度h= 0.6mm，凸包间距S=2.5mm。

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒大小为60-80μm的工业镍铬硼硅（NiGrBSi）金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。将按设计成分制备好的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金再与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒颗粒按一定配比混合均匀；

第二步，将按设计配比混合均匀的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体；

第三步，采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料的工艺参数为：真空度控制在6×10^-2Pa 以上，烧结温度650-850℃，轴向压力15-28MPa，保温时间5-20min，升温速率控制在120℃ /min。

Claims (3)

1.一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，其特征在于：所述的多元耦合仿生再制造耐磨材料由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相组成，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％ ) ：Ni ：55-75 ；Cr ：15-25；B ：1-5 ；Si ：12-15 ,复合材料中的WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC颗粒所占体积百分含量为15-25％，颗粒平均粒度为190μm。

2.根据权利要求1所述的一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，其特征在于：其制备方法包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒大小为60-80μm的工业镍铬硼硅（NiGrBSi）金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金；将按设计成分制备好的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金再与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒颗粒按一定配比混合均匀；

第二步，将按设计配比混合均匀的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒装入烧结模具进行预压处理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体；

第三步，采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料；采用高频感应烧结技术制备多元耦合仿生再制造耐磨材料的工艺参数为：真空度控制在6×10^-2Pa 以上，烧结温度650-850℃，轴向压力15-28MPa，保温时间5-20min，升温速率控制在120℃ /min。

3.根据权利要求1所述的一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，其特征在于：所述的仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d=1.2mm，凸包高度h= 0.6mm，凸包间距S=2.5mm。