CN104275232B - 一种TiAlN涂层耐磨球 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiAlN涂层耐磨球，包括基质和镀层，按重量份将120‑140份废钢、110‑130份铬铁合金、20‑30份稀土合金、70‑80份生铁、10‑30份锰锭、20‑25份硼砂、20‑40份镁锭、30‑40份钛锭、50‑60份碳粉和20‑30份硅粉经熔炼、浇注和热处理得到基质，再对基质进行预处理，利用阴极电弧蒸镀将钛铝靶和氮气进行沉积在基质表面形成TiAlN涂层，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为48‑51：49‑52：97‑100。本发明耐磨性能好，耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿磨法使用环境，而且硬度高达75HRC以上，冲击韧性可达8J/cm2，可有效防止耐磨球破碎。

Description

一种TiAlN涂层耐磨球
技术领域
本发明涉及耐磨球技术领域，尤其涉及一种TiAlN涂层耐磨球。
背景技术
球磨机是工业生产中广泛使用的高细磨机械之一。球磨机钢球是球磨机设备研磨物料介质，通过球磨机钢球之间、钢球与物料之间的碰撞摩擦产生磨削作用，从而将物料的粒径进一步减小。现有技术中，球磨机的磨介钢球主要是铬系合金、锰系合金等球磨铸钢件或球磨铸铁件，如高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛铬合金钢球等，其工作对象多为水泥、煤炭、矿石、煤渣等。磨煤机钢球在使用时球的硬度和耐磨性是影响磨煤机整形效果的主要因素之一。为了提高破碎效率和钢球的耐用度，需要钢球表面有足够的硬度和耐磨度。同时，在研磨过程中，钢球与磨料、钢球与衬板以及钢球与钢球之间发生的冲撞不可避免，因此，还要求钢球有一定的韧性，避免破球，这就对钢球的成分提出高等级的要求。
发明内容
基本背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种TiAlN涂层耐磨球，耐磨性能好，耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿磨法使用环境，而且硬度高达75HRC以上，冲击韧性可达8J/cm2，可有效防止耐磨球破碎。
本发明提出的一种TiAlN涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将120-140份废钢、110-130份铬铁合金、20-30份稀土合金、70-80份生铁、10-30份锰锭和20-25份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35-45min，氩气流速为3-4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2000-2200℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入20-40份镁锭、30-40份钛锭、50-60份粒径为30-50μm的碳粉和20-30份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2300-2400℃保温5-6h，保温过程中抽真空维持负压为0.1-0.2kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2200-2300℃，浇注温度为2000-2100℃，冷却至200-270℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32-45min,氩气流速为3-4L/s，以4-5℃/min的升温速率升至500-550℃，保温2-3h，以3.5-4.5℃/min的升温速率升至620-660℃，保温2-3h，以3-4℃/min的升温速率升至740-790℃，保温2-3h，以2-3℃/min的升温速率升至830-880℃，保温2-3h，以2-3℃/min的升温速率升至920-960℃，保温2-3h，以1-2℃/min的升温速率升至1000-1030℃，保温2-3h，升温至1100-1125℃，保温2-3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600-700℃，保温1-2h后取风冷，继续回火至450-500℃，保温3-4h后油冷，接着回火至280-330℃，保温5-6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3-4min，取出干燥后浸入丙酮中清洗15-20min，清洗温度为40-50℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗16-20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为4-6μm；
S5、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5-8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-60～-80V，沉积温度为390-410℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为48-51：49-52：97-100。
优选的，S1中，按重量份将125-135份废钢、115-125份铬铁合金、23-26份稀土合金、71-74份生铁、12-21份锰锭和21-23份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气38-40min，氩气流速为3-4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2050-2150℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入25-35份镁锭、32-38份钛锭、57-59份粒径为30-50μm的碳粉和21-24份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2320-2350℃保温5.2-5.6h，保温过程中抽真空维持负压为0.13-0.16kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液。
优选的，S5中，将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6-7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-65～-75V，沉积温度为395-405℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层厚度为7-8μm，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为49-50：50-51：98-99。
在由铁矿石生产各种铁或铁合金时，由于铁矿中往往伴生有磷、硫等金属或非金属矿，导致最终的铁或铁合金中含有磷、硫等元素以及难以避免的杂质。
本发明采用阴极电弧蒸镀的方法在球型合金基质表面镀TiAlN涂层，TiAlN涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11-12：8-10：18-19，利用氮化物提高耐磨球耐磨性能，满足实际使用过程中对耐磨球的要求，经检测发现耐磨球硬度可达75HRC以上，适用于大部分材料的研磨，而TiAlN涂层中钛、铝按上述摩尔比配合，在涂层表面形成致密的保护膜，显著提高耐热、耐腐蚀和耐氧化的性能，使本发明更适用于湿法研磨；原料采用废钢、铬铁合金、稀土合金等原料配合作为球型合金基质的主料，实现本发明对于球型基质密度高和冲击韧性高的要求，提高耐磨球在使用中磨削效率，加强耐磨球的耐用性；在热处理中采用阶梯式升降温进行回火处理，使球型合金基质中的奥氏体转化成为马氏体，大幅度提高球型合金基质的强度，进一步增强本发明的耐磨性。
具体实施方式
下面，通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本发明提出的一种TiAlN涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将120份废钢、130份铬铁合金、20份稀土合金、80份生铁、10份锰锭和25份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35min，氩气流速为4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2200℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入20份镁锭、40份钛锭、50份粒径为50μm的碳粉和20份粒径为60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2300℃保温6h，保温过程中抽真空维持负压为0.1kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2300℃，浇注温度为2000℃，冷却至270℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32min,氩气流速为4L/s，以5℃/min的升温速率升至500℃，保温3h，以3.5℃/min的升温速率升至660℃，保温2h，以4℃/min的升温速率升至740℃，保温3h，以2℃/min的升温速率升至880℃，保温2h，以3℃/min的升温速率升至920℃，保温3h，以1℃/min的升温速率升至1030℃，保温2h，升温至1125℃，保温2h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至700℃，保温1h后取风冷，继续回火至500℃，保温3h后油冷，接着回火至330℃，保温5h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中4min，取出干燥后浸入丙酮中清洗15min，清洗温度为50℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗16min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为6μm；
S5、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-80V，沉积温度为390℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为51：49：100。
实施例2
本发明提出的一种TiAlN涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将140份废钢、110份铬铁合金、30份稀土合金、70份生铁、30份锰锭和20份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气45min，氩气流速为3L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2000℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入40份镁锭、30份钛锭、60份粒径为30-50μm的碳粉和20份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2400℃保温5h，保温过程中抽真空维持负压为0.2kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2200℃，浇注温度为2100℃，冷却至200℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气45min,氩气流速为3L/s，以4℃/min的升温速率升至550℃，保温2h，以4.5℃/min的升温速率升至620℃，保温3h，以3℃/min的升温速率升至790℃，保温2h，以3℃/min的升温速率升至830℃，保温3h，以2℃/min的升温速率升至960℃，保温2h，以2℃/min的升温速率升至1000℃，保温3h，升温至1100℃，保温3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600℃，保温2h后取风冷，继续回火至450℃，保温4h后油冷，接着回火至280℃，保温6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3min，取出干燥后浸入丙酮中清洗20min，清洗温度为40℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为4μm；
S5、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-60V，沉积温度为410℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为48：52：97。
实施例3
本发明提出的一种TiAlN涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将125份废钢、125份铬铁合金、23份稀土合金、74份生铁、12份锰锭和23份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气38min，氩气流速为3.8L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2150℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入25份镁锭、38份钛锭、57份粒径为30-50μm的碳粉和24份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2320℃保温5.6h，保温过程中抽真空维持负压为0.13kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2230℃，浇注温度为2090℃，冷却至220℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气35min,氩气流速为3.8L/s，以4.7℃/min的升温速率升至510℃，保温2.8h，以3.7℃/min的升温速率升至650℃，保温2.3h，以3.6℃/min的升温速率升至750℃，保温2.9h，以2.2℃/min的升温速率升至870℃，保温2.3h，以2.8℃/min的升温速率升至930℃，保温2.6h，以1.2℃/min的升温速率升至1020℃，保温2.3h，升温至1120℃，保温2.3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至680℃，保温1.2h后取风冷，继续回火至490℃，保温3.2h后油冷，接着回火至310℃，保温5.4h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3.8min，取出干燥后浸入丙酮中清洗19min，清洗温度为48℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗17min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为5.5μm；
S5、将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-75V，沉积温度为395℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层厚度为8μm，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为49：51：98。
实施例4
本发明提出的一种TiAlN涂层耐磨球，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将135份废钢、115份铬铁合金、26份稀土合金、71份生铁、21份锰锭和21份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气40min，氩气流速为3.3L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2050℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入35份镁锭、32份钛锭、59份粒径为30-50μm的碳粉和21份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2350℃保温5.2h，保温过程中抽真空维持负压为0.16kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2280℃，浇注温度为2030℃，冷却至250℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气40min,氩气流速为3.3L/s，以4.2℃/min的升温速率升至530℃，保温2.3h，以4.3℃/min的升温速率升至630℃，保温2.8h，以3.5℃/min的升温速率升至770℃，保温2.3h，以2.6℃/min的升温速率升至850℃，保温2.9h，以2.1℃/min的升温速率升至940℃，保温2.1h，以1.8℃/min的升温速率升至1010℃，保温2.9h，升温至1110℃，保温2.6h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至620℃，保温1.9h后取风冷，继续回火至470℃，保温3.8h后油冷，接着回火至290℃，保温5.8h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3.2min，取出干燥后浸入丙酮中清洗16min，清洗温度为46℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗19min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为4.6μm；
S5、将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-65V，沉积温度为405℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层厚度为7μm，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为50：50：99。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种TiAlN涂层耐磨球，其特征在于，由如下步骤得到：
S1、熔炼：按重量份将120-140份废钢、110-130份铬铁合金、20-30份稀土合金、70-80份生铁、10-30份锰锭和20-25份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气35-45min，氩气流速为3-4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2000-2200℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入20-40份镁锭、30-40份钛锭、50-60份粒径为30-50μm的碳粉和20-30份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2300-2400℃保温5-6h，保温过程中抽真空维持负压为0.1-0.2kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液；
S2、浇注：将基质合金液出炉向模具中进行浇注，基质合金液出炉温度为2200-2300℃，浇注温度为2000-2100℃，冷却至200-270℃得到球型合金基质A；
S3、热处理：将球型合金基质A放入电炉内加热，向电炉内通入氩气32-45min,氩气流速为3-4L/s，以4-5℃/min的升温速率升至500-550℃，保温2-3h，以3.5-4.5℃/min的升温速率升至620-660℃，保温2-3h，以3-4℃/min的升温速率升至740-790℃，保温2-3h，以2-3℃/min的升温速率升至830-880℃，保温2-3h，以2-3℃/min的升温速率升至920-960℃，保温2-3h，以1-2℃/min的升温速率升至1000-1030℃，保温2-3h，升温至1100-1125℃，保温2-3h后，取出置于含有缓冷剂的油液中，再进行回火至600-700℃，保温1-2h后风冷，继续回火至450-500℃，保温3-4h后油冷，接着回火至280-330℃，保温5-6h后出炉冷却得到球型合金基质B；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中3-4min，取出干燥后浸入丙酮中清洗15-20min，清洗温度为40-50℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中清洗16-20min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C，其中球型合金基质C的粗糙度为4-6μm；
S5、镀涂层：将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为5-8kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-60～-80V，沉积温度为390-410℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为48-51：49-52：97-100。
2.如权利要求1所述TiAlN涂层耐磨球，其特征在于，S1中，按重量份将125-135份废钢、115-125份铬铁合金、23-26份稀土合金、71-74份生铁、12-21份锰锭和21-23份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气38-40min，氩气流速为3-4L/s，关闭炉门后将感应炉温度升至2050-2150℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入25-35份镁锭、32-38份钛锭、57-59份粒径为30-50μm的碳粉和21-24份粒径为55-60μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2320-2350℃保温5.2-5.6h，保温过程中抽真空维持负压为0.13-0.16kPa，再次打开炉门捞出浮在液体表面的炉渣后，感应炉中剩余液体为基质合金液。
3.如权利要求1所述TiAlN涂层耐磨球，其特征在于，S5中，将球型合金基质C置于阴极电弧设备中，抽真空维持负压为6-7kPa，用Ar+粒子轰击球型合金基质C表面进行溅射清洗后，采用钛铝合金靶和氮气进行沉积后冷却得到TiAlN涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-65～-75V，沉积温度为395-405℃，TiAlN涂层耐磨球的涂层厚度为7-8μm，TiAlN涂层耐磨球的涂层中钛、铝、氮的摩尔比为49-50：50-51：98-99。
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