CN104289280B - 一种耐腐蚀涂层耐磨球 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀涂层耐磨球,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、50-60份钛锭、60-70份碳粉和30-40份硅粉进行熔炼，浇注，在硝盐溶液中进行等温淬火，再进行预处理后采用阴极电弧蒸镀的方式在基质表面镀上TiAlN层。本发明耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿法研磨，耐磨性能好，硬度可达70HRC以上，冲击韧性可达7J/cm2。

Description

一种耐腐蚀涂层耐磨球
技术领域
本发明涉及耐磨球技术领域，尤其涉及一种耐腐蚀涂层耐磨球。
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，本发明提出了一种耐腐蚀涂层耐磨球，耐热耐腐蚀，可在多种环境下使用，尤其适用于湿法研磨，耐磨性能好，硬度可达70HRC以上，冲击韧性可达7J/cm2。
本发明提出的一种耐腐蚀涂层耐磨球，由如下步骤制备得到：
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20-30min，氩气流速为1-2L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2500-2700℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入50-60份钛锭、60-70份粒径为55-60μm的碳粉和30-40份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2700-3000℃保温3-4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3-0.4kPa，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2600-2700℃，浇注温度为2400-2500℃，冷却至400-500℃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，向电炉内通入氩气20-30min，氩气流速1-2L/s，将电炉温度以10-15℃/min的升温速度升至1100-1300℃，保温3-5h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为160-200℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至260-320℃进行保温，保温时间为Xmin，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，X＝2.4R+(3～6)，其中R为球型合金基质A的半径，R的单位为mm，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1-3份硝酸镁、2-6份硝酸钾和3-7份硝酸钠加入8-15份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中5-10min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15-20min，清洗温度为55-65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中10-15min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120～-160V，沉积温度为390-410℃，涂层耐磨球的涂层厚度为2-6μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11-12：8-10：18-19。
优选的，S1中，按重量份将125-135份废钢、115-125份铬铁合金、23-37份稀土合金、75-79份生铁、15-25份锰锭和21-24份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气23-27min，氩气流速为1.2-1.8L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2550-2650℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入52-58份钛锭、63-66份粒径为55-60μm的碳粉和34-35份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2800-2900℃保温3.2-3.6h，保温过程中抽真空维持负压为0.34-0.37kPa，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，S3中，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1.6-2.4份硝酸镁、3-5份硝酸钾和4-6份硝酸钠加入9-12份水中充分搅拌所得。
优选的，阴极电弧设备包括真空系统、阴极电弧蒸发源、偏压系统、供气系统、节流阀系统、加热系统、测温系统、工件转架系统、冷却水系统和控制系统。
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。
本发明在进行表面镀层前进行预处理，增强基质表面的粗糙程度，使镀层与基质结合更加紧密；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70HRC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，还提高本发明的使用寿命；而采用废钢、铬铁合金、稀土合金、生铁、锰锭、硼砂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；在熔炼前通入的氩气、钛锭、粒径为55-60μm的碳粉和粒径为30-50μm的硅粉相互配合，可减少熔炼中与氧气接触，减少球型合金基质中氧化物的含量，进一步提高耐磨球的的使用寿命；在热处理中采用硝酸盐溶液进行等温淬火，先将温度升高使球型合金基质中的奥氏体均匀分布，利用硝酸盐溶液的高比热容进行快速降温，使奥氏体转化成贝氏体，大幅度提高球型合金基质的韧性，经多次试验证明硝酸镁、硝酸钾、硝酸钠和水的摩尔比为1-3：2-6：3-7：8-15时在260-320℃比热容最大，可以大量吸收球型合金基质的热能，达到快速降温的效果，而又通过多次试验对比得出降温时间与球型合金基质的半径存在线性函数关系，依据此线性函数得出的降温时间，可使球型合金基质的韧性达到最高。
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
本发明提出的一种耐腐蚀涂层耐磨球，由如下步骤制备得到：
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20min，氩气流速为1L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2700℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入50份钛锭、70份粒径为55-60μm的碳粉和30份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至3000℃保温3h，保温过程中抽真空维持负压为0.4kPa，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2600℃，浇注温度为2500℃，冷却至400℃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，向电炉内通入氩气30min，氩气流速1L/s，将电炉温度以10℃/min的升温速度升至1300℃，保温3h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为200℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至320℃进行保温，保温时间为60min，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1份硝酸镁、6份硝酸钾和3份硝酸钠加入15份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中5min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为20min，清洗温度为55℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中15min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-160V，沉积温度为390℃，涂层耐磨球的涂层厚度为6μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11：10：18。
实施例2
本发明提出的一种耐腐蚀涂层耐磨球，由如下步骤制备得到：
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30min，氩气流速为2L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2500℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入60份钛锭、60份粒径为55-60μm的碳粉和40份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2700℃保温4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3kPa，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2700℃，浇注温度为2400℃，冷却至500℃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，向电炉内通入氩气20min，氩气流速2L/s，将电炉温度以15℃/min的升温速度升至1100℃，保温5h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为160℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至260℃进行保温，保温时间为30min，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将3份硝酸镁、2份硝酸钾和7份硝酸钠加入8份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中10min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15min，清洗温度为65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中10min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120V，沉积温度为410℃，涂层耐磨球的涂层厚度为2μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为12：8：19。
实施例3
本发明提出的一种耐腐蚀涂层耐磨球，由如下步骤制备得到：
S1、熔炼：按重量份将125份废钢、125份铬铁合金、23份稀土合金、79份生铁、15份锰锭和24份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气23min，氩气流速为1.2L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2500℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入58份钛锭、63份粒径为55-60μm的碳粉和35份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2800-2900℃保温3.6h，保温过程中抽真空维持负压为0.34kPa，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2630℃，浇注温度为2460℃，冷却至470℃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，向电炉内通入氩气23min，氩气流速1.2L/s，将电炉温度以12℃/min的升温速度升至1150℃，保温4.3h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为170℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至300℃进行保温，保温时间为50min，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将2.4份硝酸镁、3份硝酸钾和6份硝酸钠加入9份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中8min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为17min，清洗温度为57℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中12min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-130V，沉积温度为400℃，涂层耐磨球的涂层厚度为4μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为12：9：19。
实施例4
本发明提出的一种耐腐蚀涂层耐磨球，由如下步骤制备得到：
S1、熔炼：按重量份将135份废钢、115份铬铁合金、37份稀土合金、75份生铁、25份锰锭和21份硼砂放入感应炉中，向感应炉中通入氩气27min，氩气流速为1.8L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2500℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入52份钛锭、66份粒径为55-60μm的碳粉和34份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2800-2900℃保温3.2h，保温过程中抽真空维持负压为0.37kPa，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2670℃，浇注温度为2430℃，冷却至430℃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，向电炉内通入氩气27min，氩气流速1.8L/s，将电炉温度以14℃/min的升温速度升至1250℃，保温3.6h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为190℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至280℃进行保温，保温时间为40min，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1.6份硝酸镁、5份硝酸钾和4份硝酸钠加入12份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中6min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为19min，清洗温度为63℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中14min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-140V，沉积温度为400℃，涂层耐磨球的涂层厚度为5μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11：9：18。
实施例1-4中镀涂层所使用的阴极电弧设备包括真空系统、阴极电弧蒸发源、偏压系统、供气系统、节流阀系统、加热系统、测温系统、工件转架系统、冷却水系统和控制系统。
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)

1.一种耐腐蚀涂层耐磨球，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20-30min，氩气流速为1-2L/s,关闭炉门后将感应炉温度升至2500-2700℃，待上述原料全部熔化后，打开炉门加入50-60份钛锭、60-70份粒径为55-60μm的碳粉和30-40份粒径为30-50μm的硅粉，再次关闭炉门将感应炉温度升至2700-3000℃保温3-4h，保温过程中抽真空维持负压为0.3-0.4kPa，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2600-2700℃，浇注温度为2400-2500℃，冷却至400-500℃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，向电炉内通入氩气20-30min，氩气流速1-2L/s，将电炉温度以10-15℃/min的升温速度升至1100-1300℃，保温3-5h后，将保温后的球型合金基质A取出置于温度为160-200℃的硝酸盐溶液中，待硝酸盐溶液的温度升至260-320℃进行保温，保温时间为Xmin，然后取出空气冷却至室温得到球型合金基质B，X＝2.4R+(3～6)，其中R为球型合金基质A的半径单位为mm时的取值，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1-3份硝酸镁、2-6份硝酸钾和3-7份硝酸钠加入8-15份水中充分搅拌所得；
S4、预处理：将球型合金基质B在室温下浸入水中5-10min，取出干燥后浸入丙酮中并用超声清洗机进行清洗，清洗时间为15-20min，清洗温度为55-65℃，再次取出干燥后在室温下浸入乙醚中10-15min，然后取出置于真空室中进行干燥得到球型合金基质C；
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耐腐蚀涂层耐磨球，其中球型合金基质C负偏压为-120～-160V，沉积温度为390-410℃，耐腐蚀涂层耐磨球的涂层厚度为2-6μm，涂层中钛、铝、氮的摩尔比为11-12：8-10：18-19。
2.如权利要求1所述耐腐蚀涂层耐磨球，其特征在于，S3中，所述硝酸盐溶液为按摩尔份数将1.6-2.4份硝酸镁、3-5份硝酸钾和4-6份硝酸钠加入9-12份水中充分搅拌所得。
3.如权利要求1所述耐腐蚀涂层耐磨球，其特征在于，阴极电弧设备包括真空系统、阴极电弧蒸发源、偏压系统、供气系统、节流阀系统、加热系统、测温系统、工件转架系统、冷却水系统和控制系统。
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