CN107150111B - 一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，属于金属基复合材料领域。其方法是：首先制备出带有骨架的环型坯料，然后把坯料进行拼接，置于离心机模具中，浇注金属液，得到耐磨辊套。该辊套的复合区由两种不同的陶瓷颗粒组成，其中外层陶瓷颗粒为与铁液润湿性好的陶瓷颗粒，内层陶瓷颗粒为氧化物陶瓷颗粒。该方法通过在坯料中放置骨架，提高了坯料的强度且便于放置，选用不同陶瓷颗粒，降低了坯料成本，提高了辊面的复合效果，大幅提高了辊面使用寿命。

Description

一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，属于金属基复合材料领域。
背景技术
辊压机作为一种高效节能的粉碎设备已经在水泥建材、矿山破碎粉磨作业等行业得到广泛应用。辊压机工作时，产生巨大挤压力，将物料粉碎，辊面与物料产生强烈的摩擦，并受到物料的冲击力，辊面极易磨损。传统的挤压辊，因其使用寿命短，制造工艺难度大，成本高，修复时间长等问题，难以满足现在市场的需要。陶瓷-金属复合材料具有金属材料的高韧性和陶瓷颗粒的高耐磨性。以此制备的挤压辊耐磨性、耐压力和耐冲击性能好，且具有一定耐高温性能，适用于更严酷的工况条件。
中国发明专利CN103252268A公布了一种超耐磨离心复合铸造胎型磨辊及其制造方法，其外层为高合金耐磨层，内层为石墨钢韧性层，此方法所制造出的磨辊兼具耐磨性和韧性，但高合金耐磨层的耐磨性有一定限度，且高合金材料的应用也提高了生产成本。中国发明专利CN105039836A公开了一种辊磨机镶铸辊面及其制备方法，其方法是将硬质合金球与铸铁耐磨块，在气体保护下烧结，得到预制烧结块，然后通过离心铸造的方法制备出挤压辊。但是此方法制备工艺复杂，设备要求高，增加了制造成本。中国发明专利CN102211048A公布了一种具有金属陶瓷复合物的中速磨煤机辊套，其方法为将陶瓷颗粒相互粘结成网状，浇铸金属液整体复合，但此方法存在以下缺点，首先其单纯依靠陶瓷颗粒之间相互粘结而产生的孔隙铸渗，限制了金属液铸渗的厚度，从而使陶瓷金属复合层厚度非常薄，而且陶瓷颗粒之间的分散度小，陶瓷颗粒之间金属无法有效起到支撑作用，磨损过程中，陶瓷颗粒容易剥落，耐磨性大大降低；其次此方法将陶瓷颗粒互相粘结成一个网状结构的陶瓷层，然后对整个陶瓷层进行铸渗，浇铸过程中整个陶瓷层很容易因为某一部位缺陷或金属液冲击坍塌不能使用，成品率大大降低；此外其磨辊本体与高铬合金和陶瓷颗粒通过浇铸方式连接成一体，由于三种材料的热膨胀系数及热导率相差很大，磨辊浇铸后冷却或热处理过程中，其高铬合金、陶瓷金属复合区及磨辊本体的冶金结合将容易在导致在结合面处产生的裂纹在整个磨辊扩展，增加磨辊开裂的可能性。中国发明专利CN103418790 公布了一种金属陶瓷复合耐磨制品及其制备方法，其特征为用陶瓷颗粒与金属粉末用助剂混合均匀得到混合物和金属粉末制成的金属陶瓷颗粒预制件，经过高温烧结热处理后形成的金属陶瓷复合耐磨制品，此方法利用助剂均匀混合陶瓷颗粒和金属粉末，但烧结后金属熔融后，陶瓷颗粒因其比重比金属粉末小将向上浮动，从而引起陶瓷颗粒分布不均匀，并且烧结后的组织性能相比熔炼的金属结晶形成组织较差。中国发明专利CN1367270A公布了一种离心铸造高耐磨合金铸铁复合抗磨辊圈的生产工艺，其特征在于复合抗磨辊圈外层含钒和多种少量元素合金铸铁，内层为高强度球墨铸铁，由于含钒和多种少量元素合金，此方法所制造出的磨辊的硬度较高，耐磨性较强，但由于合金种类较多，加入量很少，熔炼合金时很难准确控制其成分，并且外层合金的硬度具有一定局限性，过高的硬度将导致外层合金的韧性降低很大，影响使用性能。中国发明专利CN103736549A公布了一种立磨机金属基陶瓷复合材料磨辊的制备方法，此方法所用金属基陶瓷增强体料是由10～40％刚玉和60～90％铁粉烧结而成，高铬合金衬板与陶瓷衬板，辊套与磨辊基体之间通过钢液浇铸为一体，由于此方法利用烧结法制备复合层，由于陶瓷颗粒与铁粉比重相差很大，很难使陶瓷颗粒与铁粉混合均匀，并且铁水熔化后，陶瓷颗粒将漂浮在铁水表层，浇铸入模具后陶瓷颗粒的分布将极不均匀，并且烧结后的组织并没有金属完全熔化后结晶形成金属组织性能好，浇铸的钢水使辊套与磨辊基体固结为一体，使用过程中的裂纹很容易在整个磨辊中扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，以便更好地改善制备工艺效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)首先制备出环形骨架，骨架由圆环、支撑网和镶嵌孔组成；其中镶嵌孔在圆环上，支撑网在圆环内层与圆环相连，骨架的支撑网被颗粒包裹，对坯料起到支撑作用；然后把骨架固定在具有卡槽的 环形模具中，骨架固定在模具中间位置；将与金属液润湿的良好的陶瓷颗粒与粘结剂按质量比100:8-15充分混合，填充到模具外层；将氧化物陶瓷颗粒与粘结剂、活化微粉按质量比 100:10-15:3-6混合后，填充到模具内层，此时骨架支撑网被陶瓷颗粒包裹在里面，烘干后脱模，得到单个环状预制体；
(2)将预制体骨架上镶嵌孔镶嵌上镶嵌柱进行拼接，得到辊套形状的坯料，其长度根据需要进行调节，通过调节镶嵌柱长度可以调节预制体间的间隙；然后把拼接好的坯料放入- 具有保温层的离心铸造模具中；
(3)将坯料随模具预热到200-500℃，然后控制离心铸造设备转速，浇注高温金属液，温度降到900-1050℃时取出辊套，冷却到100℃时，再进行热处理，最终得到耐磨挤压辊辊套。
进一步地，预制体采用不同的陶瓷颗粒：预制体外层为WC，颗粒大小为 30-120目，其占坯料体积的1/10-1/5；内层为ZTA或Al2O3，颗粒大小为 80-300目，其占坯料体积的4/5-9/10。
进一步地，环形预制体骨架由低熔点合金制备而成，尺寸根据需要进行定制。
进一步地，活化微粉为铝粉、铁粉、硅粉、钨粉的一种或几种按一定比例混合，粒度为300-600目。
进一步地，金属液选自 中低合金耐磨钢、高锰钢、高铬铸铁耐磨钢铁。
进一步地，预制体坯料有蜂窝孔或无蜂窝孔。
进一步地，所用粘结剂为水玻璃、硅溶胶、硼砂一种或者几种的任意混合。
进一步地，所用离心铸造模具所用保温涂料为硅藻土、石英砂、镁砂中的一种或几种的任意比例混合物，其厚度为10-30mm。
本发明方法中，首先制备出带有骨架的环型坯料，然后把坯料进行拼接，置于离心机模具中，浇注金属液，得到耐磨辊套。该辊套的复合区由两种不同的陶瓷颗粒组成，其中外层陶瓷颗粒为与铁液润湿性好的陶瓷颗粒，内层陶瓷颗粒为氧化物陶瓷颗粒。该方法通过在坯料中放置骨架，提高了坯料的强度且便于放置，选用不同陶瓷颗粒，降低了坯料成本，提高了辊面的复合效果，大幅提高了辊面使用寿命。
该发明的有益效果在于：本发明采用不同的陶瓷颗粒制备预制体，既保证了复合效果，又降低了成本。外层复合层增强颗粒为WC颗粒，能与金属液润湿性好，能形成冶金结合，界面强度高，外层颗粒复合同时，内层颗粒由于高温金属液的热作用，被加热到更高温度，能促进颗粒与金属液复合，且均匀分散在基体中，提高了辊套的整体复合效果；第一层耐磨层具有高的耐磨性，第二层耐磨层颗粒小在基体中分散均匀，能使辊套具有较高强度；本发明环状预制体具有骨架，坯料具有较好强度，同时便于拼接和固定，并且能使坯料和模具内壁保持一定距离，有利于金属液铸渗。骨架为低熔点合金成分，在离心铸造过程中，能过溶解在金属液中，能过改善金属液组织。利用多个环形预制体坯料拼接成整体预制体，有缺陷的环状预制体可以被更换，保证了预制体的质量，提高了生产效率，降低了生产成本。本发明所用离心模具内壁具有一定厚度的保温层，能够起到很好的保温效果，有利于金属液铸渗；离心力的作用可提高铸渗时候的压力，进一步提高复合效果。
附图说明
图1是本发明的环形预制体坯料示意图。
图2是本发明的骨架示意图。
图3是本发明的蜂窝环形坯料部分侧视示意图。
图4是本发明的复合挤压辊示意图。
图5是本发明坯料在离心模具内放置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。
图1是本发明的环形预制体坯料示意图。图2是本发明的骨架示意图。图3 是本发明的蜂窝环形坯料部分侧视示意图。图4是本发明的复合挤压辊示意图。图5是本发明坯料在离心模具内放置示意图。如图1-图5所示，本发明实施例中的离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，具体步骤如下：
(1)首先制备出环形骨架1，骨架由圆环4、支撑网5和镶嵌孔6组成；其中镶嵌孔6在圆环4上，支撑网5在圆环4内层与圆环4相连，骨架的支撑网5被颗粒包裹，对坯料起到支撑作用；然后把骨架固定在具有卡槽的 环形模具中，骨架固定在模具中间位置；将与金属液润湿的良好的陶瓷颗粒与粘结剂按质量比 100:8-15充分混合，填充到模具外层2；将氧化物陶瓷颗粒与粘结剂、活化微粉按质量比100:10-15:3-6混合后，填充到模具内层3，此时骨架支撑网被陶瓷颗粒包裹在里面，烘干后脱模，得到单个环状预制体；
(2)将预制体骨架上镶嵌孔6镶嵌上镶嵌柱7进行拼接，得到辊套形状的坯料，其长度根据需要进行调节，通过调节镶嵌柱7长度可以调节预制体间的间隙；然后把拼接好的坯料放入具有保温层8的离心铸造模具9中；
(3)将坯料随模具预热到200-500℃，然后控制离心铸造设备转速，浇注高温金属液，温度降到900-1050℃时取出辊套，冷却到100℃时，再进行热处理，最终得到耐磨挤压辊辊套。
预制体采用不同的陶瓷颗粒：预制体外层为WC，颗粒大小为30-120目，其占坯料体积的1/10-1/5；内层为ZTA或Al2O3，颗粒大小为80-300目，其占坯料体积的4/5-9/10。环形预制体骨架1由低熔点合金制备而成，尺寸根据需要进行定制。活化微粉为铝粉、铁粉、硅粉、钨粉的一种或几种按一定比例混合，粒度为300-600目。金属液选自 中低合金耐磨钢、高锰钢、高铬铸铁耐磨钢铁。预制体坯料有蜂窝孔或无蜂窝孔。所用粘结剂为水玻璃、硅溶胶、硼砂一种或者几种的任意混合。所用离心铸造模具所用保温涂料为硅藻土、石英砂、镁砂中的一种或几种的任意比例混合物，其厚度为10-30mm。
下面以具体实施例进一步进行说明。
实施例1
该离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其具体步骤如下：
1、首先将制备好的骨架放置在环形模具中固定，将60目WC的陶瓷颗粒与水玻璃按质量比100:10充分混合，填充到模具外层，其占这个坯料体积的 1/5；将120目ZTA与水玻璃、铁粉、硅粉按质量比100:10:20:5混合后，填充到模具内层，其占坯料体积的4/5，此时骨架支撑网被陶瓷颗粒包裹在里面，烘干脱模，得到具有骨架的蜂窝环状预制体坯料。其中，铁粉、硅粉为300目，水玻璃模数为2。
2、将预制体骨架上镶嵌孔镶嵌上镶嵌柱进行拼接，得到辊套形状的坯料，每个预制体间的间隙为5mm；然后把整体坯料放置在具有25mm保温层的离心铸造模具中。其中保温涂层材料为硅藻土。
3、将模具进行预热500℃，控制离心铸造设备转速500转/每分钟，浇注 1550℃低合金耐磨钢高温金属液，温度降到1000℃时取出辊套，冷却到100℃时，以20-50℃/h升温到200℃，保温3h，最后冷却到室温，得到耐磨挤压辊辊套。其中低合金耐磨钢的化学成分为C：0.3-05％、Si：1.1-1.3％、Mn：2-4％， Cr：0.8-2％、S≤0.03％、P≤0.03％、RE≥0.0.5％。
实施例2
该离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其具体步骤如下：
1、首先将制备好的骨架放置在环形模具中固定，将80目WC的陶瓷颗粒与水玻璃按质量比100:8充分混合，然后填充到模具外层，其占整个坯料体积的 1/10；将200目ZTA与水玻璃、铁粉、镍粉、钨粉按质量比100:12:30:5:10 混合后，填充到模具内层，其占坯料体积的9/10，此时骨架支撑网被陶瓷颗粒包裹在里面，烘干脱模，得到具有蜂窝孔的环状预制体坯料。其中铁粉、硅粉为 500目，水玻璃模数为2.5。
2、将环状预制体通过骨架上的镶嵌孔和镶嵌柱进行拼接，每个预制体间的间隙为15mm；然后把整体坯料放置在具有30mm保温层的离心铸造模具中。其中保温涂层材料为硅藻土。
3、将模具进行预热500℃，控制离心铸造设备转速800转/每分钟，浇注 1500℃高铬铸铁金属液，温度降到1050℃时取出辊套，冷却到100℃时，以 40℃/h升温到220℃，保温4h，最后冷却到室温，得到耐磨挤压辊辊套。其中高铬铸铁成为C：1.8-2.2％，Cr：11-14％，Si：0.3-0.8％，Mn:0.5-10％，P、 S≤0.05％，Mo：0.3-0.5％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)首先制备出环形骨架，骨架由圆环、支撑网和镶嵌孔组成；其中镶嵌孔在圆环上，支撑网在圆环内层与圆环相连，骨架的支撑网被陶瓷颗粒包裹，对坯料起到支撑作用；然后把骨架固定在具有卡槽的环形模具中，骨架固定在模具中间位置；将与金属液润湿的良好的陶瓷颗粒与粘结剂按质量比100:8-15充分混合，填充到模具外层；将氧化物陶瓷颗粒与粘结剂、活化微粉按质量比100:10-15:3-6混合后，填充到模具内层，此时骨架支撑网被陶瓷颗粒包裹在里面，烘干后脱模，得到单个环状预制体；
(2)将预制体骨架上镶嵌孔镶嵌上镶嵌柱进行拼接，得到辊套形状的坯料，其长度根据需要进行调节，通过调节镶嵌柱长度可以调节预制体间的间隙；然后把拼接好的坯料放入具有保温层的离心铸造模具中；
(3)将坯料随模具预热到200-500℃，然后控制离心铸造设备转速，浇注高温金属液，温度降到900-1050℃时取出辊套，冷却到100℃时，再进行热处理，最终得到耐磨挤压辊辊套。
2.根据权利要求1所述一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：预制体采用不同的陶瓷颗粒：预制体外层为WC，颗粒大小为30-120目，其占坯料体积的1/10-1/5；内层为ZTA或Al2O3，颗粒大小为80-300目，其占坯料体积的4/5-9/10。
3.根据权利要求1所述一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：环形预制体骨架由低熔点合金制备而成，尺寸根据需要进行定制。
4.根据权利要求1所述的一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：活化微粉为铝粉、铁粉、硅粉、钨粉的一种或几种按一定比例混合，粒度为300-600目。
5.根据权利要求1所述的一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：金属液选自中低合金耐磨钢、高锰钢、高铬铸铁耐磨钢铁。
6.根据权利要求1所述的一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：预制体坯料有蜂窝孔或无蜂窝孔。
7.根据权利要求1所述的一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：所用粘结剂为水玻璃、硅溶胶、硼砂一种或者几种的任意混合。
8.根据权利要求1所述的一种离心铸造制备耐磨挤压辊辊套的工艺方法，其特征在于：所用离心铸造模具所用保温涂料为硅藻土、石英砂、镁砂中的一种或几种的任意比例混合物，其厚度为10-30mm。
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