CN108060385A - 一种球磨机用高耐磨复合衬板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种球磨机用高耐磨复合衬板，所述复合衬板包括基底和附着在所述基底的工作面表面的耐磨层；所述耐磨层为自熔性合金粉末通过等离子喷焊技术熔覆于基底工作面的表面形成的合金层；所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 10～20％、Si 0.5～3.0％、C 0.5～3.5％、W 0～10％、B 0.5～3.0％、V 0～15％、Mn 0～1.0％、Ni 0～1.0％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％。这种耐磨层以铁基合金粉末作为原材料，通过添加适量WC/VC，可以大幅提高衬板耐磨性，基体中以马氏体为主，兼顾硬度和韧性，使涂层衬板能够胜任球磨机工况。

Description

一种球磨机用高耐磨复合衬板及其制备方法
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，具体涉及一种球磨机用高耐磨复合衬板。
背景技术
球磨机筒体衬板在运转过程中主要受到磨料的凿削、切削作用和磨球的间接冲击，其失效形式主要表现为磨料磨损。
目前衬板多选用高锰钢，中碳低合金耐磨铸钢，难满足实际复杂工况的使用要求。
提高金属衬板耐磨性的表面强化技术有三种：一是耐磨堆焊，二是高能粒子束(激光、等离子)熔敷，三是真空烧结。上述技术均是在金属基底材料上涂覆一层性能更优异耐磨涂层。
中国发明专利《CN102912339一种等离子弧熔覆制备耐高温磨损衬板的方法》介绍了一种等离子弧熔覆制备耐高温磨损衬板的方法，将配制的金属基陶瓷颗粒增强型合金粉末均匀涂刷在金属基材的表面，并利用等离子弧对预涂层进行单道扫描，最后熔覆得到厚度为0.3～1.5mm的熔覆层。实用新型专利《CN201603585一种具有耐磨涂层的球磨机衬板》介绍了通过粉末冶金技术烧结而成衬板涂层，该耐磨涂层的厚度为2～5mm。
发明专利《CN102912340一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法》介绍了一种耐高温冲击磨损梯度复合材料的制备方法，将预先配制的金属基陶瓷颗粒增强型的打底层合金粉末通过半导体激光使其熔覆在金属基材表面，再用半导体激光器将表面层合金粉末熔覆在打底层合金表面，最终获得耐高温冲击磨损梯度复合材料。
发明专利《CN104084272一种球磨机用涂层衬板》介绍了一种球磨机用涂层衬板，工艺过程如下：1.加料；2脱氧；3.浇注；4.热处理；5.喷涂涂层。利用等离子喷涂系统在回火衬板表面喷涂一层厚度为102～105um的纯Al结合层，再在纯Al结合层的表面喷涂一层厚度为199～202um的陶瓷层(Al2O3和AlN)，此发明破碎率＜0.35％，硬度可达75HRC，冲击韧性达8J/cm2以上。但是上述方法主要存在如下问题：1.常规焊丝/焊条堆焊衬板时，基底温度过高，母材稀释率﹥5％，工艺过程控制难；2.激光熔敷效率偏低，单位面积制造成本较高，不适合常规零部件(球磨机衬板)大规模生产；3.如果采用普通热喷涂制备涂层，则涂层工艺复杂，对工件的表面质量要求高，界面结合以机械结合为主；4.虽然现有技术已经将镍基和铁基自熔性合金粉与WC或TiC混合后，经真空烧结制备耐磨涂层，但其烧结温度在1050℃以上，温度过高对基体性能不利，而且真空烧结对于工业化规模生产的成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种球磨机用高耐磨复合衬板，所述复合衬板包括基底和附着在所述基底的工作面表面的耐磨层；
所述耐磨层为自熔性合金粉末通过等离子喷焊技术熔覆于基底工作面的表面形成的合金层；
所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 10～20％、Si 0.5～3.0％、C 0.5～3.5％、W 0～10％、B 0.5～3.0％、V 0～15％、Mn 0～1.0％、Ni 0～1.0％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％。上述合金粉末经熔覆后制得的焊层具有高硬度、高冲击韧性，同时这种合金粉末的可喷焊速度快，焊层均匀致密，且等离子喷焊的方式可将合金致密地附着于基底的表面，得到适用于球磨机工况的耐磨层。
优选的，所述复合衬板基底的材料为高锰钢或中碳低合金耐磨铸钢；上述两种材料具备较好的冲击韧性、耐磨性和一定的可焊性；所述中碳低合金耐磨铸钢可为中碳铬钼铸钢。
优选的，所述复合衬板基底的厚度为50～80mm；现有技术中，通常用的铸造金属衬板厚度均超过100mm，本申请添加了耐磨层后，可减小基底的厚度，从而降低球磨机的能耗。
优选的，所述耐磨层的厚度为1～8mm，优选3～6mm。耐磨层厚度太薄，起不到理想的耐磨效果，厚度太大，会引起生产成本的提高且生产工艺控制难度加大，在上述厚度的情况下，既可保证产品的耐磨性，还可最大程度地降低生产成本，获得最高综合性价比。
作为优选的方案，基底为高锰钢，所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 10～15％、Si0.5～1.5％、C 0.5～0.8％、W 8～10％、B 0.5～2.0％、Mn0.5～1.0％、Ni 0.5～1.0％、Mo0.5～1.0％、Fe补足100％；
基底为中碳低合金耐磨铸钢，所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 15～20％、Si2.0～3.0％、C 2.0～3.5％、B 1.5～3.0％、Mn 0～1.0％、V 10～15％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％。
本发明的另一目的是保护本发明所述复合衬板的制备方法，包括如下步骤：
1)对衬板基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性粉末的组成为Cr 10～20％、Si 0.5～3.0％、C 0.5～3.5％、W 0～10％、B 0.5～3.0％、V 0～15％、Mn 0～1.0％、Ni 0～1.0％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在进行预处理后的工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得所述高耐磨复合衬板的初成品；
4)将所述初成品进行回火，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。
优选的，所述基底为高锰钢或中碳低合金耐磨铸钢。
优选的，所述步骤3)在进行等离子喷焊的过程中，通过等离子弧对衬板基底表面进行单道扫描，在所述表面清洁的衬板基底表面喷焊所述自熔性合金粉末。通过上述的操作，可保证耐磨层与基底的结合力。
优选的，所述自熔性合金粉末的粒度为80～270目；在这种粒度下，粉末的利用率最高。
优选的，所述自熔性合金粉末由气雾法制备而成。
优选的，所述回火的温度为250～500℃，回火的时间为4～10h。
针对于高锰钢的衬板基底，本发明提供一种优选的制备方法，包括如下步骤：
1)对高锰钢基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性合金粉末中Cr 10～15％、Si 0.5～1.5％、C0.5～0.8％、W 8～10％、B 0.5～2.0％、Mn 0.5～1.0％、Ni 0.5～1.0％、Mo 0.5～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在进行表面清洁后的基底工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得初成品；
4)将所述初成品在温度250～280℃的条件下回火5～6h，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。上述合金的熔点较低，与高锰钢基底的润湿性较好，所得耐磨层的硬度可高达58HRC。
优选的，所述等离子喷焊的操作参数为：喷焊电流为190～210A，送粉流量为1.8～2.2kg/h，等离子气流为4.5～5.5L/min，喷枪行走速度为110～130mm/min，喷枪摆动幅度为9～11mm/道。
针对于中碳低合金耐磨铸钢基底，本发明提供一种优选的制备方法，包括如下步骤：
1)对中碳低合金耐磨铸钢基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性合金粉末中Cr 15～20％、Si2.0～3.0％、C2.0～3.5％、B 1.5～3.0％、Mn 0～1.0％、V 10～15％、Mo0～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在所述预处理后的基底工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得初成品；
4)将所述初成品在温度350～400℃的条件下回火4～5h，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。上述合金的成分热膨胀系数较小，与中碳低合金耐磨铸钢复合时，不容易开裂，同时含有大量的VC硬质相，硬度可高达65HRC。
优选的，所述等离子喷焊的操作参数为：喷焊电流为210～230A，送粉流量为3.2～3.8kg/h，等离子气流为4.5～5.5L/min，喷枪行走速度为70～90mm/min，喷枪摆动幅度为9～11mm/道。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明的耐磨层以铁基合金粉末作为原材料，通过添加适量WC/VC，作为颗粒增强复合材料中的弥散相，其显微组织中含有大量高硬度的碳化物/硼化物硬质相，可以大幅提高衬板耐磨性，基体以马氏体为主，兼顾硬度和韧性，使涂层衬板能够胜任球磨机工况。
本发明制备耐磨涂层(其结构示意图见图1)(101)硬度可达58～65HRC，而普通高锰钢(102)在未完全加工硬化时硬度低于300HB，两者抵抗磨粒磨损的性能相差10倍以上，本申请的衬板使用寿命能够增加20～50％。
2)本发明通过优化制备工艺，制备的耐磨涂层与基材界面为冶金结合，界面结合强度大于400Mpa，能够抵抗球磨机中运动介质的连续冲击而不剥落。
3)本发明以高温等离子体作为热源，选用同步送粉装置，工艺过程简单，涂层厚度调整灵活，适合大规模生产。
4)选用球磨机衬板工作面(最易磨损的部位)作为喷焊强化位置，可以获得最佳性价比。
5)本发明提供的球磨机衬板还可以减小原始衬板厚度，使球磨机自重减小，降低球磨机转动时电耗，达到提产节能的最终目的。
附图说明
图1为实施例1衬板的剖面示意图；
图2为实施例1所述衬板的正视图；
图3为实施例2所述衬板的剖面图；
图中：101、实施例1的耐磨层；102、实施例1中的高锰钢；103、实施例1中的焊道；104、实施例2中的∪型沟槽。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例涉及一种高耐磨复合衬板，所述复合衬板包括基底和附着在所述基底的工作面表面的耐磨层；
所述复合衬板的基底为铸造高锰钢；
在基底工作面的表面以等离子喷焊技术熔覆有自熔性合金粉末Cr 13.5％、Si0.8％、C 0.52％、W 9％、B 1.5％、Mn 0.5％、Ni 0.5％、Mo1.0％、其余Fe形成的合金层。
所述基底的厚度为60mm，所述合金耐磨层的厚度为3mm。其结构示意图见图2。
实施例2
本实施例涉及实施例1所述复合衬板的制备方法，包括如下步骤：
1)选用铸造高锰钢为基底，采用打磨方式将其表面氧化皮等清除干净；
2)以质量百分比计，将Cr 13.5％、Si 0.8％、C 0.52％、W 9％、B 1.5％、Mn0.5％、Ni 0.5％、Mo 1.0％、其余Fe，通过气雾法制成80～270目的预合金粉末；
3)将上述粉末加入等离子喷焊同步送粉系统中，控制等离子喷焊电流为200A，送粉流量为2.0kg/h，等离子气流为5L/min，喷枪行走速度为120mm/min，喷枪摆动幅度为10mm/道，焊道(103)之间间隔2～3mm，在高锰钢衬板基底上喷焊一层3mm厚的合金耐磨层；
4)将喷焊衬板放入回火炉中260℃，回火5h，得高耐磨复合衬板。
所得衬板的耐磨层硬度达58HRC，相当于单纯的高锰钢的10倍，界面结合强度为500Mpa；根据球磨机实际工况，相比常规衬板寿命可提高20～30％，同时衬板减重20％。
实施例3
本实施例涉及一种高耐磨复合衬板，所述复合衬板包括基底和附着在所述基底的工作面表面的耐磨层；
所述复合衬板的基底为中碳铬钼铸钢，并在其工作面铸造出∪型沟槽(104)，沟槽宽度为12mm，深1～2mm；
所述沟槽中填充有Cr 18％、Si 2％、C 3％、B 1.5％、Mn 1.0％、V 15％、其余为Fe，通过等离子喷焊方式熔覆的合金耐磨层。
所述基底的厚度为80mm，所述合金耐磨层的厚度为6mm。其结构示意图见图3。
实施例4
本实施例涉及实施例3所述复合衬板的制备方法，包括如下步骤：
1)选用中碳铬钼铸钢为基材，并在其工作面铸造出∪型沟槽(104)，沟槽宽度为12mm，深1～2mm；采用喷砂的方式将其表面氧化皮等清除干净；
2)以质量百分比计，将Cr 18％、Si 2％、C 3％、B 1.5％、Mn 1.0％、V 15％、其余Fe，通过气雾法制成80～270目的预合金粉末；
3)将上述粉末加入等离子喷焊同步送粉系统中，控制喷焊参数为：喷焊电流为220A，送粉流量为3.5kg/h，等离子气流为5L/min，喷枪行走速度为80mm/min，喷枪摆动幅度为10mm/道，在衬板基底的U型槽内喷焊一层6mm厚的喷焊层；
4)将喷焊衬板放入回火炉中350℃，回火5h，减小耐磨衬板的残余应力。
经检测耐磨层硬度为62HRC，耐磨性相当于基底铸钢的12倍，界面结合强度为400Mpa；适合于矿山湿磨使用，可提高寿命40～50％。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种球磨机用高耐磨复合衬板，其特征在于，所述复合衬板包括基底和附着在所述基底的工作面表面的耐磨层；
所述耐磨层为自熔性合金粉末通过等离子喷焊技术熔覆于基底工作面的表面形成的合金层；
所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 10～20％、Si 0.5～3.0％、C 0.5～3.5％、W 0～10％、B 0.5～3.0％、V 0～15％、Mn 0～1.0％、Ni 0～1.0％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％。
2.根据权利要求1所述的衬板，其特征在于，所述基底为高锰钢或中碳低合金耐磨铸钢；
和/或，所述基底的厚度为50～80mm；
和/或，所述耐磨层的厚度为1～8mm，优选3～6mm。
3.根据权利要求1或2所述的衬板，其特征在于，所述基底为高锰钢，所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 10～15％、Si 0.5～1.5％、C 0.5～0.8％、W 8～10％、B 0.5～2.0％、Mn0.5～1.0％、Ni 0.5～1.0％、Mo 0.5～1.0％、Fe补足100％；
或所述基底为中碳低合金耐磨铸钢，所述自熔性合金粉末的组成为：Cr 15～20％、Si2.0～3.0％、C 2.0～3.5％、B 1.5～3.0％、Mn 0～1.0％、V 10～15％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％。
4.一种球磨机用高耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对衬板基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性粉末的组成为Cr 10～20％、Si 0.5～3.0％、C0.5～3.5％、W 0～10％、B 0.5～3.0％、V 0～15％、Mn 0～1.0％、Ni 0～1.0％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在进行预处理后的工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得所述高耐磨复合衬板的初成品；
4)将所述初成品进行回火，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底为高锰钢或中碳低合金耐磨铸钢；
和/或所述自熔性合金粉末的粒度为80～270目；
和/或所述自熔性合金粉末由气雾法制备而成。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述回火的温度为250～500℃，回火的时间为4～10h。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对高锰钢基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性合金粉末中Cr 10～15％、Si 0.5～1.5％、C 0.5～0.8％、W 8～10％、B 0.5～2.0％、Mn 0.5～1.0％、Ni 0.5～1.0％、Mo 0.5～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在进行表面清洁后的基底工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得初成品；
4)将所述初成品在温度250～280℃的条件下回火5～6h，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述等离子喷焊的操作参数为：喷焊电流为190～210A，送粉流量为1.8～2.2kg/h，等离子气流为4.5～5.5L/min，喷枪行走速度为110～130mm/min，喷枪摆动幅度为9～11mm/道。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)对中碳低合金耐磨铸钢基底的工作面进行表面清洁预处理；
2)制备自熔性合金粉末，所述自熔性合金粉末中Cr 15～20％、Si 2.0～3.0％、C 2.0～3.5％、B 1.5～3.0％、Mn 0～1.0％、V 10～15％、Mo 0～1.0％、Fe补足100％；
3)通过等离子喷焊技术在所述预处理后的基底工作面的表面喷焊所述自熔性合金粉末，形成耐磨层，得初成品；
4)将所述初成品在温度350～400℃的条件下回火4～5h，得所述球磨机用高耐磨复合衬板。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述等离子喷焊的操作参数为：喷焊电流为210～230A，送粉流量为3.2～3.8kg/h，等离子气流为4.5～5.5L/min，喷枪行走速度为70～90mm/min，喷枪摆动幅度为9～11mm/道。
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