CN110759723A - 一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺，所述陶瓷辊由内至外包括辊核、耐磨层，所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 85~90份、碳化钨5~10份，ZrO22~4份；所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂55~60份、润滑填料52~58份、异氰酸树脂HDI三聚体N‑3390 40~45份、耐磨填料35~40份、助剂15~20份、溶剂适量。本发明所述的具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺，配方合理，生产工艺简单，成本低廉、产量大，制得的陶瓷辊具有更好的致密度、硬度、断裂韧性，耐磨性好，应用前景广泛。

Description

一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺
技术领域
本发明属于陶瓷辊技术领域，具体涉及一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺。
背景技术
随着工业技术的不断发展,生产设备的性能要求日益增强,传送带的应用也愈加广泛,传统输送带应用钢质托辊,其中磨损周期在3个月左右,辊子磨损后会产生毛刺对皮带造成严重损伤,甚至报废皮带,损失极大。自陶瓷辊的出现,改变了这一现状,陶瓷作为一种耐磨材料,极大延长了辊子的使用周期,只要轴承不损坏,陶瓷辊就可以正常工作,减少了更换辊子的频率,提高了生产效益。
陶瓷辊的耐磨性正在成为影响传送设备输送效率、输送质量、使用寿命的主要影响因素，由于磨损和腐蚀使陶瓷辊表面出现矩形沟槽或“V”型沟槽或腐蚀麻坑等缺陷，使其在传送时，会导致被传送物品表面出现微凸起、裂纹、单位长度质量增加等质量缺陷，不仅影响输送效率，同时影响被输送物品表面质量，严重时整台套设备生产线停产检修。结合上述要求，研发出高耐磨性的陶瓷辊，具有很好的研究和发展前景，可以解决陶瓷辊磨损所带来的一系列问题。
中国专利申请号为CN201410636259.5公开了一种耐高温腐蚀和耐磨损传送辊制造方法，由中碳钢辊子本体和金属陶瓷辊子工作面两种材料制造成型；辊子本体由中碳钢厚壁钢管与安装辊芯焊接而成，提供辊体转动、支撑、传送；金属陶瓷辊子工作面处于传送辊的两个端头，通过超音速火焰喷涂或超音速等离子喷涂成型；耐磨性还需要进一步提高。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺，配方合理，生产工艺简单，成本低廉、产量大，制得的陶瓷辊具有更好的致密度、硬度、断裂韧性，耐磨性好，应用前景广泛。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有高耐磨性的陶瓷辊，其特征在于，所述陶瓷辊由内至外包括辊核、耐磨层，所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 85～90份、碳化钨5～10份，ZrO22～4份；所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂55～60份、润滑填料52～58份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 40～45份、耐磨填料35～40份、助剂15～20份、溶剂适量。
本发明所述的具有高耐磨性的陶瓷辊，由内至外包括辊核、耐磨层。辊核由SiO2、碳化钨、ZrO2组成，碳化钨为为无粘结相硬质合金，具有极佳的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性和抛光性，同时集高硬度与优异的韧性于一身，ZrO2是一种耐高温氧化物，并且碳化钨硬质合金可以通过ZrO2相变增韧，加入SiO2使辊核具有更好的致密度、硬度、断裂韧性。耐磨层，选择有机硅改性聚酯树脂、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390为成膜树脂，兼具硬度与柔韧性，耐磨填料具有抗磨损的作用，润滑填料达到减小摩擦的效果，助剂使得耐磨层表面光滑平整，颜色均一，耐磨性能更加突显，溶剂能够使上述树脂、填料以及助剂极好地溶解和润湿。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊，所述碳化钨的平均粒度为400nm，所述ZrO2的平均粒度为40nm。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊，所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂。
耐磨层与其他物品表面接触，产生相对运动时因摩擦而使接触点处温度升高，高温会影响分子间的范德华力，导致分子间内聚能下降，表面材料抗剪切强度下降，加剧耐磨层的磨损，耐磨填料可以提供硬度和耐热性的作用，因此选用高硬度、高强度、耐热性好的填料SiC和氧化铝作为耐磨填料。润滑填料选择二硫化钼和石墨。二硫化钼分子是六角形层状结构，其分子排列是中间为钼原子，外层为硫原子，微观上，由于s原子在分子层之间的结合能力较弱，从而形成了分子层间易移动的润滑条件，这使得二硫化钼在涂膜中起到优良的润滑作用，从而使2个接触面满足良好的润滑要求，达到减小磨损与摩擦的效果。
助剂中的分散剂用于各组分的分散，并且可以降低黏度；消泡剂，可以使耐磨层在喷涂时快速脱泡和破泡；防沉剂和防流挂助剂，使耐磨层在喷涂时可以厚涂，并且不影响耐磨层的光泽；加入二月桂酸二丁基锡使耐磨层达到所需的干性和适用期；流平剂，可明显增进耐磨层的表面滑爽性，提高耐磨层的耐沾污性和耐磨性；紫外线吸收剂可以使耐磨层具有更好的耐候性。
本发明还涉及所述具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺，包括辊核的制备、耐磨层的喷涂；所述辊核的制备，包括以下步骤：
(1)球磨：按所述配方的质量份数制备复合粉体；将SiO2、碳化钨、ZrO2粉末放在真空球磨罐中湿磨38～40h，球磨介质为无水乙醇，每球磨1h暂停20min，球磨时转速设为160r/min；
(2)烧结：将球墨后的复合粉体进行干燥，将干燥好的复合粉体装入高强石墨模具中，烧结前预先加压，所述模具放入烧结腔内，施加30MPa轴向压力压紧，烧结时保持恒压；采用Ar气作为保护气；
(3)脱模、烘干：烧结结束后进行脱模、烘干处理。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述步骤(1)中的球磨选择YG6硬质合金球，球料比为10:1，其中大球直径为9mm，小球直径为5mm，大球、小球质量比为3:1。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述步骤(2)中，在复合粉体与上下压头之间以及所述模具内壁都垫上一层石墨纸。
为了防止碳化钨与石墨发生反应导致粘连不利于脱模，一定程度上破坏样品及模具，在粉末与上下压头之间，以及模具内壁都垫上一层石墨纸。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述步骤(2)中，烧结温度为1320～1350℃；在650℃以下时，升温速率为160℃/min，650℃到1200℃时，升温速率为100℃/min；然后2min内升温至所述烧结温度并保温5min。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述耐磨层的喷涂，包括以下步骤：
(1)耐磨涂料的制备：按照所述配方的质量份数制备耐磨涂料；
(2)喷涂：喷涂前，将所述辊核表面用丙酮溶液清洗干净，烘干后进行喷涂处理。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述喷涂处理是采用9M大气等离子喷涂设备，在所述辊核外壁表面喷涂所述耐磨涂料；喷涂过程中采用Ar和H2作为工作气体。
进一步的，上述的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，所述耐磨层的厚度为150～350μm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明公开的具有高耐磨性的陶瓷辊，配方合理，制得的陶瓷辊具有更好的致密度、硬度、断裂韧性，耐磨性好，应用前景广泛；
(3)本发明提出的具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，生产工艺简单且具有很高的灵活性，成本低廉、产量大，解决了生产过程中容易出现杂质、气孔、微裂纹以及表面粗糙度等问题。
具体实施方式
下面将结合实施例和具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种具有高耐磨性的陶瓷辊及其生产工艺，所述陶瓷辊由内至外包括辊核、耐磨层，所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 85～90份、碳化钨5～10份，ZrO22～4份；所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂55～60份、润滑填料52～58份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 40～45份、耐磨填料35～40份、助剂15～20份、溶剂适量。
进一步的，所述碳化钨的平均粒度为400nm，所述ZrO2的平均粒度为40nm。
进一步的，所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂。
实施例1
辊核的制备：
(1)配料：所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 90份、碳化钨10份，ZrO22份；
(2)球磨：将SiO2、碳化钨、ZrO2粉末放在真空球磨罐中湿磨40h，球磨介质为无水乙醇，每球磨1h暂停20min，球磨时转速设为160r/min，球磨转速较低是为了防止球磨过程中撞击产生的局部高能量致使ZrO2发生相变；球磨选择YG6硬质合金球，球料比为10:1，其中大球直径为9mm，小球直径为5mm，大球、小球质量比为3:1；
(3)烧结：将球墨后的复合粉体进行干燥，将干燥好的复合粉体装入高强石墨模具中，在复合粉体与上下压头之间以及所述模具内壁都垫上一层石墨纸；烧结前预先加压，所述模具放入烧结腔内，施加30MPa轴向压力压紧，烧结时保持恒压，烧结温度为1320℃；在650℃以下时，升温速率为160℃/min，650℃到1200℃时，升温速率为100℃/min；然后2min内升温至所述烧结温度并保温5min；采用Ar气作为保护气；
(4)脱模、烘干：烧结结束后进行脱模、烘干处理。
耐磨层的喷涂：
(1)耐磨涂料的制备：所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂60份、润滑填料58份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 40份、耐磨填料40份、助剂15份、溶剂适量。
所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂；按照所述配方的质量份数制备耐磨涂料；
(2)喷涂：喷涂前，将所述辊核表面用丙酮溶液清洗干净，烘干后进行喷涂处理。
实施例2
辊核的制备：
(1)配料：所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 85份、碳化钨10份，ZrO24份；
(2)球磨：将SiO2、碳化钨、ZrO2粉末放在真空球磨罐中湿磨40h，球磨介质为无水乙醇，每球磨1h暂停20min，球磨时转速设为160r/min，球磨转速较低是为了防止球磨过程中撞击产生的局部高能量致使ZrO2发生相变；球磨选择YG6硬质合金球，球料比为10:1，其中大球直径为9mm，小球直径为5mm，大球、小球质量比为3:1；
(3)烧结：将球墨后的复合粉体进行干燥，将干燥好的复合粉体装入高强石墨模具中，在复合粉体与上下压头之间以及所述模具内壁都垫上一层石墨纸；烧结前预先加压，所述模具放入烧结腔内，施加30MPa轴向压力压紧，烧结时保持恒压，烧结温度为1340℃；在650℃以下时，升温速率为160℃/min，650℃到1200℃时，升温速率为100℃/min；然后2min内升温至所述烧结温度并保温5min；采用Ar气作为保护气；
(4)脱模、烘干：烧结结束后进行脱模、烘干处理。
耐磨层的喷涂：
(3)耐磨涂料的制备：所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂55份、润滑填料55份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 45份、耐磨填料40份、助剂20份、溶剂适量。
所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂；按照所述配方的质量份数制备耐磨涂料；
(4)喷涂：喷涂前，将所述辊核表面用丙酮溶液清洗干净，烘干后进行喷涂处理。
实施例3
辊核的制备：
(1)配料：所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 88、碳化钨8份，ZrO2 4份；
(2)球磨：将SiO2、碳化钨、ZrO2粉末放在真空球磨罐中湿磨40h，球磨介质为无水乙醇，每球磨1h暂停20min，球磨时转速设为160r/min，球磨转速较低是为了防止球磨过程中撞击产生的局部高能量致使ZrO2发生相变；球磨选择YG6硬质合金球，球料比为10:1，其中大球直径为9mm，小球直径为5mm，大球、小球质量比为3:1；
(3)烧结：将球墨后的复合粉体进行干燥，将干燥好的复合粉体装入高强石墨模具中，在复合粉体与上下压头之间以及所述模具内壁都垫上一层石墨纸；烧结前预先加压，所述模具放入烧结腔内，施加30MPa轴向压力压紧，烧结时保持恒压，烧结温度为1350℃；在650℃以下时，升温速率为160℃/min，650℃到1200℃时，升温速率为100℃/min；然后2min内升温至所述烧结温度并保温5min；采用Ar气作为保护气；
(4)脱模、烘干：烧结结束后进行脱模、烘干处理。
耐磨层的喷涂：
(5)耐磨涂料的制备：所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂60份、润滑填料55份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 40份、耐磨填料35份、助剂20份、溶剂适量。
所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂；按照所述配方的质量份数制备耐磨涂料；
(6)喷涂：喷涂前，将所述辊核表面用丙酮溶液清洗干净，烘干后进行喷涂处理。
效果验证：
将上述实施例1、2、3得到的具有高耐磨性的陶瓷辊，制成陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3，再进行性能检测，测试结果见表1。
致密度测试：使用型号为ME204E的梅特勒托利多分析天平，采用阿基米德排水法测量由上述陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3的实际密度。测量密度之前要将陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3超声振荡清洗干净，然后在鼓风干燥箱中干燥24h。
硬度测试：测试硬度时使用HVS-5型数显小负荷维氏硬度计，载荷为49.03N，保荷时间为15s，维氏硬度计的压头是金刚石材质的正四棱锥形。每个陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3测量10个点，然后求取平均值。
断裂韧性：采用压痕法计算陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3的断裂韧性值，通过测量菱形压痕的裂纹长度，并代入相应的KIC计算公式，得到断裂韧性。
耐磨性测试：采用MFT-R400-往复式磨损试验机进行摩擦磨损实验，摩擦副为GCr15球，加载载荷为3N，磨痕长度为5mm，磨损时间为10min。采用WIVS型白光干涉三维轮廓测量仪观察磨痕三维形貌和磨痕横截面轮廓，测量磨痕的深度和宽度，计算出磨损体积以及比磨损率。
其他：陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3在湿热箱中放置30d，耐磨层表面不起泡；陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3在中性盐雾箱中放置7d，耐磨层表面不起泡，无变化；陶瓷辊试样1、陶瓷辊试样2、陶瓷辊试样3在耐紫外老化30d，耐磨层表面无粉化、保光率>i90％、△E≤3。
表1样品性能测试结果
Figure BDA0002282761120000111
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有高耐磨性的陶瓷辊，其特征在于，所述陶瓷辊由内至外包括辊核、耐磨层，所述辊核，按质量份数计，由以下组分构成：SiO2 85~90份、碳化钨5~10份，ZrO22~4份；所述耐磨层，按质量份数计，由以下组分构成：有机硅改性聚酯树脂55~60份、润滑填料52~58份、异氰酸树脂HDI三聚体N-3390 40~45份、耐磨填料35~40份、助剂15~20份、溶剂适量。
2.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的陶瓷辊，其特征在于，所述碳化钨的平均粒度为400nm，所述ZrO2的平均粒度为40nm。
3.根据权利要求1所述的具有高耐磨性的陶瓷辊，其特征在于，所述润滑填料为二硫化钼和石墨的混合物；耐磨填料为SiC和氧化铝的混合物；所述助剂包括分散剂、消泡剂、防沉剂、防流挂助剂、二月桂酸二丁基锡、流平剂、紫外线吸收剂。
4.根据权利要求1至3任一项所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，包括辊核的制备、耐磨层的喷涂；所述辊核的制备，包括以下步骤：
（1）球磨：按所述配方的质量份数制备碳化钨-ZrO2复合粉体；将SiO2 、碳化钨、ZrO2粉末放在真空球磨罐中湿磨 38~40h，球磨介质为无水乙醇，每球磨 1h 暂停 20min，球磨时转速设为 160r/min；
（2）烧结：将球墨后的复合粉体进行干燥，将干燥好的复合粉体装入高强石墨模具中，烧结前预先加压，所述模具放入烧结腔内，施加 30MPa 轴向压力压紧，烧结时保持恒压；采用 Ar 气作为保护气；
（3）脱模、烘干：烧结结束后进行脱模、烘干处理。
5.根据权利要求4所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述步骤（1）中的球磨选择YG6 硬质合金球，球料比为 10:1，其中大球直径为 9mm，小球直径为 5mm，大球、小球质量比为 3:1。
6.根据权利要求4所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，在复合粉体与上下压头之间以及所述模具内壁都垫上一层石墨纸。
7.根据权利要求4所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述步骤（2）中，烧结温度为 1320~1350℃；在650℃以下时，升温速率为 160℃/min， 650℃到1200℃时，升温速率为 100℃/min；然后 2min 内升温至所述烧结温度并保温 5min。
8.根据权利要求4所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述耐磨层的喷涂，包括以下步骤：
（1）耐磨涂料的制备：按照所述配方的质量份数制备耐磨涂料；
（2）喷涂：喷涂前，将所述辊核表面用丙酮溶液清洗干净，烘干后进行喷涂处理。
9.根据权利要求8所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述喷涂处理是采用9M大气等离子喷涂设备，在所述辊核外壁表面喷涂所述耐磨涂料；喷涂过程中采用Ar和H2作为工作气体。
10.根据权利要求9所述具有高耐磨性的陶瓷辊的生产工艺，其特征在于，所述耐磨层的厚度为150~350μm。
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