CN111961942B - 一种耐磨材料、制备方法及应用 - Google Patents

一种耐磨材料、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种耐磨材料、制备方法及应用，包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末20‑25%，Mo‑B粉末40‑60%，金属Co粉末5‑10%，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe。本发明采用新型陶瓷耐磨粉末材料制备纳米金属陶瓷涂层，有助于解决目前滚刀刀圈耐磨性差、经常崩刃、卷刃、异常磨损等失效问题以及不耐磨导致寿命短频繁更换等问题，采用新型金属陶瓷粉末材料制备纳米陶瓷粉末耐磨涂层，涂层与刀圈基体结合强度高、致密性良好、孔隙率低、硬度高、耐磨性好，大大降低滚刀刀圈不耐磨带来的频繁停机换刀等问题，为隧道高效施工、高效掘进提供强有力的支持与保障。

Description

一种耐磨材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及滚刀制造领域，具体涉及一种耐磨材料、制备方法及应用。
背景技术
盘形滚刀作为盾构/TBM的“牙齿”，主要靠滚刀挤压岩石达到破碎岩石的目的，滚刀在挤压破岩的过程中由于受到掌子面不同强度岩石的挤压承载着较大的交变载荷，当滚刀遇到孤石、上软下硬地层岩石时会承载较大的冲击载荷，传统滚刀往往出现刀圈崩刃、断裂等失效破坏.目前，通常采取在滚刀表面熔覆碳化钨颗粒的方法增加滚刀耐磨性，但是当滚刀遇上石英含量较高的花岗岩或磨蚀性较强的玄武岩等岩体时，滚刀碳化钨熔覆层易出现耐磨性差、掘进历程短导致的设备停机换刀频繁等问题，带来较大的经济损失。
发明内容
本发明提出了一种耐磨材料、制备方法及应用，解决了目前滚刀不耐磨、韧性差易崩刃、断裂等问题。
实现本发明的技术方案是：
一种耐磨材料，包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末20-25%，Mo-B粉末40-60%，金属Co粉末5-10%，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe。
所述陶瓷碳化钨粉末的粒度为30-40μm，Mo-B粉末的粒度为35-50μm。
Mo-B粉末的制备方法如下：
步骤一：将盛有Mo粉的金属干锅放置于氢气还原炉中，在800-1300℃条件下进行还原，得到Mo粉；
步骤二：将盛有B粉的石墨干锅放置于氢气还原炉中，在900-1400℃条件下进行还原，得到B粉；按照Mo和B摩尔比为2:1进行配比，分别取步骤一中制得的Mo粉和步骤二中制得的B粉加入到搅拌磨罐中，进行搅拌磨100-120h，转速为400-800r/min，得出所需的Mo-B混合粉末；
步骤三：将步骤二的Mo-B混合粉末放入真空干燥箱中烘干，烘干温度50-100℃，烘干时间3-5h，烘干后将材料置于真空炉内进行烧结，烧结温度为1500-2500℃，烧结时间6-15h，得到硼化钼颗粒；
步骤四：对烧结后粒度不均的硼化钼颗粒进行粉碎，进行粒度筛选及分类，得出一定配比的Mo-B粉末。
所述的耐磨材料作为盾构滚刀刀圈耐磨涂层材料的应用。
具体应用步骤如下：
（1）将Mo-B粉末烘干脱水处理；
将一定配比的Mo-B粉末放入真空干燥箱中烘干，设定烘干温度80-120℃，烘干时间1-1.5h；（2）利用三维混粉机对陶瓷碳化钨粉末、Mo-B粉末、金属Co粉末、Fe粉进行混粉处理；
（3）对混合后的粉末进行搅拌磨处理；
混合后的粉末进行搅拌磨机研磨，搅拌磨6-10h，得到粉末粒度大小均一的产品
（4）对搅拌磨后的材料进行预处理；
预处理的具体过程为：对混粉后不同配方的金属陶瓷粉末放入真空干燥箱中烘干，设定烘干温度80-120℃，烘干时间2-3h；
（5）对滚刀刀圈进行模锻、开孔、碾环处理；
使滚刀刀圈钢锭钢圈加热到一定温度，把横截面较小的坯料反复锻打得到横截面较大的锻件，提高锻件的横向力学性能并减少工件的各向异性，反复的镦粗和拔长有利于打碎钢件中的碳化物，减少疏松等缺陷，优化微观组织结构，保存完整的金属流线；对锻造后的刀圈开孔、碾环处理采用双导向辊卧式轧环机，对锻打后的刀圈进行碾环加工处理，刀圈毛坯初步成型；
（6）对刀圈毛坯进行粗加工、调质热处理；
对毛坯刀圈进行粗加工，对粗加工后的刀圈光圈进行真空热处理，具体工艺为1040-1070℃保温3小时后油淬，后进行500-550℃的三次高温回火处理；
（7）对热处理后的刀圈刃部进行喷砂处理；
具体过程为：对刀圈刃部部位进行喷砂处理，去除表面氧化皮、杂质及表面腐蚀物等，增加表面比表面积，利于粉末的熔覆与堆积，增强粉末与基体的结合强度；
（8）采用等离子熔覆工艺对刀圈刃口部位进行耐磨层的制备；
具体过程为：采用等离子熔覆设备，对刀圈刃部位置进行金属陶瓷粉末的熔覆，制备金属陶瓷耐磨涂层，等离子熔覆工艺的工艺参数为：工作电流130-180A，扫描速度150-250mm/min，喷嘴距工件距离10-15mm，涂层厚度2-3mm，结合强度＞600MPa，大大提升滚刀刀具耐磨性能，提高使用寿命；
（9）采用等离子熔覆工艺对制备的耐磨层表面继续熔覆WC大颗粒；
具体过程为：对熔覆层继续进行大颗粒碳化钨WC的熔覆，使WC颗粒均匀分布在熔覆层上，进一步增加熔覆层的耐磨性。
本发明的有益效果是：
1）本发明采用搅拌磨制备原料细粉，与传统研磨设备相比，搅拌磨能量密度高，所得粉末颗粒细小，粒度分布窄，所需能量少。
2）本发明采用等离子熔覆工艺开发一种纳米金属陶瓷配比硼化钼Mo-B粉末，并应用于盾构滚刀刀圈。所得熔覆层厚度均匀，与基体的结合能力强。所用工艺简单，效率高。
3）硼化钼金属陶瓷具有很高的硬度和耐磨性，以及较低的相对摩擦系数，可以起到减摩作用。采用新型金属陶瓷粉末材料制备纳米陶瓷粉末耐磨涂层，涂层与刀圈基体结合强度高、致密性良好、孔隙率低、硬度高、耐磨性好，大大降低滚刀刀圈不耐磨带来的频繁停机换刀等问题，为隧道高效施工、高效掘进提供强有力的支持与保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明滚刀刀圈剖面图。
图2为滚刀刀圈侧视图。
其中101: 耐磨层，102: 滚刀刀圈钢圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种耐磨材料粉末，包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末20%，Mo-B粉末60%，金属Co粉末5%，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe。陶瓷碳化钨粉末的粒度为30μm，Mo-B粉末的粒度为35μm。
其中Mo-B粉末的制备如下：
步骤一：将Mo粉和B粉分别置于氢气还原炉中还原，得到还原Mo粉和还原B粉；Mo粉的还原温度为1100℃，B粉的还原温度为1200℃；
步骤二：将还原Mo粉和还原B粉按照摩尔比为2:1加入到搅拌磨罐中进行搅拌磨料，得到Mo-B混合粉末；搅拌磨料的时间为100h，转速为800r/min；
步骤三：将Mo-B混合粉末放入真空干燥箱中烘干，烘干温度50℃，烘干时间5h，烘干后将材料置于真空炉内进行烧结，得到硼化钼颗粒；烧结温度为1500℃，烧结时间15h；
步骤四：将硼化钼颗粒粉碎、筛选，得到Mo-B粉末；
将Mo-B粉末烘干脱水处理，烘干温度100℃，烘干时间1.2h。
耐磨材料在盾构滚刀刀圈耐磨涂层材料的应用，具体如下：
（1）利用三维混粉机对陶瓷碳化钨粉末、Mo-B粉末、Co粉末和Fe粉进行混粉处理；
（2）对混合后的粉末进行搅拌磨处理10h；
（3）对搅拌磨后的材料进行预处理；将混粉后的材料放入真空干燥箱中烘干，烘干温度100℃，烘干时间2.5h；
（4）对滚刀刀圈进行模锻、开孔、碾环处理；
（5）对刀圈毛坯进行粗加工、调质热处理；热处理工艺为1040℃保温3小时后油淬，之后进行550℃的三次高温回火处理；
（6）对热处理后的刀圈刃部进行喷砂处理；
具体过程为：对刀圈刃部部位进行喷砂处理，去除表面氧化皮、杂质及表面腐蚀物等，增加表面比表面积，利于粉末的熔覆与堆积，增强粉末与基体的结合强度；
（7）采用等离子熔覆工艺对刀圈刃口部位进行耐磨层的制备；等离子熔覆工艺的工艺参数为：工作电流130A，扫描速度150mm/min，喷嘴距工件距离10mm，耐磨层的厚度2-3mm，结合强度＞600MPa；
（8）采用等离子熔覆工艺对制备的耐磨层表面继续熔覆WC大颗粒，使WC颗粒均匀分布在熔覆层上，进一步增加熔覆层的耐磨性。
实施例2
一种耐磨材料粉末，包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末22%，Mo-B粉末50%，金属Co粉末8%，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe。陶瓷碳化钨粉末的粒度为35μm，Mo-B粉末的粒度为40μm。
其中Mo-B粉末的制备如下：
步骤一：将Mo粉和B粉分别置于氢气还原炉中还原，得到还原Mo粉和还原B粉；Mo粉的还原温度为1300℃，B粉的还原温度为1400℃；
步骤二：将还原Mo粉和还原B粉按照摩尔比为2:1加入到搅拌磨罐中进行搅拌磨料，得到Mo-B混合粉末；搅拌磨料的时间为110h，转速为600r/min；
步骤三：将Mo-B混合粉末放入真空干燥箱中烘干，烘干温度80℃，烘干时间4h，烘干后将材料置于真空炉内进行烧结，得到硼化钼颗粒；烧结温度为2000℃，烧结时间10h；
步骤四：将硼化钼颗粒粉碎、筛选，得到Mo-B粉末；
将Mo-B粉末烘干脱水处理，烘干温度80℃，烘干时间1.5h。
耐磨材料在盾构滚刀刀圈耐磨涂层材料的应用，具体如下：
（1）利用三维混粉机对陶瓷碳化钨粉末、Mo-B粉末、Co粉末、Fe粉进行混粉处理；
（2）对混合后的粉末进行搅拌磨处理6h；
（3）对搅拌磨后的材料进行预处理；将混粉后的材料放入真空干燥箱中烘干，烘干温度80℃，烘干时间3h；
（4）对滚刀刀圈进行模锻、开孔、碾环处理；
使滚刀刀圈钢锭钢圈102加热到一定温度，把横截面较小的坯料反复锻打得到横截面较大的锻件，提高锻件的横向力学性能并减少工件的各向异性，反复的镦粗和拔长有利于打碎钢件中的碳化物，减少疏松等缺陷，优化微观组织结构，保存完整的金属流线；对锻造后的刀圈开孔、碾环处理采用双导向辊卧式轧环机，对锻打后的刀圈进行碾环加工处理，刀圈毛坯初步成型；
（5）对刀圈毛坯进行粗加工、调质热处理；热处理工艺为1050℃保温3小时后油淬，之后进行500℃的三次高温回火处理；
（6）对热处理后的刀圈刃部进行喷砂处理，主要是对刀圈刃部部位进行喷砂处理，去除表面氧化皮、杂质及表面腐蚀物等，增加表面比表面积，利于粉末的熔覆与堆积，增强粉末与基体的结合强度；
（7）采用等离子熔覆工艺对刀圈刃口部位进行耐磨层101的制备；等离子熔覆工艺的工艺参数为：工作电流180A，扫描速度200mm/min，喷嘴距工件距离12mm，耐磨层的厚度2-3mm，结合强度＞600MPa；
（8）采用等离子熔覆工艺对制备的耐磨层表面继续熔覆WC大颗粒，使WC颗粒均匀分布在熔覆层上，进一步增加熔覆层的耐磨性。
实施例3
一种耐磨材料粉末，包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末25%，Mo-B粉末40%，金属Co粉末10%，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe。陶瓷碳化钨粉末的粒度为40μm，Mo-B粉末的粒度为50μm。
其中Mo-B粉末的制备如下：
步骤一：将Mo粉和B粉分别置于氢气还原炉中还原，得到还原Mo粉和还原B粉；Mo粉的还原温度为800℃，B粉的还原温度为900℃；
步骤二：将还原Mo粉和还原B粉按照摩尔比为2:1加入到搅拌磨罐中进行搅拌磨料，得到Mo-B混合粉末；搅拌磨料的时间为120h，转速为400r/min；
步骤三：将Mo-B混合粉末放入真空干燥箱中烘干，烘干温度100℃，烘干时间3h，烘干后将材料置于真空炉内进行烧结，得到硼化钼颗粒；烧结温度为2500℃，烧结时间6h；
步骤四：将硼化钼颗粒粉碎、筛选，得到Mo-B粉末；
将Mo-B粉末烘干脱水处理，烘干温度120℃，烘干时间1h。
耐磨材料在盾构滚刀刀圈耐磨涂层材料的应用，具体如下：
（1）利用三维混粉机对陶瓷碳化钨粉末、Mo-B粉末、Co粉末、Fe粉进行混粉处理；
（2）对混合后的粉末进行搅拌磨处理6h；
（3）对搅拌磨后的材料进行预处理；将混粉后的材料放入真空干燥箱中烘干，烘干温度120℃，烘干时间2h；
（4）对滚刀刀圈进行模锻、开孔、碾环处理；
（5）对刀圈毛坯进行粗加工、调质热处理；热处理工艺为1070℃保温3小时后油淬，之后进行530℃的三次高温回火处理；
（6）对热处理后的刀圈刃部进行喷砂处理；
（7）采用等离子熔覆工艺对刀圈刃口部位进行耐磨层的制备；等离子熔覆工艺的工艺参数为：工作电流150A，扫描速度250mm/min，喷嘴距工件距离15mm，耐磨层的厚度2-3mm，结合强度＞600MPa；
（8）采用等离子熔覆工艺对制备的耐磨层表面继续熔覆WC大颗粒。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐磨材料，其特征在于包括以下质量百分比的组分：陶瓷碳化钨粉末20-25%，硼化钼粉末40-60％，金属Co粉末5-10％，碳化钨大颗粒4%，余量为Fe；
所述的耐磨材料作为盾构滚刀刀圈耐磨涂层材料，具体步骤如下：
（1）将硼化钼粉末烘干脱水处理；
（2）对陶瓷碳化钨粉末、硼化钼粉末、金属Co粉末、Fe粉进行混粉处理；
（3）对混合后的粉末进行搅拌磨处理；
（4）对搅拌磨后的材料进行预处理；
（5）对滚刀刀圈进行模锻、开孔、碾环处理；
（6）对刀圈毛坯进行粗加工、调质热处理；
（7）对热处理后的刀圈刃部进行喷砂处理；
（8）采用等离子熔覆工艺对刀圈刃口部位进行耐磨层的制备；
（9）采用等离子熔覆工艺对制备的耐磨层表面继续熔覆碳化钨大颗粒。
2.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于：所述陶瓷碳化钨粉末的粒度为30-40μm，硼化钼粉末的粒度为35-50μm。
3.根据权利要求1或2所述的耐磨材料，其特征在于，硼化钼粉末的制备方法如下：
步骤一：将Mo粉和B粉分别置于氢气还原炉中还原，得到还原Mo粉和还原B粉；
步骤二：将还原Mo粉和还原B粉加入到搅拌磨罐中进行搅拌磨料，得到Mo-B混合粉末；
步骤三：将步骤二的Mo-B混合粉末放入真空干燥箱中烘干，烘干后将材料置于真空炉内进行烧结，得到硼化钼颗粒；
步骤四：将硼化钼颗粒粉碎、筛选，得到硼化钼粉末。
4.根据权利要求3所述的耐磨材料，其特征在于，步骤一中Mo粉的还原温度为800-1300℃，B粉的还原温度为900-1400℃；步骤二中搅拌磨料的时间为100-120h，转速为400-800r/min。
5.根据权利要求3所述的耐磨材料，其特征在于，步骤三中烧结温度为1500-2500℃，烧结时间6-15h。
6.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于：所述步骤（6）中热处理工艺为1040-1070℃保温3小时后油淬，之后进行500-550℃的三次高温回火处理。
7.根据权利要求1所述的耐磨材料，其特征在于：所述步骤（8）中等离子熔覆工艺的工艺参数为：工作电流130-180A，扫描速度150-250mm/min，喷嘴距工件距离10-15mm，耐磨层的厚度2-3mm，结合强度＞600MPa。
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