CN112872715B - 一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法及叶片 - Google Patents

一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法及叶片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其包括以下步骤：S1、叶片制作；S3、叶片预热；S4、在叶片两侧涂覆涂层；S5、对叶片进行保温；S6、加工安装叶片；S7、叶片端面涂层的制备；S8、叶片剩余部位进行手工等离子喷焊。本发明用低合金高强度钢板做叶片基板，粉末等离子喷焊FeCrNiWBSi合金，替代瑞典钢铁Hardox500钢板做的生活垃圾破碎机叶片，维护量由250小时维护一次，变成1200小时一次，每次维护仅需材料40公斤，其制作方法简单，使用寿命长，经济成本较低，能够节省大量资源及经济投入，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法及叶片
技术领域
本发明涉及耐磨涂层技术领域，特别是涉及一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法。
背景技术
水泥窑协同处置垃圾生活垃圾，是近十年来在我国兴起的一种处置生活垃圾的新方式。生活垃圾的破碎是其中的一个重要环节，生活垃圾破碎机是其重要设备之一。国内生活垃圾分类不完善，加剧了破碎机叶片的磨损速度。破碎机叶片不仅面对生活垃圾的磨料磨损，叶片刀尖部位还需面对不易破碎的金属、石块等的冲击磨损。
目前生活垃圾破碎机，主要采用欧美国家的设备，这些设备的叶片材质基本上是采用瑞典钢铁公司的Hardox焊达500钢板，厚度50-80mm。Hardox焊达500,50-80mm钢板化学成分％:C 0.30，Si 0.70，Mn 1.60，P 0.025，S0.010 Cr 1.50，Ni 1.50，Mo 0.60，B 0.004。Hardox焊达500钢板硬度：HBW450-540。
从2015年起，对Hardox焊达500钢板的生活垃圾破碎机叶片观察，如果连续处置8-10万吨生活垃圾，不进行维护，50mm的钢板减薄到20mm左右，基本上需要更换叶片。采用氧乙炔喷熔Ni60+35％Wc工艺，在Hardox焊达500材质的叶片上制备耐磨涂层。破碎机破碎生活垃圾15000吨时，检查叶片，刀尖部位涂层基本失效。
分析氧乙炔喷熔层失效原因，有如下几点：1.涂层与基体的结合方式为显微冶金结合，熔池深度不超过1mm；2.涂层厚度不超过2.5mm；3.在耐磨料磨损时，镍基自熔合金耐磨层不如高碳高铬铁基耐磨层。
发明内容
本发明的目的在于提供提供一种生活垃圾破碎机叶片用耐磨涂层及涂层涂覆方法，该涂层抗磨料磨损性能优异。
具体地，本发明提供一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其包括以下步骤：
S1、叶片制作：利用火焰将厚度为45mm的钢板切割为标准叶片形状；
S2、叶片的预处理：利用干式喷砂方法去除叶片表面氧化层；
S3、叶片预热：将叶片在等离子喷焊设备上进行定位，将火焰预热到150℃；
S4、在叶片两侧涂覆耐磨涂层：在叶片的正反两侧利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金，耐磨涂层厚度为3.5-4.5mm；
S5、对叶片进行保温：当叶片正反两面喷焊结束后，将叶片用石棉布进行包裹，保温缓冷，减少叶片裂纹倾向；
S6、加工安装叶片：利用线切割加工叶片内孔，并将叶片和间隔套安装在轴上；
S7、叶片端面耐磨涂层的制备：将刀轴安放在旋转装置上，旋转装置的转速为0.3r/s，在叶片端面利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金，耐磨涂层厚度为3.5-4.5mm；
S8、对叶片剩余部位进行手工等离子喷焊：对步骤S4和步骤S7未喷焊的部位，对剩余部分进行手工喷焊FeCrNiWBSi粉末合金，完成叶片的全部喷焊。
优选地，所述耐磨涂层的厚度为4mm。
优选地，步骤S1中切割参数具体为：氧气压力为0.8MPa，丙烷压力为1.2MPa，切割速度为0.2M/min，步骤S2中喷砂参数具体为：空气压力为0.7MPa，喷砂介质为棕刚玉，棕刚玉的粒度为16-60目，喷砂角度为70-80度，喷枪与叶片之间距离为250-300mm。
优选地，步骤S4和S7中，粉末合金粒度为80-180目，转移弧电流为280-300A，转移弧电压为36V，冷却水温为20-30℃，水压为0.4MPa，非转移弧电流为35-40A，送粉量为80-85g/min；离子气为0.8m3/h；送份气为0.6m3/h保护气为0.3m3/h；喷焊速度为0.4-0.45m/min；喷焊机的喷枪与叶片之间的距离为10-15mm；喷焊机的焊枪摆动频率为40-45次/min；摆幅为10mm。
优选地，步骤S8中，粉末合金粒度为160-220目；转移弧电流为180A；转移弧电压为25V；非转移弧电流为26A；送粉量为25g/min；离子气为0.6m3/h；送粉气为0.4m3/h；保护气为0.3m3/h；水压为0.4MPa；喷焊速度为0.2m/min；喷焊机的喷枪与工件距离为10-12mm。
优选地，本发明还提供一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片，其包括钢板以及涂覆在钢板外部的耐磨涂层，所述耐磨涂层的厚度为3-5mm。
优选地，所述耐磨涂层为FeCrNiWBSi粉末合金，所述钢板为Q420A低合金高强度钢板。
优选地，所述耐磨涂层为FeCrNiWBSi粉末合金，其包括碳颗粒、Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉，各化学成分的质量百分比为：C：3.5-4.0；Ni：4.0-6.0；Cr：28.0-32.0；B：1.5-2.0；Si：1.5-2.5；W：7.5-8.5；余量为Fe。
优选地，FeCrNiWBSi粉末合金涂层的制备方法，其包括以下步骤：
S1、混合粉末的制备：氩气氛围中采用行星式球磨机先对Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉进行均匀球混，酒精作为分散剂，磨球采用硬质合金球，球料比6:1，转速200-350r/min，球磨时间0.5-2h；随后加入碳颗粒，再以相同转速球磨1h；
S2、预压成型:将步骤S1的混合粉末在氩气氛围内烘干，并装入模具中预压成型，压力15-30MPa，保压时间10-30s，模具直径为30mm；
S3、放电等离子烧结工艺：烧结温度为850-1250℃，升温速率为40-100℃/min，烧结压力为30-50MPa，真空度15-40Pa，保温5-30min，氩气氛围内进行放电等离子烧结，得到烧结试件；
S4、将步骤S3制备的烧结试件进行表面抛光处理得到FeCrNiWBSi粉末合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明用低合金高强度钢板做叶片基板，粉末等离子喷焊FeCrNiWBSi合金，替代瑞典钢铁Hardox500钢板做的生活垃圾破碎机叶片，维护量由250小时维护一次，变成1200小时一次，每次维护仅需材料40公斤。其制作方法简单，经济成本较低，能够节省大量资源及经济投入，具有良好的经济效益和社会效益。
(2)本发明的涂层中弥散分布着大量Cr3C2硬质项，同时B与C、Cr生成碳化硼、CrB等硬质项。加入适量的Ni，能够减少开裂，W的加入，在涂层中生成WC、W2C等硬质项，此材料具有更优异的耐磨损性能，涂层方法制备简单。
附图说明
图1为本发明的耐磨涂层的微观结构示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
具体地，本发明提供一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其包括以下步骤：
S1、叶片制作：利用火焰将厚度为45mm的钢板切割为标准叶片形状；
S2、叶片的预处理：利用干式喷砂方法去除叶片表面氧化层；
S3、叶片预热：将叶片在等离子喷焊设备上进行定位，将火焰预热到150℃；
S4、在叶片两侧涂覆粉末合金涂层：在叶片的正反两侧利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金，涂层厚度为3.5-4.5mm；
S5、对叶片进行保温：当叶片正反两面喷焊结束后，将叶片用石棉布进行包裹，保温缓冷，减少叶片裂纹倾向；
S6、加工安装叶片：利用线切割加工叶片内孔，并将叶片和间隔套安装在轴上；
S7、叶片端面涂层的制备：将刀轴安放在旋转装置上，旋转装置的转速为0.3r/s，在叶片端面利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金，涂层厚度为3.5-4.5mm；
S8、对叶片剩余部位进行手工等离子喷焊：对步骤S4和步骤S7未喷焊的部位，对剩余部分进行手工喷焊，完成叶片的全部喷焊。
优选地，所述涂层为FeCrNiWBSi粉末合金，所述钢板为Q420A低合金高强度钢板。
优选地，本发明提供一种生活垃圾破碎机叶片用耐磨涂层，其为FeCrNiWBSi粉末合金，其包括碳颗粒、Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉，各化学成分的质量百分比为：C：3.5-4.0；Ni：4.0-6.0；Cr：28.0-32.0；B：1.5-2.0；Si：1.5-2.5；W：7.5-8.5；余量为Fe。
优选地，FeCrNiWBSi粉末合金，各成分的质量百分比为：C：3.5；Ni：4.5；Cr：28.0；B：1.5；Si：2.0；W：7.5；余量为Fe。
优选地，所述金属粉末均是纯度为99.5％的金属单质粉，目数为325-500目，碳颗粒的粒度为10nm。
优选地，本发明还提供一种FeCrNiWBSi粉末合金涂层的制备方法，其包括以下步骤：
S1、混合粉末的制备：氩气氛围中采用行星式球磨机先对Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉进行均匀球混，酒精作为分散剂，磨球采用硬质合金球，球料比6:1，转速200-350r/min，球磨时间0.5-2h；随后加入碳颗粒，再以相同转速球磨1h；
S2、预压成型:将步骤S1的混合粉末在氩气氛围内烘干，并装入模具中预压成型，压力15-30MPa，保压时间10-30s，模具直径为30mm；
S3、放电等离子烧结工艺：烧结温度为850-1250℃，升温速率为40-100℃/min，烧结压力为30-50MPa，真空度15-40Pa，保温5-30min，氩气氛围内进行放电等离子烧结，得到烧结试件；
S4、将步骤S3制备的烧结试件进行表面抛光处理得到FeCrNiWBSi粉末合金。
实施例一
(1)叶片制作：利用火焰对Q420钢板进行切割，钢板的厚度为45mm，切割参数具体为：氧气压力为0.8MPa，丙烷压力为1.2MPa，切割速度为0.2M/min。
(2)叶片预处理：干式喷砂，清除表面氧化层。喷砂参数具体为：空气压力为0.7MPa，喷砂介质为棕刚玉，棕刚玉的粒度为16-60目，喷砂角度为70-80度，喷枪与叶片之间距离为250-300mm。
(3)叶片在粉末等离子自动化设备安放好后，用烤枪进行预热，预热温度为150摄氏度。氧气压力为0.5MPA，乙炔压力为0.06MPa。
(4)叶片两侧粉末等离子自动化喷焊：喷焊设备为LU-F630-G500-CNC；粉末粒度为80-180目，转移弧电流为280-300A，转移弧电压为36V，冷却水温为20-30℃，水压为0.4MPa，非转移弧电流为35-40A，送粉量为80-85g/min；离子气为0.8m3/h；送份气为0.6m3/h保护气为0.3m3/h；喷焊速度为0.4-0.45m/min；喷枪与叶片之间的距离为10-15mm；焊枪摆动频率为40-45次/min；摆幅为10mm。
5)叶片加工安装：在叶片内孔中走丝线切割，钼丝的直径为0.16mm，脉冲宽度为80us。叶片内孔加工完后，与已加工完的间隔套一起安装，叶片加热到260摄氏度-280摄氏度，开始安装到刀轴上。间隔套加热到130摄氏度即可安装到刀轴上。
(6)叶片端面粉末等离子自动化喷焊：喷焊设备为LU-F630-G500-CNC；粉末粒度为80-180目，转移弧电流为280-300A，转移弧电压为36V，冷却水温为20-30℃，水压为0.4MPa，非转移弧电流为35-40A，送粉量为80-85g/min；离子气为0.8m3/h；送份气为0.6m3/h保护气为0.3m3/h；喷焊速度为0.4-0.45m/min；喷枪与叶片之间的距离为10-15mm；焊枪摆动频率为40-45次/min；摆幅为10mm。
(7)自动化喷焊不能达到的地方，采用粉末等离子手工喷焊，喷焊设备名称为PAT-F400-HG2；粉末粒度为160-220目；转移弧电流为180A；转移弧电压为25V；非转移弧电流为26A；送粉量为25g/min；离子气为0.6m3/h；送粉气为0.4m3/h；保护气为0.3m3/h；水压为0.4MPa；喷焊速度为0.2m/min；喷枪与工件距离为10-12mm。
本专利的方法利用高强度板做基板，用硬质合金粉末做涂层，替代焊达500板，寿命能够增加4-5倍。本发明在45mm高强度板上，等离子喷焊FeCrNiWBSi粉末，涂层厚度为4mm，叶片厚度为53mm，在破碎生活垃圾6万吨后，对刀片进行检测，厚度为50-51mm。
而采用常规的焊达500钢板做成的叶片，在破碎6万吨生活垃圾后，对刀片进行检测，厚度为34-38mm。上述结果说明本专利的方法相比于现有的采用普通焊达500钢板，使用寿命能够延长数倍，并且利用本专利的高强度板喷覆涂层的方法制造叶片的成本也比焊达500钢板的成本低，单纯的高强度板的价格仅仅是普通焊达500钢板的四分之一。高强板加上涂层的成本，和焊达板成本较为结近，但寿命优势非常明显。
另外在制作耐磨涂层时，耐磨涂层的厚度也是非常重要的。耐磨涂层厚度，如果不是做梯度涂层，耐磨层厚度不宜超过两层，即耐磨层厚度不超过8mm。耐磨层厚度若小于3mm，则长期耐磨效果优势体现不明显。
合金粉末制备实施例
实施例1
FeCrNiWBSi粉末合金各成分的质量百分比为：C：3.5；Ni：4.5；Cr：28.0；B：1.5；Si：2.0；W：7.5；余量为Fe。在氩气氛围中采用行星式球磨机对其进行均匀球混，加入酒精作为分散剂，磨球采用硬质合金球，球料比6:1，转速350r/min，球磨时间50min；随后加入粒度为20μm的TiC0.4粉、200目的Ti3SiC2的颗粒、10nm的圆碳葱，再以相同转速球磨1h，制得混合粉末；将混合粉末在氩气氛围内烘干，并装入直径为30mm的模具中预压成型，压力15MPa，保压时间10s；然后将其放入炉中氩气氛围内进行SPS烧结，烧结温度为1000℃，升温速率为80℃/min，烧结压力为30MPa，真空度40Pa，保温20min，得到试件；将上述制备的毛坯试件进行表面抛光处理得到FeCrNiWBSi粉末合金。
本专利的耐磨涂层中大量的高铬硬质相，及其他碳化物硬质相，对于磨料磨损的工况下，有着优良的抗磨性能，其微观结构图如图1所示。
其相对于普通焊达500钢板，相同厚度的涂层，在低应力磨料磨损的概况下，耐磨性是焊达500钢板的4-5倍，因此使用寿命能够大大提升。
本发明用低合金高强度钢板做叶片基板，粉末等离子喷焊FeCrNiWBSi合金，替代瑞典钢铁Hardox500钢板做的生活垃圾破碎机叶片，维护量由250小时维护一次，变成1200小时一次，每次维护仅需40公斤材料。在使用过程中最长的一次，叶片破碎量达30万吨，返厂维修一次后，处置生活垃圾10万吨，再次返厂更换两个叶片后，处置垃圾超过12万吨。其制作方法简单，经济成本较低，能够节省大量资源及经济投入，具有良好的经济效益和社会效益。
上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、叶片制作：利用火焰将厚度为45mm的钢板切割为标准叶片形状；
S2、叶片的预处理：利用干式喷砂方法去除叶片表面氧化层；
S3、叶片预热：将叶片在等离子喷焊设备上进行定位，将火焰预热到150℃；
S4、在叶片两侧涂覆耐磨涂层：在叶片的正反两侧利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金的耐磨涂层，耐磨涂层厚度为3.5-4.5mm；
S5、对叶片进行保温：当叶片正反两侧喷焊结束后，将叶片用石棉布进行包裹，保温缓冷，减少叶片裂纹倾向；
S6、加工安装叶片：利用线切割加工叶片内孔，并将叶片和间隔套安装在轴上；
S7、叶片端面耐磨涂层的制备：将刀轴安放在旋转装置上，旋转装置的转速为0.3r/s，在叶片端面利用粉末等离子喷焊机进行半自动化喷焊FeCrNiWBSi粉末合金的耐磨涂层，耐磨涂层厚度为3.5-4.5mm；
S8、对叶片剩余部位进行手工等离子喷焊：对步骤S4和步骤S7未喷焊的部位，对剩余部分进行手工喷焊FeCrNiWBSi粉末合金的耐磨涂层，完成叶片的全部喷焊；
所述耐磨涂层为FeCrNiWBSi粉末合金，所述钢板为Q420A低合金高强度钢板，FeCrNiWBSi粉末合金包括碳颗粒、Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉，各化学成分的质量百分比为：C：3.5-4.0；Ni：4.0-6.0；Cr：28.0-32.0；B：1.5-2.0；Si：1.5-2.5；W：7.5-8.5；余量为Fe；涂层中弥散分布着大量Cr3C2硬质项和碳化物合金，同时B与C、Cr生成碳化硼、CrB硬质项。
2.根据权利要求1所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其特征在于：所述耐磨涂层的厚度为4mm。
3.根据权利要求1所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其特征在于：步骤S1中火焰切割参数具体为：氧气压力为0.8MPa，丙烷压力为1.2MPa，切割速度为0.2M/min，步骤S2中喷砂参数具体为：空气压力为0.7MPa，喷砂介质为棕刚玉，棕刚玉的粒度为16-60目，喷砂角度为70-80度，喷枪与叶片之间距离为250-300mm。
4.根据权利要求1所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其特征在于：步骤S4和S7中，粉末合金粒度为80-180目，转移弧电流为280-300A，转移弧电压为36V，冷却水温为20-30℃，水压为0.4MPa，非转移弧电流为35-40A，送粉量为80-85g/min；离子气为0.8m3/h；送份气为0.6m3/h保护气为0.3m3/h；喷焊速度为0.4-0.45m/min；喷焊机的喷枪与叶片之间的距离为10-15mm；喷焊机的焊枪摆动频率为40-45次/min；摆幅为10mm。
5.根据权利要求1所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法，其特征在于：步骤S8中，粉末合金粒度为160-220目；转移弧电流为180A；转移弧电压为25V；非转移弧电流为26A；送粉量为25g/min；离子气为0.6m3/h；送粉气为0.4m3/h；保护气为0.3m3/h；水压为0.4MPa；喷焊速度为0.2m/min；喷焊机的喷枪与工件距离为10-12mm。
6.一种利用权利要求1所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片制备方法制备的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片，其包括钢板以及涂覆在钢板外部的耐磨涂层，所述耐磨涂层的厚度为3-5mm。
7.根据权利要求6 所述的具有耐磨涂层的生活垃圾破碎机叶片，其特征在于：FeCrNiWBSi粉末合金涂层的制备方法包括以下步骤：
S1、混合粉末的制备：氩气氛围中采用行星式球磨机先对Cr粉、Ni粉、W粉、B粉、Si粉以及Fe粉进行均匀球混，酒精作为分散剂，磨球采用硬质合金球，球料比6:1，转速为200-350r/min，球磨时间为0.5-2h；随后加入碳颗粒，再以相同转速球磨1h；
S2、预压成型:将步骤S1的混合粉末在氩气氛围内烘干，并装入模具中预压成型，压力15-30MPa，保压时间10-30s，模具直径为30mm；
S3、放电等离子烧结工艺：烧结温度为850-1250℃，升温速率为40-100℃/min，烧结压力为30-50MPa，真空度15-40Pa，保温5-30min，氩气氛围内进行放电等离子烧结，得到烧结试件；
S4、将步骤S3制备的烧结试件进行表面抛光处理得到FeCrNiWBSi粉末合金。
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