CN100482350C - 碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊及其制备工艺，该耐磨磨辊由母体(1)、复合层(2)和外钢圈(3)三部分组成，复合层(2)由镍基合金和铸造WC颗粒烧结而成，其中镍基合金粉的组成，按质量百分比C：0.7～0.8，Si：3.5～4.5%，B：2.8～3.6%，Cr：11～14%，Fe：35～40%，其余为Ni，镍基合金粉的粒度在105～140微米之间，碳化钨的粒度按体积百分比1～1.5mm∶30～40%，0.5～1mm∶25～35%，0.3～0.5mm∶25～35%。本发明具有在有冲击和载荷下的耐磨性，能使其硬度和韧性均高于高铬铸铁铸造和合金焊丝堆焊的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊，这种磨辊主要用于电力，水泥等行业的中速磨机上。

Description

碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊及其制备工艺

技术领域

本发明涉及一种复合材料耐磨磨辊，特别涉及一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊，本发明用于冶金，电力，矿山，建材等行业的各种中速磨粉机的磨辊，特别适合于火力发电厂，处于冲击环境下的中速磨辊，本发明还涉及该耐磨磨辊的制备方法，并且这种制备方法亦可用于其他耐磨件的制备。

背景技术

在煤炭、冶金、矿山、电力、建材、耐火材料、能源等行业，制粉***使用大量的磨辊，它作为主要的磨损件。它运行情况的好坏，一定程度上决定了企业的经济效益。本发明主要针对火力发电厂的中速磨煤机的磨辊而进行研发的，目前火力发电厂所用的磨辊主要为整体铸造的高铬铸铁。随焊接技术的提高，当高铬铸铁磨损后在其上面反复堆焊耐磨合金层，来提高磨辊的使用寿命。目前磨辊的材质主要是高铬铸铁，采用整体铸造工艺铸出的毛坯，对后续的机械加工过程中遇到了许多困难，人们往往为了满足易于加工的性能，常降低铬的含量，但铬含量降低后，其硬度和耐磨性变差，这样出现了磨辊的耐磨性和机械加工性能这一对矛盾。同时高铬铸铁的脆性决定其抗冲击性能差，铬含量越高，耐磨性越好，脆性越大，铬含量越低，耐磨性越差，韧性越好，这样又出现了抗冲击性和耐磨性的矛盾。通常磨粉***的磨辊均处在一定的冲击力下运行，加之我国火电厂，使用的煤质差别较大，造成磨辊往往达不到设计的寿命就失效，同时整体铸造的高铬铸铁磨辊，其机械加工性能较差，不利于后续处理。堆焊虽然能提高使用寿命，但堆焊设备昂贵，堆焊一次，其寿命增加不大，同时电厂磨辊频繁的更换需要停机，造成了极大的经济损失。本发明主要目的是利用颗粒增强金属基复合材料的原理提高火力发电厂中速磨辊的耐磨性，同时要其具备较好的机械加工性能，从而达到延长其使用寿命的目的。选用具有较高硬度的铸造WC颗粒为增强相，和具有一定韧性的镍基合金为基体，将WC颗粒熔渗于中镍基合金中，形成颗粒增强金属基复合材料。在磨损过程中，当表层的合金磨损后，增强颗粒WC暴露出来，它的高弹性模量、高显微硬度、高抗拉强度，以及与合金材料较好的韧性，使复合层具有较好耐磨性以及抗冲击磨损的性质。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种增强磨辊在有冲击和载荷下的耐磨性，使其硬度和韧性均高于高铬铸铁铸造和合金焊丝堆焊的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊，这种磨辊主要用于电力，水泥等行业的中速磨机上。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：该耐磨磨辊由母体(1)、复合层(2)和外钢圈(3)三部分组成，复合层(2)由镍基合金和铸造WC颗粒烧结而成，其中镍基合金粉的组成，质量百分比C:0.7～0.8％，Si：3.5～4.5％，B：2.8～3.6％，Cr：11～14％，Fe：35～40％，其余为Ni，镍基合金粉的粒度在105～140微米之间，碳化钨的粒度按体积百分比1～1.5mm:30～40％，0.5～1mm：25～35％，0.3～0.5mm：25～35％；所述镍基合金与铸造WC颗粒的体积比为2～3：1。

所述复合层(2)厚度为5～6mm。

本发明解决的另一个技术问题是，提供一种制备该磨辊的制备方法，它包括以下步骤：

步骤1：铸造普通碳钢的磨辊毛坯，机械加工后，得到母体(1)，对母体(1)表面前期处理；

步骤2：用普通碳钢卷制成外钢圈(3)，将外钢圈(3)焊接在母体(1)上，得到空腔(2)；

步骤3：将体积比为2～3：1镍基合金粉和铸造WC混合并球磨，然后注入到步骤2的空腔(2)内，并将其夯实，用钢板(4)焊接成封闭体；

其中：镍基合金粉的组成，质量百分比C:0.7～0.8％，Si：3.5～4.5％，B：2.8～3.6％，Cr：11～14％，Fe：35～40％，其余为Ni，镍基合金粉的粒度在105～140微米之间，碳化钨的粒度按体积百分比1～1.5mm:30～40％；0.5～1mm：25～35％；0.3～0.5mm：25～35％。

步骤4：将整个磨辊倾斜一定角度，使磨辊一个侧面处于水平位置，与感应器(6)平行，在抽真空(5)状态下，磨辊绕轴(7)以90～100mm/min速度旋转，同时感应加热；绕轴(7)旋转一周后，停止加热和旋转，冷却至室温，即得到复合磨辊。

步骤1采用钢球对母体(1)表面进行喷丸前期处理。

步骤2空腔(2)厚度为5～6mm。

步骤4抽真空(5)到2～5×10^-1Pa。

步骤4采用板式感应加热器(6)。

感应频率为6500～7000Hz，加热功率为165～180Kw/h。

步骤4是倾斜后的磨辊，在感应加热时，磨辊表面与感应加热器(6)的距离大约3mm。

本发明具有以下优点：

1，、本发明充分发挥了WC抗磨颗粒与基体的良好润湿性的特点，故能够达到冶金结合的效果，所得复合层具有较高的耐磨性和较好的韧性及塑性特点，使中速磨辊的抗冲击、耐磨性提高许多。

2本发明母材采用廉价的铸钢材料，不但成本较低，而且能保证较好的机加工性能。

3本发明基体选用镍基合金粉，属于标准粉末，市场上易于得到。

4本发明所需设备主要是一台感应加热设备和一台真空泵，尤其适合中小企业生产。

5本发明生产的复合磨辊，复合体的宏观硬度达到HRC58～62。抗拉强度>200Nmm^-2，合金与颗粒以及母材间的均结合强度>500Nmm^-2.经试运行，结果表明：在同样磨损厚度的情况下使用寿命为普通高铬铸铁的5～7倍，为堆焊层的3～5倍。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

图1是复合磨辊母体图；

图2是复合磨辊的焊接图；

图3是复合磨辊烧结前的图；

图4是烧结时的图；

图5为复合磨辊的成品图；

图6为本发明工艺流程。

具体实施方式

发明公开了一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊及其制备方法。该复合磨辊由母材(1)复合层(2)外辊圈(3)三部分组成(如图5)，在制备上采用感应局部加热的方式进行，其烧结工艺介于液相烧结和熔渗之间。用作磨辊的母材(1)，由具有一定韧性的普通ZG250～450钢铸成，经机械加工和表面处理后得到，在母材(1)的外侧焊接外辊圈(3)，与(1)形成一层根据厚度可调节的空腔，向空腔内加满按不同粒度比例混合后的铸造WC粉末和镍基粉末，从而空腔变成实腔，然后将其焊接密封，最后将磨辊倾斜一定角度，使磨辊表面与感应器(6)平行，抽真空(5)到1～5×10^-2Pa后，启动感应加热电源，设置其感应频率、功率等参数，工件按一定的速度绕轴(7)旋转，迅速加热使镍基粉熔化成液态，并与WC颗粒烧结，并保证镍基和WC以及母材的表层有一定的作用时间，能够进行物质的扩散。当磨辊绕轴(7)旋转一周后，停止旋转和加热，冷却至室温，即可得到具有高强度、高耐磨性和高韧性的复合磨辊。该复合磨辊充分利用了WC颗粒的抗磨作用，以及镍基合金较好的韧性和强度对颗粒的支撑作用，在制备上解决了离心铸造对铸件形状的要求限制，没有铸渗工艺带来的气孔、夹渣等现象，易于实现，所需设备少，对于体积较大的工件，不需要大的真空炉，操作简单。复合层不但有较高的强度和硬度，较强的抗冲击性能，而且能保持母材材料的良好韧性，其耐磨性是普通高铬铸铁磨辊的5～7倍，是堆焊磨辊的2～3倍，其性价比远远高于目前市场上使用的磨辊。

实施例

HP863系列中速碳化钨颗粒增强镍基基复合材料耐磨磨辊层的制备：

实施例：

为更详细的说明本专利，以火电厂使用的HP系列中速磨辊表面进行碳化钨颗粒增强镍基合金基复合耐磨层为例：

本实施例的制备工艺步骤如下：

A：铸造中速磨辊毛坯，其材质为ZG250～450，机械加工完后喷丸处理得到母材(1)，其中底部的小台阶目的是便于焊接6mm厚的空腔(2)，内孔尺寸比成品尺寸小2～3mm，作为加工余量，如图1所示。

B：选用厚度为3.5～4mm的45号普碳钢，用卷板机卷制而成，内表面经喷丸处理后，得到外辊圈(3)，其外径为磨棍的成品尺寸，将外辊圈(3)焊接到母材(1)的外侧，得到空腔(2)。所有焊缝要求牢固无缺陷，如图2所示。

C：将镍基合金粉(质量百分比C：0.7～0.8％，Si：3.5～4.5％，B：2.8～3.6％，Cr：11～14％，Fe：35～40％，其余为Ni，粒度在105-140微米之间)和铸造WC(粒度组成按体积百分比1～1.5mm:40％；0.5～1mm：30％；0.3～0.5mm：30％)按体积比3：1再加二者总质量3％的粘结剂混合，并球磨6小时，装入到图2中的空腔(2)内，要求夯实。然后用钢板(4)焊接成封闭体，抽真空(5)到1～5×10^-2Pa，如图3所示。

D：将中速磨辊倾斜一定角度，使磨辊外侧与水平放置的板式感应器(6)平行，为了更好的利用感应加热的集肤效应，感应器(6)与磨辊的间隙为4～5mm，如图4所示。

E：将磨辊绕轴(7)旋转速度设置为90mm/min，开启感应加热电源，加热功率170Kw/h，加热频率7000Hz，使感应器(6)正下方的外钢圈部分熔化，同时感应器(6)正下方的镍基合金粉熔化与铸造WC颗粒烧结为一体，当旋转一周后，停止旋转和加热，冷却至室温。即得到表面是铸造WC增强镍基合金的复合层(2)，而母体(1)仍为ZG350～450材质的中速磨辊，如图5所示。

Claims (9)

1、一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊，其特征是：该耐磨磨辊由母体(1)、复合层(2)和外钢圈(3)三部分组成，复合层(2)由镍基合金和铸造WC颗粒烧结而成，其中镍基合金粉的组成，质量百分比C：0.7～0.8％，Si：3.5～4.5％，B：2.8～3.6％，Cr：11～14％，Fe：35～40％，其余为Ni，镍基合金粉的粒度在105～140微米之间，碳化钨的粒度按体积百分比1～1.5mm∶30～40％，0.5～1mm：25～35％，0.3～0.5mm：25～35％；所述镍基合金与铸造WC颗粒的体积比为2～3：1。

2、根据权利要求1所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊，其特征是：所述复合层(2)厚度为5～6mm。

3、一种制备权利要求1所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：它包括以下步骤：

步骤1：铸造普通碳钢的磨辊毛坯，机械加工后，得到母体(1)，对母体(1)表面前期处理；

步骤2：用普通碳钢卷制成外钢圈(3)，将外钢圈(3)焊接在母体(1)上，得到空腔(2)；

步骤3：将体积比为2～3：1镍基合金粉和铸造WC混合并球磨，然后注入到步骤2的空腔(2)内，并将其夯实，用钢板(4)焊接成封闭体；

其中：镍基合金粉的组成，质量百分比C：0.7～0.8％，Si：3.5～4.5％，B：2.8～3.6％，Cr：11～14％，Fe：35～40％，其余为Ni，镍基合金粉的粒度在105～140微米之间，碳化钨的粒度按体积百分比1～1.5mm：30～40％；0.5～1mm：25～35％；0.3～0.5mm：25～35％；

步骤4：将整个磨辊倾斜一定角度，使磨辊一个侧面处于水平位置，与感应器(6)平行，在抽真空(5)状态下，磨辊绕轴(7)以90～100mm/min速度旋转，同时感应加热；绕轴(7)旋转一周后，停止加热和旋转，冷却至室温，即得到复合磨辊。

4、根据权利要求3所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：步骤1采用钢球对母体(1)表面进行喷丸前期处理。

5、根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：步骤2空腔(2)厚度为5～6mm。

6、根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：步骤4抽真空(5)到2～5×10^-1Pa。

7、根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：步骤4采用板式感应加热器(6)。

8、根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：感应频率为6500～7000Hz，加热功率为165～180Kw/h。

9、根据权利要求4所述的碳化钨颗粒增强金属基复合材料耐磨磨辊的制备工艺，其特征是：步骤4是倾斜后的磨辊，在感应加热时，磨辊表面与感应加热器(6)的距离大约3mm。

Images