專利名稱：碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料耐磨磨輥，特別涉及一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥，本發(fā)明用于冶金，電力，礦山，建材等行業(yè)的各種中速磨粉機(jī)的磨輥，特別適合于火力發(fā)電廠，處于沖擊環(huán)境下的中速磨輥，本發(fā)明還涉及該耐磨磨輥的制備方法，并且這種制備方法亦可用于其他耐磨件的制備。
背景技術(shù)：
在煤炭、冶金、礦山、電力、建材、耐火材料、能源等行業(yè)，制粉系統(tǒng)使用大量的磨輥，它作為主要的磨損件。它運(yùn)行情況的好壞，一定程度上決定了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明主要針對(duì)火力發(fā)電廠的中速磨煤機(jī)的磨輥而進(jìn)行研發(fā)的，目前火力發(fā)電廠所用的磨輥主要為整體鑄造的高鉻鑄鐵。隨焊接技術(shù)的提高，當(dāng)高鉻鑄鐵磨損后在其上面反復(fù)堆焊耐磨合金層，來(lái)提高磨輥的使用壽命。目前磨輥的材質(zhì)主要是高鉻鑄鐵，采用整體鑄造工藝鑄出的毛坯，對(duì)后續(xù)的機(jī)械加工過(guò)程中遇到了許多困難，人們往往為了滿足易于加工的性能，常降低鉻的含量，但鉻含量降低后，其硬度和耐磨性變差，這樣出現(xiàn)了磨輥的耐磨性和機(jī)械加工性能這一對(duì)矛盾。同時(shí)高鉻鑄鐵的脆性決定其抗沖擊性能差，鉻含量越高，耐磨性越好，脆性越大，鉻含量越低，耐磨性越差，韌性越好，這樣又出現(xiàn)了抗沖擊性和耐磨性的矛盾。通常磨粉系統(tǒng)的磨輥均處在一定的沖擊力下運(yùn)行，加之我國(guó)火電廠，使用的煤質(zhì)差別較大，造成磨輥往往達(dá)不到設(shè)計(jì)的壽命就失效，同時(shí)整體鑄造的高鉻鑄鐵磨輥，其機(jī)械加工性能較差，不利于后續(xù)處理。堆焊雖然能提高使用壽命，但堆焊設(shè)備昂貴，堆焊一次，其壽命增加不大，同時(shí)電廠磨輥頻繁的更換需要停機(jī)，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。本發(fā)明主要目的是利用顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的原理提高火力發(fā)電廠中速磨輥的耐磨性，同時(shí)要其具備較好的機(jī)械加工性能，從而達(dá)到延長(zhǎng)其使用壽命的目的。選用具有較高硬度的鑄造WC顆粒為增強(qiáng)相，和具有一定韌性的鎳基合金為基體，將WC顆粒熔滲于中鎳基合金中，形成顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。在磨損過(guò)程中，當(dāng)表層的合金磨損后，增強(qiáng)顆粒WC暴露出來(lái)，它的高彈性模量、高顯微硬度、高抗拉強(qiáng)度，以及與合金材料較好的韌性，使復(fù)合層具有較好耐磨性以及抗沖擊磨損的性質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種增強(qiáng)磨輥在有沖擊和載荷下的耐磨性，使其硬度和韌性均高于高鉻鑄鐵鑄造和合金焊絲堆焊的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥，這種磨輥主要用于電力，水泥等行業(yè)的中速磨機(jī)上。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的該耐磨磨輥由母體(1)、復(fù)合層(2)和外鋼圈(3)三部分組成，復(fù)合層(2)由鎳基合金和鑄造WC顆粒燒結(jié)而成，其中鎳基合金粉的組成，質(zhì)量百分比C0.7～0.8，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，鎳基合金粉的粒度在105～140微米之間，碳化鎢的粒度按體積百分比1～1.5mm∶30～40％，0.5～1mm∶25～35％，0.3～0.5mm∶25～35％；所述鎳基合金與鑄造WC顆粒的體積比為2～3∶1。
所述復(fù)合層(2)厚度為5～6mm。
本發(fā)明解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是，提供一種制備該磨輥的制備方法，它包括以下步驟步驟1鑄造普通碳鋼的磨輥毛坯，機(jī)械加工后，得到母體(1)，對(duì)母體(1)表面前期處理；步驟2用普通碳鋼卷制成外鋼圈(3)，將外鋼圈(3)焊接在母體(1)上，得到空腔(2)；步驟3將體積比為2～3∶1鎳基合金粉和鑄造WC混合并球磨，然后注入到步驟2的空腔(2)內(nèi)，并將其夯實(shí)，用鋼板(4)焊接成封閉體；其中鎳基合金粉的組成，質(zhì)量百分比C0.7～0.8，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，鎳基合金粉的粒度在105～140微米之間，碳化鎢的粒度按體積百分比1～1.5mm∶30～40％；0.5～1mm∶25～35％；0.3～0.5mm∶25～35％。
步驟4將整個(gè)磨輥傾斜一定角度，使磨輥一個(gè)側(cè)面處于水平位置，與感應(yīng)器(6)平行，在抽真空(5)狀態(tài)下，磨輥繞軸(7)以90～100mm/min速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)感應(yīng)加熱；繞軸(7)旋轉(zhuǎn)一周后，停止加熱和旋轉(zhuǎn)，冷卻至室溫，即得到復(fù)合磨輥。
步驟1采用鋼球?qū)δ阁w(1)表面進(jìn)行噴丸前期處理。
步驟2空腔(2)厚度為5～6mm。
步驟4抽真空(5)到2～5×10-1Pa。
步驟4采用板式感應(yīng)加熱器(6)。
感應(yīng)頻率為6500～7000Hz，加熱功率為165～180Kw/h。
步驟4是傾斜后的磨輥，在感應(yīng)加熱時(shí)，磨輥表面與感應(yīng)加熱器(6)的距離大約3mm。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1，、本發(fā)明充分發(fā)揮了WC抗磨顆粒與基體的良好潤(rùn)濕性的特點(diǎn)，故能夠達(dá)到冶金結(jié)合的效果，所得復(fù)合層具有較高的耐磨性和較好的韌性及塑性特點(diǎn)，使中速磨輥的抗沖擊、耐磨性提高許多。
2本發(fā)明母材采用廉價(jià)的鑄鋼材料，不但成本較低，而且能保證較好的機(jī)加工性能。
3本發(fā)明基體選用鎳基合金粉，屬于標(biāo)準(zhǔn)粉末，市場(chǎng)上易于得到。
4本發(fā)明所需設(shè)備主要是一臺(tái)感應(yīng)加熱設(shè)備和一臺(tái)真空泵，尤其適合中小企業(yè)生產(chǎn)。
5本發(fā)明生產(chǎn)的復(fù)合磨輥，復(fù)合體的宏觀硬度達(dá)到HRC58～62?？估瓘?qiáng)度＞200Nmm-2，合金與顆粒以及母材間的均結(jié)合強(qiáng)度＞500Nmm-2.經(jīng)試運(yùn)行，結(jié)果表明在同樣磨損厚度的情況下使用壽命為普通高鉻鑄鐵的5～7倍，為堆焊層的3～5倍。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明圖1是復(fù)合磨輥母體圖；圖2是復(fù)合磨輥的焊接圖；圖3是復(fù)合磨輥燒結(jié)前的圖；
圖4是燒結(jié)時(shí)的圖；圖5為復(fù)合磨輥的成品圖；圖6為本發(fā)明工藝流程。
具體實(shí)施例方式
發(fā)明公開(kāi)了一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥及其制備方法。該復(fù)合磨輥由母材(1)復(fù)合層(2)外輥圈(3)三部分組成(如圖5)，在制備上采用感應(yīng)局部加熱的方式進(jìn)行，其燒結(jié)工藝介于液相燒結(jié)和熔滲之間。用作磨輥的母材(1)，由具有一定韌性的普通ZG250～450鋼鑄成，經(jīng)機(jī)械加工和表面處理后得到，在母材(1)的外側(cè)焊接外輥圈(3)，與(1)形成一層根據(jù)厚度可調(diào)節(jié)的空腔，向空腔內(nèi)加滿按不同粒度比例混合后的鑄造WC粉末和鎳基粉末，從而空腔變成實(shí)腔，然后將其焊接密封，最后將磨輥傾斜一定角度，使磨輥表面與感應(yīng)器(6)平行，抽真空(5)到1～5×10-2Pa后，啟動(dòng)感應(yīng)加熱電源，設(shè)置其感應(yīng)頻率、功率等參數(shù)，工件按一定的速度繞軸(7)旋轉(zhuǎn)，迅速加熱使鎳基粉熔化成液態(tài)，并與WC顆粒燒結(jié)，并保證鎳基和WC以及母材的表層有一定的作用時(shí)間，能夠進(jìn)行物質(zhì)的擴(kuò)散。當(dāng)磨輥繞軸(7)旋轉(zhuǎn)一周后，停止旋轉(zhuǎn)和加熱，冷卻至室溫，即可得到具有高強(qiáng)度、高耐磨性和高韌性的復(fù)合磨輥。該復(fù)合磨輥充分利用了WC顆粒的抗磨作用，以及鎳基合金較好的韌性和強(qiáng)度對(duì)顆粒的支撐作用，在制備上解決了離心鑄造對(duì)鑄件形狀的要求限制，沒(méi)有鑄滲工藝帶來(lái)的氣孔、夾渣等現(xiàn)象，易于實(shí)現(xiàn)，所需設(shè)備少，對(duì)于體積較大的工件，不需要大的真空爐，操作簡(jiǎn)單。復(fù)合層不但有較高的強(qiáng)度和硬度，較強(qiáng)的抗沖擊性能，而且能保持母材材料的良好韌性，其耐磨性是普通高鉻鑄鐵磨輥的5～7倍，是堆焊磨輥的2～3倍，其性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前市場(chǎng)上使用的磨輥。
實(shí)施例HP863系列中速碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基基復(fù)合材料耐磨磨輥層的制備實(shí)施例為更詳細(xì)的說(shuō)明本專利，以火電廠使用的HP系列中速磨輥表面進(jìn)行碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基合金基復(fù)合耐磨層為例本實(shí)施例的制備工藝步驟如下A鑄造中速磨輥毛坯，其材質(zhì)為ZG250～450，機(jī)械加工完后噴丸處理得到母材(1)，其中底部的小臺(tái)階目的是便于焊接6mm厚的空腔(2)，內(nèi)孔尺寸比成品尺寸小2～3mm，作為加工余量，如圖1所示。
B選用厚度為3.5～4mm的45號(hào)普碳鋼，用卷板機(jī)卷制而成，內(nèi)表面經(jīng)噴丸處理后，得到外輥圈(3)，其外徑為磨棍的成品尺寸，將外輥圈(3)焊接到母材(1)的外側(cè)，得到空腔(2)。所有焊縫要求牢固無(wú)缺陷，如圖2所示。
C將鎳基合金粉(質(zhì)量百分比C0.7～0.8％，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，粒度在105-140微米之間)和鑄造WC(粒度組成按體積百分比1～1.5mm∶40％；0.5～1mm∶30％；0.3～0.5mm∶30％)按體積比3∶1再加二者總質(zhì)量3％的粘結(jié)劑混合，并球磨6小時(shí)，裝入到圖2中的空腔(2)內(nèi)，要求夯實(shí)。然后用鋼板(4)焊接成封閉體，抽真空(5)到1～5×10-2Pa，如圖3所示。
D將中速磨輥傾斜一定角度，使磨輥外側(cè)與水平放置的板式感應(yīng)器(6)平行，為了更好的利用感應(yīng)加熱的集膚效應(yīng)，感應(yīng)器(6)與磨輥的間隙為4～5mm，如圖4所示。
E將磨輥繞軸(7)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為90mm/min，開(kāi)啟感應(yīng)加熱電源，加熱功率170Kw/h，加熱頻率7000Hz，使感應(yīng)器(6)正下方的外鋼圈部分熔化，同時(shí)感應(yīng)器(6)正下方的鎳基合金粉熔化與鑄造WC顆粒燒結(jié)為一體，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一周后，停止旋轉(zhuǎn)和加熱，冷卻至室溫。即得到表面是鑄造WC增強(qiáng)鎳基合金的復(fù)合層(2)，而母體(1)仍為ZG350～450材質(zhì)的中速磨輥，如圖5所示。
權(quán)利要求
1.一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥，其特征是該耐磨磨輥由母體(1)、復(fù)合層(2)和外鋼圈(3)三部分組成，復(fù)合層(2)由鎳基合金和鑄造WC顆粒燒結(jié)而成，其中鎳基合金粉的組成，質(zhì)量百分比C0.7～0.8，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，鎳基合金粉的粒度在105～140微米之間，碳化鎢的粒度按體積百分比1～1.5mm∶30～40％，0.5～1mm∶25～35％，0.3～0.5mm∶25～35％；所述鎳基合金與鑄造WC顆粒的體積比為2～3∶1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥，其特征是所述復(fù)合層(2)厚度為5～6mm。
3.一種制備權(quán)利要求1所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是它包括以下步驟步驟1鑄造普通碳鋼的磨輥毛坯，機(jī)械加工后，得到母體(1)，對(duì)母體(1)表面前期處理；步驟2用普通碳鋼卷制成外鋼圈(3)，將外鋼圈(3)焊接在母體(1)上，得到空腔(2)；步驟3將體積比為2～3∶1鎳基合金粉和鑄造WC混合并球磨，然后注入到步驟2的空腔(2)內(nèi)，并將其夯實(shí)，用鋼板(4)焊接成封閉體；其中鎳基合金粉的組成，質(zhì)量百分比C0.7～0.8，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，鎳基合金粉的粒度在105～140微米之間，碳化鎢的粒度按體積百分比1～1.5mm∶30～40％；0.5～1mm∶25～35％；0.3～0.5mm∶25～35％。步驟4將整個(gè)磨輥傾斜一定角度，使磨輥一個(gè)側(cè)面處于水平位置，與感應(yīng)器(6)平行，在抽真空(5)狀態(tài)下，磨輥繞軸(7)以90～100mm/min速度旋轉(zhuǎn)，同時(shí)感應(yīng)加熱；繞軸(7)旋轉(zhuǎn)一周后，停止加熱和旋轉(zhuǎn)，冷卻至室溫，即得到復(fù)合磨輥。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是步驟1采用鋼球?qū)δ阁w(1)表面進(jìn)行噴丸前期處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是步驟2空腔(2)厚度為5～6mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是步驟4抽真空(5)到2～5×10-1Pa。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是步驟4采用板式感應(yīng)加熱器(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是感應(yīng)頻率為6500～7000Hz，加熱功率為165～180Kw/h。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥的制備工藝，其特征是步驟4是傾斜后的磨輥，在感應(yīng)加熱時(shí)，磨輥表面與感應(yīng)加熱器(6)的距離大約3mm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥及其制備工藝，該耐磨磨輥由母體(1)、復(fù)合層(2)和外鋼圈(3)三部分組成，復(fù)合層(2)由鎳基合金和鑄造WC顆粒燒結(jié)而成，其中鎳基合金粉的組成，按質(zhì)量百分比C0.7～0.8，Si3.5～4.5％，B2.8～3.6％，Cr11～14％，F(xiàn)e35～40％，其余為Ni，鎳基合金粉的粒度在105～140微米之間，碳化鎢的粒度按體積百分比1～1.5mm30～40％，0.5～1mm25～35％，0.3～0.5mm25～35％。本發(fā)明具有在有沖擊和載荷下的耐磨性，能使其硬度和韌性均高于高鉻鑄鐵鑄造和合金焊絲堆焊的碳化鎢顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料耐磨磨輥，這種磨輥主要用于電力，水泥等行業(yè)的中速磨機(jī)上。
文檔編號(hào)B23P15/00GK101073786SQ20071001813
公開(kāi)日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月27日
發(fā)明者許云華, 牛立斌, 王雙成, 彭建洪 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)