一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝。仿生耐磨復合涂層由仿生耐磨復合涂層和具有韌性的芯部材料復合而成，仿生耐磨復合涂層由仿生強化層、耐磨層、過渡層組成。仿生強化層由含有20～27%Cr，3.5～5.5%C，5%～7%Nb，0.3～1.0%Si，0.5～1.3%Mn，0.3～0.9%B，0.12～0.3%Ti，0.05～0.20Ce，0.02～0.10La，余量為Fe的鈮高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成；仿生磨輥過渡層是由含有14～17Cr%,9～15%Mn,0.7～1.5%C,1～2.3%Si,2～5Ni%，0.014%P，余量為Fe的高鉻奧氏體焊接材料堆焊而成。與相同基體材料的光滑表面磨輥比較，使用壽命提高2～4倍。
【專利說明】一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及粉磨用的磨輥，特別是一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝。
【背景技術】
[0003]粉磨裝備是冶金、礦山、水泥、電力、化工、煤炭、建材、陶瓷和耐火材料等行業(yè)礦物
碎礦和磨礦加工中所廣泛使用的重要的大型裝備之一，而磨輥與擠壓輥是粉磨設備的的關鍵部件和主要磨損易耗件，我國年消耗量達120多萬噸。因此，尋求改進磨輥材質、提高壽命，降低能耗和輥耗成為許多領域科技工作者共同追求的目標，受到世界各國的重視。
[0004]目前，在國內一般采用高硬度、高耐磨性、高耐沖擊性的焊絲材料對磨輥表面進行堆焊處理，可以堆焊出母體材料難以獲得、甚至無法獲得的性能優(yōu)異的表面層或不同圖案的表面拉花，顯著提高磨輥的耐磨性。磨輥表面磨損后，可進行10次以上的重新堆焊處理，降低了成本又提高了生產效率，但卻為輥子的再修復加工帶來了難題。具有超強、高韌性和高耐磨性的材料很難加工，且修復加工量大，工人的勞動強度大、作業(yè)環(huán)境差，而且修復加工效率也不高。加工后工件還常有夾碳、滲碳、圓度誤差大等問題，因此，尋找一種更有效的方法提高輥子的耐磨性和疲勞壽命，是急需解決的技術難題，具有重要的實際意義。
[0005]在國內外，除尋求新型抗磨料磨損材料和從結構上進行合理的設計外，表面硬化(表面改性)則是提高機械部件質`量、延長使用壽命、改善使用性能的重要方法。目前，常用的表面硬化技術有化學、激光、電子束熱處理、堆焊、噴涂、沉積、鍍層等。由于硬化層厚度較薄，降低了地面機械部件在磨料磨損的工況下使用的有效性。并且，工程材料表面硬度的提高也是有限的。因此，本發(fā)明提出一種具有仿生耐磨復合涂層的水泥磨輥及制備工藝。
[0006]自然界中多種生物在有磨損發(fā)生的環(huán)境中生存，其體表及內部微觀結構對沙粒等硬物的磨損具有與生俱來的耐受能力。隨著仿生學研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體適應外部環(huán)境所呈現(xiàn)的各種功能，不是單一因素的作用或多個因素作用的簡單相加，而是由多種互相依存、互相影響的因素通過一定的機制耦合、協(xié)同作用的結果。例如，生物體所呈現(xiàn)的減阻、耐磨、抗疲勞等功能，即是通過生物體多因素的耦合作用得以實現(xiàn)的，即生物體的不同形態(tài)、結構、材料構成等，通過彼此之間的耦合作用而達到生物功能最優(yōu)化、對環(huán)境適應最佳化和能量消耗最低化。
[0007]研究發(fā)現(xiàn)，生物體表普遍存在幾何非光滑特征，即一定幾何形狀的結構單元隨機地或規(guī)律地分布于其體表某些部位，其結構單元的形狀有鱗片形、凸包形、凹坑形、剛毛形和波紋形等。因此，受生物體結構和功能的啟發(fā)，基于典型生物體表的耐磨形態(tài)、結構、材料等因素的生物耦合現(xiàn)象，通過仿生耦合設計的相似性原則，對仿生耦合單元體的形狀、尺寸、分布規(guī)律、數(shù)量等幾何參數(shù)進行優(yōu)化設計，利用焊接技術在磨輥表面進行處理，制備仿生耐磨復合涂層，提高磨輥表面的耐磨性能和粉磨效果，有效提高磨輥的使用壽命，發(fā)明一種粉磨用的磨輥。

【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有磨輥存在的上述問題，提供一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，使其具有良好的耐磨性能，獲得較高的使用壽命和粉磨綜合效能。
[0009]本發(fā)明具有仿生耐磨復合涂層的磨輥是由仿生耦合強化層、強化層下部的耐磨層、過渡層和具有較好韌性的芯部材料復合而成，配以適當?shù)姆律O計與制備手段，在磨輥表面獲得具有毫米級的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片的仿生耦合表面形態(tài)，以及嵌入式表層結構和不同成分的多層材料。
[0010]本發(fā)明的具體技術方案是:
一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，由仿生耐磨復合涂層和具有韌性的芯部材料復合而成，仿生耐磨復合涂層由仿生強化層、強化層下部的耐磨層、過渡層組成。
[0011]所述仿生強化層是具有毫米級的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)和嵌入式結構協(xié)同作用的仿生耦合表面，由含如下成分(Wt%)的含鈮高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成，焊絲成分范圍如下:20?27% Cr, 3.5?5.5% C, 5%?7%Nb，0.3?L 0%Si,0.5?
1.3%Μη，0.3 ?0.9%Β，0.12 ?0.3%Ti,0.05 ?0.20Ce，0.02 ?0.10La，余量為 Fe ;耐磨層成分與強化層一致，由焊接材料堆焊制成；仿生磨輥過渡層是由如下成分(wt%)的高鉻奧氏體焊接材料堆焊而成，材料成分范圍如下:14?17Cr%, 9?15%Mn, 0.7?1.5% C，I?
2.3%Si, 2 ?5Ni%,0.014%P，余量為 Fe。
[0012]所述磨輥仿生耐磨涂層表面形態(tài)為3?30毫米的凹坑狀或凸包狀、條紋狀、波紋狀、網(wǎng)格狀的非光滑形態(tài)或由其中2種或二種以上不同非光滑形態(tài)組合而成。
[0013]所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，是通過所述仿生強化層、強化層下部的耐磨層和過渡層按以下步驟制備并與具有韌性的芯部材料復合而成:
采用堆焊工藝，將具有韌性的磨輥芯部材料預熱到330°C?420°C之間，在其表面堆焊一層 8 ?30 毫米的含有 14 ?17Cr%, 9 ?15%Mn, 0.7 ?1.5% C，I ?2.3%Si, 2 ?5Ni%，0.014%P，余量為Fe的高鉻奧氏體過渡層材料，然后在其上面再堆焊一層5?25毫米的含有 20 ?27% Cr, 3.5 ?5.5% C，5% ?7%Nb，0.3 ?1.0%Si,0.5 ?1.3%Mn, 0.3 ?0.9%B,0.12?0.3%Ti，0.05?0.20Ce，0.02?0.10La，余量為Fe的的含鈮高鉻鑄鐵非光滑表面，堆焊完畢后將其在500?620°C，保溫時間為I?2小時退火，隨爐緩冷至室溫時出爐。
[0014]所述的磨輥仿生耐磨涂層表面形態(tài)為3?30毫米的凹坑狀或凸包狀、條紋狀、波紋狀、網(wǎng)格狀的非光滑形態(tài)或由其中2種或二種以上不同非光滑形態(tài)組合，所述仿生耐磨復合涂層可以通過堆焊或者機械加工的方法制備而成。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:利用仿生耦合技術對磨輥表面進行處理，形成具有不同形態(tài)、尺寸和分布規(guī)律的仿生耦合表面形態(tài)圖案，使磨輥的耐磨性和粉磨效果得到很大提高。與相同基體材料的光滑表面磨輥比較，使用壽命提高2?4倍。可以針對具體要求，選用不同形態(tài)、尺寸和分布規(guī)律的仿生耦合表面形態(tài)圖案，從而獲得不同的性能。本發(fā)明還具有制造工藝簡單，性能可靠，成本低，性能價格比高等優(yōu)點。具有仿生耐磨復合涂層的磨輥可以廣泛應用于我國的水泥工業(yè)中，推動我國基礎工業(yè)以及出口貿易的發(fā)展，促進國民經(jīng)濟的增長?！揪唧w實施方式】
[0016]下面結合實施例進一步說明本發(fā)明的具體內容及其實施方式。
[0017]實施方式I
一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，由仿生耐磨復合涂層和具有韌性的芯部材料復合而成，仿生耐磨復合涂層由仿生強化層、強化層下部的耐磨層、過渡層組成。
[0018]所述仿生強化層是具有毫米級的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格非光滑形態(tài)的仿生耦合表面，由含如下成分(wt%)的含鈮高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成，焊絲成分范圍如下:25% Cr,
3.8% C，5.6%Nb，0.7%Si，0.9%Mn, 0.5%B, 0.18%Ti，0.05Ce,0.05La,余量為 Fe ;耐磨層成分與強化層一致，由焊接材料堆焊制成；仿生磨輥過渡層是由如下成分(wt%)的高鉻奧氏體焊接材料堆焊而成，材料成分范圍如下:15% Cr，12% Mn，1.0% C，1.3%Si，3.8Ni%，
0.014%P，余量為 Fe。
[0019]所述磨輥表層的凸包呈規(guī)則點陣式分布，凸包直徑為5?10毫米，高度為2.5?5毫米，凸包間中心距為7.5?15毫米。
[0020]所述的磨輥表層的條紋，其條紋寬度為5?15毫米，條紋高度為5?10毫米，條紋間中心距為7.5?30毫米，條紋平行分布，條紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0°?180。。
[0021]所述磨輥表層的波紋，其波紋寬度為5?15毫米，波峰與波谷的高度差為3?20毫米，波紋間距為7.5?30毫米，波紋高出磨輥基體5?10毫米，波紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0°?180°。
[0022]所述磨輥表層的網(wǎng)格，由兩個方向的平行分布的條紋相互交叉形成，其兩交叉方向的條紋寬度為5?15毫米，條紋高度為5?10毫米，同方向平行分布的條紋間中心距為
7.5?30毫米，兩個方向的夾角為10°?90°。
[0023]所述磨輥表層的鱗片，其長軸為10?30毫米，短軸為5?15毫米，鱗片間距為10?25毫米，鱗片高度為4?8毫米。
[0024]所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，是通過所述仿生強化層、強化層下部的耐磨層和過渡層按以下步驟制備并與具有韌性的芯部材料復合而成:
首先，對芯部材料進行表面清理、內部探傷及預熱，預熱溫度控制在350°C?40(TC之間，采用低鎳高錳高鉻奧氏體焊接材料在母體表面進行藥芯焊絲電弧堆焊，制備過渡層，厚度為10?25毫米；
然后，利用角磨機將過渡堆焊層表面磨平，再改變堆焊材料，采用高鉻鑄鐵耐磨焊絲在過渡層表面再進行堆焊，制備耐磨層，厚度為5?15毫米；
最后，采用與制備耐磨層相同的材料，在磨輥的耐磨層表面進一步進行堆焊處理，制備凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)與嵌入式結構協(xié)同作用的仿生耦合強化層。為減少堆焊后引起的殘余應力，避免產生裂紋，焊后先保溫，再裝爐進行熱處理。保溫溫度為180?230°C，保溫時間為0.5?1.0h,退火溫度為500?600°C，隨爐緩冷至80?100°C時出爐空冷。
[0025]實施方式2
一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及其制備工藝，由仿生耐磨復合涂層和具有韌性的芯部材料復合而成，仿生耐磨復合涂層由仿生強化層、強化層下部的耐磨層、過渡層組成。
[0026]所述仿生強化層是具有毫米級的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)和嵌入式結構協(xié)同作用的仿生耦合表面，由含如下成分(wt%)的高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成，焊絲成分范圍如下:27% Cr,4.8% C，6.5%Nb,0.8%Si, 1.1%Μη，0.7%Β，0.20%Ti,0.15Ce,
0.1OLa,余量為Fe ;耐磨層成分與強化層一致，由焊接材料堆焊制成；仿生磨輥過渡層是由如下成分(wt%)的高鉻奧氏體焊接材料堆焊而成,材料成分范圍如下:17% Cr, 10% Mn,
1.2% C，1.l%Si,4.5Ni%,0.014%P，余量為 Fe。
[0027]所述磨輥的參數(shù)與實施方式I相同。
[0028]所述仿生強化層、強化層下部的耐磨層和過渡層制備方式與實施方式I相同。
【權利要求】
1.一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝，其特征在于由仿生耐磨復合涂層和具有韌性的芯部材料復合而成，仿生耐磨復合涂層由仿生強化層、強化層下部的耐磨層、過渡層組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝，其特征在于所述仿生強化層由含如下成分(wt%)的含鈮高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成，焊絲成分范圍如下:20 ?27% Cr, 3.5 ?5.5% C，5% ?7%Nb，0.3 ?1.0%Si,0.5 ?1.3%Mn, 0.3 ?0.9%B,0.12 ?0.3%Ti,0.05 ?0.20Ce，0.02 ?0.10La，余量為 Fe。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝，其特征在于過渡層是由如下成分(wt%)的高鉻奧氏體焊接材料堆焊而成，材料成分范圍如下:14?17Cr%, 9 ?15%Mn, 0.7 ?1.5% C，I ?2.3%Si, 2 ?5Ni%，0.014%P,余量為 Fe。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝，其特征在于，一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥制備工藝步驟是:采用堆焊工藝，將具有韌性的磨輥芯部材料預熱到330°C?420°C之間，在其表面堆焊一層8?30毫米的含有14?17Cr%, 9 ?15%Μη, 0.7 ?L 5% C，I ?2.3%Si, 2 ?5Ni%，0.014%P,余量為 Fe 的高鉻奧氏體過渡層材料，然后在其上面再堆焊一層5?25毫米的含有20?27% Cr, 3.5?5.5% C，5% ?7%Nb，0.3 ?1.0%Si,0.5 ?1.3%Μη，0.3 ?0.9%Β，0.12 ?0.3%Ti,0.05 ?0.20Ce,0.02?0.1OLa,余量為Fe的的含鈮高鉻鑄鐵非光滑表面，堆焊完畢后將其在500?620°C，保溫時間為I?2小時退火，隨爐緩冷至室溫時出爐。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生耐磨復合涂層的磨輥及制備工藝，其特征在于磨輥仿生耐磨涂層表面形態(tài)為3?30毫米的凹坑狀或凸包狀、條紋狀、波紋狀、網(wǎng)格狀的非光滑形態(tài)或由其中2種或二種以上不同非光滑形態(tài)組合，所述仿生耐磨復合涂層可以通過堆焊或者機械加工的方法制備而成。
【文檔編號】B23K35/30GK103861686SQ201410101145
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權日:2014年3月19日
【發(fā)明者】邱小明, 張瑩, 黎振華, 宋武林, 張祥林, 丁剛, 丁家偉, 耿德英, 王愛華, 符寒光, 郭洪才, 印杰 申請人:江蘇新亞特鋼鍛造有限公司