本發(fā)明涉及一種磨輥的制造/再制造耐磨材料及其制備方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

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(shè)備的的關(guān)鍵部件和主要磨損易耗件，我國(guó)年消耗量達(dá)120多萬(wàn)噸。因此，尋求改進(jìn)磨輥材質(zhì)、提高壽命，降低能耗和輥耗成為許多領(lǐng)域科技工作者共同追求的目標(biāo)，受到世界各國(guó)的重視。研發(fā)耐磨材料已成為世界各國(guó)新材料領(lǐng)域研究發(fā)展的重點(diǎn)，也是世界各國(guó)高技術(shù)發(fā)展中戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。

現(xiàn)階段，中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展以及重工業(yè)化趨勢(shì)，使得中國(guó)相對(duì)缺乏的自然資源正在承受巨大的壓力。在此背景下，追求建設(shè)減量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循環(huán)(Recycle)和再制造(Remanufacture)的“4R”循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，進(jìn)而改變長(zhǎng)期以來(lái)單純追求規(guī)模和速度的發(fā)展理念，不僅是一種政策導(dǎo)向，而且正在被越來(lái)越多的業(yè)界人士所認(rèn)同。

再制造工程是一個(gè)發(fā)展迅速的新興研究領(lǐng)域和新興產(chǎn)業(yè)。我國(guó)從1999年開(kāi)始將再制造工程作為一門(mén)學(xué)科體系加以全面研究并推廣。再制造工程是以產(chǎn)品全壽命周期理論為指導(dǎo)，以廢舊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)再生利用為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，進(jìn)行修復(fù)、改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施或工程活動(dòng)的總稱。簡(jiǎn)言之，再制造工程是廢舊產(chǎn)品高科技維修的產(chǎn)業(yè)化。再制造工程的研究對(duì)象既可以是整機(jī)、系統(tǒng)、設(shè)施，也可以是其零部件等。

目前，在磨輥制造/再制造領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)一般采用高硬度、高耐磨性、高耐沖擊性的焊絲材料對(duì)磨輥表面進(jìn)行堆焊處理，可以堆焊出母體材料難以獲得、甚至無(wú)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(jìn)行10次以上的重新堆焊處理，降低了成本又提高了生產(chǎn)效率，但卻為輥?zhàn)拥脑傩迯?fù)加工帶來(lái)了難題。具有超強(qiáng)、高韌性和高耐磨性的材料很難加工，且修復(fù)加工量大，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)環(huán)境差，而且修復(fù)加工效率也不高。加工后工件還常有夾碳、滲碳、圓度誤差大，而且由于焊接過(guò)程產(chǎn)生應(yīng)力和渣點(diǎn)，使焊層出現(xiàn)微裂紋和孔洞，在使用過(guò)程中裂紋擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到一定程度后出現(xiàn)掉塊、剝落，使用壽命短，一次使用一般在8000小時(shí)左右；且當(dāng)堆焊耐磨層磨損至5mm左右或出現(xiàn)掉塊、剝落現(xiàn)象，需重新進(jìn)行堆焊修復(fù)。修復(fù)費(fèi)用與購(gòu)價(jià)相當(dāng)，維護(hù)費(fèi)用高等問(wèn)題，因此，尋找一種更有效的方法提高磨輥的耐磨性和疲勞壽命，是急需解決的技術(shù)難題，具有重要的實(shí)際意義。

在各種磨損形式中，材料的磨粒磨損占到磨損總量的50％左右，其表現(xiàn)形式為硬顆粒或硬突起物使材料產(chǎn)生遷移而造成的一種磨損，具體表現(xiàn)為塑性材料表面的犁溝、微觀切削以及脆性材料斷裂。通常認(rèn)為耐磨材料的組織應(yīng)當(dāng)是在軟的塑性基體上分布著許多硬顆粒的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在正常載荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬質(zhì)相直接承受載荷，而軟相則起著支持硬質(zhì)相的作用。因此，采用硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)相制備的耐磨復(fù)合材料的研發(fā)思路一般都是通過(guò)提高基體材料的耐磨性和基體材料與顆粒增強(qiáng)相的界面結(jié)合強(qiáng)度以期減少顆粒增強(qiáng)相的脫落，從而達(dá)到提高材料的耐磨性能。

耐磨復(fù)合材料的研發(fā)思路較多考慮基體材料和增強(qiáng)相的自身性能。單純考慮材料自身性能對(duì)提高復(fù)合材料的耐磨性能是非常有限的。某些生物體材料具有良好的韌性和較高的硬度與耐磨性等綜合性能，這是因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)不同的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和構(gòu)成等彼此之間的耦合作用，表面具有不同尺度的多級(jí)結(jié)構(gòu)。

硼在地殼中的含量約為10ppm，是地殼中最重要的元素之一。而我國(guó)是世界上硼資源比較豐富的國(guó)家之一，位居世界第4位。隨著鉻、鉬、鎳、鎢、釩等合金元素在鋼鐵材料中使用量的不斷增加，價(jià)格飛速上漲，供應(yīng)日趨緊張，導(dǎo)致普通鋼鐵耐磨材料生產(chǎn)成本不斷攀升。在普通鋼鐵材料中，加入適量硼，通過(guò)調(diào)節(jié)合金中硼含量和碳含量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硼化物體積百分?jǐn)?shù)及基體含碳量的控制，使材料具有優(yōu)異的耐磨性和強(qiáng)韌性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有磨輥耐磨材料存在的上述不足，提供用于磨輥制造/再制造的一種磨輥的制造/再制造耐磨材料及其制備方法。

本發(fā)明所述的一種磨輥的再制造耐磨材料是采用多組元材料組合設(shè)計(jì)，多尺度耦合磨輥由芯部輥體、基體耐磨層、過(guò)渡層和輥面耐磨層耦合而成。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：

芯部輥體材料采用具有韌性的42CrMo、37CrMo、35CrMo、40Cr低合金鋼，球墨鑄鐵或者廢舊磨輥，在芯部材料外部通過(guò)鑄造復(fù)合一層質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：1.75～3.0，Cr：12.0～18.0，B：0.2～2.0，Mn：0.4～0.8，Si：0.4～1.2，Ni：0.30～0.80，Mg：0.02～0.04，Ce：0.03～0.05，Ti：0.05～0.10，N：0.006～0.015，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵基體耐磨層；采用電爐熔煉，其制造工藝步驟是：

①將普通廢鋼和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵，硅鐵和錳鐵加入10分鐘后，再加入硼鐵；其中鉻、硼、錳、硅和鈦分別以鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鈦鐵和硼鐵形式加入，而鎂和鎳以鎂鎳合金形式加入，鈰以鈰基稀土硅鐵形式加入，氮以含氮鉻鐵形式加入；

②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1550～1650℃，加入占鋼水質(zhì)量0.1％～0.12％的鋁脫氧，隨后加入鈦鐵和鎂鎳合金2～5分鐘后出爐；

③將鈰基稀土硅鐵、含氮鉻鐵破碎至粒度為10～12mm的小塊，經(jīng)150～250℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行微合金化處理；

④將具有韌性的42CrMo、37CrMo、35CrMo、40Cr低合金鋼，球墨鑄鐵或者廢舊磨輥芯部材料進(jìn)行表面清理，然后在表面涂覆一層硅質(zhì)防氧化涂料后，采用加熱爐將其加熱到650～950℃，然后將其吊出放入鑄型中；

⑤鋼水溫度降至1450～1550℃，直接澆入放置有預(yù)熱后的輥芯的鑄型中，鋼水澆注1～10小時(shí)后開(kāi)箱空冷；

⑥高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵基體耐磨層材料進(jìn)行淬火和回火熱處理，淬火加熱溫度為950～1050℃，保溫時(shí)間2～6小時(shí)，空冷至溫度低于200℃進(jìn)行回火熱處理，回火加熱溫度為400～500℃，回火保溫時(shí)間4～15小時(shí)，爐冷至溫度低于200℃后，最后空氣冷卻至室溫；

然后對(duì)鑄造好的復(fù)合磨輥基體耐磨層材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在350℃～400℃之間，過(guò)渡層采用市售的低碳鋼焊絲、奧氏體不銹鋼焊絲，通過(guò)堆焊方式將其堆焊到高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層基體上，堆焊層厚度為2～5mm；

在過(guò)渡層表面再進(jìn)行堆焊輥面耐磨形態(tài)層材料，輥面耐磨形態(tài)層材料采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：2.3～3.5，Cr：14.0～26.0，Ni：1.5～2.0，Nb：0.8～2.0，Mo：1.3～2.0，Si：1.2～2.3，Ti：1.0～1.7，V：0.3～1.0，B：0.2～1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量為Fe的藥芯焊絲堆焊成型，堆焊層厚度為5～15mm；

堆焊后將多尺度耦合復(fù)合磨輥放入溫度為200℃的爐內(nèi)進(jìn)行1.5～5.0h的保溫，再裝爐進(jìn)行退火，退火溫度為500～600℃，隨爐緩冷至100℃時(shí)出爐空冷。

有益效果

本發(fā)明利用多尺度耦合技術(shù)制造/再制造磨輥，并通過(guò)堆焊或者機(jī)械加工在磨輥表面形成具有不同形態(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。

基體耐磨層采用高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵材料，具有硬度高、韌性好等特點(diǎn)，在實(shí)際使用中具有良好的耐磨性和抗熱疲勞性能，其使用壽命比Cr15Mo3高鉻白口鑄鐵提高30％～60％，生產(chǎn)成本比Cr15Mo3高鉻白口鑄鐵降低20％，且克服了高鉻白口鑄鐵使用中易剝落和開(kāi)裂的不足。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明材料的硬度和韌性可以寬幅調(diào)整，以滿足不同的磨損工況要求，其中硬度達(dá)到58～65HRC，沖擊韌性達(dá)到14～30J/cm2；

2)本發(fā)明材料以廉價(jià)的鉻、硼為主要合金元素，不含價(jià)格昂貴的鎢、鉬、釩、鈮等合金元素，鎳元素加入量也較少，因此成本低廉，生產(chǎn)成本比市場(chǎng)上常用的Cr15Mo3高鉻白口鑄鐵降低20％。

3)本發(fā)明材料鑄造、熱處理和使用過(guò)程中，不會(huì)開(kāi)裂和剝落，克服了高鉻白口鑄鐵使用安全性差的不足。

4)本發(fā)明的輥面耐磨形態(tài)層堆焊藥芯焊絲材料，是在高鉻合金鑄鐵藥芯焊絲基礎(chǔ)上通過(guò)添加與C的親和力大的元素Ti、B、V和Nb等，改變碳化物的類型和數(shù)量，生成尺寸較小的碳化物、硼化物和獲得更多的金屬碳化物、硼化物，改善裂紋的敏感性。

本發(fā)明還具有制造工藝簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)?？商岣咴O(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。可以廣泛應(yīng)用于我國(guó)的水泥等粉磨工業(yè)中，推動(dòng)我國(guó)基礎(chǔ)工業(yè)以及出口貿(mào)易的發(fā)展，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。

實(shí)施例1：

芯部材料采用具有韌性的42CrMo低合金鋼，在芯部材料外部通過(guò)鑄造復(fù)合一層質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：2.50，Cr：13.0，B：0.80，Mn：0.50，Si：0.60，Ni：0.60，Mg：0.02，Cc：0.03，Ti：0.06，N：0.006，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵基體耐磨層；采用電爐熔煉，其制造工藝步驟是：

①將普通廢鋼和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵，硅鐵和錳鐵加入10分鐘后，再加入硼鐵；其中鉻、硼、錳、硅和鈦分別以鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鈦鐵和硼鐵形式加入，而鎂和鎳以鎂鎳合金形式加入，鈰以鈰基稀土硅鐵形式加入，氮以含氮鉻鐵形式加入；

②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1580℃，加入占鋼水質(zhì)量0.1％的鋁脫氧，隨后加入鈦鐵和鎂鎳合金3分鐘后出爐；

③將鈰基稀土硅鐵、含氮鉻鐵破碎至粒度為10～12mm的小塊，經(jīng)200℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行微合金化處理；

④將具有韌性的42CrMo低合金鋼磨輥芯部材料進(jìn)行表面清理，然后在表面涂覆一層硅質(zhì)防氧化涂料后，采用加熱爐將其加熱到800℃，然后將其吊出放入鑄型中；

⑤鋼水溫度降至1500℃，直接澆入放置有預(yù)熱后的輥芯的鑄型中，鋼水澆注8小時(shí)后開(kāi)箱空冷；

⑥高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層材料進(jìn)行淬火和回火熱處理，淬火加熱溫度為980℃，保溫時(shí)間4小時(shí)，空冷至溫度低于200℃進(jìn)行回火熱處理，回火加熱溫度為450℃，回火保溫時(shí)間8小時(shí)，爐冷至溫度低于200℃后，最后空氣冷卻至室溫；

然后對(duì)鑄造好的復(fù)合磨輥基體耐磨層材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在350℃，過(guò)渡層采用市售的低碳鋼焊絲，通過(guò)堆焊方式將其堆焊到上述高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層基體上，堆焊層厚度為3mm；

在過(guò)渡層表面再進(jìn)行堆焊輥面耐磨形態(tài)層材料，輥面耐磨形態(tài)層材料采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：2.8，Cr：15.0，Ni：1.5，Nb：0.90，Mo：1.50，Si：1.30，Ti：1.0，V：0.5，B：0.60，S＜0.007，P＜0.015，余量為Fe的藥芯焊絲堆焊成型，堆焊層厚度為12mm；

堆焊后將多尺度耦合復(fù)合磨輥放入溫度為200℃的爐內(nèi)進(jìn)行1.5h的保溫，再裝爐進(jìn)行退火，退火溫度為550℃，隨爐緩冷至100℃時(shí)出爐空冷。

實(shí)施例2

芯部材料采用球墨鑄鐵，在芯部材料外部通過(guò)鑄造復(fù)合一層質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：3.0，Cr：15.0，B：1.0，Mn：0.60，Si：0.80，Ni：0.70，Mg：0.03，Ce：0.04，Ti：0.090，N：0.010，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層；采用電爐熔煉，其制造工藝步驟是：

①將普通廢鋼和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵，硅鐵和錳鐵加入10分鐘后，再加入硼鐵；其中鉻、硼、錳、硅和鈦分別以鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鈦鐵和硼鐵形式加入，而鎂和鎳以鎂鎳合金形式加入，鈰以鈰基稀土硅鐵形式加入，氮以含氮鉻鐵形式加入；

②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1600℃，加入占鋼水質(zhì)量0.11％的鋁脫氧，隨后加入鈦鐵和鎂鎳合金5分鐘后出爐；

③將鈰基稀土硅鐵、含氮鉻鐵破碎至粒度為10～12mm的小塊，經(jīng)230℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行微合金化處理；

④將球墨鑄鐵磨輥芯部材料進(jìn)行表面清理，然后在表面涂覆一層硅質(zhì)防氧化涂料后，采用加熱爐將其加熱到880℃，然后將其吊出放入鑄型中；

⑤鋼水溫度降至1500℃，直接澆入放置有預(yù)熱后的輥芯的鑄型中，鋼水澆注9小時(shí)后開(kāi)箱空冷；

⑥高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵基體耐磨層材料進(jìn)行淬火和回火熱處理，淬火加熱溫度為1000℃，保溫時(shí)間5小時(shí)，空冷至溫度低于200℃進(jìn)行回火熱處理，回火加熱溫度為480℃，回火保溫時(shí)間10小時(shí)，爐冷至溫度低于200℃后，最后空氣冷卻至室溫；

然后對(duì)鑄造好的復(fù)合磨輥基體耐磨層材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在400℃之間，過(guò)渡層采用奧氏體不銹鋼焊絲通過(guò)堆焊方式將其堆焊到高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層基體上，堆焊層厚度為2～5mm；

在過(guò)渡層表面再進(jìn)行堆焊輥面耐磨形態(tài)層材料，輥面耐磨形態(tài)層材料采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：3.0，Cr：18.0，Ni：1.80，Nb：1.30，Mo：1.80，Si：2.0，Ti：1.40，V：1.0，B：1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量為Fe的藥芯焊絲堆焊成型，堆焊層厚度為13mm；

堆焊后將多尺度耦合復(fù)合磨輥放入溫度為200℃的爐內(nèi)進(jìn)行3.0h的保溫，再裝爐進(jìn)行退火，退火溫度為560℃，隨爐緩冷至100℃時(shí)出爐空冷。

實(shí)施例3

芯部材料采用廢舊磨輥，在芯部材料外部通過(guò)鑄造復(fù)合一層質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：2.90，Cr：18.0，B：1.80，Mn：0.8，Si：1.2，Ni：0.80，Mg：0.04，Ce：0.05，Ti：0.10，N：0.015，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層；采用電爐熔煉，其制造工藝步驟是：

①將普通廢鋼和鉻鐵混合加熱熔化，鋼水熔清后加入硅鐵和錳鐵，硅鐵和錳鐵加入10分鐘后，再加入硼鐵；其中鉻、硼、錳、硅和鈦分別以鉻鐵、硅鐵、錳鐵、鈦鐵和硼鐵形式加入，而鎂和鎳以鎂鎳合金形式加入，鈰以鈰基稀土硅鐵形式加入，氮以含氮鉻鐵形式加入；

②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1650℃，加入占鋼水質(zhì)量0.12％的鋁脫氧，隨后加入鈦鐵和鎂鎳合金5分鐘后出爐；

③將鈰基稀土硅鐵、含氮鉻鐵破碎至粒度為12mm的小塊，經(jīng)250℃烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對(duì)鋼水進(jìn)行微合金化處理；

④將廢舊磨輥芯部材料進(jìn)行表面清理，然后在表面涂覆一層硅質(zhì)防氧化涂料后，采用加熱爐將其加熱到950℃，然后將其吊出放入鑄型中；

⑤鋼水溫度降至1550℃，直接澆入放置有預(yù)熱后的輥芯的鑄型中，鋼水澆注10小時(shí)后開(kāi)箱空冷；

⑥高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵基體耐磨層材料進(jìn)行淬火和回火熱處理，淬火加熱溫度為1050℃，保溫時(shí)間6小時(shí)，空冷至溫度低于200℃進(jìn)行回火熱處理，回火加熱溫度為500℃，回火保溫時(shí)間15小時(shí)，爐冷至溫度低于200℃后，最后空氣冷卻至室溫；

然后對(duì)鑄造好的復(fù)合磨輥材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在400℃之間，過(guò)渡層采用奧氏體不銹鋼焊絲，通過(guò)堆焊方式將其堆焊到高耐磨改性含硼高鉻鑄鐵耐磨層基體上，堆焊層厚度為5mm；

在過(guò)渡層表面再進(jìn)行堆焊輥面耐磨形態(tài)層材料，輥面耐磨形態(tài)層材料采用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)(％)為：C：3.20，Cr：24.0，Ni：2.0，Nb：2.0，Mo：2.0，Si：2.3，Ti：1.6，V：1.0，B：1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量為Fe的藥芯焊絲堆焊成型，堆焊層厚度為15mm；

堆焊后將多尺度耦合復(fù)合磨輥放入溫度為200℃的爐內(nèi)進(jìn)行4.5h的保溫，再裝爐進(jìn)行退火，退火溫度為550℃，隨爐緩冷至100℃時(shí)出爐空冷。