一種複合材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法

2023-04-27 23:27:31

專利名稱：一種複合材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法
技術領域：
本發明涉及一種複合材料及其製造方法，特別涉及一種具有雙陰影抗磨 效應的輥磨機複合材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法。
背景技術：
大型輥磨機(輥式破碎機，輥式粉碎機等)是礦山、冶金、水泥、建材 等行業對礦物和建築材料進行物料破碎必不可少的設備，而磨輥是輥磨機中 能耗最大的磨損配件。其工作原理是依靠滾動的磨輥碾壓位於磨盤上的物料 而達到粉碎物料的目的。僅水泥、電力工業，我國每年大型磨輥的消耗量就
高達80萬噸，產值160億元以上。目前，國產大型磨輥由於抗磨性差，使用 壽命短，更換頻繁，成為制約物料粉碎效率的關鍵因素，因而國內大部分大 型磨輥仍採用進口產品，造成極大地國民經濟損失。因此開發新型磨輥材料 及其加工成形技術，提高磨輥的使用壽命並改善過度依賴進口大型磨輥的現 狀已成為亟待解決的問題。
目前國內採用的磨輥主要有整體鑄造磨輥:所涉及的材料有高鉻鑄鐵(中
國發明專利CN1943861)、球墨鑄鐵(中國實用新型專利CN2373207)、鎳鉻低 合金鑄鐵(原商業部磨輥行業標準SB/T3515-1993)、高錳鋼(Mnl3)等；復 合磨輥:包括雙液雙金屬複合鑄造磨輥(中國發明專利01134317. 6、01134317、 中國實用新型專利200620067961)，鑲鑄或鑲嵌磨輥(中國實用新型專利 01242782.9、 200620009872)，表面堆焊或整體堆焊磨輥(中國實用新型專利 92215303.5)。對於整體鑄造磨輥，雖然其具有高的強韌性、在運行過程中易發生斷裂，但由於磨輥的整體硬度較低，不足以抵抗物料的長期不間斷磨 料磨損作用，所以耐磨性差，使用壽命短，儘管人們通過調整合金成分和改 進熱處理工藝等措施試圖提高磨輥的抗磨性，其結果往往是製造成本顯著增
加，而抗磨性提高甚微；所謂複合磨輥，是指將一種高硬度的材料如高鉻鑄 鐵或硬質合金與一種高韌性且價格低廉的鑄鐵或鑄鋼通過複合鑄造、焊接或 鑲嵌等方法組合在一起製作成磨輥，將其中高硬度材料作為磨輥的碾磨麵以 提高磨輥的抗磨性，而高韌性材料位於磨輥的內部以防止斷裂與剝落。這類 磨輥製造工藝複雜、成本高(對於硬質合金更是如此)，且工藝穩定性差，在 結合部位易產生裂紋、應力集中等缺陷，因此在實際運行中往往會發生兩種 材料的結合部位由於裂紋擴展而斷裂剝落的現象；堆焊磨輥是採用專用抗磨 焊條在鑄鐵或鑄鋼磨輥的端部(打擊面或工作面)堆焊一層具有高硬度的抗 磨層，其缺點是需要專用焊機，堆焊工藝複雜，工藝控制難度大，堆焊層中 存在大量微裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，因此運行中堆焊層的剝落和掉塊是其 主要失效形式。
國際上有美國燃燒工程有限公司開發的粉碎機用節能磨輥，俄羅斯泰亞 茲赫馬什公司研製的新型磨輥，這些均為整體式磨輥，服役安全性高，但是 使用壽命有限，更換頻繁。比利時馬克託公司生產地複合材料磨輥 (US2002136857 (Al)、 US2007184235 (Al))採用高耐磨陶瓷顆粒增強鐵基 複合材料具有很高的耐磨性，使用壽命大幅度提高，因而佔據了國際大型磨 輥的大片市場，但是該公司採用的陶瓷顆粒為氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷，這種 材料與鋼鐵材料的潤溼性略差，結合強度有限。
因此，本研究所近年來致力於研究界面潤溼性好，結合牢固的WC陶瓷顆 粒增強鋼鐵基複合材料，並開發出鑄滲法製備WC顆粒增強鐵基複合材料的多項技術。包括有鐵基複合材料及其鑄造方法(中國發明專利 CN200510096149. 5); WCp增強鐵基表層複合材料用複合劑技術(中國發明專 利CN200510043187. 4 );局部複合材料及其製造方法(中國發明專利 CN95113785.9 )等等。這些發明專利克服了前述技術的缺點，提供了一種成 型方法簡單，複合材料層與金屬母體呈冶金結合的複合材料磨輥新思路。這 種磨輥在服役過程中，由於複合材料層中陶瓷顆粒的高硬度，將逐漸突出於 複合材料層表面而對周圍基體金屬產生一種微觀的陰影效應，保護了基體免 於進一步磨損，這一微觀陰影效應已在磨損試驗中得到證實。
然而，上述現有複合技術中常常採用塊狀增強體與金屬母體進行複合， 往往會發生複合層剝落或掉塊的現象。因此，最近本研究所採用柱狀增強體 研製了顆粒增強鐵基複合材料新技術(中國發明專利CN200910021871.0, CN200910021867. 4)，使得製備的複合材料具有宏觀陰影效應，複合材料層與 金屬母體界面結合牢固，服役過程中不易脫落。但與此同時，這種複合材料 製備工藝要求嚴格柱狀金屬網的製備過程複雜，採用柱狀金屬網所獲得的 增強體易在移動碰撞過程中潰散；柱狀增強體在金屬液澆注的過程中會發生 近內澆道位置的少量增強體被衝散的現象，不利於穩定生產。總之，採用柱 狀增強體製備複合材料的新工藝對技術人員的要求較高，且不易實現批量化 生產，因此限制了其應用。

發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種鑄造工藝穩定， 改善了增強體與母體金屬的結合形式，使其在澆注過程中增強體不易潰散， 實際磨料磨損工況下增強體不會與母體金屬分離，從而延長使用壽命的複合 材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是
1) 首先將粒度為300 750um的WC顆粒與粘結劑按100:3-5的質量比 混製成膏狀，填充於模具中，抽芯、脫模、並在IO(TC下烘製10h形成蜂窩 狀預製體並置於鑄型型腔的端面側；
2) 採用中頻感應電爐熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液的出爐溫度 為1470 153(TC，澆注溫度為1420 1480°C，然後金屬液出爐澆注，澆注時 金屬液經由澆口杯、直澆道和內澆道進入鑄型型腔底部，金屬液出爐前5min 啟動真空泵，通過真空吸管對鑄型型腔造成負壓氣氛，通過冒口對金屬液進 行補縮，澆注完畢後4min關閉真空泵使鑄件冷卻至室溫，通過打箱、機加工 後組合形成複合材料磨輥或磨盤；
其中WC顆粒使用量根據下式計算
式中*.
『^WC顆粒的重量，g;
S—~f^制體塊的底面積，mm2;
A——預製體塊的高度，mm; p~~WC顆粒的密度，g/mra3。
本發明的金屬母體材料為高鉻鑄鐵、鎳鉻低合金鑄鐵或高錳鋼；WC顆粒 的硬度為2500 3000 Hv，密度為15.8 16.5 g/mm3;模具材料為45鋼，結 構由抽芯設備和脫模設備構成，將WC顆粒與粘結劑混製成膏狀，填充於模具 當中後，從模具底部抽芯，從模具側面脫模；粘結劑為含質量百分比15 20% 的Na2B407 10H20， 13 18%的Na2Si03 12H20,餘量為水。
按本發明的鑄造方法製得的複合材料磨輥與磨盤，內部材料為高鉻鑄鐵、鎳鉻低合金鑄鐵或高錳鋼，端部即工作面或碾壓面由金屬母體與蜂窩狀預製
體組成，蜂窩狀預製體硬度為HRC55 67。
由於本發明的增強體採用蜂窩狀結構， 一方面有利於阻擋金屬液的衝刷 作用，利於鑄件穩定生產，減少廢品率；另一方面，蜂窩狀的增強體可以實 現複合材料磨輥服役過程中的宏觀陰影效應，有助於提高材料耐磨性，同時 又可以避免純塊狀增強體剝落或掉塊的現象。除此之外，這種蜂窩狀增強體 可以採用模具批量生產，質量穩定。按本發明的製備方法製得的複合材料磨 輥與磨盤具有雙陰影抗磨效應，其結構是由母體金屬與蜂窩狀增強體構成。 增強體是通過WC陶瓷顆粒預製體與母液金屬的熔滲而形成的複合材料，其微 觀組織由陶瓷顆粒與基體組成。磨損過程中，由於增強體的高硬度與高耐磨 性，將逐漸突出於母體而產生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免於進一步 磨損。本發明改善了增強體與母體金屬的結合形式，使得在磨輥與磨盤實際 運行工況下複合材料增強體不會與母體金屬分離而出現剝落或脫落，從而延 長了磨輥與磨盤的使用壽命。本發明的製備方法所獲得的複合材料磨輥與磨 盤中增強體硬度為HRC55 67，厚度為25 35mm，具有優異的抗磨性能；增 強體與金屬母體的界面、以及增強體中WC顆粒與基體的界面呈良好的冶金結 合，結合強度高，WC顆粒分布均勻；本發明生產的冶金軋鋼用導位板(磨盤 的另一種形式)，其壽命是傳統合金鋼導位板的15倍。


圖1為本發明複合材料磨輥的鑄造工藝圖2為本發明複合材料磨輥的組合結構圖3為本發明複合材料磨輥與磨盤預製體的模具圖4為本發明複合材料磨輥與磨盤預製體5為本發明複合材料磨輥與磨盤碾磨麵的宏觀陰影效應示意圖； 圖6為本發明複合材料磨輥的增強體中陶瓷顆粒對周圍基體產生的微觀 陰影效應圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。
實施例l:參見圖l，首先採用水玻璃砂進行磨輥與磨盤的造型，將硬度
為2500 3000Hv，密度為15.8 16. 5g/mm3，粒度為300um 750um的WC 顆粒與含質量百分比為20%的硼砂、17%的Na2Si03 12H20和63%的水製成的 粘結劑按照100:4的質量比混製成膏狀，填充於如圖3所示的模具10當中， 抽芯、脫模、並在IO(TC下烘製10h形成蜂窩狀預製體2並置於鑄型型腔1 的端面側；採用250kg中頻感應電爐熔煉高鉻鑄鐵形成金屬液，金屬液的出 爐溫度為153(TC，澆注溫度為148(TC;金屬液出爐前5min啟動真空泵，真 空度為0.12MPa，然後金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內澆道6進入鑄型型腔1，通過真空吸管3對型腔1造成 負壓氣氛，通過冒口 8對金屬液進行補縮，澆注完畢後4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工後組合形成如附圖2所示的複合材料磨輥 9。
WC顆粒使用量根據下式計算
式中
『一~WC顆粒的重量，g; S~~預製體塊的底面積，mm2; -預製體塊的高度，mm;p^WC顆粒的密度，g/mra3;
實施例2:參見圖l，首先採用樹脂砂進行磨輥與磨盤的造型，將硬度為 2500 3000Hv，密度為15. 8 16. 5g/mm3，粒度為300 u m 750 u m的WC顆粒 與含質量百分比為15%的硼砂、13%的Na2Si03 12H20和72%的水製成的粘結 齊啦照100:3的質量比混製成膏狀，填充於如圖3所示的模具10當中，抽芯、 脫模、並在IO(TC下烘製10h形成蜂窩狀預製體2並置於鑄型型腔1的端面 側；採用250kg中頻感應電爐熔煉鎳鉻低合金鑄鐵形成金屬液，金屬液的出 爐溫度為147(TC，澆注溫度為142(TC;金屬液出爐前5min啟動真空泵，真 空度為0.12MPa，然後金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內澆道6進入鑄型型腔1，通過真空吸管3對型腔1造成 負壓氣氛，通過冒口 8對金屬液進行補縮，澆注完畢後4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工後組合形成如附圖2所示的複合材料磨輥 9。
WC顆粒使用量根據下式計算
式中
『~WC顆粒的重量，g;
S~~^制體塊的底面積，mm2; A~~f頁制體塊的高度，mm; p—~WC顆粒的密度，g/mra3;
實施例3:參見圖l，首先採用水玻璃砂進行磨輥與磨盤的造型，將硬度
為2500 3000Hv，密度為15. 8 16. 5g/咖3，粒度為300um 750um的WC 顆粒與含質量百分比為18%的硼砂、18%的Na2Si03 12H20和64%的水製成的粘結劑按照100:5的質量比混製成膏狀，填充於如圖3所示的模具10當中， 抽芯、脫模、並在IO(TC下烘製10h形成蝰窩狀預製體2並置於鑄型型腔1 的端面側；採用250kg中頻感應電爐熔煉高錳鋼形成金屬液，金屬液的出爐 溫度為151(TC，澆注溫度為146(TC;金屬液出爐前5min啟動真空泵，真空 度為0. 12MPa，然後金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內澆道6進入鑄型型腔1，通過真空吸管3對型腔1造成 負壓氣氛，通過冒口 8對金屬液進行補縮，澆注完畢後4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工後組合形成圖2所示的複合材料磨輥結構。 WC顆粒使用量根據下式計算
式中
『^WC顆粒的重量，g;
S——預製體塊的底面積，mm2;
——預製體塊的高度，mm; p^WC顆粒的密度，g/mra3;
本發明依靠真空泵的負壓作用，使金屬液滲透到預製體的孔隙中，從而 在鑄件端面(工作面或碾壓面)形成蜂窩狀增強體。其中，製備預製體時使 用粘結劑， 一方面起粘結WC顆粒的作用，烘製後又可保證預製層有足夠的強 度；另一方面可以改善金屬液與WC顆粒的潤溼性，提高金屬液的浸滲能力。 採用本發明製備的複合材料磨輥與磨盤增強體硬度為HRC55 67，長度為 25 35ram，增強體與金屬母體的界面以及增強體中WC顆粒與基體的界面呈良 好的冶金結合。磨損過程中，由於增強體的高硬度與高耐磨性，將逐漸突出 於母體而產生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免於進一步磨損，如附圖5所示；同時由於增強體中陶瓷顆粒的高硬度與高耐磨性，亦將逐漸突出於增 強體中的基體而產生一種微觀的陰影效應，保護了基體免於進一步磨損，如 附圖6所示。本發明生產的磨輥與磨盤，其壽命是傳統鎳鉻低合金鑄鐵的3 8倍。
按本發明的製備方法製得的複合材料磨輥與磨盤具有雙陰影抗磨效應， 其結構是由母體金屬與蜂窩狀增強體構成。增強體是通過WC陶瓷顆粒預製體 (如附圖4所示)與母液金屬的熔滲而形成的複合材料，其微觀組織由陶瓷 顆粒與基體組成，如附圖6所示。磨損過程中，由於增強體的高硬度與高耐 磨性，將逐漸突出於母體而產生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免於進一 步磨損，如附圖5所示。本發明改善了增強體與母體金屬的結合形式，使得 在磨輥與磨盤實際運行工況下複合材料增強體不會與母體金屬分離而出現剝 落或脫落，從而延長了磨輥與磨盤的使用壽命。本發明的製備方法所獲得的 複合材料磨輥與磨盤中增強體硬度為HRC55 67，厚度為25 35mm，具有優 異的抗磨性能；增強體與金屬母體的界面、以及增強體中WC顆粒與基體的界 面呈良好的冶金結合，結合強度高，WC顆粒分布均勻；本發明生產的冶金軋 鋼用導位板(磨盤的另一種形式)，其壽命是傳統合金鋼導位板的15倍。
權利要求
1、一種複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特徵在於1)首先將粒度為300～750μm的WC顆粒與粘結劑按100∶3-5的質量比混製成膏狀，填充於模具(10)中，抽芯、脫模、並在100℃下烘製10h形成蜂窩狀預製體(2)並置於鑄型型腔(1)的端面側；2)採用中頻感應電爐熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液的出爐溫度為1470～1530℃，澆注溫度為1420～1480℃，然後金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經由澆口杯(4)直澆道(5)和內澆道(6)進入鑄型型腔(1)底部，金屬液出爐前5min啟動真空泵，通過真空吸管(3)對鑄型型腔(1)造成負壓氣氛，通過冒口(8)對金屬液進行補縮，澆注完畢後4min關閉真空泵使鑄件冷卻至室溫，通過打箱、機加工後組合形成複合材料磨輥或磨盤；其中WC顆粒使用量根據下式計算W＝S·h·ρ式中W——WC顆粒的重量，g；S——預製體塊的底面積，mm2；h——預製體塊的高度，mm；ρ——WC顆粒的密度，g/mm3。
2、 根據權利要求1所述的複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特徵 在於所述的金屬母體材料為高鉻鑄鐵、鎳絡低合金鑄鐵或高錳鋼。
3、 根據權利要求1所述的複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特徵 在於所述的WC顆粒的硬度為2500 3000 Hv，密度為15. 8 16. 5 g/mra3。
4、 根據權利要求1所述的複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特徵 在於所述的模具材料為45鋼，結構由抽芯設備和脫模設備構成，將WC顆 粒與粘結劑混製成膏狀，填充於模具當中後，從模具底部抽芯，從模具側面 脫模，在IO(TC下烘製10h形成蜂窩狀預製體。
5、 根據權利要求1所述的複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特徵 在於所述的粘結劑為含質量百分比15 20%的Na2B407 10H20， 13 18%的 Na2Si03 12H20，餘量為水。
6、 一種按照權利要求1所述的複合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法鑄造 的複合材料磨輥與磨盤，其特徵在於磨輥與磨盤的內部材料為高鉻鑄鐵、 鎳鉻低合金鑄鐵或高錳鋼，端部即工作面或碾磨麵由金屬母體與蜂窩狀預製 體組成，蜂窩狀預製體硬度為HRC55 67。
全文摘要
一種複合材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法，首先將WC顆粒與粘結劑製成膏狀，填充於模具中形成蜂窩狀預製體並置於鑄型型腔的端面側；然後熔鍊金屬母體材料形成金屬液，金屬液由澆口杯直澆道和內澆道進入鑄型型腔底部凝固後形成複合材料磨輥與磨盤。本發明的增強體採用蜂窩狀結構，一方面有利於阻擋金屬液的衝刷作用，利於鑄件穩定生產，減少廢品率；另一方面，蜂窩狀的增強體可以實現複合材料磨輥服役過程中的宏觀陰影效應，有助於提高材料耐磨性，同時又可以避免純塊狀增強體剝落或掉塊的現象。
文檔編號B02C4/00GK101585081SQ20091002302
公開日2009年11月25日 申請日期2009年6月23日 優先權日2009年6月23日
發明者史芳傑, 尹宏飛, 李燁飛, 皇志富, 邢建東, 鄭開宏, 高義民, 鮑崇高 申請人:西安交通大學