專利名稱：一種復合材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種復合材料及其制造方法，特別涉及一種具有雙陰影抗磨 效應的輥磨機復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(yè)對礦物和建筑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于磨盤上的物料 而達到粉碎物料的目的。僅水泥、電力工業(yè)，我國每年大型磨輥的消耗量就
高達80萬噸，產(chǎn)值160億元以上。目前，國產(chǎn)大型磨輥由于抗磨性差，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(nèi)大部分大 型磨輥仍采用進口產(chǎn)品，造成極大地國民經(jīng)濟損失。因此開發(fā)新型磨輥材料 及其加工成形技術，提高磨輥的使用壽命并改善過度依賴進口大型磨輥的現(xiàn) 狀已成為亟待解決的問題。
目前國內(nèi)采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(fā)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(yè)部磨輥行業(yè)標準SB/T3515-1993)、高錳鋼(Mnl3)等；復 合磨輥:包括雙液雙金屬復合鑄造磨輥(中國發(fā)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)。對于整體鑄造磨輥，雖然其具有高的強韌性、在運行過程中易發(fā)生斷裂，但由于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，盡管人們通過調(diào)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(jié)果往往是制造成本顯著增
加，而抗磨性提高甚微；所謂復合磨輥，是指將一種高硬度的材料如高鉻鑄 鐵或硬質(zhì)合金與一種高韌性且價格低廉的鑄鐵或鑄鋼通過復合鑄造、焊接或 鑲嵌等方法組合在一起制作成磨輥，將其中高硬度材料作為磨輥的碾磨面以 提高磨輥的抗磨性，而高韌性材料位于磨輥的內(nèi)部以防止斷裂與剝落。這類 磨輥制造工藝復雜、成本高(對于硬質(zhì)合金更是如此)，且工藝穩(wěn)定性差，在 結(jié)合部位易產(chǎn)生裂紋、應力集中等缺陷，因此在實際運行中往往會發(fā)生兩種 材料的結(jié)合部位由于裂紋擴展而斷裂剝落的現(xiàn)象；堆焊磨輥是采用專用抗磨 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，堆焊工藝復雜，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(fā)的粉碎機用節(jié)能磨輥，俄羅斯泰亞 茲赫馬什公司研制的新型磨輥，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。比利時馬克托公司生產(chǎn)地復合材料磨輥 (US2002136857 (Al)、 US2007184235 (Al))采用高耐磨陶瓷顆粒增強鐵基 復合材料具有很高的耐磨性，使用壽命大幅度提高，因而占據(jù)了國際大型磨 輥的大片市場，但是該公司采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濕性略差，結(jié)合強度有限。
因此，本研究所近年來致力于研究界面潤濕性好，結(jié)合牢固的WC陶瓷顆 粒增強鋼鐵基復合材料，并開發(fā)出鑄滲法制備WC顆粒增強鐵基復合材料的多項技術。包括有鐵基復合材料及其鑄造方法(中國發(fā)明專利 CN200510096149. 5); WCp增強鐵基表層復合材料用復合劑技術(中國發(fā)明專 利CN200510043187. 4 );局部復合材料及其制造方法(中國發(fā)明專利 CN95113785.9 )等等。這些發(fā)明專利克服了前述技術的缺點，提供了一種成 型方法簡單，復合材料層與金屬母體呈冶金結(jié)合的復合材料磨輥新思路。這 種磨輥在服役過程中，由于復合材料層中陶瓷顆粒的高硬度，將逐漸突出于 復合材料層表面而對周圍基體金屬產(chǎn)生一種微觀的陰影效應，保護了基體免 于進一步磨損，這一微觀陰影效應已在磨損試驗中得到證實。
然而，上述現(xiàn)有復合技術中常常采用塊狀增強體與金屬母體進行復合， 往往會發(fā)生復合層剝落或掉塊的現(xiàn)象。因此，最近本研究所采用柱狀增強體 研制了顆粒增強鐵基復合材料新技術(中國發(fā)明專利CN200910021871.0, CN200910021867. 4)，使得制備的復合材料具有宏觀陰影效應，復合材料層與 金屬母體界面結(jié)合牢固，服役過程中不易脫落。但與此同時，這種復合材料 制備工藝要求嚴格柱狀金屬網(wǎng)的制備過程復雜，采用柱狀金屬網(wǎng)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(fā)生 近內(nèi)澆道位置的少量增強體被沖散的現(xiàn)象，不利于穩(wěn)定生產(chǎn)?？傊?，采用柱 狀增強體制備復合材料的新工藝對技術人員的要求較高，且不易實現(xiàn)批量化 生產(chǎn)，因此限制了其應用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供了一種鑄造工藝穩(wěn)定， 改善了增強體與母體金屬的結(jié)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復合 材料磨輥與磨盤及其負壓鑄造方法。為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是
1) 首先將粒度為300 750um的WC顆粒與粘結(jié)劑按100:3-5的質(zhì)量比 混制成膏狀，填充于模具中，抽芯、脫模、并在IO(TC下烘制10h形成蜂窩 狀預制體并置于鑄型型腔的端面?zhèn)龋?br> 2) 采用中頻感應電爐熔煉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，然后金屬液出爐澆注，澆注時 金屬液經(jīng)由澆口杯、直澆道和內(nèi)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，澆注完畢后4min關閉真空泵使鑄件冷卻至室溫，通過打箱、機加工 后組合形成復合材料磨輥或磨盤；
其中WC顆粒使用量根據(jù)下式計算
式中*.
『^WC顆粒的重量，g;
S—~f^制體塊的底面積，mm2;
A——預制體塊的高度，mm; p~~WC顆粒的密度，g/mra3。
本發(fā)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(jié) 構(gòu)由抽芯設備和脫模設備構(gòu)成，將WC顆粒與粘結(jié)劑混制成膏狀，填充于模具 當中后，從模具底部抽芯，從模具側(cè)面脫模；粘結(jié)劑為含質(zhì)量百分比15 20% 的Na2B407 10H20， 13 18%的Na2Si03 12H20,余量為水。
按本發(fā)明的鑄造方法制得的復合材料磨輥與磨盤，內(nèi)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制
體組成，蜂窩狀預制體硬度為HRC55 67。
由于本發(fā)明的增強體采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)， 一方面有利于阻擋金屬液的沖刷 作用，利于鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)，減少廢品率；另一方面，蜂窩狀的增強體可以實 現(xiàn)復合材料磨輥服役過程中的宏觀陰影效應，有助于提高材料耐磨性，同時 又可以避免純塊狀增強體剝落或掉塊的現(xiàn)象。除此之外，這種蜂窩狀增強體 可以采用模具批量生產(chǎn)，質(zhì)量穩(wěn)定。按本發(fā)明的制備方法制得的復合材料磨 輥與磨盤具有雙陰影抗磨效應，其結(jié)構(gòu)是由母體金屬與蜂窩狀增強體構(gòu)成。 增強體是通過WC陶瓷顆粒預制體與母液金屬的熔滲而形成的復合材料，其微 觀組織由陶瓷顆粒與基體組成。磨損過程中，由于增強體的高硬度與高耐磨 性，將逐漸突出于母體而產(chǎn)生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免于進一步 磨損。本發(fā)明改善了增強體與母體金屬的結(jié)合形式，使得在磨輥與磨盤實際 運行工況下復合材料增強體不會與母體金屬分離而出現(xiàn)剝落或脫落，從而延 長了磨輥與磨盤的使用壽命。本發(fā)明的制備方法所獲得的復合材料磨輥與磨 盤中增強體硬度為HRC55 67，厚度為25 35mm，具有優(yōu)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(jié) 合，結(jié)合強度高，WC顆粒分布均勻；本發(fā)明生產(chǎn)的冶金軋鋼用導位板(磨盤 的另一種形式)，其壽命是傳統(tǒng)合金鋼導位板的15倍。


圖1為本發(fā)明復合材料磨輥的鑄造工藝圖2為本發(fā)明復合材料磨輥的組合結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明復合材料磨輥與磨盤預制體的模具圖4為本發(fā)明復合材料磨輥與磨盤預制體5為本發(fā)明復合材料磨輥與磨盤碾磨面的宏觀陰影效應示意圖； 圖6為本發(fā)明復合材料磨輥的增強體中陶瓷顆粒對周圍基體產(chǎn)生的微觀 陰影效應圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
實施例l:參見圖l，首先采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(zhì)量百分比為20%的硼砂、17%的Na2Si03 12H20和63%的水制成的 粘結(jié)劑按照100:4的質(zhì)量比混制成膏狀，填充于如圖3所示的模具10當中， 抽芯、脫模、并在IO(TC下烘制10h形成蜂窩狀預制體2并置于鑄型型腔1 的端面?zhèn)龋徊捎?50kg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，然后金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經(jīng)由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內(nèi)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，澆注完畢后4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工后組合形成如附圖2所示的復合材料磨輥 9。
WC顆粒使用量根據(jù)下式計算
式中
『一~WC顆粒的重量，g; S~~預制體塊的底面積，mm2; -預制體塊的高度，mm;p^WC顆粒的密度，g/mra3;
實施例2:參見圖l，首先采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(zhì)量百分比為15%的硼砂、13%的Na2Si03 12H20和72%的水制成的粘結(jié) 齊啦照100:3的質(zhì)量比混制成膏狀，填充于如圖3所示的模具10當中，抽芯、 脫模、并在IO(TC下烘制10h形成蜂窩狀預制體2并置于鑄型型腔1的端面 側(cè)；采用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，然后金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經(jīng)由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內(nèi)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，澆注完畢后4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工后組合形成如附圖2所示的復合材料磨輥 9。
WC顆粒使用量根據(jù)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，首先采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(zhì)量百分比為18%的硼砂、18%的Na2Si03 12H20和64%的水制成的粘結(jié)劑按照100:5的質(zhì)量比混制成膏狀，填充于如圖3所示的模具10當中， 抽芯、脫模、并在IO(TC下烘制10h形成蝰窩狀預制體2并置于鑄型型腔1 的端面?zhèn)?；采?50kg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，然后金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經(jīng)由澆口杯4直澆道5 和由隔板7形成的內(nèi)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，澆注完畢后4min關閉真空泵使鑄 件冷卻至室溫，通過打箱、機加工后組合形成圖2所示的復合材料磨輥結(jié)構(gòu)。 WC顆粒使用量根據(jù)下式計算
式中
『^WC顆粒的重量，g;
S——預制體塊的底面積，mm2;
——預制體塊的高度，mm; p^WC顆粒的密度，g/mra3;
本發(fā)明依靠真空泵的負壓作用，使金屬液滲透到預制體的孔隙中，從而 在鑄件端面(工作面或碾壓面)形成蜂窩狀增強體。其中，制備預制體時使 用粘結(jié)劑， 一方面起粘結(jié)WC顆粒的作用，烘制后又可保證預制層有足夠的強 度；另一方面可以改善金屬液與WC顆粒的潤濕性，提高金屬液的浸滲能力。 采用本發(fā)明制備的復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(jié)合。磨損過程中，由于增強體的高硬度與高耐磨性，將逐漸突出 于母體而產(chǎn)生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免于進一步磨損，如附圖5所示；同時由于增強體中陶瓷顆粒的高硬度與高耐磨性，亦將逐漸突出于增 強體中的基體而產(chǎn)生一種微觀的陰影效應，保護了基體免于進一步磨損，如 附圖6所示。本發(fā)明生產(chǎn)的磨輥與磨盤，其壽命是傳統(tǒng)鎳鉻低合金鑄鐵的3 8倍。
按本發(fā)明的制備方法制得的復合材料磨輥與磨盤具有雙陰影抗磨效應， 其結(jié)構(gòu)是由母體金屬與蜂窩狀增強體構(gòu)成。增強體是通過WC陶瓷顆粒預制體 (如附圖4所示)與母液金屬的熔滲而形成的復合材料，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，由于增強體的高硬度與高耐 磨性，將逐漸突出于母體而產(chǎn)生一種宏觀的陰影效應，保護了母體免于進一 步磨損，如附圖5所示。本發(fā)明改善了增強體與母體金屬的結(jié)合形式，使得 在磨輥與磨盤實際運行工況下復合材料增強體不會與母體金屬分離而出現(xiàn)剝 落或脫落，從而延長了磨輥與磨盤的使用壽命。本發(fā)明的制備方法所獲得的 復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(yōu) 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(jié)合，結(jié)合強度高，WC顆粒分布均勻；本發(fā)明生產(chǎn)的冶金軋 鋼用導位板(磨盤的另一種形式)，其壽命是傳統(tǒng)合金鋼導位板的15倍。
權利要求
1、一種復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特征在于1)首先將粒度為300～750μm的WC顆粒與粘結(jié)劑按100∶3-5的質(zhì)量比混制成膏狀，填充于模具(10)中，抽芯、脫模、并在100℃下烘制10h形成蜂窩狀預制體(2)并置于鑄型型腔(1)的端面?zhèn)龋?)采用中頻感應電爐熔煉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℃，然后金屬液出爐澆注，澆注時金屬液經(jīng)由澆口杯(4)直澆道(5)和內(nèi)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，澆注完畢后4min關閉真空泵使鑄件冷卻至室溫，通過打箱、機加工后組合形成復合材料磨輥或磨盤；其中WC顆粒使用量根據(jù)下式計算W＝S·h·ρ式中W——WC顆粒的重量，g；S——預制體塊的底面積，mm2；h——預制體塊的高度，mm；ρ——WC顆粒的密度，g/mm3。
2、 根據(jù)權利要求1所述的復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特征 在于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(jù)權利要求1所述的復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特征 在于所述的WC顆粒的硬度為2500 3000 Hv，密度為15. 8 16. 5 g/mra3。
4、 根據(jù)權利要求1所述的復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特征 在于所述的模具材料為45鋼，結(jié)構(gòu)由抽芯設備和脫模設備構(gòu)成，將WC顆 粒與粘結(jié)劑混制成膏狀，填充于模具當中后，從模具底部抽芯，從模具側(cè)面 脫模，在IO(TC下烘制10h形成蜂窩狀預制體。
5、 根據(jù)權利要求1所述的復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法，其特征 在于所述的粘結(jié)劑為含質(zhì)量百分比15 20%的Na2B407 10H20， 13 18%的 Na2Si03 12H20，余量為水。
6、 一種按照權利要求1所述的復合材料磨輥與磨盤的負壓鑄造方法鑄造 的復合材料磨輥與磨盤，其特征在于磨輥與磨盤的內(nèi)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面由金屬母體與蜂窩狀預制 體組成，蜂窩狀預制體硬度為HRC55 67。
全文摘要
一種復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(jié)劑制成膏狀，填充于模具中形成蜂窩狀預制體并置于鑄型型腔的端面?zhèn)?；然后熔煉金屬母體材料形成金屬液，金屬液由澆口杯直澆道和內(nèi)澆道進入鑄型型腔底部凝固后形成復合材料磨輥與磨盤。本發(fā)明的增強體采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)，一方面有利于阻擋金屬液的沖刷作用，利于鑄件穩(wěn)定生產(chǎn)，減少廢品率；另一方面，蜂窩狀的增強體可以實現(xiàn)復合材料磨輥服役過程中的宏觀陰影效應，有助于提高材料耐磨性，同時又可以避免純塊狀增強體剝落或掉塊的現(xiàn)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(yōu)先權日2009年6月23日
發(fā)明者史芳杰, 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