一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法。采用含有Ni；55-75；Cr：15-25；B：1-5；Si：12-15鎳鉻硼硅作為粘結(jié)合金和含有所占體積百分含量為15-25％，顆粒平均粒度為190μm的WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相，將鎳鉻硼硅粘結(jié)合金填充在增強(qiáng)顆粒間，采用模具成型的方法，使試樣表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，通過(guò)高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)在鋼基體上制備用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料。耐磨性為同等條件下淬火45鋼的10-20倍，仿生耐磨復(fù)合材料冶金結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到150-230Mpa。
【專利說(shuō)明】一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于磨輥的多元耦合仿生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)】
[0003]粉磨設(shè)備是冶金、礦山、化工、煤炭、火力發(fā)電、建材、陶瓷和耐火材料等行業(yè)所廣泛使用的重要設(shè)備之一，而磨輥又是粉磨設(shè)備的的重要的關(guān)鍵工作部件和大宗易磨損零件，其提前失效的原因30-60%屬于表面磨損。目前提高機(jī)械部件表面耐磨技術(shù)主要有研發(fā)新型耐磨材料、添加潤(rùn)滑材料、從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和表面改性等。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)。
[0004]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。
[0005]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(jié)構(gòu)單元隨機(jī)地或規(guī)律地分布于其體表某些部位，其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，基于典型生物體表的耐磨形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等因素的生物耦合現(xiàn)象，通過(guò)仿生耦合設(shè)計(jì)的相似性原則，對(duì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用焊接技術(shù)在磨輥表面進(jìn)行處理，制備仿生耦合耐磨表層，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)明內(nèi)容】

[0006]對(duì)于采用WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成制備的耐磨復(fù)合材料，wc、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒的脫落是其失效的主要原因之一。WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒的脫落與基體材料的耐磨性、顆粒尺寸和形態(tài)、顆粒與基體合金成分比、顆粒與基體合金的界面結(jié)構(gòu)及耐磨復(fù)合材料表面形態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。
[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法。基于仿生耦合設(shè)計(jì)思想，綜合成分、材料和結(jié)構(gòu)等多因素的作用，采用鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相，將鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金填充在WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒間，采用模具成型的方法，使試樣表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，通過(guò)高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)在鋼基體上制備用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料。
[0008]本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，所述的復(fù)合材料由鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)(Wt % ):N1:55-75 ；Cr:15-25 ；B:1-5 ；S1:12-15，復(fù)合材料中的 WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC 超硬材料顆粒所占體積百分含量為15-25%，顆粒平均粒度為190 μ m。
[0009]所述的仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù):凸包直徑d=l.2mm,凸包高度h= 0.6mm,凸包間距S=2.5mm。
[0010]一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，包括以下工藝步驟:
第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m的工業(yè)鎳鉻硼硅(NiGrBSi)金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。將按設(shè)計(jì)成分制備好的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金再與WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒顆粒按一定配比混合均勻；
第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金與WC、TiC, NbC,VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體；
第三步，采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造`耐磨材料的工藝參數(shù)為:真空度控制在6X10_2Pa以上，燒結(jié)溫度650-850°C，軸向壓力15-28MPa，保溫時(shí)間5_20min，升溫速率控制在120°C /min。
[0011]本發(fā)明所述的一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，是由鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成。粘結(jié)合金成分的確定非常重要，需要同時(shí)兼顧與WC、TiC, NbC, VC、TiN,NbN, VC顆粒和鋼基體的相互作用。
[0012]WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC顆粒的體積百分比含量對(duì)仿生耐磨復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐磨性影響顯著。WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC顆粒的體積百分比含量過(guò)低或過(guò)高均不能發(fā)揮仿生耐磨復(fù)合材料的耐磨性優(yōu)勢(shì)。WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC顆粒的體積百分比含量過(guò)低導(dǎo)致復(fù)合材料中的增強(qiáng)硬質(zhì)相濃度低，從磨損機(jī)理和材料耐磨性兩方面來(lái)看，起連接和固結(jié)作用的鎳鉻硼硅(NiGrBSi )粘結(jié)合金相對(duì)耐磨性較差，在磨損過(guò)程中，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金先期被磨損掉，最終將導(dǎo)致c-BN單晶顆粒的脫落，降低復(fù)合材料的耐磨性。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC顆粒的體積百分比含量過(guò)高，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金對(duì)WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC顆粒的固結(jié)、支撐和連接作用減弱，在進(jìn)行磨損試驗(yàn)，受到較大載荷的作用致使c-BN單晶顆粒更易脫落，耐磨性降低。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN, VC顆粒的體積百分比含量在15-25 %時(shí)，仿生耐磨復(fù)合材料性價(jià)比最高，耐磨性最好。
[0013]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)。研究結(jié)果表明，仿生耐磨復(fù)合材料通過(guò)燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體可以顯著提高其耐磨性能。非光滑凸包單元體的尺寸分布與所添加的增強(qiáng)硬質(zhì)相的顆粒尺寸密切相關(guān)。
[0014]本發(fā)明所述的一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，達(dá)到的技術(shù)指標(biāo):(I)耐磨性為同等條件下淬火45鋼的10-20倍；(2)仿生耐磨復(fù)合材料冶金結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到150-230Mpa。
【具體實(shí)施方式】
[0015]通過(guò)以下給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明方法作進(jìn)一步具體闡述。
[0016]實(shí)施方式I
一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，所述的復(fù)合材料由鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和c-BN超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)(Wt% ):N1:55-60 ；Cr:20-25 ；B:1_5 ；S1:12-15，復(fù)合材料中的WC、TiC、NbC顆粒所占體積百分含量為20-25%，顆粒平均粒度為 170 μ m。
[0017]所述的仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù):凸包直徑d=l.2mm,凸包高度h=0.6mm,凸包間距S=2.5mm。
[0018]一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，包括以下工藝步驟:
第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m的工業(yè)鎳鉻硼硅(NiGrBSi)金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。將按設(shè)計(jì)成分制備好的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金再與WC、TiC, NbC、VC、TiN、NbN, VC超硬材料顆粒顆粒按一定配比混合均勻；
第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金與WC、TiC, NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體；
第三步，采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料的工藝參數(shù)為:真空度控制在6X10_2Pa以上，燒結(jié)溫度650-850°C，軸向壓力15-28MPa，保溫時(shí)間5_20min，升溫速率控制在120°C /min。
[0019]實(shí)施方式2
一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，所述的復(fù)合材料由鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和TiN、NbN、VC超硬材料單晶顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)(Wt% ):N1:55-65 ；Cr:15-20 ；B:l-4;S1:12-14，復(fù)合材料中的c-BN單晶顆粒所占體積百分含量為15-20%，顆粒平均粒度為190 μ m0
[0020]所述的仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù):凸包直徑d=l.2mm,凸包高度h= 0.6mm,凸包間距S=2.5mm。
[0021]一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，包括以下工藝步驟:
第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m的工業(yè)鎳鉻硼硅(NiGrBSi)金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金。將按設(shè)計(jì)成分制備好的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金再與WC、TiC, NbC、VC、TiN、NbN, VC超硬材料顆粒顆粒按一定配比混合均勻；
第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金與WC、TiC, NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體； 第三步，采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料。采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料的工藝參數(shù)為:真空度控制在6X10_2Pa以上，燒結(jié)溫度650-850°C，軸向壓力15-28MPa，保溫時(shí)間5_20min，升溫速率控制在120°C /min。
【權(quán)利要求】
1.一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，其特征在于:所述的多元耦合仿生再制造耐磨材料由鎳鉻硼硅(NiGrBSi)作為粘結(jié)合金和wc、TiC, NbC, W、TiN,NbN,VC超硬材料顆粒作為增強(qiáng)硬質(zhì)相組成，鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粘結(jié)合金成分配比按重量百分比計(jì)(Wt% ):N1:55-75 ；Cr:15-25 ;B:1_5 ；S1:12-15，復(fù)合材料中的 WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC顆粒所占體積百分含量為15-25%，顆粒平均粒度為190 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，其特征在于:其制備方法包括以下工藝步驟: 第一步，采用顆粒大小為60-80 μ m的工業(yè)鎳鉻硼硅(NiGrBSi)金屬按一定成分配比組合均勻混合制備成粉狀粘結(jié)合金；將按設(shè)計(jì)成分制備好的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金再與WC、TiC, NbC, VC、TiN, NbN, VC超硬材料顆粒顆粒按一定配比混合均勻； 第二步，將按設(shè)計(jì)配比混合均勻的鎳鉻硼硅(NiGrBSi)粉狀粘結(jié)合金與WC、TiC, NbC,VC、TiN、NbN、VC超硬材料顆粒裝入燒結(jié)模具進(jìn)行預(yù)壓處理，采用模具成型的方法，使多元耦合仿生再制造耐磨材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體； 第三步，采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料；采用高頻感應(yīng)燒結(jié)技術(shù)制備多元耦合仿生再制造耐磨材料的工藝參數(shù)為:真空度控制在6X10_2Pa以上，燒結(jié)溫度650-850°C，軸向壓力15-28MPa，保溫時(shí)間5_20min，升溫速率控制在120°C /min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于磨輥的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制備方法，其特征在于:所述的仿生耐磨復(fù)合材料表面具有一定規(guī)則分布的非光滑凸包單元體，非光滑凸包單元體表面形態(tài)參數(shù)·:凸包直徑d=l.2mm,凸包高度h= 0.6mm,凸包間距S=2.5mm。
【文檔編號(hào)】B22F3/16GK103849789SQ201410101938
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:江蘇新亞特鋼鍛造有限公司