[发明专利]一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，属于金属材料领域。

背景技术

粉磨设备是冶金、矿山、化工、煤炭、火力发电、建材、陶瓷和耐火材料等行业所广泛使用的重要设备之一，而磨辊又是粉磨设备的的重要的关键工作部件和大宗易磨损零件，其提前失效的原因30-60％属于表面磨损。目前提高机械部件表面耐磨技术主要有研发新型耐磨材料、添加润滑材料、从结构上进行合理设计和表面改性等。研发耐磨材料已成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。

在各种磨损形式中，材料的磨粒磨损占到磨损总量的50％左右，其表现形式为硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损，具体表现为塑性材料表面的犁沟、微观切削以及脆性材料断裂。通常认为耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构，在正常载荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬质相直接承受载荷，而软相则起着支持硬质相的作用。因此，采用硬质颗粒增强相制备的耐磨复合材料的研发思路一般都是通过提高基体材料的耐磨性和基体材料与颗粒增强相的界面结合强度以期减少颗粒增强相的脱落，从而达到提高材料的耐磨性能。

研究发现，生物体表普遍存在几何非光滑特征，即一定几何形状的结构单元随机地或规律地分布于其体表某些部位，其结构单元的形状有鳞片形、凸包形、凹坑形、刚毛形和波纹形等。因此，受生物体结构和功能的启发，基于典型生物体表的耐磨形态、结构、材料等因素的生物耦合现象，通过仿生耦合设计的相似性原则，对仿生耦合单元体的形状、尺寸、分布规律、数量等几何参数进行优化设计，利用焊接技术在磨辊表面进行处理，制备仿生耦合耐磨表层，提高磨辊表面的耐磨性能和粉磨效果，有效提高磨辊的使用寿命。

发明内容

对于采用WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相组成制备的耐磨复合材料，WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒的脱落是其失效的主要原因之一。WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒的脱落与基体材料的耐磨性、颗粒尺寸和形态、颗粒与基体合金成分比、颗粒与基体合金的界面结构及耐磨复合材料表面形态结构有关。

本发明的目的在于提供一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法。基于仿生耦合设计思想，综合成分、材料和结构等多因素的作用，采用镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相，将镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金填充在WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒间，采用模具成型的方法，使试样表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，通过高频感应烧结技术在钢基体上制备用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，所述的复合材料由镍铬硼硅（NiGrBSi）作为粘结合金和WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒作为增强硬质相组成，镍铬硼硅（NiGrBSi）粘结合金成分配比按重量百分比计(Wt％ ) ：Ni ：55-75 ；Cr ：15-25；B ：1-5 ；Si ：12-15 ,复合材料中的WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒所占体积百分含量为15-25％，颗粒平均粒度为190μm。

所述的仿生耐磨复合材料表面具有一定规则分布的非光滑凸包单元体，非光滑凸包单元体表面形态参数：凸包直径d=1.2mm，凸包高度h= 0.6mm，凸包间距S=2.5mm。

一种用于磨辊的多元耦合仿生再制造耐磨材料及其制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，采用颗粒大小为60-80μm的工业镍铬硼硅（NiGrBSi）金属按一定成分配比组合均匀混合制备成粉状粘结合金。将按设计成分制备好的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金再与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒颗粒按一定配比混合均匀；

第二步，将按设计配比混合均匀的镍铬硼硅（NiGrBSi）粉状粘结合金与WC、TiC、NbC、VC、TiN、NbN、VC超硬材料颗粒装入烧结模具进行预压处理，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规则分布的非光滑凸包单元体；