專利名稱：一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水泥粉磨用的磨輥。
背景技術(shù)：
隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化、城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國基礎(chǔ)工業(yè)之一的水泥工業(yè)也得到了快速發(fā)展。目前，我國水泥總產(chǎn)量已占世界水泥總產(chǎn)量的30%以上。連續(xù)20多年來， 我國水泥總產(chǎn)量的年增長速度都保持在兩位數(shù)以上，無論是增長速度還是總產(chǎn)量均高居世界首位。同時(shí)，我國又是水泥的出口大國，據(jù)報(bào)道，亞洲水泥貿(mào)易量占世界水泥總貿(mào)易量的 40%左右，而我國又占亞洲出口水泥總量的30% 40%?？梢哉f，我國已經(jīng)成為世界上名副其實(shí)的水泥大國。不僅如此，從當(dāng)前我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢(shì)來看，水泥需求量還在持續(xù)增長， 因此，對(duì)水泥工業(yè)耐磨材料與耐磨技術(shù)的需求越來越迫切。由于在水泥工業(yè)的生產(chǎn)工序中工作條件十分惡劣，在物料的采掘、破碎、研磨和輸送過程中都會(huì)出現(xiàn)大量的磨損問題并造成機(jī)器零、部件的損壞。為了維持水泥工業(yè)的正常生產(chǎn)和運(yùn)轉(zhuǎn)，必須要有足夠的耐磨備件持續(xù)供應(yīng)。在水泥工業(yè)中，備件的消耗在其生產(chǎn)成本中占有很大的比例。因此，重視和發(fā)展耐磨材料及提高備件的壽命是直接關(guān)系到水泥行業(yè)能否快速發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。水泥磨機(jī)用于粉磨水泥生料或熟料及其它建筑、化工、陶瓷等工業(yè)原料，具有體積小、重量輕、占地少、電耗低等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，近年來在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。水泥磨輥是水泥磨機(jī)的重要工作部件，它的成本與輥?zhàn)颖砻婺湍バ院瓦\(yùn)轉(zhuǎn)率緊密相關(guān)。由于磨輥與磨輥或磨盤之間不僅存在著高壓力，同時(shí)存在著相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且磨輥、磨盤與物料間的摩擦也很嚴(yán)重，磨輥使用工況條件苛刻，水泥磨輥的磨損及疲勞破壞十分嚴(yán)重。因此，要求磨輥表面有高的耐磨性，芯部要有好的韌性，即磨輥要具有高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，對(duì)制造磨輥的材料和工藝要求較高。目前，在國內(nèi)水泥行業(yè)，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、圓度誤差大等問題，因此，尋找一種更有效的方法提高輥?zhàn)拥哪湍バ院推趬勖撬喙I(yè)急需解決的技術(shù)難題，具有重要的實(shí)際意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有水泥磨輥存在的上述問題，提供一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥及其制作方法，使其具有良好的耐磨性能，獲得較高的使用壽命和粉磨綜合效能。
本發(fā)明具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥是由仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層、過渡層和具有較好韌性的芯部材料復(fù)合而成，配以適當(dāng)?shù)姆律O(shè)計(jì)與制備手段，在磨輥表面獲得具有毫米級(jí)的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片的仿生耦合表面形態(tài)，以及嵌入式表層結(jié)構(gòu)和不同成分的多層材料。自然界中多種生物在有磨損發(fā)生的環(huán)境中生存，其體表及內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對(duì)沙粒等硬物的磨損具有與生俱來的耐受能力。隨著仿生學(xué)研究的不斷深入，研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體適應(yīng)外部環(huán)境所呈現(xiàn)的各種功能，不是單一因素的作用或多個(gè)因素作用的簡單相加，而是由多種互相依存、互相影響的因素通過一定的機(jī)制耦合、協(xié)同作用的結(jié)果。例如，生物體所呈現(xiàn)的減阻、耐磨、抗疲勞等功能，即是通過生物體多因素的耦合作用得以實(shí)現(xiàn)的，即生物體的不同形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料構(gòu)成等，通過彼此之間的耦合作用而達(dá)到生物功能最優(yōu)化、對(duì)環(huán)境適應(yīng)最佳化和能量消耗最低化。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)在水泥磨輥表面進(jìn)行處理，制備仿生耦合耐磨表層，提高水泥磨輥表面的耐磨性能和粉磨效果，有效提高水泥磨輥的使用壽命，發(fā)明一種水泥粉磨用的磨輥。本發(fā)明涉及一種水泥粉磨用的磨輥。目標(biāo)為提高水泥磨輥表面的耐磨性能，技術(shù)方案是利用生物仿生耦合設(shè)計(jì)與制造原理提供一種仿生耦合耐磨磨輥，有效地提高水泥磨輥的粉磨效果和使用壽命。仿生耦合磨輥由仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層、過渡層和具有較好韌性的芯部材料復(fù)合而成，并同仿生形態(tài)與結(jié)構(gòu)相互耦合，其特點(diǎn)是磨輥的設(shè)計(jì)與構(gòu)成模擬了生物耦合耐磨原理，具有毫米級(jí)的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片的仿生耦合表面形態(tài)、嵌入式表層結(jié)構(gòu)和多層疊加的材料成分。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，由仿生耦合耐磨表層和具有韌性的芯部材料復(fù)合而成，仿生耦合耐磨表層由仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層、過渡層組成。 所述仿生耦合強(qiáng)化層是具有毫米級(jí)的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)和嵌入式結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的仿生耦合表面，由含如下成分的高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成， 焊絲成分范圍如下21. 2-26. 8% Cr, 3. 8-5. 6 % C，0. 4-0. 8 % Si，0. 6-1. 2 % Μη,Ο. 006% S，0. 013% P，余量為Fe ；耐磨層成分與強(qiáng)化層一致，由焊接材料堆焊制成；仿生耦合磨輥過渡層是由如下成分)的高鉻高錳奧氏體焊接材料堆焊而成，材料成分范圍如下 0. 3-1. 0% C, 10-13% Mn, 10-14% Cr,0. 4-0. 8% Si，0. 006% S，0. 014% P，余量為 Fe。所述磨輥表層的凸包呈規(guī)則點(diǎn)陣式分布，凸包直徑為5 10毫米，高度為2. 5 5毫米，凸包間中心距為7. 5 15毫米。所述的磨輥表層的條紋，其條紋寬度為5 15毫米，條紋高度為5 10毫米， 條紋間中心距為7. 5 30毫米，條紋平行分布，條紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0° 180°。所述磨輥表層的波紋，其波紋寬度為5 15毫米，波峰與波谷的高度差為3 20毫米，波紋間距為7. 5 30毫米，波紋高出磨輥基體5 10毫米，波紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0° 180°。所述磨輥表層的網(wǎng)格，由兩個(gè)方向的平行分布的條紋相互交叉形成，其兩交叉方向的條紋寬度為5 15毫米，條紋高度為5 10毫米，同方向平行分布的條紋間中心距為 7. 5 30毫米，兩個(gè)方向的夾角為10° 90°。所述磨輥表層的鱗片，其長軸為10 30毫米，短軸為5 15毫米，鱗片間距為 10 25毫米，鱗片高度為4 8毫米。所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥制作方法，是通過所述仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層和過渡層按以下步驟制備并與具有韌性的芯部材料復(fù)合而成首先，對(duì)芯部材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在350°C 400°C之間，采用高鉻高錳奧氏體焊接材料在母體表面進(jìn)行藥芯焊絲電弧堆焊，制備過渡層，厚度為10 25毫米；然后，利用角磨機(jī)將過渡堆焊層表面磨平，再改變堆焊材料，采用高鉻鑄鐵耐磨焊絲在過渡層表面再進(jìn)行堆焊，制備耐磨層，厚度為5 15毫米；最后，采用與制備耐磨層相同的材料，在磨輥的耐磨層表面進(jìn)一步進(jìn)行堆焊處理， 制備凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)與嵌入式結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的仿生耦合強(qiáng)化層。為減少堆焊后引起的殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋，焊后先保溫，再裝爐進(jìn)行熱處理。保溫溫度為200°C，保溫時(shí)間為0. 5 1. 0h，退火溫度為500 600°C，隨爐緩冷至100°C時(shí)出爐空冷。所述仿生耦合耐磨表層也可以通過機(jī)械加工的方法在磨輥的表面加工出具有條紋、波紋、網(wǎng)格等不同分布規(guī)律的凹槽或凹坑，然后再用電弧熔凝的方法，將耐磨材料熔填到凹槽或凹坑中，將下凹部分填充并凸出磨輥表面2. 5 10毫米，在磨輥表面形成軟、硬相間的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所采用的技術(shù)手段是由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出仿生耦合表面的不同形態(tài)、尺寸和分布規(guī)律，采用試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，選出最優(yōu)的仿生耦合表面形態(tài)參數(shù)，通過堆焊的方法， 在磨輥表面加工出具有一定幾何形狀、化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)有別于基體材料的仿生耦合表面形態(tài)。仿生耦合表面形態(tài)的幾何尺寸、分布規(guī)律、化學(xué)成分以及加工后得到的組織結(jié)構(gòu)對(duì)提高磨輥表面的耐磨性及粉磨效果具有重要作用，最終得到具有仿生耦合耐磨表層的高耐磨性和高粉磨綜合效能的水泥磨輥。本發(fā)明的有益效果是利用仿生耦合技術(shù)對(duì)水泥磨輥表面進(jìn)行處理，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。與相同基體材料的光滑表面磨輥比較，使用壽命提高1.5 3倍。可以針對(duì)具體要求，選用不同形態(tài)、尺寸和分布規(guī)律的仿生耦合表面形態(tài)圖案，從而獲得不同的性能。本發(fā)明還具有制造工藝簡單，性能可靠，成本低，性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)。具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥可以廣泛應(yīng)用于我國的水泥工業(yè)中，推動(dòng)我國基礎(chǔ)工業(yè)以及出口貿(mào)易的發(fā)展， 促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的增長。


圖1是具有凸包的仿生耦合耐磨表層磨輥的結(jié)構(gòu)示意圖2是具有條紋的仿生耦合耐磨表層磨輥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是具有波紋的仿生耦合耐磨表層磨輥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是具有網(wǎng)格的仿生耦合耐磨表層磨輥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是具有鱗片的仿生耦合耐磨表層磨輥的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是具有凸包的、不同參數(shù)的仿生耦合耐磨表層磨輥與普通磨輥磨損試驗(yàn)前后質(zhì)量損失直方圖；圖7是具有條紋的、不同參數(shù)的仿生耦合耐磨表層磨輥與普通磨輥磨損試驗(yàn)前后質(zhì)量損失直方圖；圖8是具有波紋的、不同參數(shù)的仿生耦合耐磨表層磨輥與普通磨輥磨損試驗(yàn)前后質(zhì)量損失直方圖；圖9是具有網(wǎng)格的、不同參數(shù)的仿生耦合耐磨表層磨輥與普通磨輥磨損試驗(yàn)前后質(zhì)量損失直方圖；圖10是具有鱗片的、不同參數(shù)的仿生耦合耐磨表層磨輥與普通磨輥磨損試驗(yàn)前后質(zhì)量損失直方圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及其實(shí)施方式。仿生耦合耐磨水泥磨輥由仿生耦合強(qiáng)化層、耐磨材料構(gòu)成的耐磨層、過渡層和具有較好韌性的芯部材料復(fù)合而成，其特點(diǎn)是磨輥表層具有凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片的仿生耦合表面形態(tài)。仿生耦合表面形態(tài)的幾何尺寸、分布規(guī)律和化學(xué)成分對(duì)提高磨輥表層的耐磨性有重要作用，設(shè)計(jì)合理的仿生耦合表面形態(tài)會(huì)顯著提高水泥磨輥的耐磨性和粉磨效果。本發(fā)明以中碳鋼或中碳低合金鋼等韌性材料為水泥磨輥的母體材料，首先，采用堆焊技術(shù)在母體表面進(jìn)行堆焊處理，制備過渡層，厚度為10 25毫米；然后，改變堆焊材料，在過渡層表面再進(jìn)行堆焊處理，制備耐磨層，厚度為5 15毫米；最后，在磨輥的耐磨層表面進(jìn)行仿生耦合堆焊處理，制備凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片形的仿生耦合耐磨形態(tài)，實(shí)現(xiàn)磨輥表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)以及軟、硬結(jié)合的組織、材料之間的耦合，獲得仿生耦合耐磨表層，顯著提高磨輥表面的耐磨性和粉磨效果。實(shí)施例1參見圖1，具有凸包的仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，芯體材料是45中碳鋼，磨輥過渡層是按照三種不同的厚度，取不同成分的高鉻高錳奧氏體焊接材料堆焊而成。采用堆焊技術(shù)將磨輥表面加工成具有凸包的三種不同尺寸和分布的仿生耦合強(qiáng)化層。其材料是具有不同成分(wt%)的高鉻鑄鐵耐磨焊絲。耐磨層與仿生耦合強(qiáng)化層的材料成分相同，按照三種不同的耐磨層厚度，由焊接材料堆焊制成。具有凸包的仿生耦合耐磨水泥磨輥的過渡層、耐磨層與仿生耦合強(qiáng)化層的參數(shù)見表1。表1凸包型仿生耦合耐磨水泥磨輥的過渡層、耐磨層與仿生耦合強(qiáng)化層參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，由仿生耦合耐磨表層和具有韌性的芯部材料復(fù)合而成，仿生耦合耐磨表層由仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層、過渡層組成， 其特征在于，所述仿生耦合強(qiáng)化層是具有毫米級(jí)的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)和嵌入式結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的仿生耦合表面，用含以下成分的高鉻鑄鐵耐磨焊絲堆焊而成，焊絲成分范圍按襯％為21. 2-26. 8% Cr, 3. 8-5. 6 % C，0. 4-0. 8 % Si，0. 6-1. 2% Mn, 0. 006% S，0. 013% P，余量為Fe ；耐磨層成分與強(qiáng)化層一致，由焊接材料堆焊制成；仿生耦合磨輥的過渡層是按以下成分的高鉻高錳奧氏體焊接材料堆焊而成，材料成分范圍按為0. 3-1. 0% C, 10-13% Mn, 10-14% Cr,0. 4-0. 8% Si，0. 006% S，0. 014% P，余量為 Fe。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，其特征在于，所述磨輥表層的凸包呈規(guī)則點(diǎn)陣式分布，凸包直徑為5 10毫米，高度為2. 5 5毫米，凸包間中心距為7. 5 15毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，其特征在于， 所述磨輥表層的條紋寬度為5 15毫米，條紋高度為5 10毫米，條紋間中心距為7. 5 30毫米，條紋平行分布，條紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0° 180°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，其特征在于， 所述磨輥表層的波紋寬度為5 15毫米，波峰與波谷的高度差為3 20毫米，波紋間距為 7. 5 30毫米，波紋高出磨輥基體5 10毫米，波紋分布方向與磨輥軸線的夾角為0° 180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，其特征在于， 所述磨輥表層的網(wǎng)格，由兩個(gè)方向的平行分布的條紋相互交叉形成，其兩交叉方向的條紋寬度為5 15毫米，條紋高度為5 10毫米，同方向平行分布的條紋間中心距為7. 5 30 毫米，兩個(gè)方向的夾角為10° 90°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥，其特征在于， 所述磨輥表層的鱗片，其長軸為10 30毫米，短軸為5 15毫米，鱗片間距為10 25毫米，鱗片高度為4 8毫米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥制作方法，其特征在于，所述仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層和過渡層按以下步驟制備并與具有韌性的芯部材料復(fù)合而成，首先，對(duì)芯部材料進(jìn)行表面清理、內(nèi)部探傷及預(yù)熱，預(yù)熱溫度控制在350°C 40(TC之間，采用高鉻高錳奧氏體焊接材料在母體表面進(jìn)行藥芯焊絲電弧堆焊，制備過渡層，厚度為 10 25毫米；然后，利用角磨機(jī)將過渡堆焊層表面磨平，再改變堆焊材料，采用高鉻鑄鐵耐磨焊絲在過渡層表面再進(jìn)行堆焊，制備耐磨層，厚度為5 15毫米；最后，采用與制備耐磨層相同的材料，在磨輥的耐磨層表面進(jìn)一步進(jìn)行堆焊處理，制備凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)與嵌入式結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的仿生耦合強(qiáng)化層，為減少堆焊后引起的殘余應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋，焊后先保溫，再裝爐進(jìn)行熱處理，保溫溫度為 200°C，保溫時(shí)間為0. 5 1. 0h，退火溫度為500 600°C，隨爐緩冷至100°C時(shí)出爐空冷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥制作方法，其特征在于，所述仿生耦合耐磨表層通過在磨輥的表面機(jī)械加工出具有條紋、波紋、網(wǎng)格等不同分布規(guī)律的凹槽或凹坑，然后再用電弧熔凝的方法，將耐磨材料熔填到凹槽或凹坑中，將下凹部分填充并凸出磨輥表面2. 5 10毫米，在磨輥表面形成軟、硬相間的結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及水泥粉磨用的磨輥，特別是一種具有仿生耦合耐磨表層的水泥磨輥及其制備方法。其仿生耦合耐磨表層模擬天然生物耦合耐磨原理，由仿生耦合強(qiáng)化層、強(qiáng)化層下部的耐磨層、過渡層組成；仿生耦合強(qiáng)化層由毫米級(jí)的凸包、條紋、波紋、網(wǎng)格或鱗片狀非光滑形態(tài)和嵌入式結(jié)構(gòu)協(xié)同組合而成；首先，在芯部母體表面用藥芯焊絲電弧堆焊方法制備過渡層，厚度為10～25毫米；然后，改變焊接材料，在過渡層表面進(jìn)一步堆焊出耐磨層，厚度為5～15毫米；最后，制備仿生耦合強(qiáng)化層，實(shí)現(xiàn)磨輥表面形態(tài)、結(jié)構(gòu)與軟硬相間組織、材料之間的耦合，顯著提高表面的耐磨性和粉磨效果。與相同基體材料的光滑表面磨輥比較，仿生耦合磨輥使用壽命提高1.5～3倍。
文檔編號(hào)B02C15/00GK102302964SQ20111020431
公開日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者叢茜, 任振安, 任露泉, 周宏 , 呼詠, 孫大千, 張志輝, 邱小明 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)