專利名稱:金屬板表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種耐磨層的制備,特別是一種金屬板材表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層的制備工藝。
背景技術(shù):
耐磨鋼板是指專供大面積磨損工況條件下使用的特種板材產(chǎn)品。耐磨鋼板廣泛應(yīng)用于冶金、水泥、礦山、電力等行業(yè)。例如,在冶金行業(yè)中的應(yīng)用有溜槽、風(fēng)機、稱量斗、選粉機葉片、滑板、除渣管道、高爐爐頂料斗、泵殼、破碎機部件、卡車貨槽襯板、高爐扇形入口板、熔渣磨損板、燒結(jié)機高溫礦料溜槽等。在水泥行業(yè)中的應(yīng)用有刮料板、溜子、導(dǎo)風(fēng)錐、導(dǎo)向葉片、除塵管道、除渣槽、石料、礦料破碎機打擊襯板、輥壓機側(cè)襯板、各種底盤、振動篩、 泵殼、磨機內(nèi)襯、破碎機零件、塔式立窯塔頂?shù)取T诘V山行業(yè)中的應(yīng)用有輪斗挖掘機的錐體耐磨襯板、刮板式輸煤機中部槽中板、輸料槽、料斗、井礦提升箕斗、洗煤廠的管道、溜槽、 排土機襯板、盾構(gòu)機襯板、輸煤管道、彎頭等。在電力行業(yè)中的應(yīng)用有風(fēng)機葉片、燃燒器管線、堆取料機料斗、料倉襯板、磨煤機襯板、煤粉輸送管、煤粉分配器隔板、卸煤設(shè)備襯板、風(fēng)扇磨煤機打擊襯板、輸料槽和料斗內(nèi)襯等。目前,常用的耐磨鋼板制備有三種⑴鑄造耐磨鋼板;(2)合金淬火耐磨鋼板;復(fù)合耐磨鋼板。鑄造耐磨鋼板和合金淬火耐磨鋼板整體仍為單一材質(zhì),難以做到強度、 韌性、塑性等綜合性的統(tǒng)一,尤其不能做到耐磨性與經(jīng)濟性能的最優(yōu)化。復(fù)合耐磨鋼板就是在韌性、塑性較好的普通低碳鋼或者低合金鋼表面通過堆焊方法復(fù)合一定厚度的硬度較高、耐磨性優(yōu)良的合金耐磨層而制成的板材產(chǎn)品。復(fù)合耐磨鋼板由低碳鋼板和合金耐磨層兩部分組成。工作時由基體提供抵抗外力的強度、韌性和塑性等綜合性能,由合金耐磨層提供滿足指定工況需求的耐磨性能。耐磨鋼板合金耐磨層和基板之間是冶金結(jié)合。通過專用設(shè)備,采用自動焊接工藝,將高硬度自保護合金焊絲均勻地焊接在基板上,復(fù)合層數(shù)一層至兩層以至多層。這種工藝的缺點是復(fù)合過程中由于合金收縮比不同,容易出現(xiàn)均勻橫向裂紋,這是堆焊復(fù)合耐磨鋼板的顯著缺點。另外,這種工藝形成的同一層耐磨層硬度不均勻。 目前,堆焊合金耐磨層主要以鉻合金為主,同時還添加錳、鉬、鈮、鎳等其它合金成份。目前,在鋼板表面形成耐磨層的工藝還有激光表面熔覆法、氧乙炔噴焊法、等離子噴涂法等。激光表面熔覆法設(shè)備復(fù)雜,投資大,而且激光表面熔覆耐磨層太薄。氧乙炔噴焊法制備的表層耐磨層質(zhì)量較差。感應(yīng)交變磁場可在工件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,感應(yīng)電動勢導(dǎo)致表面層內(nèi)形成封閉的渦流。感應(yīng)頻率越高,則加熱層的厚度越薄。因此,利用感應(yīng)加熱可以在鋼板表面制備出耐磨層。但是,目前報道的方法都是先在鋼板表面涂覆上與耐磨層相同材質(zhì)的基料,然后再感應(yīng)加熱使其熔化而在鋼板表面附加的形成一層新的耐磨層。目前市場上耐磨鋼板有鑄造耐磨鋼板、合金淬火耐磨鋼板和復(fù)合耐磨鋼板。復(fù)合耐磨鋼板一般通過堆焊方法復(fù)合一定厚度的硬度較高、耐磨性優(yōu)良的合金耐磨層而制成的板材產(chǎn)品。這種工藝的缺點是復(fù)合過程中由于合金收縮比不同,容易出現(xiàn)均勻橫向裂紋, 這是堆焊復(fù)合耐磨鋼板的顯著缺點。另外,這種工藝形成的同一層耐磨層硬度不均勻。目前,堆焊合金耐磨層主要以鉻合金為主,同時還添加錳、鉬、鈮、鎳等其它合金成份。目前,在鋼板表面形成耐磨層的工藝還有激光表面熔覆法、氧乙炔噴焊法、等離子噴涂法等。激光表面熔覆法設(shè)備復(fù)雜,投資大,而且激光表面熔覆耐磨層太薄。氧乙炔噴焊法制備的表層耐磨層質(zhì)量較差。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于,提出一種金屬板材表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層板材的生產(chǎn)工藝,該工藝生產(chǎn)效率高,可直接利用目前市場上廣泛使用的各種合金鋼板材。為了實現(xiàn)上述任務(wù),本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案予以實現(xiàn)一種金屬板材表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層的制備工藝,其特征在于,該工藝按以下步驟進行1)首先對要進行表層強化的金屬板材進行表面除銹;2)將除銹后的金屬板材表面涂覆一層增碳劑,待增碳劑干燥后,再在其上涂敷一層1. 5mm 2. Omm保溫涂層;所述的增碳劑由丙三醇和細(xì)石墨粉構(gòu)成,并用酒精或丙酮調(diào)至稀糊狀;所述的溫涂層由硅酸鋁粉和水玻璃構(gòu)成,硅酸鋁粉占45wt% ;3)將經(jīng)涂覆有增碳劑和保溫涂層的金屬板材放入高頻感應(yīng)器中進行表層增碳處理,表層增碳的溫度控制在950°C 1000°C之間;4)表層增碳處理完成后,再把細(xì)金屬鎢粉涂覆在金屬板材的表面,之后再在其上涂敷一層保溫涂層,然后在高頻感應(yīng)器中對金屬板材表層進行區(qū)域快速熔化和快速凝固, 高頻感應(yīng)表層區(qū)熔溫度控制在高于金屬材料熔點的20°C 30°C范圍內(nèi),區(qū)域快速熔化為 2-3次,即得到碳化鎢顆粒表層強化的金屬板材。本發(fā)明主要對商用的鋼材或各種合金鋼材表層制備出一種碳化鎢(WC)顆粒表層強化層,大大提高金屬材料的耐磨性,同時還保持原有材料的性能。生產(chǎn)的碳化物顆粒表層強化的表面耐磨金屬棒材組織致密。由于是原位合成的碳化物,故碳化物增強相與基體金屬界面結(jié)合強度高且分布均勻。這種材料能夠很好的解決材料的高耐磨性,同時還兼具較高的強度和韌性的矛盾。這種工藝生產(chǎn)效率高、節(jié)約能源。這種表層復(fù)合耐磨鋼板具有可變形和可焊接等性能,可像鋼板一樣直接進行卷曲變形、切割和打孔等加工環(huán)節(jié),加工成各種工程部件(如管道等)。該發(fā)明工藝還具有生產(chǎn)成本低、易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。
圖1是本發(fā)明的工藝流程圖。以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
具體實施例方式經(jīng)研究表明,碳化鎢(WC)顆粒由于其具有較高的比剛度、比模量、低熱膨脹系數(shù)以及良好的熱穩(wěn)定性、耐磨性,因此利用碳化鎢(WC)作為強化相,在鋼板的表層制備出具有一定厚度的含碳化鎢(WC)顆粒增強相的復(fù)合層,通過W元素與C之間的反應(yīng),在金屬基體內(nèi)原位合成高硬度、高彈性模量的硬質(zhì)增強相WC,從而達(dá)到強化金屬基體的目的。能夠很好的解決材料的高耐磨性,同時還兼具較高的強度和韌性的矛盾。本發(fā)明在吸取傳統(tǒng)碳化鎢(WC)原位合成顆粒金屬基復(fù)合材料制備方法的基礎(chǔ)上,并依據(jù)表層感應(yīng)區(qū)熔理論、快速凝固理論、粒子漂浮等理論,首先通過對鋼板進行表層增碳處理,再把金屬鎢粉涂覆在鋼板的表面,并通過高頻感應(yīng)器對鋼板表層進行區(qū)域快速熔化,在鋼板表層形成溶液層,使碳與鎢粉在溶液層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及充分?jǐn)U散,并原位合成碳化物顆粒,最后得到原位合成的碳化鎢顆粒表層強化的系列合金鋼板材。實施例1 碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合金屬板材生產(chǎn)本實施例利用微米級碳化鎢(WC)顆粒,通過W元素與C之間的反應(yīng),在金屬基體內(nèi)原位合成高硬度、高彈性模量的硬質(zhì)增強相WC,從而形成以高強度高韌性合金鋼為基體, 以一定體積分?jǐn)?shù)的WC顆粒為抗磨硬質(zhì)相的WC顆粒/金屬基復(fù)合棒材。這樣既保持了金屬材料韌性、塑性優(yōu)良的特點,又能發(fā)揮高硬度增強材料耐磨性好的特點,因此應(yīng)用前景十分廣闊。而且通過合理選擇制備工藝,可有效地控制增強顆粒WC的大小、分布、數(shù)量和復(fù)合層的厚度。本實施例的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合金屬板材生產(chǎn)操作過程如下先對要進行表層強化的金屬鋼板進行表面除銹(酸洗),然后在金屬鋼板的表面涂覆一層增碳劑,增碳劑由丙三醇和細(xì)石墨粉構(gòu)成,并用酒精或丙酮調(diào)至稀糊狀。待增碳劑干燥后,再在其上涂敷一層保溫涂層。保溫涂層的厚度一般控制在1. 5-2. Omm為好。保溫涂層由硅酸鋁保溫材料粉末和水玻璃構(gòu)成,硅酸鋁粉占45wt %,配制保溫涂層所用的硅酸鋁保溫材料粉末的粒度為500-800目。通過高頻感應(yīng)器加熱進行表層增碳處理。表層增碳溫度控制為950°C 100(TC ;增碳處理完成后,再把細(xì)金屬鎢粉涂覆在鋼板的表面,之后再在其上涂敷一層保溫涂層,通過高頻感應(yīng)器對鋼板表層進行區(qū)域快速熔化和快速凝固。涂覆鎢粉的方法是,將細(xì)鎢粉與丙三醇混合,并用酒精或丙酮調(diào)至稀糊狀,然后將其涂覆在鋼板表面。金屬鎢粉的粒徑為800-1000目(18-13 μ m),鎢粉用量的確定原則為碳鎢=1 1, 比例為摩爾比。而高頻感應(yīng)表層區(qū)熔溫度控制在基體材料熔點+20°C 30°C范圍內(nèi)。高頻感應(yīng)設(shè)備的工作頻率為200 300kHz,高頻感應(yīng)線圈保持水冷。區(qū)域快速熔化一般為2-3 次。區(qū)域快速熔化完成后,經(jīng)過凝固,再經(jīng)過切割、機械校直等加工方法,達(dá)到要求的尺寸, 最終得到碳化鎢顆粒表層強化的合金鋼板材。高頻感應(yīng)器加熱的目的是,在金屬板材表層形成溶液層,使碳與鎢粉在溶液層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及充分?jǐn)U散,并原位合成碳化物顆粒,最后得到原位合成的碳化鎢顆粒表層強化的系列金屬板材。形成的復(fù)合板材再經(jīng)過切割等加工方法,達(dá)到要求的尺寸。本實施例工藝制備的碳化鎢顆粒增強鋼基表層復(fù)合金屬板材具有以下優(yōu)點(1)金屬板材經(jīng)區(qū)域熔煉,形成的碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層物縮孔與裂紋存在, 復(fù)合層內(nèi)WC顆粒細(xì)小、分布均勻,與基體界面結(jié)合良好。這種表層原位合成碳化鎢顆粒強化表層復(fù)合耐磨鋼板既保持了鋼板基材金屬的韌性和塑性特點,又具有較高的耐磨性。(2)該工藝主要通過對商用合金鋼板材進行WC顆粒增強表層復(fù)合來提高材料的耐磨性,WC復(fù)合層的厚度可達(dá)到l_2mm,硬度HRC56-60。(3)工藝具有工藝靈活性高、適用性廣、生產(chǎn)成本低、易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。應(yīng)用該工藝,用一套設(shè)備完全可生產(chǎn)目前多種規(guī)格(不同厚度、不同基材)的WC顆粒增強表層復(fù)合金屬板材。尺寸規(guī)格完全可以按照客戶的需求進行調(diào)整。
(4)這種碳化鎢顆粒表層強化的金屬板材具有可變形和可焊接等性能,可像鋼板一樣直接進行卷曲變形、切割和打孔等加工環(huán)節(jié),加工成各種工程部件(如管道等)。該發(fā)明工藝還具有生產(chǎn)成本低、易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種金屬板材表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層的制備工藝,其特征在于, 按以下步驟進行1)首先對要進行表層強化的金屬板材進行表面除銹;2)將除銹后的金屬板材表面涂覆一層增碳劑,待增碳劑干燥后,再在其上涂敷一層 1. 5mm 2. Omm保溫涂層;所述的增碳劑由丙三醇和細(xì)石墨粉構(gòu)成,并用酒精或丙酮調(diào)至稀糊狀;所述的溫涂層由硅酸鋁粉和水玻璃構(gòu)成,硅酸鋁粉占45wt% ;3)將經(jīng)涂覆有增碳劑和保溫涂層的金屬板材放入高頻感應(yīng)器中進行表層增碳處理,表層增碳的溫度控制在950°C 1000°C之間;4)表層增碳處理完成后,再把細(xì)金屬鎢粉涂覆在金屬板材的表面,之后再在其上涂敷一層保溫涂層,然后在高頻感應(yīng)器中對金屬板材表層進行區(qū)域快速熔化和快速凝固,高頻感應(yīng)表層區(qū)熔溫度控制在高于金屬材料熔點的20°C 30°C范圍內(nèi),區(qū)域快速熔化為2-3 次,即得到碳化鎢顆粒表層強化的金屬板材。
2.如權(quán)利要求1所述的工藝,其特征在于,所述涂覆鎢粉的方法是,將細(xì)鎢粉與丙三醇混合,并用酒精或丙酮調(diào)至稀糊狀,然后將其涂覆在金屬板材表面,細(xì)鎢粉的粒徑為 18μπι 13μπι,細(xì)鎢粉用量的確定原則為碳鎢=1 1,比例為摩爾比。
3.如權(quán)利要求1所述的工藝,其特征在于,配制保溫涂層所用的硅酸鋁粉的粒度為 500-800 目。
4.如權(quán)利要求1所述的工藝,其特征在于,所述高頻感應(yīng)設(shè)備的工作頻率為200kHz 300kHz,高頻感應(yīng)線圈保持水冷。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬板材表層原位合成碳化鎢顆粒強化復(fù)合耐磨層的制備方法。首先對要進行表層強化的金屬板進行表面除銹,然后對鋼板進行表層增碳處理,再把金屬鎢粉涂覆在鋼板的表面,之后再在其上涂敷一層保溫涂層,并通過高頻感應(yīng)器對鋼板表層進行快速熔化,待表層凝固后除掉板材表層的涂覆層,最后得到原位合成的碳化鎢顆粒表層強化的合金鋼板材。既保持了鋼板基材金屬的韌性和塑性特點,又具有較高的耐磨性。WC復(fù)合層的厚度可達(dá)到1-2mm,硬度HRC56-60。具有可變形和可焊接等性能,可像鋼板一樣直接進行卷曲變形、切割和打孔等加工環(huán)節(jié),加工成各種工程部件(如管道等)。具有生產(chǎn)成本低、易于大批量工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。
文檔編號C23C24/10GK102337536SQ201110330708
公開日2012年2月1日 申請日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者王發(fā)展 申請人:西安建筑科技大學(xué)