CN111185273A - 一种金属陶瓷复合磨辊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种金属陶瓷复合磨辊，包括：辊芯；复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。与现有技术相比，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊通过高铬铸铁层将辊芯和由特定陶瓷制成的陶瓷预制块熔渗复合，形成整体结构；该产品结构设计科学合理，内部辊芯易加工，外部陶瓷预制块具有高硬度特性，既保证了耐磨性，又保证了抗冲击性能，同时节约了高碳铬铁；该整体结构强度高，能够极大的提高产品的使用寿命。实验结果表明，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊的使用寿命能够达到530h，且磨损后期，高铬铸铁牢固地贴合在碳钢辊芯外侧，未开裂或脱落。
Description
技术领域
本发明涉及磨辊技术领域，更具体地说，是涉及一种金属陶瓷复合磨辊及其制备方法。
背景技术
磨辊是雷蒙磨粉机用的一种主要易损件，通过与外圈的磨环配套使用，对物料进行挤压破碎。雷蒙磨粉机是利用电机传动，使多个磨辊构成行星式结构，绕轴旋转，外圈有一个磨环，与磨辊配合，反复碾压喂入破碎仓内的脆性块料(如砂石等)，并将其磨碎至所需粒度要求的一种机械设备。由于它具有结构简单、生产制造容易和操作方便等优点，目前已广泛使用于冶金、化工、水泥、砖瓦建材以及矿山机械等众多生产行业。
由于具有很高的硬度和耐磨损性能的陶瓷韧性不如金属材料，目前磨辊主要由高锰钢、合金钢、高铬铸铁等金属材料铸造而成；但是，需要破碎的材料一般矿石、岩石、混凝土、石英砂、煤矸石等硬度较高的材料，因此往往这种传统的单一金属磨辊寿命不高，造成资源的浪费和生产维护成本的增加。综上所述，提高磨辊的耐磨损性能，从而大大减少能源消耗、提高生产效率成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属陶瓷复合磨辊及其制备方法，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊具有较高的耐磨性和抗冲击性能，且整体结构强度高，使用寿命长。
本发明提供了一种金属陶瓷复合磨辊，包括：
辊芯；
复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；
镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。
优选的，所述辊芯为圆环柱体，外侧设有凹凸结构；
所述辊芯的材质为碳钢、合金钢、灰铸铁或球墨铸铁。
优选的，所述高铬铸铁层的厚度为40mm～150mm。
优选的，所述陶瓷预制块的厚度为10mm～80mm。
优选的，所述氧化锆增强氧化铝陶瓷包括：
氧化锆20wt％～85wt％；
氧化钇0～5wt％；
余量的氧化铝。
优选的，所述陶瓷预制块的制备方法具体为：
将氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂混合后置于模具中，在150℃～560℃下固化8h～12h，得到陶瓷预制块；
所述氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒的平均粒度为0.5mm～3.5mm。
优选的，所述粘结剂选自硅酸钠、硅酸铝、沸石粉和粘土粉中的一种或多种；
所述粘结剂的用量为氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒质量的1％～6％。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的金属陶瓷复合磨辊的制备方法，包括以下步骤：
a)将辊芯和陶瓷预制块进行砂箱造型后充分干燥，再倒入熔化的高铬铸铁进行熔炼浇铸，得到复合体；
b)将步骤a)得到的复合体进行热处理，空冷后经机加工，得到金属陶瓷复合磨辊。
优选的，步骤a)中所述熔炼浇铸的过程具体为：将高铬铸铁在中频感应炉中熔化，当温度为1450℃～1480℃时倒入砂箱的型腔中，使钢液与辊芯的外侧熔合，并渗入陶瓷预制块间隙，得到复合体。
优选的，步骤b)中所述热处理的温度为1000℃～1050℃，时间为4h～6h。
本发明提供了一种金属陶瓷复合磨辊，包括：辊芯；复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。与现有技术相比，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊通过高铬铸铁层将辊芯和由特定陶瓷制成的陶瓷预制块熔渗复合，形成整体结构；该产品结构设计科学合理，内部辊芯易加工，外部陶瓷预制块具有高硬度特性，既保证了耐磨性，又保证了抗冲击性能，同时节约了高碳铬铁，节约了资源；该整体结构强度高，能够极大的提高产品的使用寿命。实验结果表明，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊的使用寿命能够达到530h，且磨损后期，高铬铸铁牢固地贴合在碳钢辊芯外侧，未开裂或脱落。
此外，本发明采用砂型铸造结合熔炼浇铸工艺，成品率高，能够满足磨辊多样性要求，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的金属陶瓷复合磨辊的结构示意图；
图2为本发明实施例1中陶瓷预制块的实物图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种金属陶瓷复合磨辊，包括：
辊芯；
复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；
镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。
请参阅图1，图1为本发明提供的金属陶瓷复合磨辊的结构示意图。在本发明中，所述金属陶瓷复合磨辊包括辊芯、高铬铸铁层和陶瓷预制块。在本发明中，所述辊芯优选为圆环柱体，如可采用本领域技术人员熟知的管材加工而成；所述辊芯的外侧优选设有凹凸结构(凹槽结构)；所述凹凸结构是为了增大和高铬铸铁的熔合面积，提高结合力。
在本发明中，所述辊芯的材质优选为碳钢、合金钢、灰铸铁或球墨铸铁，更优选为碳钢。本发明采用上述材质的辊芯，易于加工，便于装配(由于内圆是装配面，磨辊中心部位的辊芯采用上述硬度低的材质，便于机加工)。本发明对所述辊芯的制作过程没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的利用消失模、水玻璃砂、覆膜砂等传统铸造方法或机加工方法生产即可。
在本发明中，所述高铬铸铁层复合在所述辊芯外侧。在本发明中，所述高铬铸铁层的厚度优选为40mm～150mm，更优选为80mm～130mm。本发明对所述高铬铸铁层中的高铬铸铁没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的碳含量在2.8wt％～3.4wt％之间、铬含量在25wt％～28wt％之间的高铬铸铁即可。
在本发明中，所述陶瓷预制块镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置；即所述陶瓷预制块不与所述辊芯直接接触，二者之间熔渗复合有高铬铸铁层，形成整体结构。在本发明中，所述陶瓷预制块的厚度优选为10mm～80mm，更优选为15mm～40mm。
在本发明中，所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。在本发明中，所述氧化锆增强氧化铝陶瓷优选包括：
氧化锆20wt％～85wt％；
氧化钇0～5wt％；
余量的氧化铝；
更优选为：
氧化锆20wt％～45wt％；
氧化钇3wt％；
余量的氧化铝。
本发明对所述氧化锆增强氧化铝陶瓷的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售ZTA陶瓷即可。在本发明中，所述氧化锆增强氧化铝陶瓷的抗压强度优选≥400MPa，硬度优选≥1300HV。
在本发明中，所述陶瓷预制块的制备方法优选具体为：
将氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂混合后置于模具中，在150℃～560℃下固化8h～12h，得到陶瓷预制块；
更优选为：
将氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂混合后置于模具中，在250℃～350℃下固化10h，得到陶瓷预制块。
在本发明中，所述氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒的平均粒度优选为0.5mm～3.5mm，更优选为1mm～3mm。本发明优选对所述氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒的表面镀镍后，再与粘结剂混合，能够使粘接剂均匀覆盖在陶瓷颗粒的镀镍层表面，镀镍层经过烧结熔合，可保证预制块的强度，并且与铁水充分润湿。
在本发明中，所述粘结剂优选选自硅酸钠、硅酸铝、沸石粉和粘土粉中的一种或多种，更优选为硅酸钠和硅酸铝。本发明对所述粘结剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述无机粘结剂的市售商品即可。在本发明中，所述粘结剂的用量优选为氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒质量的1％～6％，更优选为氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒质量的3％～4％。
本发明对所述混合的过程没有特殊限制，目的是使粘结剂均匀的覆盖在陶瓷颗粒表面，有利于后续高温固化过程的进行。
在本发明中，所述陶瓷预制块在模具中固化后的整体形状为长条形，形状截面具有多样性，可以为各类多边形、圆形、腰圆形、椭圆形、其他不规则异形等，本发明对此没有特殊限制。
本发明提供的金属陶瓷复合磨辊通过高铬铸铁层将辊芯和由特定陶瓷制成的陶瓷预制块熔渗复合，形成整体结构；该产品结构设计科学合理，内部辊芯易加工，外部陶瓷预制块具有高硬度特性，镶嵌在磨辊外圈易磨损位置，既保证了耐磨性，又保证了抗冲击性能；此外，即使高铬铸铁有裂纹也可以用特定材质的辊芯粘住，不至于使整个磨辊开裂造成事故；同时节约了高碳铬铁，节约了资源；该整体结构强度高，能够极大的提高产品的使用寿命。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的金属陶瓷复合磨辊的制备方法，包括以下步骤：
a)将辊芯和陶瓷预制块进行砂箱造型后充分干燥，再倒入熔化的高铬铸铁进行熔炼浇铸，得到复合体；
b)将步骤a)得到的复合体进行热处理，空冷后经机加工，得到金属陶瓷复合磨辊。
本发明首先将辊芯和陶瓷预制块进行砂箱造型后充分干燥，再倒入熔化的高铬铸铁进行熔炼浇铸，得到复合体。在本发明中，所述辊芯和陶瓷预制块与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述砂箱造型的过程优选具体为：
将辊芯和陶瓷预制块放入型腔中固定，辊芯外侧与陶瓷预制块内侧之间的空隙距离为20mm～60mm；
更优选为：
将辊芯放入型腔中固定，再将陶瓷预制块放入型腔中围绕所述辊芯拼合成一个整圈，固定，辊芯外侧与陶瓷预制块内侧之间的空隙距离为50mm。
在本发明中，所述干燥的温度优选在100℃以上，时间优选为4h～6h，更优选为5h；保证充分烘干水分。本发明对所述干燥的方式没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的热风机吹热风的技术方案即可。
在本发明中，所述高铬铸铁与上述技术方案中的相同，在此不再赘述。
在本发明中，所述熔炼浇铸的过程优选具体为：
将高铬铸铁在中频感应炉中熔化，当温度为1450℃～1480℃时倒入砂箱的型腔中，使钢液与辊芯的外侧熔合，并渗入陶瓷预制块间隙，得到复合体；
更优选为：
将高铬铸铁在中频感应炉中熔化，当温度为1470℃时(通过浇口杯)倒入砂箱的型腔中，使钢液与辊芯的外侧熔合，并渗入陶瓷预制块间隙(自身孔隙)，得到复合体。
得到所述复合体后，本发明将得到的复合体进行热处理，空冷后经机加工，得到金属陶瓷复合磨辊。在本发明中，所述热处理的温度优选为1000℃～1050℃，更优选为1020℃；所述热处理的时间优选为4h～6h，更优选为5h。
本发明对所述机加工的设备没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的立式车床即可。
本发明采用砂型铸造结合熔炼浇铸工艺，成品率高，能够满足磨辊多样性要求，具有广阔的应用前景。
本发明提供了一种金属陶瓷复合磨辊，包括：辊芯；复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。与现有技术相比，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊通过高铬铸铁层将辊芯和由特定陶瓷制成的陶瓷预制块熔渗复合，形成整体结构；该产品结构设计科学合理，内部辊芯易加工，外部陶瓷预制块具有高硬度特性，既保证了耐磨性，又保证了抗冲击性能，同时节约了高碳铬铁，节约了资源；该整体结构强度高，能够极大的提高产品的使用寿命。实验结果表明，本发明提供的金属陶瓷复合磨辊的使用寿命能够达到530h，且磨损后期，高铬铸铁牢固地贴合在碳钢辊芯外侧，未开裂或脱落。
此外，本发明采用砂型铸造结合熔炼浇铸工艺，成品率高，能够满足磨辊多样性要求，具有广阔的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的陶瓷颗粒为氧化锆增强氧化铝陶瓷(ZTA)，其中氧化锆作为增韧相，重量百分比为30％～35％，还加入重量百分比为3％的氧化钇作为辅助材料，其余为氧化铝；该ZTA的抗压强度在400MPa以上，硬度在1300HV以上。
实施例
(1)用45#碳钢30mm厚管，机加工做成外侧具有凹凸结构的辊芯；所述凹凸结构是为了增大和高铬铸铁的熔合面积，提高结合力。
(2)选择平均粒度为2mm～3mm的陶瓷颗粒，混合3.5wt％的质量比为1：1的硅酸钠和硅酸铝，倒入模具中，然后在300℃的干燥箱中加热10h，进行固化，得到30mm厚的陶瓷预制块；其实物图参见图2所示。
(3)将步骤(1)得到的辊芯和步骤(2)得到的陶瓷预制块进行砂箱造型，具体为：将辊芯和陶瓷预制块放入型腔中固定，辊芯外侧与陶瓷预制块内侧之间的空隙距离为50mm；用热风机吹热风5h，将辊芯和陶瓷预制块加热到100℃以上，充分烘干水分；然后进行熔炼浇铸，具体为：将高铬铸铁(碳含量2.8wt％～3.4wt％，铬含量25wt％～28wt％)在中频感应炉中熔化，当温度为1470℃时倒入型腔中，使钢液与辊芯的外侧熔合，并渗入陶瓷预制块间隙，得到复合体。
(4)将步骤(3)得到的复合体升温至1020℃，保温5h，空冷后，采用立式车床将复合体内圆按图纸进行机加工，然后线切割定位槽，得到金属陶瓷复合磨辊。
经检测，本发明实施例提供的金属陶瓷复合磨辊的使用寿命能够达到530h，且磨损后期，高铬铸铁牢固地贴合在碳钢辊芯外侧，未开裂或脱落。
对比例
制粉厂采用的普通高铬铸铁磨辊；其寿命为260h，当用到260h后，该磨辊会因为高铬铸铁材质较脆而断开，造成设备故障停机。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种金属陶瓷复合磨辊，包括：
辊芯；
复合在所述辊芯外侧的高铬铸铁层；
镶嵌在所述高铬铸铁层内部并环绕所述辊芯设置的陶瓷预制块；所述陶瓷预制块由氧化锆增强氧化铝陶瓷制备而成。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述辊芯为圆环柱体，外侧设有凹凸结构；
所述辊芯的材质为碳钢、合金钢、灰铸铁或球墨铸铁。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述高铬铸铁层的厚度为40mm～150mm。
4.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述陶瓷预制块的厚度为10mm～80mm。
5.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述氧化锆增强氧化铝陶瓷包括：
氧化锆20wt％～85wt％；
氧化钇0～5wt％；
余量的氧化铝。
6.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述陶瓷预制块的制备方法具体为：
将氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒与粘结剂混合后置于模具中，在150℃～560℃下固化8h～12h，得到陶瓷预制块；
所述氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒的平均粒度为0.5mm～3.5mm。
7.根据权利要求6所述的金属陶瓷复合磨辊，其特征在于，所述粘结剂选自硅酸钠、硅酸铝、沸石粉和粘土粉中的一种或多种；
所述粘结剂的用量为氧化锆增强氧化铝陶瓷颗粒质量的1％～6％。
8.一种权利要求1～7任一项所述的金属陶瓷复合磨辊的制备方法，包括以下步骤：
a)将辊芯和陶瓷预制块进行砂箱造型后充分干燥，再倒入熔化的高铬铸铁进行熔炼浇铸，得到复合体；
b)将步骤a)得到的复合体进行热处理，空冷后经机加工，得到金属陶瓷复合磨辊。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤a)中所述熔炼浇铸的过程具体为：将高铬铸铁在中频感应炉中熔化，当温度为1450℃～1480℃时倒入砂箱的型腔中，使钢液与辊芯的外侧熔合，并渗入陶瓷预制块间隙，得到复合体。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤b)中所述热处理的温度为1000℃～1050℃，时间为4h～6h。
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