专利名称：一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊及其制作方法
技术领域：
本发明属于水泥粉磨用的磨辊。
背景技术：
随着我国工业现代化、城镇经济的迅速发展，我国基础工业之一的水泥工业也得到了快速发展。目前，我国水泥总产量已占世界水泥总产量的30%以上。连续20多年来， 我国水泥总产量的年增长速度都保持在两位数以上，无论是增长速度还是总产量均高居世界首位。同时，我国又是水泥的出口大国，据报道，亚洲水泥贸易量占世界水泥总贸易量的 40%左右，而我国又占亚洲出口水泥总量的30% 40%。可以说，我国已经成为世界上名副其实的水泥大国。不仅如此，从当前我国经济发展趋势来看，水泥需求量还在持续增长， 因此，对水泥工业耐磨材料与耐磨技术的需求越来越迫切。由于在水泥工业的生产工序中工作条件十分恶劣，在物料的采掘、破碎、研磨和输送过程中都会出现大量的磨损问题并造成机器零、部件的损坏。为了维持水泥工业的正常生产和运转，必须要有足够的耐磨备件持续供应。在水泥工业中，备件的消耗在其生产成本中占有很大的比例。因此，重视和发展耐磨材料及提高备件的寿命是直接关系到水泥行业能否快速发展和技术进步的一个重要环节。水泥磨机用于粉磨水泥生料或熟料及其它建筑、化工、陶瓷等工业原料，具有体积小、重量轻、占地少、电耗低等一系列优点，因此，近年来在工业发达国家得到广泛应用。水泥磨辊是水泥磨机的重要工作部件，它的成本与辊子表面耐磨性和运转率紧密相关。由于磨辊与磨辊或磨盘之间不仅存在着高压力，同时存在着相对转动，而且磨辊、磨盘与物料间的摩擦也很严重，磨辊使用工况条件苛刻，水泥磨辊的磨损及疲劳破坏十分严重。因此，要求磨辊表面有高的耐磨性，芯部要有好的韧性，即磨辊要具有高的强度、韧性和耐磨性，对制造磨辊的材料和工艺要求较高。目前，在国内水泥行业，一般采用高硬度、高耐磨性、高耐冲击性的焊丝材料对磨辊表面进行堆焊处理，可以堆焊出母体材料难以获得、甚至无法获得的性能优异的表面层或不同图案的表面拉花，显著提高磨辊的耐磨性。磨辊表面磨损后，可进行10次以上的重新堆焊处理，降低了成本又提高了生产效率，但却为辊子的再修复加工带来了难题。具有超强、高韧性和高耐磨性的材料很难加工，且修复加工量大，工人的劳动强度大、作业环境差， 而且修复加工效率也不高。加工后工件还常有夹碳、渗碳、圆度误差大等问题，因此，寻找一种更有效的方法提高辊子的耐磨性和疲劳寿命，是水泥工业急需解决的技术难题，具有重要的实际意义。
发明内容
本发明的目的是解决现有水泥磨辊存在的上述问题，提供一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊及其制作方法，使其具有良好的耐磨性能，获得较高的使用寿命和粉磨综合效能。
本发明具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊是由仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层、过渡层和具有较好韧性的芯部材料复合而成，配以适当的仿生设计与制备手段，在磨辊表面获得具有毫米级的凸包、条纹、波纹、网格或鳞片的仿生耦合表面形态，以及嵌入式表层结构和不同成分的多层材料。自然界中多种生物在有磨损发生的环境中生存，其体表及内部微观结构对沙粒等硬物的磨损具有与生俱来的耐受能力。随着仿生学研究的不断深入，研究人员发现，生物体适应外部环境所呈现的各种功能，不是单一因素的作用或多个因素作用的简单相加，而是由多种互相依存、互相影响的因素通过一定的机制耦合、协同作用的结果。例如，生物体所呈现的减阻、耐磨、抗疲劳等功能，即是通过生物体多因素的耦合作用得以实现的，即生物体的不同形态、结构、材料构成等，通过彼此之间的耦合作用而达到生物功能最优化、对环境适应最佳化和能量消耗最低化。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，利用焊接技术在水泥磨辊表面进行处理，制备仿生耦合耐磨表层，提高水泥磨辊表面的耐磨性能和粉磨效果，有效提高水泥磨辊的使用寿命，发明一种水泥粉磨用的磨辊。本发明涉及一种水泥粉磨用的磨辊。目标为提高水泥磨辊表面的耐磨性能，技术方案是利用生物仿生耦合设计与制造原理提供一种仿生耦合耐磨磨辊，有效地提高水泥磨辊的粉磨效果和使用寿命。仿生耦合磨辊由仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层、过渡层和具有较好韧性的芯部材料复合而成，并同仿生形态与结构相互耦合，其特点是磨辊的设计与构成模拟了生物耦合耐磨原理，具有毫米级的凸包、条纹、波纹、网格或鳞片的仿生耦合表面形态、嵌入式表层结构和多层叠加的材料成分。本发明的具体技术方案是一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，由仿生耦合耐磨表层和具有韧性的芯部材料复合而成，仿生耦合耐磨表层由仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层、过渡层组成。 所述仿生耦合强化层是具有毫米级的凸包、条纹、波纹、网格或鳞片状非光滑形态和嵌入式结构协同作用的仿生耦合表面，由含如下成分的高铬铸铁耐磨焊丝堆焊而成， 焊丝成分范围如下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，余量为Fe ；耐磨层成分与强化层一致，由焊接材料堆焊制成；仿生耦合磨辊过渡层是由如下成分)的高铬高锰奥氏体焊接材料堆焊而成，材料成分范围如下 0. 3-1. 0% C, 10-13% Mn, 10-14% Cr,0. 4-0. 8% Si，0. 006% S，0. 014% P，余量为 Fe。所述磨辊表层的凸包呈规则点阵式分布，凸包直径为5 10毫米，高度为2. 5 5毫米，凸包间中心距为7. 5 15毫米。所述的磨辊表层的条纹，其条纹宽度为5 15毫米，条纹高度为5 10毫米， 条纹间中心距为7. 5 30毫米，条纹平行分布，条纹分布方向与磨辊轴线的夹角为0° 180°。所述磨辊表层的波纹，其波纹宽度为5 15毫米，波峰与波谷的高度差为3 20毫米，波纹间距为7. 5 30毫米，波纹高出磨辊基体5 10毫米，波纹分布方向与磨辊轴线的夹角为0° 180°。所述磨辊表层的网格，由两个方向的平行分布的条纹相互交叉形成，其两交叉方向的条纹宽度为5 15毫米，条纹高度为5 10毫米，同方向平行分布的条纹间中心距为 7. 5 30毫米，两个方向的夹角为10° 90°。所述磨辊表层的鳞片，其长轴为10 30毫米，短轴为5 15毫米，鳞片间距为 10 25毫米，鳞片高度为4 8毫米。所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊制作方法，是通过所述仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层和过渡层按以下步骤制备并与具有韧性的芯部材料复合而成首先，对芯部材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在350°C 400°C之间，采用高铬高锰奥氏体焊接材料在母体表面进行药芯焊丝电弧堆焊，制备过渡层，厚度为10 25毫米；然后，利用角磨机将过渡堆焊层表面磨平，再改变堆焊材料，采用高铬铸铁耐磨焊丝在过渡层表面再进行堆焊，制备耐磨层，厚度为5 15毫米；最后，采用与制备耐磨层相同的材料，在磨辊的耐磨层表面进一步进行堆焊处理， 制备凸包、条纹、波纹、网格或鳞片状非光滑形态与嵌入式结构协同作用的仿生耦合强化层。为减少堆焊后引起的残余应力，避免产生裂纹，焊后先保温，再装炉进行热处理。保温温度为200°C，保温时间为0. 5 1. 0h，退火温度为500 600°C，随炉缓冷至100°C时出炉空冷。所述仿生耦合耐磨表层也可以通过机械加工的方法在磨辊的表面加工出具有条纹、波纹、网格等不同分布规律的凹槽或凹坑，然后再用电弧熔凝的方法，将耐磨材料熔填到凹槽或凹坑中，将下凹部分填充并凸出磨辊表面2. 5 10毫米，在磨辊表面形成软、硬相间的结构。本发明所采用的技术手段是由计算机设计出仿生耦合表面的不同形态、尺寸和分布规律，采用试验优化设计方法，选出最优的仿生耦合表面形态参数，通过堆焊的方法， 在磨辊表面加工出具有一定几何形状、化学成分和组织结构有别于基体材料的仿生耦合表面形态。仿生耦合表面形态的几何尺寸、分布规律、化学成分以及加工后得到的组织结构对提高磨辊表面的耐磨性及粉磨效果具有重要作用，最终得到具有仿生耦合耐磨表层的高耐磨性和高粉磨综合效能的水泥磨辊。本发明的有益效果是利用仿生耦合技术对水泥磨辊表面进行处理，形成具有不同形态、尺寸和分布规律的仿生耦合表面形态图案，使磨辊的耐磨性和粉磨效果得到很大提高。与相同基体材料的光滑表面磨辊比较，使用寿命提高1.5 3倍。可以针对具体要求，选用不同形态、尺寸和分布规律的仿生耦合表面形态图案，从而获得不同的性能。本发明还具有制造工艺简单，性能可靠，成本低，性能价格比高等优点。具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊可以广泛应用于我国的水泥工业中，推动我国基础工业以及出口贸易的发展， 促进国民经济的增长。
图1是具有凸包的仿生耦合耐磨表层磨辊的结构示意图2是具有条纹的仿生耦合耐磨表层磨辊的结构示意图；图3是具有波纹的仿生耦合耐磨表层磨辊的结构示意图；图4是具有网格的仿生耦合耐磨表层磨辊的结构示意图；图5是具有鳞片的仿生耦合耐磨表层磨辊的结构示意图；图6是具有凸包的、不同参数的仿生耦合耐磨表层磨辊与普通磨辊磨损试验前后质量损失直方图；图7是具有条纹的、不同参数的仿生耦合耐磨表层磨辊与普通磨辊磨损试验前后质量损失直方图；图8是具有波纹的、不同参数的仿生耦合耐磨表层磨辊与普通磨辊磨损试验前后质量损失直方图；图9是具有网格的、不同参数的仿生耦合耐磨表层磨辊与普通磨辊磨损试验前后质量损失直方图；图10是具有鳞片的、不同参数的仿生耦合耐磨表层磨辊与普通磨辊磨损试验前后质量损失直方图。
具体实施例方式下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。仿生耦合耐磨水泥磨辊由仿生耦合强化层、耐磨材料构成的耐磨层、过渡层和具有较好韧性的芯部材料复合而成，其特点是磨辊表层具有凸包、条纹、波纹、网格或鳞片的仿生耦合表面形态。仿生耦合表面形态的几何尺寸、分布规律和化学成分对提高磨辊表层的耐磨性有重要作用，设计合理的仿生耦合表面形态会显著提高水泥磨辊的耐磨性和粉磨效果。本发明以中碳钢或中碳低合金钢等韧性材料为水泥磨辊的母体材料，首先，采用堆焊技术在母体表面进行堆焊处理，制备过渡层，厚度为10 25毫米；然后，改变堆焊材料，在过渡层表面再进行堆焊处理，制备耐磨层，厚度为5 15毫米；最后，在磨辊的耐磨层表面进行仿生耦合堆焊处理，制备凸包、条纹、波纹、网格或鳞片形的仿生耦合耐磨形态，实现磨辊表面形态、结构以及软、硬结合的组织、材料之间的耦合，获得仿生耦合耐磨表层，显著提高磨辊表面的耐磨性和粉磨效果。实施例1参见图1，具有凸包的仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，芯体材料是45中碳钢，磨辊过渡层是按照三种不同的厚度，取不同成分的高铬高锰奥氏体焊接材料堆焊而成。采用堆焊技术将磨辊表面加工成具有凸包的三种不同尺寸和分布的仿生耦合强化层。其材料是具有不同成分(wt%)的高铬铸铁耐磨焊丝。耐磨层与仿生耦合强化层的材料成分相同，按照三种不同的耐磨层厚度，由焊接材料堆焊制成。具有凸包的仿生耦合耐磨水泥磨辊的过渡层、耐磨层与仿生耦合强化层的参数见表1。表1凸包型仿生耦合耐磨水泥磨辊的过渡层、耐磨层与仿生耦合强化层参数
权利要求
1.一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，由仿生耦合耐磨表层和具有韧性的芯部材料复合而成，仿生耦合耐磨表层由仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层、过渡层组成， 其特征在于，所述仿生耦合强化层是具有毫米级的凸包、条纹、波纹、网格或鳞片状非光滑形态和嵌入式结构协同作用的仿生耦合表面，用含以下成分的高铬铸铁耐磨焊丝堆焊而成，焊丝成分范围按衬％为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，余量为Fe ；耐磨层成分与强化层一致，由焊接材料堆焊制成；仿生耦合磨辊的过渡层是按以下成分的高铬高锰奥氏体焊接材料堆焊而成，材料成分范围按为0. 3-1. 0% C, 10-13% Mn, 10-14% Cr,0. 4-0. 8% Si，0. 006% S，0. 014% P，余量为 Fe。
2.根据权利要求1所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，其特征在于，所述磨辊表层的凸包呈规则点阵式分布，凸包直径为5 10毫米，高度为2. 5 5毫米，凸包间中心距为7. 5 15毫米。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，其特征在于， 所述磨辊表层的条纹宽度为5 15毫米，条纹高度为5 10毫米，条纹间中心距为7. 5 30毫米，条纹平行分布，条纹分布方向与磨辊轴线的夹角为0° 180°。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，其特征在于， 所述磨辊表层的波纹宽度为5 15毫米，波峰与波谷的高度差为3 20毫米，波纹间距为 7. 5 30毫米，波纹高出磨辊基体5 10毫米，波纹分布方向与磨辊轴线的夹角为0° 180°。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，其特征在于， 所述磨辊表层的网格，由两个方向的平行分布的条纹相互交叉形成，其两交叉方向的条纹宽度为5 15毫米，条纹高度为5 10毫米，同方向平行分布的条纹间中心距为7. 5 30 毫米，两个方向的夹角为10° 90°。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊，其特征在于， 所述磨辊表层的鳞片，其长轴为10 30毫米，短轴为5 15毫米，鳞片间距为10 25毫米，鳞片高度为4 8毫米。
7.根据权利要求1所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊制作方法，其特征在于，所述仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层和过渡层按以下步骤制备并与具有韧性的芯部材料复合而成，首先，对芯部材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在350°C 40(TC之间，采用高铬高锰奥氏体焊接材料在母体表面进行药芯焊丝电弧堆焊，制备过渡层，厚度为 10 25毫米；然后，利用角磨机将过渡堆焊层表面磨平，再改变堆焊材料，采用高铬铸铁耐磨焊丝在过渡层表面再进行堆焊，制备耐磨层，厚度为5 15毫米；最后，采用与制备耐磨层相同的材料，在磨辊的耐磨层表面进一步进行堆焊处理，制备凸包、条纹、波纹、网格或鳞片状非光滑形态与嵌入式结构协同作用的仿生耦合强化层，为减少堆焊后引起的残余应力，避免产生裂纹，焊后先保温，再装炉进行热处理，保温温度为 200°C，保温时间为0. 5 1. 0h，退火温度为500 600°C，随炉缓冷至100°C时出炉空冷。
8.根据权利要求1所述的一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊制作方法，其特征在于，所述仿生耦合耐磨表层通过在磨辊的表面机械加工出具有条纹、波纹、网格等不同分布规律的凹槽或凹坑，然后再用电弧熔凝的方法，将耐磨材料熔填到凹槽或凹坑中，将下凹部分填充并凸出磨辊表面2. 5 10毫米，在磨辊表面形成软、硬相间的结构。
全文摘要
本发明涉及水泥粉磨用的磨辊，特别是一种具有仿生耦合耐磨表层的水泥磨辊及其制备方法。其仿生耦合耐磨表层模拟天然生物耦合耐磨原理，由仿生耦合强化层、强化层下部的耐磨层、过渡层组成；仿生耦合强化层由毫米级的凸包、条纹、波纹、网格或鳞片状非光滑形态和嵌入式结构协同组合而成；首先，在芯部母体表面用药芯焊丝电弧堆焊方法制备过渡层，厚度为10～25毫米；然后，改变焊接材料，在过渡层表面进一步堆焊出耐磨层，厚度为5～15毫米；最后，制备仿生耦合强化层，实现磨辊表面形态、结构与软硬相间组织、材料之间的耦合，显著提高表面的耐磨性和粉磨效果。与相同基体材料的光滑表面磨辊比较，仿生耦合磨辊使用寿命提高1.5～3倍。
文档编号B02C15/00GK102302964SQ20111020431
公开日2012年1月4日 申请日期2011年7月21日 优先权日2011年7月21日
发明者丛茜, 任振安, 任露泉, 周宏 , 呼咏, 孙大千, 张志辉, 邱小明 申请人:吉林大学