耐磨管及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的耐磨管及其制备方法，尤其涉及一种具有碳化物涂层的复合耐磨管及其制备方法，具体涉及一种应用于碳钢表面的碳化物涂层复合耐磨管及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在矿山、冶金、电力、煤炭等行业中，物料的远距离强力输送非常普遍，尤其是在重介质选煤系统中，由于介质管道输送的是硬度大、磨损性强的介质悬浮液，对有压给料的旋流器入料管，除了输送介质悬浮液以外，还包括煤及矸石。因此，与煤泥水输送管道相比，介质管道磨损速度很快。特别是有压管，如旋流器、脱介筛的入料管等。依管道材料和流动方式不同，一般的金属管材使用寿命大约在几个月到I年左右。管道的严重磨损不仅造成大量的材料浪费和介质的跑、冒、滴、漏，而且频繁的管道维修更换，增加了工人的劳动强度，加大了生产成本。
[0003]近年来，耐磨技术与耐磨材料的开发飞速发展，耐磨管技术除了在金属矿山、建筑、电厂等领域应用之外，在重介质选煤领域也得到广泛推广。大大延长了重介质管路输送系统的使用寿命，减少了维修工作量和材料消耗，推动了重介质选煤技术的快速发展。因此，单一材料所制备的耐磨管难以满足要求，使产品寿命大大降低，严重造成浪费。为了提高耐磨管的使用寿命，各国在耐磨管材料的研制、开发方面做了大量工作。目前，常用的耐磨管道主要有铸石管、陶瓷复合管、超耐磨复合管、合金耐磨管等。由于铸石管密度高，脆性大，不耐冲击，易破碎，生产工艺复杂，安装维修不方便，限制了其进一步的推广应用；陶瓷复合管所采用的自蔓高温合成离心机制造，导致其陶瓷层不致密，且与基体结合强度欠佳，严重影响使用寿命。
[0004]碳化物材料的涂层是现阶段使用较多一种材料，其具有硬度高、耐磨损性能优越的特点，以涂层方式覆盖在金属合金基体表面可以提高由基体材料制备的零部件的耐磨性与寿命。碳化物材料具有硬度高、耐磨损性能优越的特点。其中WC是一种常见涂层材料，其有如下特点特性:
[0005](I)碳化钨具有高强度、高硬度及高模量；
[0006](2) WC韧性好、抗冲击载荷及抗磨性好，与基体结合具有较好的抗界面腐蚀能力，而且它与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角为零；
[0007](3)其次，我国是钨的富产国，所以选择WC作为增强相在技术、经济和社会效益上都十分合适。
[0008]因此，WC涂层被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件表面等。
[0009]目前金属材料表面涂层技术有:激光熔覆法、高温自蔓延烧结技术、粉末冶金技术、材料气相沉积技术(包括:化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD))等，但这些方法，存在生产设备要求苛刻、生产效率低、涂层结合强度低等不足。
[0010]因此如何在耐磨管工作表面获得WC相的涂层，并且选择一种生产设备简单、工艺流程短的制备方法，获得与基体结合力好、不易脱落且力学性能、耐磨性能优异的涂层是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0011]针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种复合耐磨管，其工作部位的表面具有一种耐磨涂层，而管体仍为碳钢基体，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层，其化学稳定性和耐磨性好，具有低摩擦系数、高硬度、低表面能以及低传热性；并且进一步地，提供一种用于获得上述复合耐磨管的制备方法。
[0012]进一步地，本发明还提供一种耐磨管，其内腔表面具有一种梯度复合涂层，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，其优选被涂覆于耐磨管内腔表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是碳钢表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0013]所述耐磨管，在其管体工作部位具有耐磨涂层。该涂层有利保证耐磨管内腔表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而管体内部具有很好的韧性。
[0014]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0015]一种表面具有耐磨涂层的耐磨管，该耐磨涂层为WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0016]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ m，沿涂层纵向剖面，其厚度为50-180 μm，优选为100-180 μm ;其中WC的体积分数大于80%，优选大于 85% ο
[0017]此外，本发明还提供一种表面具有梯度复合涂层的耐磨管，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0018]优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0019]更优选地，沿WC致密陶瓷层纵向剖面，粒径为10-50 μ m，优选为20-50 μ m，沿涂层纵向剖面，其厚度为50-180 μm，优选为100-180 μm ;其中WC的体积分数大于80%，优选大于 85% ο
[0020]进一步优选地，沿微米WC陶瓷层纵向剖面，其厚度为70-180 μ m，优选为130-180 μπι;其中WC的体积分数大于75%，优选大于80%，其粒径为5_30μπι，优选为6-25 μm0
[0021]更进一步优选地，沿WC与基体的融合层纵向剖面，其厚度为60-300 μ m，优选为100-300 μ m;其中WC的体积分数为40% -80%，优选为60% -80%，其粒径为1_20μπι，优选为 5-10 μπ?ο
[0022]优选地，梯度复合涂层总厚度为180-660 μ m ;优选在330-660 μ m。
[0023]更优选地，管体基体组织根据热处理方式不同可分为珠光体、马氏体、铁素体、贝氏体、奥氏体和索氏体中的一种或几种；优选地，该梯度复合涂层被施加于碳钢表面。
[0024]本发明提供一种表面具有耐磨涂层的耐磨管制备方法，包括如下步骤:
[0025]I)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.9%，优选地，所述钨板厚度为0.2-3mm ;优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0026]2)按照耐磨管尺寸，制作砂型以及相应的耐磨管砂芯；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型和砂芯；
[0027]3)根据耐磨管的工作受力状况，其主要磨损的部位是耐磨管的内腔表面，据此将石墨纸固定在耐磨管砂芯表面，然后在石墨纸表面固定钨板，使两者紧密结合。所述石墨纸为三级以上，纯度99%，厚度为0.1-0.35mm；
[0028]4)将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1500°C以上；
[0029]5)将上述钢液浇入放置钨板和石墨纸的砂型内，待钢液冷却后，取出铸件，清砂处理，获得铸态的复合耐磨管，其管体为碳钢基体，而耐磨管内腔表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1500°C以上；更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却；
[0030]6)将浇铸完得到的耐磨管复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在耐磨管内腔表面形成耐磨涂层，而管体仍为碳钢基体。
[0031]其中，耐磨涂层为WC致密陶瓷层。
[0032]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该WC致密陶瓷层；优选地，WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，介于多晶相与单晶相之间，相较于多晶相，晶向一致性高、晶界明显减少，并且原子排列比较有序的显微组织。
[0033]本发明还提供一种内腔表面具有梯度复合涂层的耐磨管的制备方法，包括如下步骤:
[0034]I)先准备一钨板，优选地，其中钨的纯度应控制在99.7-99.9%，优选地，所述钨板厚度为0.2-3mm ;优选地，所述钨板先被加以表面处理；
[0035]2)按照耐磨管尺寸，制作砂型以及相应的耐磨管砂芯；优选地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬树脂砂或潮模砂制作砂型和砂芯；
[0036]3)根据耐磨管的工作受力状况，其主要磨损的部位是耐磨管的内腔表面，据此将石墨纸固定在耐磨管砂芯表面，然后在石墨纸表面固定钨板，使两者紧密结合。。
[0037]4)将碳钢基材冶炼为钢液；优选地，温度控制在1610_1630°C ；
[0038]5)将上述钢液浇入放置钨板和石墨纸的砂型内，待钢液冷却后，取出铸件，清砂处理，获得铸态的复合耐磨管，其管体为碳钢基体，而耐磨管内腔表面为碳钢与钨板的复合体；优选地，浇注温度控制在1610-1630°C ;更优选地，浇注时间40-50秒为宜；进一步优选地，一分钟后，在冒口补浇；优选地，室温冷却；
[0039]6)将浇铸完得到的耐磨管复合体放入具有保护气氛的保温炉内保温，最后随炉冷却至室温，从而在耐磨管内腔表面形成梯度复合涂层，而管体仍为碳钢基体；
[0040]7)所得的具有梯度复合涂层的耐磨管被进一步热处理以获得更合适的基体组织。
[0041]优选地，钨板厚度为0.2-3mm ;若小于0.2mm，则钨板在浇注复合过程中就已经完全反应，不能获得WC组织，直接生成弥散分布WC ;超过3mm则导致扩散距离增大，反应动力不足。
[0042]优选地，步骤6)中通过严格控制保温温度与时间的关系，获得所述准单晶相WC致密陶瓷层。该陶瓷层呈现出较为明显的准单晶组织，光学显微镜下表现为晶界减少，影响断裂韧性的位错也相应减少，代之亚晶界增多，有效提高该陶瓷层的抗裂能力。
[0043]优选地，通过控制步骤6)中保温时间、保温温度获得该梯度复合涂层即碳化物涂层，所述碳化物涂层包括依次呈梯度分布的准单晶相WC致密陶瓷层、微米WC陶瓷层、WC与基体的融合层。
[0044]更优选地，步骤6)中保温温度、保温时间以及最终能够获得的梯度复合涂层的总厚度符合如下公式，
[0045]L = kTlogt1/2+b0
[0046]其中:
[0047]L——梯度复合涂层的总厚度(μ m)，
[0048]k 是常数，取值为0-1，k O,
[0049]T——保温温度⑷，
[0050]t 保温时间(S)，
[0051]b0——初始厚度(μ m)，即钢液浇注后与钨板之间形成的复合层的厚度。
[0052]综上，所述梯度复合涂层，包括WC致密陶瓷层，硬度高。所述WC致密陶瓷层为准单晶相，所述准单晶相是指，原子的排列不像一般单晶那样具有相同的晶格，但仍具有严格的顺序