一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，运用工程仿生学原理在辊体与耐磨层间科学设计过渡层和缓冲层以及综合考虑材料间的性能匹配，提高挤压辊的抗高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏能力。由辊体、过渡层、缓冲层、耐磨层和形态层组成，形态层具有条纹状结构形态，条纹高度H＝5-10mm，条纹宽度M＝10-15mm，条纹间距L＝5-15mm，高(H)/宽(M)≤0.8；所述过渡层厚度h1＝10-15mm、缓冲层厚度h2＝10-15mm、耐磨层厚度h3＝15-20mm；所述辊面耐磨层和表面形态层是按如下成分(Wt/％)高铬合金铸铁药芯焊丝堆焊而成：C：2.2-3.2，Cr：13.5-26.5，Ni：1.8-2.2，Nb：1.0-2.0，Mo：1.5-1.8，Si：1.0-2.0，Ti：1.2-1.6，V：0.5-1.0，Ta：0.2-0.5，Fe：余量。
【专利说明】一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，运用工程仿生学原 理在辊体与耐磨层间科学设计过渡层和缓冲层以及综合考虑材料间的性能匹配，提高挤压 辊的抗高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏能力，属于材料科学与工程领域。
【背景技术】
[0002] 辊压机是二十世纪八十年代中期发展起来的新型水泥粉磨装备，具有高效节能的 特点，应用于分级打散的水泥生产线可节电30% - 50%，提高后续球磨机的生产效率50% 以上。辊压机的工作原理是物料从辊压机两辊上方给入，被连续带入相向同步转动的挤压 辊之间，在高强度压应力的作用下挤压和粉碎物料，使其变成密实、扁平、充满微细裂纹的 料饼从机下排出。辊压机的核心部件是挤压辊。挤压辊工作过程中承受着剧烈的高应力磨 粒磨损和应力疲劳破坏，辊面的耐磨和抗疲劳性差严重影响水泥正常生产，一直倍受制造 商和用户重视。对于挤压辊辊面耐磨技术，国内外各大水泥装备公司均投入大量的资金和 精力加以研究，先后开发出整体铸造式、整体堆焊式、堆焊镶套式、硬质合金柱钉式、分块式 以及硬质合金烧结式等。其中整体铸造、整体堆焊属于早期技术。硬质合金柱钉式和硬质 合金烧结式，因对物料中异物的敏感性强或因造价昂贵，未被广泛使用。分块式辊面由于受 力的不合理性，在1996年以后即被否定。目前，从耐磨设计的合理性以及使用、维护和更换 等诸多因素综合考虑，堆焊镶套式结构认为适应性强、综合性能最好。堆焊镶套式辊面实现 了挤压辊辊体与辊面耐磨层的分离，可以使用不同的材料和工艺，分别满足挤压辊辊体的 综合力学性能和辊面耐磨性能的需要。挤压辊辊面结构形态对其耐磨性的影响非常显著。 产生磨损须同时具备两个要素，即压力和相对滑动。粉碎物料所需的压力是由被粉碎物料 的性能所决定，不可改变，减小物料在挤压过程中与辊面的相对滑动，是减小磨损、延长挤 压辊辊面寿命的有效途径。合理的辊面结构形态参数对物料的咬合角大，使物料落入辊间 隙更加均衡平稳，减轻并消除辊面的不均匀磨损，保持设备运行稳定，提高挤压效率和粉磨 质量。
[0003] 当前堆焊镶套式辊面技术存在的主要问题是辊体材料与辊面耐磨层的化学成分 和性能存在较大差异，材料相互间的兼容性和结合性较差，在提高辊面耐磨层材料耐磨性 的同时又将在结合面处产生较大的应力集中，降低辊体材料与表面耐磨层的结合强度，导 致耐磨层大面积剥落，结果是整机能源消耗大、降低粉磨效率和质量，呈现"出力不出活"。 因此，如何提高辊压机核心部件挤压辊表面耐磨层的耐磨性及其与辊体材料间的结合强 度，延长挤压辊的使用寿命，提高设备利用率，在水泥行业实施绿色制造，促进循环经济发 展，是科研工作者不可推卸的责任和长期而艰巨的任务。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，运用工程 仿生学原理在辊体与耐磨层间科学设计过渡层和缓冲层以及综合考虑材料间的性能匹配， 提高挤压棍的抗高应力磨粒磨损和应力疲劳破坏能力。
[0005] 本发明所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊是采用多材料组合 设计，挤压辊由辊体、过渡层、缓冲层、耐磨层和辊面形态耦合而成。挤压辊采用多材料组合 设计及其辊面形态参数设计是通过对生物体材料的结构和摩擦行为研究提出的仿生新思 想。通过对某些生物如沙漠蜥蜴、潮间带贝类、脉红螺以及石鳖等研究发现，生物体表具有 优良的耐磨和抗疲劳特性是与其体表的多层不同硬度材料组成的梯度材料结构以及在体 表形态上表现出多尺度的结构有密切相关。沙漠蜥蜴（新疆岩蜥）的体表是由外部的角皮 层、角质层构成硬壳支撑体，较软结缔组织填充于硬壳内部，这种多层不同硬度材料组成的 梯度材料结构，外部约束内部材料，在轴心受压载荷作用下，内部材料在多方向受压，可延 缓其受压时的纵向开裂，提高使用阶段的弹性工作性能，能承受较大的塑性变形；同时内部 可以延缓和避免外部过早地发生局部屈曲，使内外系统具有较高的承载能力，一般都高于 组成系统的内外部成分单独承载能力之和。毛蚶属双壳纲，营埋栖生活，在钻沙过程中，必 然与水、砂发生摩擦，体表由四层不同的材料组成的梯度材料结构，体表表面形态呈现纵向 棱纹状。毛蚶这种特殊的梯度材料结构和体表形态对其耐磨特性具有重要作用。根据生物 体表的多材料f禹合结构并结合棍压机挤压棍的工作性能、磨损机制及失效形式，由此提出 了一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊。
[0006] 挤压辊的工作性质要求辊体具有较好的综合性能，辊面要求具有较好的耐磨性 能。挤压辊辊体采用42CrM〇、40Cr等中碳低合金钢锻件，此类材料具有较好的力学性能， 但焊接性较差，直接在其表面堆焊耐磨材料极易产生裂纹，为了避免产生裂纹，需要预热堆 焊，而预热温度高将会使合金钢辊体强度下降，因此不能在合金钢辊体表面直接堆焊耐磨 材料。通过在辊体表面堆焊一层较软的过渡层，堆焊预热温度较低，既不会影响合金钢辊体 的力学性能，也不会产生裂纹。过渡层材料选用成型工艺良好的低碳低合金钢。过渡层与 耐磨层材料的成分、组织和性能差别较大，中间须有一个缓冲层，使二者的成分与性能不会 出现界面突变。缓冲层采用强度较高、能对耐磨层起良好支撑作用的高合金钢材料，其作用 是能够吸收耐磨层传递过来的能量，防止耐磨层吸收较大能量而出现裂纹和疲劳，造成早 期失效。挤压辊最外层为耐磨层与形态层。根据挤压辊的实际工况条件，过渡层厚度hi = 10-15_、缓冲层厚度h2 = 10-15_、耐磨层厚度h3= 15-20mm;棍面形态为条纹状，棍面形 态参数根据粉磨物料的形状和尺寸而定（物料呈现不规则形状，平均直径20-30_)，设计 原则就是减小物料在挤压过程中与辊面的相对滑动，对物料的咬合角大，使物料落入辊间 隙更加均衡平稳，按此原则：条纹高度H = 5-10mm，条纹宽度M = 10-15mm，条纹间距L = 5-15_，高（H) / 宽（M) > 0· 8。
[0007] 本发明所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，辊面耐磨层和 表面形态层材料采用堆焊药芯焊丝，其成分按质量百分比计（Wt/% ) :C :2. 2-3.2, Cr: 13. 5-26. 5, Ni :1. 8-2.2, Nb :1. 0-2.0, Mo :1. 5-1. 8, Si :1. 0-2.0, Ti :1. 2-1.6, V :0.5-1.0, Ta :0. 2-0. 5, Fe :余量。所述的辊面耐磨层和表面形态层材料是在高铬合金铸铁药芯焊丝 基础上通过添加与C的亲和力大的元素 Ti、Ta、V和Nb等，改变碳化物的类型和数量，生成 尺寸较小的碳化物和获得更多的金属碳化物，改善裂纹的敏感性。
[0008] 本发明所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其制备方法是：挤 压辊由辊体、过渡层、缓冲层、耐磨层和形态层组成。辊体为结构钢，采用42CrM〇、40Cr等中 碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆焊成型；缓冲层采用市售的高铬高锰焊 丝或不锈钢焊丝堆焊成型；耐磨层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型。
[0009] 本发明具有以下优点：运用工程仿生学原理对挤压辊辊体进行梯度材料结构设 计和表面形态参数设计，各层材料间界面结合强度> 200MPa ;各层材料间接头伸长率> 3. 0% ;表层耐磨层硬度HRC > 60。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1是本发明的挤压辊结构示意图。
[0011] 图2是本发明的挤压辊表面耐磨层结构形态。
[0012] hi -过渡层；h2 -缓冲层；h3 -耐磨层；h4 -形态层
[0013] Η -条纹1?度；Μ -条纹宽度；L 一条纹间距；R -挤压棍半径
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】：
[0015] 实施例1
[0016] 一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，辊体为结构钢，采用42CrMo中 碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆焊成型，厚度hi = 10mm ;缓冲层采用市 售的高铬高锰焊丝堆焊成型，厚度h2 = 10mm;耐磨层厚度h3 = 15mm，辊面形态为条纹状， 条纹高度H = 5mm，条纹宽度M = 10mm，条纹间距L = 5mm，高（H)/宽（M) = 0. 5,耐磨层和形 态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型，按质量百分比计（Wt/% ) :C :3. 2, Cr :20. 5， Ni :2. 2, Nb :1. 2, Mo :1. 5, Si :1. 2, Ti :1. 2, V :0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
[0017] 实施例2
[0018] -种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，辊体为结构钢，采用42CrMo中 碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆焊成型，厚度hi = 15mm ;缓冲层采用市 售的高铬高猛焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm;耐磨层厚度h3 = 20mm，棍面形态为条纹状， 条纹高度Η = 10謹，条纹宽度Μ = 15謹，条纹间距L = 15謹，高⑶/宽（M) = 0· 67,耐磨 层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型，按质量百分比计（Wt/% ) :C :3. 2，Cr : 20. 5, Ni :2. 2, Nb :1. 2, Mo :1. 5, Si :1. 2, Ti :1. 2, V :0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
[0019] 实施例3
[0020] -种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，辊体为结构钢，采用42CrMo中 碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆焊成型，厚度hi = 10mm ;缓冲层采用市 售的高铬高猛焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm;耐磨层厚度h3 = 20mm，棍面形态为条纹状， 条纹高度Η = 5謹，条纹宽度Μ = 15謹，条纹间距L = 10謹，高⑶/宽（M) = 0· 34,耐磨 层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型，按质量百分比计（Wt/% ) :C :3. 2，Cr : 20. 5, Ni :2. 2, Nb :1. 2, Mo :1. 5, Si :1. 2, Ti :1. 2, V :0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
[0021] 实施例4
[0022] -种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，辊体为结构钢，采用42CrMo中 碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆焊成型，厚度hi = 10mm ;缓冲层采用市 售的高铬高锰焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm;耐磨层厚度h3 = 15mm，辊面形态为条纹状， 条纹高度Η = 5mm，条纹宽度Μ = 10mm，条纹间距L = 10mm，高⑶/宽（Μ) = 0· 5,耐磨层 和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型，按质量百分比计（Wt/%) :C :3. 2, Cr: 20. 5, Ni :2. 2, Nb :1. 2, Mo :1. 5, Si :1. 2, Ti :1. 2, V :0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
【权利要求】
1. 一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其特征在于： 由辊体、过渡层、缓冲层、耐磨层和形态层组成，形态层具有条纹状结构形态，条纹高度 Η = 5-10謹,条纹宽度Μ = 10-15謹，条纹间距L = 5-15謹，高⑶/宽（M) < 0· 8 ;所述过渡 层厚度hi = 10_15mm、缓冲层厚度h2 = 10-15mm、耐磨层厚度h3 = 15-20mm ;所述棍面耐磨 层和表面形态层是按如下成分（Wt/% )高铬合金铸铁药芯焊丝堆焊而成：C :2. 2-3. 2, Cr : 13. 5-26. 5, Ni :1.8-2. 2, Nb :1.0-2. 0, Mo :1.5-1. 8, Si :1.0-2. 0，Ti :1.2-1. 6, V :0.5-1. 0， Ta :0· 2-0. 5, Fe :余量。
2. 根据权利要求1所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其特征在 于： 所述辊体为结构钢，采用42CrMo中碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆 焊成型，厚度hi = 10mm ;缓冲层采用市售的高铬高锰焊丝堆焊成型，厚度h2 = 10mm ;耐磨 层厚度h3 = 15mm，棍面形态为条纹状，条纹高度H = 5mm，条纹宽度M = 10mm，条纹间距L =5mm，高（H)/宽（M) = 0. 5,耐磨层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型，按 质量百分比计（Wt/% ) :C :3· 2, Cr :20· 5, Ni :2· 2, Nb :1· 2, Mo :1· 5, Si :1· 2, Ti :1· 2, V : 0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
3. 根据权利要求1所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其特征在 于： 所述辊体为结构钢，采用42CrMo中碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆 焊成型，厚度hi = 15mm;缓冲层采用市售的高铬高猛焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm;耐磨 层厚度h3 = 20mm，棍面形态为条纹状，条纹高度H = 10mm，条纹宽度M = 15mm，条纹间距L =15mm，高（H)/宽（M) =0.67,耐磨层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型， 按质量百分比计（Wt/% ) :C :3· 2, Cr :20· 5, Ni :2· 2, Nb :1· 2, Mo :1· 5, Si :1· 2, Ti :1· 2, V : 0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
4. 根据权利要求1所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其特征在 于： 所述辊体为结构钢，采用42CrMo中碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆 焊成型，厚度hi = 10mm;缓冲层采用市售的高铬高锰焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm;耐磨 层厚度h3 = 20mm，棍面形态为条纹状，条纹高度H = 5mm，条纹宽度M = 15mm，条纹间距L =10mm，高（H)/宽（M) =0.34,耐磨层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型， 按质量百分比计（Wt/% ) :C :3· 2, Cr :20· 5, Ni :2· 2, Nb :1· 2, Mo :1· 5, Si :1· 2, Ti :1· 2, V : 0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
5. 根据权利要求1所述的一种具有多材料耦合结构的耐磨、抗疲劳挤压辊，其特征在 于： 所述辊体为结构钢，采用42CrMo中碳低合金钢锻件；过渡层采用市售的低碳钢焊丝堆 焊成型，厚度hi = 10mm ;缓冲层采用市售的高铬高锰焊丝堆焊成型，厚度h2 = 15mm ;耐磨 层厚度h3 = 15mm，棍面形态为条纹状，条纹高度H = 5mm，条纹宽度M = 10mm，条纹间距L =10mm，高（H)/宽（M) =0.5,耐磨层和形态层采用上述合金成分的药芯焊丝堆焊成型， 按质量百分比计（Wt/% ) :C :3· 2, Cr :20· 5, Ni :2· 2, Nb :1· 2, Mo :1· 5, Si :1· 2, Ti :1· 2, V : 0· 5, Ta :0· 2, Fe :余量。
【文档编号】C22C37/10GK104084258SQ201410331315
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月12日 优先权日:2014年7月12日
【发明者】邱小明, 丁家伟, 任振安, 王明瑜, 邢飞, 魏阿娟 申请人:吉林大学