本发明涉及一种磨辊的制造/再制造耐磨材料及其制备方法，属于金属材料领域。
背景技术：
粉磨装备是冶金、矿山、水泥、电力、化工、煤炭、建材、陶瓷和耐火材料等行业矿物碎矿和磨矿加工中所广泛使用的重要的大型装备之一，而磨辊与挤压辊是粉磨设备的的关键部件和主要磨损易耗件，我国年消耗量达120多万吨。因此，寻求改进磨辊材质、提高寿命，降低能耗和辊耗成为许多领域科技工作者共同追求的目标，受到世界各国的重视。研发耐磨材料已成为世界各国新材料领域研究发展的重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。
现阶段，中国经济的持续高速发展以及重工业化趋势，使得中国相对缺乏的自然资源正在承受巨大的压力。在此背景下，追求建设减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)和再制造(Remanufacture)的“4R”循环经济发展模式，进而改变长期以来单纯追求规模和速度的发展理念，不仅是一种政策导向，而且正在被越来越多的业界人士所认同。
再制造工程是一个发展迅速的新兴研究领域和新兴产业。我国从1999年开始将再制造工程作为一门学科体系加以全面研究并推广。再制造工程是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品实现再生利用为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，进行修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。简言之，再制造工程是废旧产品高科技维修的产业化。再制造工程的研究对象既可以是整机、系统、设施，也可以是其零部件等。
目前，在磨辊制造/再制造领域，国内一般采用高硬度、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，而且由于焊接过程产生应力和渣点，使焊层出现微裂纹和孔洞，在使用过程中裂纹扩展，当达到一定程度后出现掉块、剥落，使用寿命短，一次使用一般在8000小时左右；且当堆焊耐磨层磨损至5mm左右或出现掉块、剥落现象，需重新进行堆焊修复。修复费用与购价相当，维护费用高等问题，因此，寻找一种更有效的方法提高磨辊的耐磨性和疲劳寿命，是急需解决的技术难题，具有重要的实际意义。
在各种磨损形式中，材料的磨粒磨损占到磨损总量的50％左右，其表现形式为硬颗粒或硬突起物使材料产生迁移而造成的一种磨损，具体表现为塑性材料表面的犁沟、微观切削以及脆性材料断裂。通常认为耐磨材料的组织应当是在软的塑性基体上分布着许多硬颗粒的异质结构，在正常载荷作用下，主要由凸出在摩擦表面的硬质相直接承受载荷，而软相则起着支持硬质相的作用。因此，采用硬质颗粒增强相制备的耐磨复合材料的研发思路一般都是通过提高基体材料的耐磨性和基体材料与颗粒增强相的界面结合强度以期减少颗粒增强相的脱落，从而达到提高材料的耐磨性能。
耐磨复合材料的研发思路较多考虑基体材料和增强相的自身性能。单纯考虑材料自身性能对提高复合材料的耐磨性能是非常有限的。某些生物体材料具有良好的韧性和较高的硬度与耐磨性等综合性能，这是因为它们通过不同的形态、结构、材料和构成等彼此之间的耦合作用，表面具有不同尺度的多级结构。
硼在地壳中的含量约为10ppm，是地壳中最重要的元素之一。而我国是世界上硼资源比较丰富的国家之一，位居世界第4位。随着铬、钼、镍、钨、钒等合金元素在钢铁材料中使用量的不断增加，价格飞速上涨，供应日趋紧张，导致普通钢铁耐磨材料生产成本不断攀升。在普通钢铁材料中，加入适量硼，通过调节合金中硼含量和碳含量可以实现对硼化物体积百分数及基体含碳量的控制，使材料具有优异的耐磨性和强韧性。
技术实现要素：
本发明针对现有磨辊耐磨材料存在的上述不足，提供用于磨辊制造/再制造的一种磨辊的制造/再制造耐磨材料及其制备方法。
本发明所述的一种磨辊的再制造耐磨材料是采用多组元材料组合设计，多尺度耦合磨辊由芯部辊体、基体耐磨层、过渡层和辊面耐磨层耦合而成。
本发明的具体技术方案是：
芯部辊体材料采用具有韧性的42CrMo、37CrMo、35CrMo、40Cr低合金钢，球墨铸铁或者废旧磨辊，在芯部材料外部通过铸造复合一层质量百分数(％)为：C：1.75～3.0，Cr：12.0～18.0，B：0.2～2.0，Mn：0.4～0.8，Si：0.4～1.2，Ni：0.30～0.80，Mg：0.02～0.04，Ce：0.03～0.05，Ti：0.05～0.10，N：0.006～0.015，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高铬铸铁基体耐磨层；采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，硅铁和锰铁加入10分钟后，再加入硼铁；其中铬、硼、锰、硅和钛分别以铬铁、硅铁、锰铁、钛铁和硼铁形式加入，而镁和镍以镁镍合金形式加入，铈以铈基稀土硅铁形式加入，氮以含氮铬铁形式加入；
②炉前调整成分合格后将温度升至1550～1650℃，加入占钢水质量0.1％～0.12％的铝脱氧，随后加入钛铁和镁镍合金2～5分钟后出炉；
③将铈基稀土硅铁、含氮铬铁破碎至粒度为10～12mm的小块，经150～250℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行微合金化处理；
④将具有韧性的42CrMo、37CrMo、35CrMo、40Cr低合金钢，球墨铸铁或者废旧磨辊芯部材料进行表面清理，然后在表面涂覆一层硅质防氧化涂料后，采用加热炉将其加热到650～950℃，然后将其吊出放入铸型中；
⑤钢水温度降至1450～1550℃，直接浇入放置有预热后的辊芯的铸型中，钢水浇注1～10小时后开箱空冷；
⑥高耐磨改性含硼高铬铸铁基体耐磨层材料进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为950～1050℃，保温时间2～6小时，空冷至温度低于200℃进行回火热处理，回火加热温度为400～500℃，回火保温时间4～15小时，炉冷至温度低于200℃后，最后空气冷却至室温；
然后对铸造好的复合磨辊基体耐磨层材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在350℃～400℃之间，过渡层采用市售的低碳钢焊丝、奥氏体不锈钢焊丝，通过堆焊方式将其堆焊到高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层基体上，堆焊层厚度为2～5mm；
在过渡层表面再进行堆焊辊面耐磨形态层材料，辊面耐磨形态层材料采用质量百分数(％)为：C：2.3～3.5，Cr：14.0～26.0，Ni：1.5～2.0，Nb：0.8～2.0，Mo：1.3～2.0，Si：1.2～2.3，Ti：1.0～1.7，V：0.3～1.0，B：0.2～1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量为Fe的药芯焊丝堆焊成型，堆焊层厚度为5～15mm；
堆焊后将多尺度耦合复合磨辊放入温度为200℃的炉内进行1.5～5.0h的保温，再装炉进行退火，退火温度为500～600℃，随炉缓冷至100℃时出炉空冷。
有益效果
本发明利用多尺度耦合技术制造/再制造磨辊，并通过堆焊或者机械加工在磨辊表面形成具有不同形态、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。
基体耐磨层采用高耐磨改性含硼高铬铸铁材料，具有硬度高、韧性好等特点，在实际使用中具有良好的耐磨性和抗热疲劳性能，其使用寿命比Cr15Mo3高铬白口铸铁提高30％～60％，生产成本比Cr15Mo3高铬白口铸铁降低20％，且克服了高铬白口铸铁使用中易剥落和开裂的不足。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明材料的硬度和韧性可以宽幅调整，以满足不同的磨损工况要求，其中硬度达到58～65HRC，冲击韧性达到14～30J/cm2；
2)本发明材料以廉价的铬、硼为主要合金元素，不含价格昂贵的钨、钼、钒、铌等合金元素，镍元素加入量也较少，因此成本低廉，生产成本比市场上常用的Cr15Mo3高铬白口铸铁降低20％。
3)本发明材料铸造、热处理和使用过程中，不会开裂和剥落，克服了高铬白口铸铁使用安全性差的不足。
4)本发明的辊面耐磨形态层堆焊药芯焊丝材料，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、B、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、硼化物和获得更多的金属碳化物、硼化物，改善裂纹的敏感性。
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。可提高设备运转效率，降低工人劳动强度，具有显著的经济和社会效益。可以广泛应用于我国的水泥等粉磨工业中，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。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详述。
实施例1：
芯部材料采用具有韧性的42CrMo低合金钢，在芯部材料外部通过铸造复合一层质量百分数(％)为：C：2.50，Cr：13.0，B：0.80，Mn：0.50，Si：0.60，Ni：0.60，Mg：0.02，Cc：0.03，Ti：0.06，N：0.006，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高铬铸铁基体耐磨层；采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，硅铁和锰铁加入10分钟后，再加入硼铁；其中铬、硼、锰、硅和钛分别以铬铁、硅铁、锰铁、钛铁和硼铁形式加入，而镁和镍以镁镍合金形式加入，铈以铈基稀土硅铁形式加入，氮以含氮铬铁形式加入；
②炉前调整成分合格后将温度升至1580℃，加入占钢水质量0.1％的铝脱氧，随后加入钛铁和镁镍合金3分钟后出炉；
③将铈基稀土硅铁、含氮铬铁破碎至粒度为10～12mm的小块，经200℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行微合金化处理；
④将具有韧性的42CrMo低合金钢磨辊芯部材料进行表面清理，然后在表面涂覆一层硅质防氧化涂料后，采用加热炉将其加热到800℃，然后将其吊出放入铸型中；
⑤钢水温度降至1500℃，直接浇入放置有预热后的辊芯的铸型中，钢水浇注8小时后开箱空冷；
⑥高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层材料进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为980℃，保温时间4小时，空冷至温度低于200℃进行回火热处理，回火加热温度为450℃，回火保温时间8小时，炉冷至温度低于200℃后，最后空气冷却至室温；
然后对铸造好的复合磨辊基体耐磨层材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在350℃，过渡层采用市售的低碳钢焊丝，通过堆焊方式将其堆焊到上述高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层基体上，堆焊层厚度为3mm；
在过渡层表面再进行堆焊辊面耐磨形态层材料，辊面耐磨形态层材料采用质量百分数(％)为：C：2.8，Cr：15.0，Ni：1.5，Nb：0.90，Mo：1.50，Si：1.30，Ti：1.0，V：0.5，B：0.60，S＜0.007，P＜0.015，余量为Fe的药芯焊丝堆焊成型，堆焊层厚度为12mm；
堆焊后将多尺度耦合复合磨辊放入温度为200℃的炉内进行1.5h的保温，再装炉进行退火，退火温度为550℃，随炉缓冷至100℃时出炉空冷。
实施例2
芯部材料采用球墨铸铁，在芯部材料外部通过铸造复合一层质量百分数(％)为：C：3.0，Cr：15.0，B：1.0，Mn：0.60，Si：0.80，Ni：0.70，Mg：0.03，Ce：0.04，Ti：0.090，N：0.010，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层；采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，硅铁和锰铁加入10分钟后，再加入硼铁；其中铬、硼、锰、硅和钛分别以铬铁、硅铁、锰铁、钛铁和硼铁形式加入，而镁和镍以镁镍合金形式加入，铈以铈基稀土硅铁形式加入，氮以含氮铬铁形式加入；
②炉前调整成分合格后将温度升至1600℃，加入占钢水质量0.11％的铝脱氧，随后加入钛铁和镁镍合金5分钟后出炉；
③将铈基稀土硅铁、含氮铬铁破碎至粒度为10～12mm的小块，经230℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行微合金化处理；
④将球墨铸铁磨辊芯部材料进行表面清理，然后在表面涂覆一层硅质防氧化涂料后，采用加热炉将其加热到880℃，然后将其吊出放入铸型中；
⑤钢水温度降至1500℃，直接浇入放置有预热后的辊芯的铸型中，钢水浇注9小时后开箱空冷；
⑥高耐磨改性含硼高铬铸铁基体耐磨层材料进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为1000℃，保温时间5小时，空冷至温度低于200℃进行回火热处理，回火加热温度为480℃，回火保温时间10小时，炉冷至温度低于200℃后，最后空气冷却至室温；
然后对铸造好的复合磨辊基体耐磨层材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在400℃之间，过渡层采用奥氏体不锈钢焊丝通过堆焊方式将其堆焊到高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层基体上，堆焊层厚度为2～5mm；
在过渡层表面再进行堆焊辊面耐磨形态层材料，辊面耐磨形态层材料采用质量百分数(％)为：C：3.0，Cr：18.0，Ni：1.80，Nb：1.30，Mo：1.80，Si：2.0，Ti：1.40，V：1.0，B：1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量为Fe的药芯焊丝堆焊成型，堆焊层厚度为13mm；
堆焊后将多尺度耦合复合磨辊放入温度为200℃的炉内进行3.0h的保温，再装炉进行退火，退火温度为560℃，随炉缓冷至100℃时出炉空冷。
实施例3
芯部材料采用废旧磨辊，在芯部材料外部通过铸造复合一层质量百分数(％)为：C：2.90，Cr：18.0，B：1.80，Mn：0.8，Si：1.2，Ni：0.80，Mg：0.04，Ce：0.05，Ti：0.10，N：0.015，S＜0.04，P＜0.04，余量Fe的高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层；采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：
①将普通废钢和铬铁混合加热熔化，钢水熔清后加入硅铁和锰铁，硅铁和锰铁加入10分钟后，再加入硼铁；其中铬、硼、锰、硅和钛分别以铬铁、硅铁、锰铁、钛铁和硼铁形式加入，而镁和镍以镁镍合金形式加入，铈以铈基稀土硅铁形式加入，氮以含氮铬铁形式加入；
②炉前调整成分合格后将温度升至1650℃，加入占钢水质量0.12％的铝脱氧，随后加入钛铁和镁镍合金5分钟后出炉；
③将铈基稀土硅铁、含氮铬铁破碎至粒度为12mm的小块，经250℃烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行微合金化处理；
④将废旧磨辊芯部材料进行表面清理，然后在表面涂覆一层硅质防氧化涂料后，采用加热炉将其加热到950℃，然后将其吊出放入铸型中；
⑤钢水温度降至1550℃，直接浇入放置有预热后的辊芯的铸型中，钢水浇注10小时后开箱空冷；
⑥高耐磨改性含硼高铬铸铁基体耐磨层材料进行淬火和回火热处理，淬火加热温度为1050℃，保温时间6小时，空冷至温度低于200℃进行回火热处理，回火加热温度为500℃，回火保温时间15小时，炉冷至温度低于200℃后，最后空气冷却至室温；
然后对铸造好的复合磨辊材料进行表面清理、内部探伤及预热，预热温度控制在400℃之间，过渡层采用奥氏体不锈钢焊丝，通过堆焊方式将其堆焊到高耐磨改性含硼高铬铸铁耐磨层基体上，堆焊层厚度为5mm；
在过渡层表面再进行堆焊辊面耐磨形态层材料，辊面耐磨形态层材料采用质量百分数(％)为：C：3.20，Cr：24.0，Ni：2.0，Nb：2.0，Mo：2.0，Si：2.3，Ti：1.6，V：1.0，B：1.5，S＜0.007，P＜0.015，余量为Fe的药芯焊丝堆焊成型，堆焊层厚度为15mm；
堆焊后将多尺度耦合复合磨辊放入温度为200℃的炉内进行4.5h的保温，再装炉进行退火，退火温度为550℃，随炉缓冷至100℃时出炉空冷。