磨辊及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有耐磨涂层的复合磨辊及其制备方法，尤其涉及一种具有耐磨碳化物涂层的复合磨辊及其制备方法，具体涉及一种应用于灰口铸铁表面的耐磨碳化物涂层复合磨辊及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在煤炭、冶金、矿山、电力、建材、耐火材料、能源等行业领域，磨辊作为现代水泥、电力、煤炭、化工等行业广泛应用的一种研磨设备，前期由于受耐磨材料性能的限制，只能用于粉磨软质物体，它运行情况的好坏，一定程度上决定了企业的经济效益。尤其针对火力发电厂的中速磨煤机的磨辊以及立式磨磨辊系统而言，更是如此。目前常用的耐磨保护方法主要是利用耐磨铸造合金制备磨辊。
[0003]为保证磨辊的使用寿命，其耐磨材料要有高的硬度和足够的韧性，材料金相组织应为马氏体加合金碳化物。目前，国外的大型磨辊通常采用镍硬铸铁，硬度在HRC62左右，但镍为稀贵金属，因此我国通常采用经过热处理后的整体高铬合金铸铁以及ZG20SiMn或低合金白口耐磨铸铁:①高碳、低硅、低锰，②冷却速度的控制，要求冷却速度快。经过热处理后的高铬合金铸铁，韧性和耐磨性较高，碳化物以M7C3形式出现，含量可达10%以上，显微硬度 1300-1800HVQ.Q5之间。
[0004]目前国内外生产的磨辊大都是铸造工艺采用金属型模具、离心浇注，浇注方式由静止立型改为旋转卧式，磨辊外层为激冷低合金白口耐磨铸铁，内层为普通灰口铸铁，该激冷型离心浇注工艺有助提高磨辊的表面硬度，有利于提高磨辊的耐磨性。
[0005]通常磨粉系统的磨辊在运行过程中受到冲击载荷作用，而含铬量越多，脆性越大，越容易开裂，堆焊虽然能提高整体高铬合金铸铁的使用寿命，但堆焊设备昂贵，堆焊一次，其寿命增加不大，对于电厂而言，磨辊频繁的更换需要停机，造成了极大的经济损失。因此要求新型材料具有较好的韧性和较高的表面耐磨性，基于现代化高速发展的工业，整体高铬合金铸铁已经逐渐被新兴材料的发展所取缔。
[0006]然而仅仅提高磨辊基体材料的硬度仍然不足以保证其服役的持久性，因此在其工作部位增加涂层是解决该问题既经济又有效的手段。
[0007]现阶段使用较多的为碳化物材料的涂层，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。其中￥(；是一种常见的涂层材料，其有如下特点特性:
[0008](I)具备密度低、强度高、弹性模量高、抗氧化、耐磨、耐腐蚀等优异的物理化学性會K ;
[0009](2)烧结过程中长大倾向小，颗粒一般呈圆形，是一种较为理想的增强材料；
[0010](3)钒资源丰富，容易获得，价格比较低廉，碳化钒在金属基复合材料中获得普遍应用；
[0011](4)具有很高的热稳定性和高硬度的面心立方结构，晶格常数和晶格类型与奥氏体非常接近，这便于更好地与钢铁基体结合；
[0012](5) VCp的标准生成焓Λ G C1值低，其合成反应易于进行；
[0013](6) VCp涂覆的钢铁基复合材料除了硬度高、耐磨性好外，可切削加工、锻造、焊接、热处理强化且变形小，而且具有普通熔炼钢的冷热加工性能。因此，VCp涂层材料被广泛地用作无肩冷热金属加工工具、切削刀具、各种模具、耐磨耐热耐蚀零件的耐磨表面。
[0014]目前制备碳化物涂层的方法有化学气相沉积法、物理气相沉积法、热喷涂方法、热渗镀方法等，但是这些方法，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。
[0015]因此如何在磨辊工作表面获得VCp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】
[0016]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磨辊，其辊身表面具有一种耐磨涂层，而辊芯仍为灰口铸铁基体，该耐磨涂层为V2C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磨辊的制备方法。
[0017]进一步地，本发明还提供一种磨辊，其辊身表面具有一种梯度复合涂层，其优选被涂覆于辊身基体表面，以提高其表面的耐磨性和断裂韧性，特别是灰口铸铁表面，并且提供一种用于获得上述涂层的制备方法。
[0018]所述磨辊，在其辊体表面具有耐磨碳化物涂层。具体辊身直径可为500-13000_，辊身长度可为1000-4000mm。该长度的选择有利保证辊身工作部位的表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而辊身基体部分具有很好的韧性。
[0019]为实现本发明目的，本发明采用了如下技术方案:
[0020]一种辊身表面具有耐磨涂层的磨辊，该耐磨涂层为V2C致密陶瓷层；优选地，V2C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。
[0021]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25 μ m，优选为9_25 μ m，更优选为15-25 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0022]此外，本发明还提供一种辊身表面具有梯度复合涂层的磨辊，所述梯度复合涂层为碳化物涂层，包括依次呈梯度分布的V2C致密陶瓷层、微米V8C7致密陶瓷层、V8C7与基体的融合层。
[0023]优选地，V2C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。
[0024]更优选地，沿V2C致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为7-25 μ m，优选为9_25 μ m，更优选为15-25 μπι ;优选地，其中V2C的体积分数大于80%，优选大于90% ;优选地，V2C晶粒尺寸为 20-50 μ m，优选为 30-50 μ m。
[0025]进一步优选地，沿微米V8C7致密陶瓷层纵向剖面，其厚度为15-90 μπι，优选为40-90 μ m，更优选为70-90 μ m ;优选地，V8C7的体积分数大于70%，优选大于75% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-15 μm，优选为6-15 μm，更优选为8-15 μπι。
[0026]更进一步优选地，沿V8C7与基体的融合层纵向剖面，其厚度为121 μ m-1090 μ m，优选300-1090 μ m ;优选地，其中V8C7的体积分数为20% -85%，优选为50% -85% ;优选地，V8C7的晶粒尺寸为5-20 μ m，优选为10-20 μ m。
[0027]优选地，梯度复合涂层总厚度为143-1205 μ m，优选在400-1200 μ m。
[0028]更优选地，磨辊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灰口铸铁表面。
[0029]本发明提供一种辊身表面具有耐磨涂层的磨辊的制备方法，包括如下步骤:
[0030]I)先准备一钒板，优选的，其中钒的纯度应控制在99.7-99.9%;更优选地，所述钒板的厚度控制在0.2-3mm ;优选地，所述I凡板先被加以表面处理；
[0031]2)根据磨辊的工作受力状况，其主要磨损的部位是辊身表面，据此在管模内壁固定外部碳源，然后将步骤I)中的钒板按照管模内壁尺寸进行卷绕，使其与外部碳源紧密结合；优选地，在离心机的奥氏体不锈钢管模内壁固定外部碳源；
[0032]3)将灰口铸铁基材冶炼为铁液；优选地，温度控制在1350_1450°C ；
[0033]4)将上述铁液浇铸到上述放置有钒板和外部碳源的管模内，待铁液冷却后拔出，得到铸态的复合磨辊，其辊身表面为灰口铸铁与钒板的复合体，而辊芯仍为灰口铸铁基体；优选地，将上述铁液通过离心铸造浇铸到上述放置有钒板和外部碳源的离心机管模内；更优选地，浇铸温度控制在1350-1450°C，浇铸时间为10-60秒为宜；进一步优选地，离心机转速为500-600rpm ;优选地，待铁液冷却2_3min后拔出；
[0034]5)将拔出的铸态复合磨辊转移到具有保护气氛的热处理炉内进行保温，最后随炉冷却至室温，从而在辊身表面形成耐磨涂层，而辊芯仍为灰口铸铁基体。
[0035]其中，耐磨涂层为V2C致密陶瓷层。
[0036]优选地，通过控制步骤5)中保温时间、保温温度获得该V2C致密陶瓷层；优选地，V2C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