高耐磨分级轮及其制造方法与流程

1.本发明涉及气流分级装置技术领域，具体涉及高耐磨分级轮及其制造方法。


背景技术：

2.空气分级磨装置广泛应用于冶金、建材、化工、矿山、电池、食品、生物医药等领域内，空气分级磨装置能够将固体物料通过内部粉碎装置粉碎成微粉颗粒，然后再经过内部的分级轮筛选出符合粒度要求的颗粒，并通过分级轮内部通道传送到设备出料口；大量的微粉颗粒通过分级轮时跟分级轮叶片发生碰撞,长时间的连续碰撞会对叶轮造成严重磨损。因此如何提高分级轮使用寿命，对设备的整体性能具有重要意义。
3.现有技术中公开了一个cn201910331388.6的专利，,该方案的分级轮为一体式全封闭圆柱形筒状结构，采用氮化硅陶瓷材释制成，且具有硬度强、不与粉料反应、分级细度高等优点。
4.但是一体化全陶瓷受制于加工条件，目前市面上绝大部分制作商只能制作直径760mm以下的全陶瓷分级轮，个别制作商能制作大直径全陶瓷分级轮，但价格极高，对空气分级磨装置来说性价比极低；而且整体陶瓷分级轮磨损后不能修复。
5.粉体行业内还有一种常用分级轮表面处理方法，即利用热喷涂工艺对分级轮表面喷涂碳化钨涂层。但现有的碳化钨涂层制备方法存在形成的碳化钨涂层孔隙率过高的问题，而且如果靶材温度控制不当会影响材料融合、化学反应的进行，造成耐磨程度降低,甚至出现表层裂纹、脱落现象。
6.进一步的,因热喷涂工艺有温度要求,所以对于喷涂的基体的耐温程度有相应的要求,从而对基体材料的选择范围大大减小。目前行业内需要增加耐磨涂层的分级轮的基体材质基本上都是碳钢，因为碳钢成本相对较低，机械加工性能好，而且现有的喷涂技术，需要将融化的材料喷涂到基体上，所以要求基体耐温高。铝合金耐温达不到要求，但是碳钢的重量较大，尤其对于水平式安装的分级轮来说，轴承使用寿命大幅缩减，需要经常拆换轴承，浪费人工、延误生产的同时，频繁的拆装会造成部件不同程度的损伤,降低部件使用寿命。
7.综上所述，现有装置随着使用，也逐渐暴露出了该技术的不足之处，主要表现在以下方面：
8.第一，现有的分级轮大多为陶瓷、氧化锆特殊材质，受材质、工艺限制无法做到大直径，且价格昂贵，磨损后无法修复。
9.第二，现有利用热喷涂工艺对分级轮表面喷涂碳化钨涂层，但现有的碳化钨涂层制备方法存在形成的碳化钨涂层孔隙率过高的问题，而且如果靶材温度控制不当会影响材料融合、化学反应的进行，造成耐磨程度降低,甚至出现表层裂纹、脱落现象。
10.第三，而且现有的喷涂技术，需要将融化的材料喷涂到基体上，所以要求基体耐温高，由于碳钢成本相对较低，机械加工性能好，所以用于当做基体使用，但是碳钢的重量较大，尤其对于水平式安装的分级轮来说，轴承使用寿命大幅缩减，需经常装拆维护。
11.综上可知，现有技术在实际使用上显然存在不便与缺陷，所以有必要加以改进。


技术实现要素：

12.针对现有技术中的缺陷，本发明解决了传统技术中的装置在使用过程中，受限于特殊材料的限制无法低成本的加工大直径分级轮；基体喷涂时形成的碳化钨涂层孔隙率过高；以及基体的重量大，影响轴承寿命造成频繁维护的问题。
13.为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
14.高耐磨分级轮，包括基体，所述基体向外依次设有中间层、靶材层以及外涂层。
15.作为一种优化的方案，所述基体材料采用铝合金或者钛合金中的一种。
16.作为一种优化的方案，所述中间层包括由内向外依次设置的al2o3层以及al层。
17.作为一种优化的方案，所述靶材层包括由多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti组成的板材。
18.作为一种优化的方案，所述外涂层包括镀膜层。
19.本发明同时公开高耐磨分级轮的制造方法，包括以下步骤：
20.s1：基体成型；
21.s2：基体预处理；
22.s3：中间层处理；
23.s4：外涂层靶材制备；
24.s5：外涂层制作。
25.作为一种优化的方案，还包括修复步骤，修复步骤包括对磨损处进行清洗处理，然后从所述中间层处理依序进行。
26.作为一种优化的方案，所述基体成型包括选择基体材料，利用焊接工艺焊接成型。
27.作为一种优化的方案，所述基体预处理包括对焊接成型后的基体外表面进行喷砂处理。
28.作为一种优化的方案，所述喷砂处理完成后，在去离子水中进行超声清洗，然后在热风条件下烘干,再经丙酮超声清洗,在进行热风烘干。
29.作为一种优化的方案，所述中间层处理包括利用采用射频磁控溅射工艺,在氧气和氩气的混合气氛环境下,先在所述基体预处理后得到的基体表面沉积al2o3层,然后在氩气气氛环境下,继续在所述al2o3层上沉积al层。
30.作为一种优化的方案，所述外涂层靶材制备包括将所述多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti磨粉后经hno3改性处理制成板材形状。
31.作为一种优化的方案，所述外涂层制作包括采用射频磁控溅射工艺,在氧气和氩气的混合气氛环境下,轰击外涂层靶材获得镀膜层。
32.作为一种优化的方案，将成型后基体外表面进行喷砂处理,表面清洁度达到国家标准gb8923中规定的“sa3.0”级，露出基体本质光泽，表面粗糙度达到国家标准gb11373中规定的rz50-90μm。
33.作为一种优化的方案，所述成型基体喷砂完成后4h内,先在去离子水中进行超声清洗，在风速为4-6m/s的40-60℃热风条件下烘干1-2h,再经丙酮超声清洗,在50-80℃条件下烘干1.5-2.5小时。
34.作为一种优化的方案，所述al2o3层厚度为60-120um，所述中间层总厚度为100-200um。
35.作为一种优化的方案，所述射频磁控溅射工艺功率为500-600w；通入氧气与氩气体积比为1:2-3；脉冲负偏压为-100v～-120v。
36.作为一种优化的方案，重量百分比为：多壁碳纳米管16-20％、金刚石10-12％、wc33-40％、ti41-48％。
37.作为一种优化的方案，所述多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti磨粉后的粒径1-5μm,按重量百分比混合均匀后制作成板材形状。
38.作为一种优化的方案，所述镀膜厚度为200-300um。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.本发明的空气分级磨,通过对分级轮外表喷涂特制的耐磨涂层,大大提升了设备的使用寿命,相对于现有的喷涂碳化钨孔隙率在5％-30％之间，本发明＜1％；孔隙率是原先的1/5-1/10，硬度提升30％-50％，耐磨程度提高1.5倍；
41.分级轮的基体材料可使用铝合金或钛合金等轻型材料，能降低现有分级轮重量的30-60％，因为分级轮是旋转件，需要以轴承为支撑，轴承对本设备来说是易损件，重量轻，轴承受力小，使用寿命就长，从而提高转子轴承理论寿命3.3倍以上；
42.al2o3层：一、属于惰性材料，对基体起到防护作用；二、本身的结构特性使其具有具有较强的粘结能力；
43.al层：一是作为过渡层加强外涂层的结合度；二是部分al会与外涂层材料发生反应，形成altin等高硬度物质，提供外涂层硬度及耐磨度；
44.分级轮的基体材质选择范围更加广泛，因为工艺条件的改变，降低了基体耐温要求，从扩大了基体材料的选择，有利于提高分级轮的整体设计寿命,从而提高整体设备的使用寿命；
45.本发明中耐磨涂层的制备，本发明分级轮使用过程中如部分涂层受损，可重新对受损部位喷涂修复，无需整体更换；克服目前大直径全陶瓷分级轮制造受限，价格昂贵,且磨损后不能修复的问题，大幅缩减了产品的成本价格及后续的运行维护成本。
附图说明
46.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
47.图1为本发明的结构示意图。
48.图中：1-基体；2-al2o3层；3-al层；4-靶材层；5-镀膜层。
具体实施方式
49.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
50.如图1所示，高耐磨分级轮，包括基体，基体向外依次设有中间层、靶材层以及外涂
层。
51.基体材料采用铝合金或者钛合金中的一种。
52.铝合金比钢材质量轻，能延长分级轮轴承寿命，从而延长整个设备寿命，铝合金跟中间层成分相近，更容易形成结合紧密的中间层。
53.钛合金优点：质量轻，强度更高，即便耐磨层被磨损后，自身仍然具有相对高的耐磨性。
54.中间层包括由内向外依次设置的al2o3层以及al层。
55.al2o3层：一、属于惰性材料，对基体起到防护作用；二、本身的结构特性使其具有具有较强的粘结能力。
56.al层：一是作为过渡层加强外涂层的结合度；二是部分al会与外涂层材料发生反应，形成altin等高硬度物质，提供外涂层硬度及耐磨度。
57.靶材层包括由多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti组成的板材。
58.外涂层包括镀膜层。
59.本发明同时公开高耐磨分级轮的制造方法，包括以下步骤：
60.s1：基体成型；
61.s2：基体预处理；
62.s3：中间层处理；
63.s4：外涂层靶材制备；
64.s5：外涂层制作。
65.还包括修复步骤，修复步骤对磨损处进行清洗后，从中间层处理依序进行。
66.基体成型包括选择基体材料，利用焊接工艺焊接成型。
67.基体预处理包括对焊接成型后的基体外表面进行喷砂处理。
68.喷砂处理完成后，在去离子水中进行超声清洗，然后在热风条件下烘干,再经丙酮超声清洗,在进行热风烘干。
69.喷砂处理表面粗擦度、油污等，增加后续涂层跟基体的结合度，超声清洗进一步去表面颗粒物，丙酮清洗进一步去油污。
70.快速干燥表面，防止生锈或者粉尘因表面湿润而重新附着于基体表面。
71.中间层处理包括利用采用射频磁控溅射工艺,在氧气和氩气的混合气氛环境下,先在基体预处理后得到的基体表面沉积al2o3层,然后在氩气气氛环境下,继续在al2o3层上沉积al层。
72.外涂层靶材制备包括将多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti磨粉后经hno3改性处理制成板材形状。
73.经hno3改性目的是提高纳米管的吸附率，从而使涂层更加致密，孔隙率降低。
74.外涂层制作包括采用射频磁控溅射工艺,在氧气和氩气的混合气氛环境下,轰击外涂层靶材获得镀膜层。
75.将成型后基体外表面进行喷砂处理,表面清洁度达到国家标准gb8923中规定的“sa3.0”级，露出基体本质光泽，表面粗糙度达到国家标准gb11373中规定的rz50-90μm。
76.成型基体喷砂完成后4h内,先在去离子水中进行超声清洗，在风速为4-6m/s的40-60℃热风条件下烘干1-2h,再经丙酮超声清洗,在50-80℃条件下烘干1.5-2.5小时。
77.al2o3层厚度为60-120um，中间层总厚度为100-200um，太薄上述涂层效果会降低，太厚成本增加。
78.射频磁控溅射工艺功率为500-600w；通入氧气与氩气体积比为1:2-3；脉冲负偏压为-100v～-120v。
79.重量百分比为：多壁碳纳米管16-20％.金刚石10-12％、wc33-40％、ti41-48％，好的促进外涂层制作时各材料之间的反应，以更好的形成高硬度涂层。
80.多壁碳纳米管、金刚石、wc以及ti磨粉后的粒径1-5μm,按重量百分比混合均匀后制作成板材形状。
81.镀膜厚度为200-300um。
82.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。