一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法

摘要

本发明公开了一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法，该方法制备的旋流器钢套内衬复合层由高耐磨柱/带状硬质相和基体金属复合而成，具体方法是将合金粉芯丝材编制成合金粉芯丝/带材骨架，利用高温基体金属钢液的热量，对编制的合金粉芯丝材骨架进行铸渗、烧结或溶化，合金粉芯丝材中的合金元素在高温基体金属钢液热量下进行短程扩散，在原位生成高度弥散的高硬度柱状合金硬质相；室温冷却，制得带有耐磨内衬复合层的旋流器钢套，其综合性能优于合金钢、铸铁、陶瓷和高分子聚合物材料制备的旋流器钢套内衬，可使旋流器满足多种行业工况使用要求。

权利要求

1.一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法，其特征在于，该方法制备的旋流器钢套内衬复合层由高耐磨柱/带状硬质相和基体金属复合而成，该内衬复合层的制备包括下列步骤：步骤一，将合金粉芯丝/带材按照外层钢套的形状编制成合金粉芯丝/带材骨架，并通过绑扎和焊接的方法固定在外层钢套的内表面上，合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合总体积的20％～80％；

步骤二，采用树脂砂按照铸造工艺要求制作外层钢套砂型，并将合金粉芯丝/带材骨架放入外层钢套砂型中；

步骤三，将用冶炼熔化的基体金属钢液浇铸于外层钢套砂型的型腔中，高温基体金属液对合金粉芯丝/带材骨架进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金元素在基体金属液中进行短程扩散，原位形成分布均匀且与基体金属冶金结合的高硬度柱状硬质相；

步骤四，室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，制得带有耐磨内衬复合层的旋流器钢套；

所述的合金粉芯丝/带材截面为圆形或方形或长方形，其中圆形直径范围Φ2mm-Φ10mm，方形截面边长范围2mm-10mm；长方形截面尺寸由丝材压制成相应带材截面形状决定；包裹合金粉末的低碳钢管皮壁厚为0.1mm～1mm，合金粉芯丝材的芯部灌装有合金粉末，粒度为50目～300目；

所述的合金粉末为碳化钨、碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅或氮化钛粉末中的一种或几种混合物，或者为高碳铬铁粉，或者是高碳铬铁粉与钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉的混合物。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基体金属是铸钢或铸铁。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的铸钢是高锰钢、低碳钢或合金钢。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的铸铁是灰口铸铁或球墨铸铁。

说明书

一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旋流器的制备，特别涉及一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法。

背景技术

[0002] 旋流器是在回转流中利用离心力进行分级、分离的设备，其结构参见图3，旋流器至少包括外层钢套3、进料口7、沉砂咀8和溢流管9。旋流器工作过程中，固-液二相流做强烈的旋转运动，在二相流剧烈的冲刷下，旋流器钢套的内壁面极易磨损，从而缩短了旋流器设备的使用寿命，并降低设备的分级、分离效果。因此，多种行业中对旋流器耐磨性能要求都很高。而通常做法是采用耐磨材料制作旋流器钢套的内衬，以提高旋流器的使用性能。常用的内衬材料有高合金钢、铸铁、陶瓷和高分子聚合物等材料。合金钢内衬耐冲刷磨损性能差，使用寿命较短，且成本高。用自蔓延烧结的陶瓷内衬耐磨性好，但由于陶瓷为脆性材料，容易在运输、安装、使用过程中受冲击而发生脆性断裂，导致旋流器整体报废；另外陶瓷内衬高温烧结过程中，外层钢套受热变形较大，使材料内部产生很大应力而产生裂纹；自蔓延工艺条件要求严格，产品质量不稳定，且生产过程产生大量废气，不利于环保。高分子聚合物内衬旋流器，其内衬与钢套内壁结合性能差，内衬易发生剥离、脱落现象，使旋流器发生堵塞而严重影响设备正常工作，导致停工停产。

发明内容

[0003] 针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法，该方法制备的旋流器钢套内衬复合层由高耐磨柱/带状硬质相和基体金属复合而成，其综合性能优于合金钢、铸铁、陶瓷和高分子聚合物材料制备的旋流器钢套内衬，可使旋流器满足多种行业工况使用要求。

[0004] 为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

[0005] 一种旋流器钢套内衬耐磨复合层的制备方法，其特征在于，该方法制备的旋流器钢套内衬复合层由高耐磨柱/带状硬质相和基体金属复合而成，该内衬复合层的制备包括下列步骤：

[0006] 步骤一，将合金粉芯丝/带材按照外层钢套的形状编制成合金粉芯丝/带材骨架，并通过绑扎和焊接的方法固定在外层钢套的内表面上，合金粉芯丝/带材骨架的实际体积占浇铸复合总体积的20％～80％；

[0007] 步骤二，采用树脂砂按照铸造工艺要求制作外层钢套砂型，并将合金粉芯丝/带材骨架放入外层钢套砂型中；

[0008] 步骤三，将用冶炼熔化的基体金属钢液浇铸于外层钢套砂型的型腔中，高温基体金属液对合金粉芯丝/带材骨架进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金元素在基体金属液中进行短程扩散，原位形成分布均匀且与基体金属冶金结合的高硬度柱状硬质相；

[0009] 步骤四，室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，制得带有耐磨内衬复合层的旋流器钢套。

[0010] 采用本发明制备的旋流器钢套内衬耐磨复合层具有以下优点：

[0011] 1、由于采用合金粉芯丝/带材，内部填充合金粉末，在基体金属液的高温作用下，合金粉芯丝/带材中的合金粉末烧结、溶解、扩散，与基体金属液发生冶金化合反应，同时由于合金粉末的吸热作用，降低了局部的温度，缩短了结晶过程，阻碍了合金元素的进一步扩散，从而使合金元素在原位富集，晶粒显著细化，析出大量弥散的高硬度的硬质化合物，凝固后便形成了镶嵌在基体金属中的宏观上呈柱/带状的硬质相，并与基体金属形成良好的冶金过渡结合，界面结合牢固，解决了硬质相脱落、碎裂的难题，使耐磨性与韧性有机统一。

[0012] 2、可根据具体使用工况，调整原生柱/带状硬质相的种类及其在基体金属中的分布和比例，最终得到不同性能组合的旋流器复合耐磨内衬，并且：①合金粉末成分和配比可调；②调整柱/带状硬质点的直径或形状大小，丝/带材尺寸可在毫米级到微米级范围内调整；③由于合金粉芯丝/带材具有良好柔软性，便于机械化编制成各种形式的丝/带材骨架结构，丝/带材均匀分布可控性好。

[0013] 3、由于合金粉芯丝/带材不含粘结剂等杂质，因此不会产生夹渣气孔等缺陷，内部组织性能优良，明显优于一般的粉末冶金方法制备耐磨复合材料的组织结构。

[0014] 4、柱/带状硬质点为整体原位反应生成，相界面达到冶金结合，材料组织致密且无明显缺陷，复合层抗拉强度和抗压强度性能优良。

[0015] 5、内衬耐磨复合层和旋流器钢套内壁结合良好，避免了高分子有机物内衬在工作过程中出现脱落、堵塞现象。

[0016] 6、本方法制备的旋流器钢套内衬耐磨复合层，其成型工艺可控性强、成品率高、生产质量稳定，便于大规模生产。

[0017] 7、采用本方法制备的旋流器钢套内衬耐磨复合层，使旋流器的整体性能优良，显著优于内衬采用高合金钢、铸铁、陶瓷和高分子聚合物等材料制成的耐磨旋流器内衬。

附图说明

[0018] 图1为合金粉芯丝/带材的结构示意图；

[0019] 图2三维骨架编织体的结构示意图；

[0020] 图3本发明制备的柱状硬质相复合内衬耐磨旋流器结构示意图；

[0021] 图4是图3A-A剖视图；

[0022] 图5是图3中I部放大图；

[0023] 图6是图3中II部放大图；

[0024] 图7本发明工艺流程图

[0025] 下面结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

[0026] 参见附图，按照本发明的技术方案，首先制备一定直径和合金粉末配比的合金粉芯丝/带材1(图1)，以一定尺寸和一定比例的合金芯丝/带材1编织成旋流器钢套形状的合金粉芯丝/带材骨架2，并通过绑扎或焊接的方法将合金粉芯丝/带材骨架2固定在外层钢套3的内表面，其中，合金粉芯丝/带材骨架2的实际体积占浇铸复合总体积的20％～80％；

[0027] 采用树脂砂按照铸造工艺要求制作外层钢套砂型，并将合金粉芯丝/带材骨架2放入外层钢套砂型中；可采用离心、挤压或砂型浇铸的方法，将冶炼熔化的基体金属5浇铸于外层钢套砂型的型腔中，利用基体金属5钢液的高温，对合金粉芯丝/带材骨架进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金粉中的金属元素在基体金属钢液中进行扩散，在基体金属中形成分布均匀且实现冶金结合的高硬度柱/带状硬质相，室温冷却，待金属液冷却凝固后，生成的高硬度柱状合金硬质相与基体金属冶金过渡结合融为一体，取出铸件，清砂处理，从而形成以高韧性高强度的金属为基体、内含一定数量、分布均匀且相界面达到冶金结合的旋流器钢套耐磨复合内衬4。

[0028] 合金粉芯丝/带材1的截面可为圆形或方形(圆截面直径范围Φ2mm～Φ10mm，方形截面边长范围2mm-10mm，长方形截面尺寸由丝材压制成相应带材截面形状决定)，包裹合金粉末的低碳钢管皮壁厚为0.1～1mm；芯部为粒度为50～300目的合金粉末。

[0029] 合金粉芯丝/带材1芯部装入的合金粉末由高碳铬铁粉构成，根据需要可添加钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉等合金粉。

[0030] 合金粉末也可以由碳化钨、碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅、氮化钛粉末中的一种或几种构成。

[0031] 基体金属是高锰钢、低碳钢、合金钢、灰口铸铁、球墨铸铁等公知的铸钢或铸铁中的一种。

[0032] 以下是发明人给出的实施例，但本发明并不限于以下实施例。

[0033] 实施例：制备高铬合金为硬质相、A3钢为基体的旋流器钢套内衬耐磨复合层[0034] 1、将合金粉包裹于低碳钢管皮中，形成合金粉芯丝/带材1，选择合金粉芯丝/带材1直径为3mm；装入的合金粉末为高碳铬铁粉，粒度100～150目；将合金粉芯丝/带材编织成三维的合金粉芯丝/带材骨架2；

[0035] 2、将合金粉芯丝/带材骨架2通过绑扎和焊接方式固定在外层钢套3的内壁上；

[0036] 3、采用树脂砂按照铸造工艺要求制作外层钢套砂型，并将合金粉芯丝材骨架2放入外层钢套砂型中待浇铸；

[0037] 4、选用A3钢作为基体金属5，将基体金属5用中频炉冶炼熔化后，达到1600℃出炉，通过砂型铸造的方法，将高温熔融的基体金属5钢液，浇入合金粉芯丝材骨架2中。利用钢液的高温，对合金粉芯丝材骨架2中的合金粉芯丝/带材1进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金粉的金属元素在钢液中进行扩散，在基体金属5中形成分布均匀且实现冶金结合的高硬度柱状硬质相6，从而形成以高韧性高强度的A3钢为基体5、内含一定数量并分布均匀的硬质相6且相界面达到冶金结合的复合耐磨内衬4的旋流器钢套(图5、图6)。

[0038] 5、浇铸完毕后以室温冷却，待铸件冷却至一定温度后取出；对铸件表面进行处理以及必要的机加工，达到尺寸精度要求。

[0039] 将上述处理后的带有复合内衬4的旋流器钢套3通过焊接或螺栓联接等方式与进料口7、沉砂咀8和溢流管9形成整体，从而得到带有原生柱/带状合金硬质相复合耐磨内衬的旋流器。

[0040] 当然，根据实际需要，合金粉末也可以选择高碳铬铁粉与钼铁粉、钨铁粉、硅铁粉、锰铁粉的混合物。

[0041] 按照不同的需求，合金粉末还可以选择碳化硅、碳化钛、氧化铝、氮化硅或氮化钛粉末中的一种或几种混合物。

[0042] 上述实施例中，按照不同的需求，基体金属3还可以选择灰口铸铁或球墨铸铁，均能够制成合格的旋流器钢套内衬耐磨复合层。