一种耐磨复合材料托辊的制备方法

摘要

本发明公开一种耐磨复合材料托辊的制备方法，选择耐磨金属材料和基层金属材料，对两种材料四个边分别切割坡口，再对表面进行处理至结合界面洁净，将两块材料叠置得到复合坯，在首端和尾端的对应位置预留排气槽；对坡口进行打底焊焊接；对复合坯的长边进行焊接，再插入排气管，对短边焊接；按常规加热轧制形成耐磨复合材料；对耐磨复合材料进行制管；对辊身尺寸切割、热处理、辊身端面加工，即得到耐磨复合材料托辊。该耐磨复合材料托辊具有很高的承载负荷性同时工作面又具有较高的抗冲击性和高耐磨性，耐磨面表面硬度达到HRC60且耐磨层不会因受损脱落，因此，该耐磨复合材料托辊在特殊领域可以代替传统托辊应用于各行各业。

权利要求

1.一种耐磨复合材料托辊的制备方法，其特征在于经过下列步骤：（1）选择耐磨金属材料和基层金属材料，对外形尺寸相等的两种材料的四个边分别切割坡口，保证切割后两种材料的坡口角度在组坯时达到90°；

（2）将耐磨金属材料和基层金属材料分别进行表面处理至结合界面洁净，再将两块材料叠置，同时在首端和尾端的对应位置预留排气孔，在排气孔中插入排气管，得到叠置坯；

（3）对叠置坯四周坡口进行下列步骤的打底焊焊接：

31、焊接条件：焊丝为普碳钢焊丝，焊丝使用前和焊接区域内应是干燥、无油、无锈状态；焊接时接线法为直流正接；焊接电压为30±10V，焊接电流为230±70A，焊接速度为0.2~

1.5m/min，CO2气体流量为5~18L/min，层间温度控制在80±40℃；

32、按步骤31的条件进行下列打底焊焊接：

32a、焊接第1道时偏向基层金属材料一侧，第1道焊接完成后快速清理耐磨金属材料侧的飞溅或焊缝的氧化皮或焊渣；

32b、第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧；

32c、第3道在基层金属材料一侧焊接；

32d、第4道焊接在第2与第3道中间；

32e、检查焊缝无裂纹，打底焊焊接完成；

（4）对完成打底焊焊接的长边、短边坡口分别进行下列步骤的焊接：步骤41、长边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；焊剂选择碱性焊剂，焊前焊剂须在200～250℃下烘焙2小时；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

步骤42、按步骤41的焊接条件对长边坡口进行下列满焊：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，以此类推直至焊接完成；

步骤43、短边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；保护气体为CO2；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

步骤44、按步骤43的焊接条件对短边坡口进行下列满焊：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，第3道焊接完成后，后续每一道焊接均从基层金属材料一侧连续堆焊至耐磨金属材料一侧，直至焊满，得到复合坯；

（5）加热、轧制复合坯完成冶金结合后，得到耐磨复合材料；

（6）将耐磨复合材料经下列步骤的球化退火：

步骤61、设备与气氛的选择：将所述耐磨复合材料置于下列条件中：气氛为纯氮气、压力在65～70mbar；

步骤62、升温：炉内气体升温速率为250～300℃/h，升温至700±5℃后保温12h；

步骤63、冷却：随炉冷却至600±10℃，然后吹风冷却，冷却至380±10℃时，喷水冷却，当冷却炉内温度不超过110±10℃时，将耐磨复合材料取出，强风对流冷却至室温，即完成球化退火，之后按托辊直径要求将耐磨复合材料分条剪切成条带；

（7）将条带进行制管、管缝焊接、中频退火、定径轧制后，得管坯；

（8）对管坯进行切割、热处理、端面加工后，即得到耐磨复合材料托辊。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（8）的热处理是经过下列各步骤：

81、将切割好的管坯垂直固定在吊框内准备入炉；

82、当加热炉温度升至800℃时，开始装炉；

83、当炉温升到830℃后保温30min，出炉；

84、为防止温降过快，出炉后用行车牵引吊框快速放入装有淬火油的淬火池内，并保证油面没过辊身顶端，待油面沸腾静止后约5min将吊框吊起沥油、空冷至室温，热处理结束。

说明书

一种耐磨复合材料托辊的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种耐磨复合材料托辊的制备方法。

背景技术

[0002] 托辊是带式输送机及辊道传送的重要组成部分，其质量的优劣直接影响胶带机的使用寿命及生产效率。要生产高质量的耐磨托辊，必须从结构、各零部件材料的选择和制做工艺上严格控制。

[0003] 目前国内在制造传统托辊时，通常用无缝钢管及有缝钢管制成外壳，外壳原材料一般采用Q195、Q215、Q235、Q345、20钢等，现在也有使用PVC管材、橡胶、陶瓷管等做外壳，后几种好处是耐腐蚀、不生锈、密度小，但除陶瓷管外，其余的耐磨性能都比较差，而且承载的负荷都低于钢管，限制了外壳的使用范围，特别是橡胶、陶瓷管等生产成本较高，且陶瓷管耐磨层抗冲击性差，易碎裂脱落.（而材质为Q195、Q215、Q235、Q345、20钢等）这些托辊在轴承失效时，运动方式由滚动摩擦变成了滑动摩擦，辊身极易被皮带磨穿形成快口，从而割伤或割断皮带造成极大的损失。这些托辊因耐磨性较差，在生产中更换频率较高，增加维修成本，影响生产进度，且回收修复利用的价值较低，从而造成很高的生产成本和资源浪费。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种耐磨复合材料托辊的制备方法，该种托辊适应性强，不受工作环境及工况条件影响。

[0005] 本发明通过下列技术方案实现：一种耐磨复合材料托辊的制备方法，其特征在于经过下列步骤：

[0006] （1）选择耐磨金属材料和基层金属材料，对外形尺寸相等的两种材料四个边分别切割坡口，保证切割后两种材料的坡口角度在组坯时达到90°；

[0007] （2）将耐磨金属材料和基层金属材料分别用常规机械方法进行表面处理至结合界面洁净，再将两块材料叠置，同时在首端和尾端的对应位置预留排气孔，在排气孔中插入排气管，得到叠置坯，以保证轧制后材料的结合度，同时也为了避免因结合面不平整形成局部带残留气体的凹陷，从而导致在轧制时因排气不顺畅而产生气泡；

[0008] （3）对叠置坯四周坡口进行打底焊焊接；

[0009] （4）对完成打底焊焊接的长边、短边坡口分别进行焊接至满焊，得到复合坯；

[0010] （5）按常规加热、轧制复合坯完成冶金结合后，得到耐磨复合材料；

[0011] （6）将耐磨复合材料经球化退火后，按托辊直径要求将耐磨复合材料按常规分条剪切成条带；

[0012] （7）将条带进行常规制管、管缝焊接、中频退火、定径轧制后，得管坯；

[0013] （8）对管坯进行切割、热处理、端面加工后，即得到耐磨复合材料托辊。

[0014] 所述步骤（3）的坡口打底焊焊接，经过下列各步骤：

[0015] 31、焊接条件：焊丝为普碳钢焊丝，焊丝使用前和焊接区域内应是干燥、无油、无锈状态，达到消氢处理的作用；焊接时接线法为直流正接，起到对焊件有加热作用；焊接电压为30±10V，焊接电流为230±70A，焊接速度为0.2~1.5m/min，CO2气体流量为5~18L/min；层间温度控制在80±40℃；

[0016] 32、按步骤31的条件进行下列打底焊焊接：

[0017] 32a、焊接第1道时，焊接时偏向基层金属材料一侧，这对下一道偏向耐磨金属材料一侧焊接有一定的预热作用，保证了第2道焊接时，焊缝无裂纹出现，第1道焊接完成后快速清理耐磨钢侧的飞溅和焊缝的氧化皮、焊渣；

[0018] 32b、第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧；

[0019] 32c、第3道在基层金属材料一侧焊接；

[0020] 32d、第4道焊接在第2与第3道中间；

[0021] 32e、检查焊缝无裂纹，打底焊焊接完成。

[0022] 所述步骤（4）的长边、短边坡口焊接至满焊是经过下列各步骤：

[0023] 步骤41、长边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；焊剂选择碱性焊剂，焊前焊剂须在200～250℃下烘焙2小时；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

[0024] 步骤42、按步骤41的焊接条件对长边坡口进行下列满焊：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，以此类推直至焊接完成；

[0025] 步骤43、短边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；保护气体为CO2；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

[0026] 步骤44、按步骤43的焊接条件对短边坡口进行下列满焊：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，第3道焊接完成后，后续每一道焊接均从基层金属材料一侧连续堆焊至耐磨金属材料一侧，直至焊满。

[0027] 所述步骤（6）所得耐磨复合材料的球化退火处理是经过下列各步骤：

[0028] 步骤61、设备与气氛的选择：将所述耐磨复合材料置于下列条件中：气氛为纯氮气、氧气的含量为0%、压力在65～70mbar；

[0029] 步骤62、升温：炉内气体升温速率为250～300℃/h，升温至700±5℃后保温12h；

[0030] 步骤63、冷却：随炉冷却至600±10℃，然后吹风冷却，冷却至380±10℃时，喷水冷却，当冷却炉内温度不超过110±10℃时，将耐磨复合材料取出，强风对流冷却至室温，即完成球化退火。

[0031] 所述步骤（8）的热处理是经过下列各步骤：

[0032] 81、将切割好的管坯垂直固定在吊框内准备入炉；

[0033] 82、当加热炉温度升至800℃时，开始装炉；

[0034] 83、当炉温升到830℃后保温30min，出炉；

[0035] 84、为防止温降过快，出炉后用行车牵引吊框快速放入装有淬火油的淬火池内，并保证油面没过辊身顶端，待油面沸腾静止后约5min将吊框吊起沥油、空冷至室温，热处理结束。

[0036] 为提高轴承使用寿命，所述托辊在使用时采用由下列组分组成的润滑脂：二号锂基脂润滑脂和金属抗磨修复剂，其中金属抗磨修复剂占二号锂基脂润滑脂质量的1%。

[0037] 本发明具备的优点和效果：a、该托辊使用耐磨复合材料做辊身，其表面耐磨性远远优于传统托辊。b、耐磨复合材料退火后力学性能ReH为348MPa，Rm为513MPa，A为32%，内外弯均合格，微观组织均为球团状组织，性能及承载负荷性优于传统托辊。c、为提高轴承使用寿命在润滑脂的选用上做了一定调整，用二号锂基脂润滑脂+1%金属抗磨修复剂，金属抗磨修复剂具有预防磨损，防腐蚀，减磨、抗磨作用，对金属磨损部件有自动修复功能。d、本发明需在切割时预留加工余量，克服了传统技术不留加工余量所导致的加工精度不符合的问题；这是由于热处理后材料会发生一定量的变形，长度会有所变短，不留加工余量会导致加工精度不符合要求；本发明在切割后还进行热处理，能提高辊身表面硬度，避免传统技术不经热处理所导致的硬度低、不耐磨损等问题。

[0038] 本发明所得托辊是一种经热处理后性能能满足使用要求的耐磨复合材料托辊。该耐磨复合材料托辊具有很高的承载负荷性同时工作面又具有较高的抗冲击性和高耐磨性，耐磨面表面硬度达到HRC60且耐磨层不会因受损脱落，因此，该耐磨复合材料托辊在特殊领域可以代替传统托辊应用于各行各业，可广泛应用于冶金、煤炭、水泥、电力、玻璃、矿山、建材、砖瓦等行业，与其他材料相比，有很高的性价比，适用于在冶金行业用带式输送机及工业生产用于辊道传送线。

具体实施方式

[0039] 下面通过实施例对本发明做进一步说明。

[0040] 实施例1

[0041] 生产规格尺寸为：Ф133mm×380mm×4.5mm的耐磨复合材料托辊，其制作方式如下：

[0042] （1）选择耐磨金属材料和基层金属材料，对所需使用的耐磨金属材料进行金相试验，观察上、下表面脱碳层厚度以脱碳层厚度较大的一面作为结合面，脱碳层厚度较小的一面作为非结合面，从而保证最终产品耐磨层的耐磨性能；对外形尺寸相等的两种材料四个边分别切割坡口，切割坡口时必须使火焰切割器火焰焰芯与材料边部成45°夹角进行切割，保证切割后两种材料的坡口角度在组坯时达到90°；

[0043] （2）将耐磨金属材料和基层金属材料分别用常规机械方法进行表面处理至结合界面洁净，再将两块材料叠置，在首端和尾端的对应位置预留排气孔，在排气孔中插入排气管，得到叠置坯，以保证轧制后材料的结合度，同时也为了避免因结合面不平整形成局部凹陷有气体残留在轧制时因排气不顺畅产生气泡；

[0044] （3）对叠置坯四周的坡口进行下列打底焊焊接：

[0045] 31、焊接条件：焊丝为普碳钢焊丝，焊丝使用前和焊接区域内应是干燥、无油、无锈状态，达到消氢处理的作用；焊接时接线法为直流正接，起到对焊件有加热作用；焊接电压为30±10V，焊接电流为230±70A，焊接速度为0.2~1.5m/min，CO2气体流量为5~18L/min；层间温度控制在80±40℃；

[0046] 32、按步骤31的条件进行下列打底焊焊接：

[0047] 32a、焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧，这对下一道偏向耐磨金属材料一侧焊接有一定的预热作用，保证了第2道焊接时焊缝无裂纹出现，第1道焊接完成后快速清理耐磨钢侧的飞溅和焊缝的氧化皮、焊渣；

[0048] 32b、第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧；

[0049] 32c、第3道在基层金属材料一侧焊接；

[0050] 32d、第4道焊接在第2与第3道焊之间进行；焊接过程中遇到排气管时，在其外围焊接；

[0051] 32e、检查焊缝无裂纹，打底焊焊接完成；

[0052] （4）对完成打底焊焊接的长边、短边坡口继续进行下列焊接至满焊：

[0053] 步骤41、长边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；焊剂选择碱性焊剂，焊前焊剂须在200～250℃下烘焙2小时；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

[0054] 步骤42、按步骤41的条件对完成打底焊焊接的长边坡口进行下列焊接：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，以此类推直至焊满长边坡口；

[0055] 步骤43、短边坡口焊接条件：选择焊丝干燥、无油、无锈的普碳钢焊丝作为焊丝；保护气体为CO2；焊接区域内要干燥、无油、无锈；

[0056] 步骤44、按步骤43的焊接条件对短边坡口进行下列满焊：焊接第1道时，偏向基层金属材料一侧；第2道焊接时偏向耐磨金属材料一侧，第3道焊接是在第1、第2道焊之间进行，第3道焊接完成后，后续每一道焊接均从基层金属材料一侧连续堆焊至耐磨金属材料一侧，直至焊满短边坡口；焊接过程中遇到排气管时，在其外围焊接；检漏、抽真空、充氩气、排气管封口、成品检验，得两种不同材料的复合坯；

[0057] （5）按常规在复合坯表面涂装耐高温防氧化涂料，防止复合坯表面氧化形成脱碳层，之后按常规加热、轧制复合坯完成冶金结合后，得到耐磨复合材料；

[0058] （6）为便于后续制管加工需要，所得该耐磨复合材料先进行下列步骤的球化退火处理：

[0059] 步骤61、设备与气氛的选择：将所述耐磨复合材料置于罩式炉中：炉内气氛为纯氮气、氧气的含量为0%、压力在65～70mbar；

[0060] 步骤62、升温：炉内升温速率为250～300℃/h，升温至700±5℃后保温12h；

[0061] 步骤63、冷却：随炉冷却至600±10℃，然后对内罩吹风冷却，冷却至380±10℃时，对内罩喷水冷却，当冷却炉内温度不超过110±10℃时，将耐磨复合材料取出，强风对流冷却至室温，即完成球化退火；

[0062] 步骤64、按托辊直径要求将球化退火处理后的耐磨复合材料进行分条剪切成条带；

[0063] （7）将条带送制管线进行下列步骤的制管：

[0064] 步骤71、将条带经制管生产线弯曲成管，并使耐磨金属材料面朝外，得纵向开口的耐磨复合材料管坯；

[0065] 步骤72、按常规对耐磨复合材料管坯的纵向开口进行高频感应焊接形成管缝；

[0066] 步骤73、经内外刮刀去除焊接后的内外管缝的毛刺；

[0067] 步骤74、经常规中频退火，消除管缝焊接时产生的残留应力，防止焊缝变形、开裂，调整焊缝强度和硬度，提高塑性和韧性；

[0068] 步骤75、冷却至常温；

[0069] 步骤76、对焊缝进行超声波检测；

[0070] 步骤77、经常规定径轧制，在较小的总减径率和小的单机减径率条件下，将管坯轧制成所要求的尺寸、真圆度，并进一步提高管坯外表面质量；

[0071] （8）按所需长度尺寸对管坯进行切割，切割长度为380mm为（+1.5 +2mm）；之后再经~下列热处理，以提高管坯表面硬度：

[0072] 步骤81、将切割的管坯垂直固定在吊框内；

[0073] 步骤82、当加热炉温度升至800℃时，送入炉内；

[0074] 步骤83、当炉温升到830℃并保温30min后，出炉；

[0075] 步骤84、为防止温降过快，出炉后快速放入装有淬火油的淬火池内，并保证油面没过管坯顶端，待油面沸腾静止后5min，提起沥油、空冷至室温；

[0076] 步骤85、对管坯端面进行下列加工：

[0077] 步骤851、将管坯装夹固定在机床上，因淬火后材料硬度较高应选择硬质合金刀具YT5；

[0078] 步骤852、为确保最终尺寸精度先对任意一端面进行加工，第一次加工量相对要小；

[0079] 步骤853、再加工另一端面直至最终尺寸380mm±0.2mm；即得到外层为耐磨金属材料、内层为基层金属材料的耐磨复合材料托辊。

[0080] 将该例所得托辊31支按GB/T10595—2009标准进行旋转阻力、跳动度等检测，其中随机抽取2支按标准要求检测所有项目，如下表所示：

[0081]

[0082] 其余29支托辊按标准检测，正反向旋转阻力均小于3N，跳动度均小于0.5mm。29支检测合格的托辊随机按3# 31#进行编号并测量厚度为4.5mm（外径范围：Ф133.15mm Ф~ ~133.45mm）。分别送到不同的工作环境及工况条件下和试验单位现在使用的型号相同的新托辊进行对比试验，对比用托辊厚度3.2mm（外径范围：Ф132.50mm Ф133.00mm）、对比用托~
辊厚度3.5mm（外径范围：Ф133.50mm Ф133.90mm）。半年后，利用试验单位停机检修时间分~
别对本发明所得耐磨托辊进行数据测量：测量显示试验前后辊外径及厚度无明显变化，全部试验托辊运行正常；试验单位共更换对比托辊16支，厚度3.2mm更换5支，厚度3.5mm更换
11支。剩余运行正常的对比托辊经测量厚度均出现0.1mm 0.3mm减薄现象，个别托辊局部点~
厚度减薄达到1mm。

[0083] 所得托辊在使用时采用由下列组分组成的润滑脂：二号锂基脂润滑脂和金属抗磨修复剂，其中金属抗磨修复剂占二号锂基脂润滑脂质量的1%。