耐磨管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有耐磨涂層的耐磨管及其制備方法，尤其涉及一種具有碳化物涂層的復合耐磨管及其制備方法，具體涉及一種應用于碳鋼表面的碳化物涂層復合耐磨管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在礦山、冶金、電力、煤炭等行業中，物料的遠距離強力輸送非常普遍，尤其是在重介質選煤系統中，由于介質管道輸送的是硬度大、磨損性強的介質懸浮液，對有壓給料的旋流器入料管，除了輸送介質懸浮液以外，還包括煤及矸石。因此，與煤泥水輸送管道相比，介質管道磨損速度很快。特別是有壓管，如旋流器、脫介篩的入料管等。依管道材料和流動方式不同，一般的金屬管材使用壽命大約在幾個月到I年左右。管道的嚴重磨損不僅造成大量的材料浪費和介質的跑、冒、滴、漏，而且頻繁的管道維修更換，增加了工人的勞動強度，加大了生產成本。
[0003]近年來，耐磨技術與耐磨材料的開發飛速發展，耐磨管技術除了在金屬礦山、建筑、電廠等領域應用之外，在重介質選煤領域也得到廣泛推廣。大大延長了重介質管路輸送系統的使用壽命，減少了維修工作量和材料消耗，推動了重介質選煤技術的快速發展。因此，單一材料所制備的耐磨管難以滿足要求，使產品壽命大大降低，嚴重造成浪費。為了提高耐磨管的使用壽命，各國在耐磨管材料的研制、開發方面做了大量工作。目前，常用的耐磨管道主要有鑄石管、陶瓷復合管、超耐磨復合管、合金耐磨管等。由于鑄石管密度高，脆性大，不耐沖擊，易破碎，生產工藝復雜，安裝維修不方便，限制了其進一步的推廣應用；陶瓷復合管所采用的自蔓高溫合成離心機制造，導致其陶瓷層不致密，且與基體結合強度欠佳，嚴重影響使用壽命。
[0004]碳化物材料的涂層是現階段使用較多一種材料，其具有硬度高、耐磨損性能優越的特點，以涂層方式覆蓋在金屬合金基體表面可以提高由基體材料制備的零部件的耐磨性與壽命。碳化物材料具有硬度高、耐磨損性能優越的特點。其中WC是一種常見涂層材料，其有如下特點特性:
[0005](I)碳化鎢具有高強度、高硬度及高模量；
[0006](2) WC韌性好、抗沖擊載荷及抗磨性好，與基體結合具有較好的抗界面腐蝕能力，而且它與鋼鐵潤濕性好，二者之間的潤濕角為零；
[0007](3)其次，我國是鎢的富產國，所以選擇WC作為增強相在技術、經濟和社會效益上都十分合適。
[0008]因此，WC涂層被廣泛地用作無肩冷熱金屬加工工具、切削刀具、各種模具、耐磨耐熱耐蝕零件表面等。
[0009]目前金屬材料表面涂層技術有:激光熔覆法、高溫自蔓延燒結技術、粉末冶金技術、材料氣相沉積技術(包括:化學氣相沉積(CVD)、物理氣相沉積(PVD))等，但這些方法，存在生產設備要求苛刻、生產效率低、涂層結合強度低等不足。
[0010]因此如何在耐磨管工作表面獲得WC相的涂層，并且選擇一種生產設備簡單、工藝流程短的制備方法，獲得與基體結合力好、不易脫落且力學性能、耐磨性能優異的涂層是亟待解決的問題。

【發明內容】

[0011]針對上述現有技術存在的缺陷和不足，本發明的目的在于提供一種復合耐磨管，其工作部位的表面具有一種耐磨涂層，而管體仍為碳鋼基體，該耐磨涂層為WC致密陶瓷層，其化學穩定性和耐磨性好，具有低摩擦系數、高硬度、低表面能以及低傳熱性；并且進一步地，提供一種用于獲得上述復合耐磨管的制備方法。
[0012]進一步地，本發明還提供一種耐磨管，其內腔表面具有一種梯度復合涂層，所述梯度復合涂層為碳化物涂層，其優選被涂覆于耐磨管內腔表面，以提高其表面的耐磨性和斷裂韌性，特別是碳鋼表面，并且提供一種用于獲得上述涂層的制備方法。
[0013]所述耐磨管，在其管體工作部位具有耐磨涂層。該涂層有利保證耐磨管內腔表面具有很高的硬度和很好的耐磨性，而管體內部具有很好的韌性。
[0014]為實現本發明目的，本發明采用了如下技術方案:
[0015]一種表面具有耐磨涂層的耐磨管，該耐磨涂層為WC致密陶瓷層；優選地，WC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0016]更優選地，沿WC致密陶瓷層縱向剖面，粒徑為10-50 μ m，優選為20-50 μ m，沿涂層縱向剖面，其厚度為50-180 μm，優選為100-180 μm ;其中WC的體積分數大于80%，優選大于 85% ο
[0017]此外，本發明還提供一種表面具有梯度復合涂層的耐磨管，所述梯度復合涂層為碳化物涂層，包括依次呈梯度分布的WC致密陶瓷層、微米WC陶瓷層、WC與基體的融合層。
[0018]優選地，WC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0019]更優選地，沿WC致密陶瓷層縱向剖面，粒徑為10-50 μ m，優選為20-50 μ m，沿涂層縱向剖面，其厚度為50-180 μm，優選為100-180 μm ;其中WC的體積分數大于80%，優選大于 85% ο
[0020]進一步優選地，沿微米WC陶瓷層縱向剖面，其厚度為70-180 μ m，優選為130-180 μπι;其中WC的體積分數大于75%，優選大于80%，其粒徑為5_30μπι，優選為6-25 μm0
[0021]更進一步優選地，沿WC與基體的融合層縱向剖面，其厚度為60-300 μ m，優選為100-300 μ m;其中WC的體積分數為40% -80%，優選為60% -80%，其粒徑為1_20μπι，優選為 5-10 μπ?ο
[0022]優選地，梯度復合涂層總厚度為180-660 μ m ;優選在330-660 μ m。
[0023]更優選地，管體基體組織根據熱處理方式不同可分為珠光體、馬氏體、鐵素體、貝氏體、奧氏體和索氏體中的一種或幾種；優選地，該梯度復合涂層被施加于碳鋼表面。
[0024]本發明提供一種表面具有耐磨涂層的耐磨管制備方法，包括如下步驟:
[0025]I)先準備一鎢板，優選地，其中鎢的純度應控制在99.7-99.9%，優選地，所述鎢板厚度為0.2-3mm ;優選地，所述鎢板先被加以表面處理；
[0026]2)按照耐磨管尺寸，制作砂型以及相應的耐磨管砂芯；優選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型和砂芯；
[0027]3)根據耐磨管的工作受力狀況，其主要磨損的部位是耐磨管的內腔表面，據此將石墨紙固定在耐磨管砂芯表面，然后在石墨紙表面固定鎢板，使兩者緊密結合。所述石墨紙為三級以上，純度99%，厚度為0.1-0.35mm；
[0028]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液；優選地，溫度控制在1500°C以上；
[0029]5)將上述鋼液澆入放置鎢板和石墨紙的砂型內，待鋼液冷卻后，取出鑄件，清砂處理，獲得鑄態的復合耐磨管，其管體為碳鋼基體，而耐磨管內腔表面為碳鋼與鎢板的復合體；優選地，澆注溫度控制在1500°C以上；更優選地，澆注時間40-50秒為宜；進一步優選地，一分鐘后，在冒口補澆；優選地，室溫冷卻；
[0030]6)將澆鑄完得到的耐磨管復合體放入具有保護氣氛的保溫爐內保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在耐磨管內腔表面形成耐磨涂層，而管體仍為碳鋼基體。
[0031]其中，耐磨涂層為WC致密陶瓷層。
[0032]優選地，通過控制步驟6)中保溫時間、保溫溫度獲得該WC致密陶瓷層；優選地，WC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，介于多晶相與單晶相之間，相較于多晶相，晶向一致性高、晶界明顯減少，并且原子排列比較有序的顯微組織。
[0033]本發明還提供一種內腔表面具有梯度復合涂層的耐磨管的制備方法，包括如下步驟:
[0034]I)先準備一鎢板，優選地，其中鎢的純度應控制在99.7-99.9%，優選地，所述鎢板厚度為0.2-3mm ;優選地，所述鎢板先被加以表面處理；
[0035]2)按照耐磨管尺寸，制作砂型以及相應的耐磨管砂芯；優選地，用CO2水玻璃硬化砂、覆膜砂、自硬樹脂砂或潮模砂制作砂型和砂芯；
[0036]3)根據耐磨管的工作受力狀況，其主要磨損的部位是耐磨管的內腔表面，據此將石墨紙固定在耐磨管砂芯表面，然后在石墨紙表面固定鎢板，使兩者緊密結合。。
[0037]4)將碳鋼基材冶煉為鋼液；優選地，溫度控制在1610_1630°C ；
[0038]5)將上述鋼液澆入放置鎢板和石墨紙的砂型內，待鋼液冷卻后，取出鑄件，清砂處理，獲得鑄態的復合耐磨管，其管體為碳鋼基體，而耐磨管內腔表面為碳鋼與鎢板的復合體；優選地，澆注溫度控制在1610-1630°C ;更優選地，澆注時間40-50秒為宜；進一步優選地，一分鐘后，在冒口補澆；優選地，室溫冷卻；
[0039]6)將澆鑄完得到的耐磨管復合體放入具有保護氣氛的保溫爐內保溫，最后隨爐冷卻至室溫，從而在耐磨管內腔表面形成梯度復合涂層，而管體仍為碳鋼基體；
[0040]7)所得的具有梯度復合涂層的耐磨管被進一步熱處理以獲得更合適的基體組織。
[0041]優選地，鎢板厚度為0.2-3mm ;若小于0.2mm，則鎢板在澆注復合過程中就已經完全反應，不能獲得WC組織，直接生成彌散分布WC ;超過3mm則導致擴散距離增大，反應動力不足。
[0042]優選地，步驟6)中通過嚴格控制保溫溫度與時間的關系，獲得所述準單晶相WC致密陶瓷層。該陶瓷層呈現出較為明顯的準單晶組織，光學顯微鏡下表現為晶界減少，影響斷裂韌性的位錯也相應減少，代之亞晶界增多，有效提高該陶瓷層的抗裂能力。
[0043]優選地，通過控制步驟6)中保溫時間、保溫溫度獲得該梯度復合涂層即碳化物涂層，所述碳化物涂層包括依次呈梯度分布的準單晶相WC致密陶瓷層、微米WC陶瓷層、WC與基體的融合層。
[0044]更優選地，步驟6)中保溫溫度、保溫時間以及最終能夠獲得的梯度復合涂層的總厚度符合如下公式，
[0045]L = kTlogt1/2+b0
[0046]其中:
[0047]L——梯度復合涂層的總厚度(μ m)，
[0048]k 是常數，取值為0-1，k O,
[0049]T——保溫溫度⑷，
[0050]t 保溫時間(S)，
[0051]b0——初始厚度(μ m)，即鋼液澆注后與鎢板之間形成的復合層的厚度。
[0052]綜上，所述梯度復合涂層，包括WC致密陶瓷層，硬度高。所述WC致密陶瓷層為準單晶相，所述準單晶相是指，原子的排列不像一般單晶那樣具有相同的晶格，但仍具有嚴格的順序