CN101412099A - 一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原生柱状硬质相复合磨球的制备方法，该方法制备的原生柱状硬质合金相复合磨球的表面由高硬度柱状硬质点和高韧性基体金属复合而成，首先粉芯丝材编织成具有一定厚度和直径的球形合金粉芯丝材骨架，放入浇铸型腔中；利用高温钢液/铸铁液进行浇铸，对高合金粉芯丝材进行铸渗、烧结或溶化，在一定温度区间内，合金元素进行扩散，使粉芯丝材原位反应生成高硬度柱状硬质相，并实现硬质相与基体金属两部分的冶金结合，使磨球表面层形成内含一定比例柱状硬质相的耐磨复合材料。本发明具有设备投入小、成本低、操作简单等特点；制备的复合磨球具有高耐磨性、高韧性、高抗拉强度和高抗压强度。

Description

一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于球磨机粉磨设备中的耐磨磨球的制备，特别是一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法。

背景技术

目前，在国内的粉煤、水泥、电力、冶金等行业的球磨机粉磨设备中，磨球的使用量巨大，且材料消耗惊人，给国民经济造成了巨大损失。国内生产的磨球的种类繁多，且使用效果良莠不齐。生产耐磨磨球主要采用的材料是低铬合金、高铬合金等，生产的方法主要有锻造磨球、铸造磨球等。高铬铸造磨球耐磨性能好，但韧性较低易发生脆裂现象，且价格较贵；低铬合金铸造磨球虽然价格较低，但耐磨性能相对于高铬合金铸造磨球。目前，立式磨机在水泥行业的生料和粉煤生产中得到了广泛应用，而空心磨球就是其的关键部位之一。当前，国内生产的空心磨球，常因耐磨性和韧性都难以保证，导致在工作过程中不能正常使用，导致生产企业停工停产，造成巨大经济损失。而进口空心磨球的价格高，订货、交货周期长，给企业增加了很高的生产成本。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法，该方法制备的原生柱状硬质合金相复合磨球，具有高耐磨性、高韧性、高抗拉强度和抗压强度等优点，能取代进口产品，可广泛应用于粉煤、水泥、电力、冶金等行业的粉磨设备中。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法，其特征在于，该方法制备的原生柱状硬质合金相复合磨球的表面由高硬度柱状硬质点和高韧性基体金属复合而成，具体制备包括下列步骤：

步骤一，将合金粉芯丝材按照磨球的形状编制成合金粉芯丝材骨架，并通过绑扎和焊接的方法固定，合金粉芯丝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磨球砂型，并将合金粉芯丝材骨架放入磨球砂型中；

步骤三，将用冶炼熔化的基体金属钢液浇铸于砂型的型腔中，高温基体金属液对合金粉芯丝材骨架进行加热、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，制得原生柱状硬质合金相复合磨球。

采用本发明制备的生柱状硬质合金相复合磨球具有以下优点：

1、由于采用合金粉芯丝材，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状的硬质相，并与基体金属形成良好的冶金结合，界面结合牢固，解决了硬质相脱落、碎裂的难题，实现耐磨性与韧性有机统一，且复合耐磨层抗拉性能和抗压性能良好。

2、合金粉末可根据要求进行配比，成分可调，以适应各种工况要求。

3、由于合金粉芯丝材不含粘结剂等杂质，因此不会产生夹渣气孔等缺陷。

4、柱状硬质相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，避免了复合材料的硬质相在磨损过程中出现开裂和脱落现象。

5、根据使用工况，可调节柱状硬质相在基体中的比例和分布形式。

6、对于恶劣工况条件，可调整柱/带状硬质点的直径或形状大小以及分布形式，将合金粉芯丝材尺寸从毫米级向微米级调整，并提高合金粉目数，可使复合材料性能获得大幅提高；

7、本发明的复合成型工艺可控性强、成品率高、生产质量稳定，便于大规模生产。

8、本发明制备的原生柱状硬质合金相复合磨球具有高耐磨性、高韧性等优点，可广泛应用于粉煤、水泥、电力、冶金等行业的粉磨设备中，能为相关企业带来巨大的经济效益。

附图说明

图1为合金粉芯丝的结构示意图；

图2为三维骨架编织体的结构示意图；

图3是本发明的空心复合磨球的浇铸工艺示意图；

图4是本发明的空心磨球的剖面结构示意图；

图5是本发明的磨球表面复合层的结构示意图；

图6是本发明复合材料的金相组织图。

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

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材1(图1)，按所要制备的磨球大小，以一定尺寸和一定比例的合金芯丝材1编织成一定厚度的球形合金粉芯丝材骨架2(图2)，并通过绑扎和焊接的方法将合金粉芯丝材骨架固定(若制作空心磨球，则将合金粉芯丝材球形骨架套在砂型球芯上，然后固定球形合金粉芯丝材骨架)。合金粉芯丝材骨架的实际体积占浇铸复合总体积的20％～80％；

用树脂砂按照磨球的形状制作砂型4，将合金粉芯丝材骨架2置于砂型4的型腔中，利用挤压铸造或砂型铸造的方法，将冶炼熔化的基体金属液或铸铁液浇入砂型4的型腔中，利用高温对合金粉芯丝材骨架进行加热、烧结、溶渗甚至溶解，合金粉金属元素在金属液中进行短程扩散，在基体中形成分布均匀且与基体实现冶金结合的高硬度柱状硬质相；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，从而在磨球表面层形成以高韧性高强度钢为基体、内含一定数量和分布均匀的高耐磨硬质相，以及基体与硬质相的界面达到冶金结合的复合材料。

合金粉芯丝材1截面可为圆形或方形或长方形(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。

合金粉芯丝材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。

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。

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。

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。

实施例1：

制备高铬合金为硬质相、A3钢为基体的柱状硬质相复合(空心)磨球：

本实施例包括以下步骤：

1、将合金粉包裹于低碳钢管皮中，形成合金粉芯丝材1，选择直径为3mm的合金粉芯丝材1；芯部装入的合金粉末为高碳铬铁粉，粒度100～150目；将合金粉芯丝材编织成一定厚度的三维结构的合金粉芯丝材骨架2；

2、将丝材三维结构合金粉芯丝材骨架2套在砂型球芯3上，通过绑扎和焊接方式将合金粉芯丝材骨架2进行固定；

3、采用树脂砂按照铸造工艺要求制作磨球砂型，并将合金粉芯丝材骨架2放入磨球砂型4中待浇铸；

4、选用A3钢作为基体金属5，通过砂型铸造的方法，将基体金属5用中频炉冶炼熔化后，达到1600℃出炉，浇入磨球砂型4中(图3)。利用基体金属5钢液的高温，对金粉芯丝材骨架2上的合金粉芯丝材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中形成分布均匀且与冶金结合的高硬度柱状硬质相6；

5、浇铸完毕后室温冷却后，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(图4)，从而形成以高韧性高强度的金属为基体、内含一定数量、相分布均匀且相界面达到冶金结合的磨球表面复合层7(图5)。本实施例制备的原生柱状硬质相复合磨球的金相组织图如图6所示。

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。

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。

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，均能够制成合格的原生柱状硬质相复合磨球。

采用本发明制备的耐磨复合磨球的综合性能优良，具有高耐磨性、高韧性、高抗拉强度和高抗压强度等特点，显著优于低铬合金、高铬合金等材料制备的磨机磨球。

Claims (8)

1、一种原生柱状硬质合金相复合磨球的制备方法，其特征在于，该方法制备的原生柱状硬质合金相复合磨球的表面由高硬度柱状硬质点和高韧性基体金属复合而成，具体制备包括下列步骤：

步骤一，将合金粉芯丝材按照磨球的形状编制成合金粉芯丝材骨架，并通过绑扎和焊接的方法固定，合金粉芯丝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磨球砂型，并将合金粉芯丝材骨架放入磨球砂型中；

步骤三，将用冶炼熔化的基体金属钢液浇铸于砂型的型腔中，高温基体金属液对合金粉芯丝材骨架进行加热、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，制得原生柱状硬质合金相复合磨球。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，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。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的合金粉末为高碳铬铁粉，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。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磨球为空心球体或实心球体。

6、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。

7、如权利要求6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。

8、如权利要求6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。

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