CN101417333A

CN101417333A - 一种原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法

Info

Publication number: CN101417333A
Application number: CNA2008102325642A
Authority: CN
Inventors: 许云华; 彭建洪; 刘文刚; 岑启宏; 武宏; 牛立斌; 付永红
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2008-12-03
Filing date: 2008-12-03
Publication date: 2009-04-29

Abstract

本发明公开了一种原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法，这种复合叶轮的复合材质由高硬度柱状硬质相和韧性金属基体复合而成。它是由前盖板、后盖板、叶片和轴箍组成。轴箍上固定的前盖板、后盖板、叶片是由合金粉芯丝/带材紧密编织骨架与韧性金属基体复合而成。本发明特点是：柱/带状硬质相为高温下原位反应生成；柱/带状硬质相中的合金元素与基体组织进行短程扩散，形成冶金结合界面；可根据使用工矿，柱/带状硬质相在基体中的比例可调，由于骨架编织可控，所以复合层中硬质相可达到均匀分布；具有设备投入少、成本低、操作简单等特点；具有高耐磨性和韧性，综合使用性能明显优于高合金钢、铸铁、陶瓷及聚氨酯有机体等材料制成的叶轮。

Description

一种原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法

技术领域

本发明属于矿浆、泥浆、煤粉、石油等的物料输送领域的送物料机械设备的叶轮部件的制备，特别涉及一种原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法。

背景技术

煤炭、冶金、矿山、电力等工业行业广泛应用浆泵、粉煤泵等来输送矿浆、泥浆、粉煤等，而且用量巨大。传统的叶轮的制造通常采用高合金钢、铸铁、陶瓷及聚氨酯有机体等材料制作，由于叶轮在泵高速运转中受到物料的强烈冲刷作用而磨损严重，而且多数工况都存在腐蚀环境，从而加大了材料的损耗。叶轮存在的严重磨损和腐蚀，破坏了叶轮的平稳性，产生强烈振动和噪声，降低了泵的物料输送效率，甚至使整个物料输送系统由于压力不够而不能正常工作，给用户带来了巨大的备件费用和检修费用。因此，多种工况下都对叶轮的耐磨性和耐蚀性提出了较高要求。目前，制作叶轮的材料有高合金、铸铁、陶瓷及聚氨酯有机体等材料。高合金叶轮耐磨性一般，抗腐蚀性较差，且成本较高，其使用寿命短，通常为2-4个月；高铬铸铁材料虽耐磨性能，但难以进行机械加工；陶瓷叶轮耐磨性能好，但容易在运输、安装和使用过程中受到冲击而发生脆裂而报废，并且生产工艺要求高，产品质量不稳定且成品率低，所以很少有实际应用。聚氨酯叶轮由于重量轻、成型好，耐磨性和耐腐蚀性较高而在近年来有所应用，但使用中发现，聚氨酯叶轮在输送细颗粒的物料时，使用效果较好，当物料中存在对大颗粒尖锐棱角的颗粒时，由于叶轮的高速运转，将受到高应力冲击，导致叶轮被撕裂破坏。因此单一材料无法满足对叶轮强度、韧性、耐磨性、易加工性等多方面的性能要求，必须开发出新型的复合材料来生产叶轮，以满足各行业对叶轮的生产实际需要。

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/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法，该方法明制备的原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮，其综合性能显著优于高合金、铸铁、陶瓷及聚氨酯有机体等材料制成的叶轮，其规模化推广将显著提高行业相关企业的经济效益。

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/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法，其特征在于，制得的该原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的前盖板、后盖板和叶片的表面为复合材料，所述的复合材料为高硬度柱/带状硬质相和高韧性基体金属冶金结合而成，具体制备至少包括下列步骤：

步骤一，用合金粉芯丝/带材按照叶轮的前盖板、后盖板和叶片形状编织成前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架；

步骤二，采用树脂砂按照铸造工艺要求制作前盖板、后盖板和叶片铸型；

步骤三，将前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架放置在铸型的型腔中，合金粉芯丝/带材骨架5的实际体积占表面复合层总体积的20％～80％；

步骤四，将冶炼熔化的高温基体金属钢液浇入到铸型的型腔内，利用高温基体金属钢液的热量，对编制前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架进行铸渗、烧结或溶化，合合金粉芯丝/带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；

步骤五，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，制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的前盖板、后盖板和叶片；

步骤六，对前盖板、后盖板和叶片进行机加工，达到规定尺寸精度要求；

步骤七，机加工完成后，将前盖板、后盖板和叶片通过焊接或连接到叶轮的轴箍上，形成高耐磨的原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮。

本发明的方法制成的原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮具有以下优点：

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，耐磨性与韧性有机统一，且复合体的抗拉性能和抗压性能好。本法制备的高耐磨原生柱/带状硬质相复合叶轮的整体性能优良，显著优于高合金钢、铸铁、陶瓷及聚氨酯有机体等材料制成的各种叶轮。

2、合金粉末可根据工件的使用要求进行配比，成分可调，适应性广。

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硬质合金叶轮的组织结构。

4、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。

5、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。

6、可根据使用工矿，柱/带状硬质点在基体中的比例可调，并分布均匀；

7、根据具体使用要求，可调整柱/带状硬质点的直径或形状大小以及分布形式，丝/带材尺寸可从毫米级向微米级调整，以进一步提高复合材料的耐磨性能；

9、本方法制备的耐磨复合叶轮具有高耐磨和韧性，使用寿命可为铸铁叶轮的10倍以上，能为行业相关企业带来良好的经济效益。

附图说明

图1为合金粉芯丝材的结构示意图；

图2是柱状硬质相复合前盖板、后盖板和叶片的制备工艺示意图；

图3为本实施例制作的复合叶轮机构示意图；

图4为图3的A-A剖面示意图；

图5为耐磨复合材料的结构示意图；

图6耐磨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3，合金粉芯丝材3的制备是，将合金粉末1包裹于低碳钢管皮2中，形成合金粉芯丝材3；也可以将合金粉芯丝材3制成压制带材使用。本实施例选用截面尺寸为Φ3mm的合金粉芯丝/和或带材，按照叶轮的前盖板、后盖板和叶片形状编织成前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架4；并采用树脂砂按照铸造工艺要求制作前盖板、后盖板和叶片铸型5；将前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架4放置在铸型5的型腔中，合金粉芯丝/带材骨架5的实际体积占表面复合层总体积的20％～80％；将冶炼熔化的基体金属8的高温钢液浇入到铸型5的型腔内，利用高温基体金属钢液的热量，对编制前盖板、后盖板和叶片的合金粉芯丝/带材骨架4进行铸渗、烧结或溶化，合合金粉芯丝/带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，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，制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的前盖板、后盖板和叶片。对前盖板、后盖板和叶片进行机加工，达到规定尺寸精度要求后，通过焊接或连接到叶轮的轴箍上，形成高耐磨的原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮。

合金粉芯丝/带材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0.1mm～1mm；芯部为粒度为50～300目的合金粉末。

上述合金粉芯丝/带材芯部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。

上述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。

上述基体金属是高锰钢、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：制备高铬合金为硬质相、A3钢为基体的高耐磨柱状硬质相复合叶轮

1、取合金粉1包裹于低碳钢管皮2中，形成合金粉芯丝材3(图1)；合金粉芯丝材3也可以制成压制带材使用，合金粉芯丝/和或带材截面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1的低碳钢管2皮壁厚为0.1mm～1mm；合金粉芯丝/带材3的芯部灌装有合金粉末，粒度为50～300目；合金粉芯丝材3具有良好柔软度，可机械化编制成各种形状的骨架结构。选用直径为3mm的合金粉芯丝材/和或带材，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叶轮的前盖板5、后盖板6和叶片7形状的合金粉芯丝/带材骨架4；

2、采用树脂砂按照铸造工艺要求制作前盖板5、后盖板6和叶片7的铸型5；

3、将前盖板5、后盖板6和叶片7的合金粉芯丝/带材骨架4放置在铸型5腔中；

4、选用A3钢作为基体金属8，用中频炉冶炼熔化后，达到1600℃出炉，将钢液从浇道9浇入铸型5的型腔内，注满为止；

5、室温冷却，待金属液冷却凝固后，取出铸件，清砂处理，即制成高铬合金为柱状硬质相10、A3钢为基体金属(8)的前盖板、后盖板和叶片；

6、对前盖板、后盖板和叶片进行机加工，达到规定尺寸精度要求；

7、机加工完成后，将前盖板、后盖板和叶片通过焊接或连接到叶轮的轴箍上，形成高耐磨的原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮。

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，均能够制成合格的复合耐磨叶轮。

Claims

1、一种原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的制备方法，其特征在于，制得的该原生柱/带状硬质相复合耐磨叶轮的前盖板、后盖板和叶片的表面为复合材料，所述的复合材料为高硬度柱/带状硬质相和高韧性基体金属冶金结合而成，具体制备至少包括下列步骤：

步骤五，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，即制得以高韧性高强度的金属为基体、内含冶金结合的高硬度柱/带状合金硬质相的前盖板、后盖板和叶片；

步骤六，将前盖板、后盖板和叶片进行机加工，达到规定尺寸精度要求；

步骤七，机加工完成后，将前盖板、后盖板和叶片通过焊接或连接到叶轮的轴箍上，形成高耐磨的原生柱/带状硬质相复合叶轮。

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，所述的基体金属是铸钢或铸铁。

6、如权利要求5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。

7、如权利要求5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。