CN101537483B - 预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法，制得的复合耐磨衬板是由含有硬质相的骨架增强体与基体金属复合而成，方法采用内装硬质材料的管丝制成骨架预制体，进行真空高温冶金烧结，形成含有硬质相的骨架增强体，再将其与基体金属浇铸复合成型，形成由含有硬质相的骨架增强体与基体金属复合而成的衬板。由于骨架增强体经过了真空高温冶炼烧结，形成了充分的冶金组织结构，且排列有序，均匀分布，性能稳定，整体性强，与基体金属复合仍能保持完整的骨架结构，既发挥了骨架增强体中硬质相的高耐磨性，又保留了基体金属的良好韧性，可进行局部复合、梯度复合或整体复合，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

Description

预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法

技术领域

本发明涉及粉碎、研磨、输送等领域广泛使用的耐磨衬板的制备，特别涉及一种预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法。

背景技术

在冶金、矿山、电力、建材等工业行业中，物料的破碎、研磨、输送等，都要使用大量的衬板，衬板承受着不同程度的冲刷和磨损，更换频繁，耗费极大，是主要的易损件。目前各行业所用的衬板材质主要有高锰钢、多元低合金钢、铬系白口铸铁等几种单一金属材料。高锰钢只有在高负荷、高冲击应力下，实现奥氏体向马氏体的固态相变而加工硬化，才能充分发挥其耐磨性，且屈服强度低，易产生塑性流变；多元低合金钢的基体组织硬度在HV500-1000范围内变化，较渗碳体和特殊碳化物的硬度低，不能抵抗磨料的压入和划动，在使用过程中表面产生大量的切削和塑变低周疲劳，故抗磨料磨损性能较差；铬系白口铸铁虽然耐磨、耐热、耐蚀性能好，但其韧性差容易断裂，使用受到限制。针对衬板磨损的具体工况，国内外许多学者研制开发出多种新型耐磨材料，主要有改性高锰钢、中锰钢、超高锰钢系列，高、中、低碳耐磨合金钢系列，锰系、硼系抗磨白口铸铁及马氏体、贝氏体抗磨球墨铸铁等衬板材质，但由于单一材质在强度、硬度、塑韧性等方面机械力学性能不可兼顾或对服役工况存在特殊要求，使用寿命仍然很短，很难满足各种工况的要求。应用复合技术，将硬质材料与高韧性材料相结合，形成性能优势互补、综合性能良好的复合衬板，成为主要的研究方向。目前常用的复合制备工艺有双液浇注、铸渗颗粒复合、堆焊等。双液浇注工艺较为复杂，浇注过程中必须使用高温保护剂，结合部位容易产生气孔、夹渣，影响整体性能，复合质量不稳定；铸渗颗粒复合由于采用粘结剂成型，复合层内易产生气孔和夹渣等缺陷，同时硬质颗粒在基体中的分布均匀性难以保证，效果不理想；堆焊易产生裂纹，耐磨层容易剥落开裂，适用范围也有限。其它的制造技术如镶铸，由于存在界面结合强度偏低，硬质相容易脱落等问题，会导致早期失效。也有人采用金属丝网作为预制体，与其它非金属材料经高压填实制备衬板，由于需要高压设备和专用模具，制备工艺要求很高，异质材料很难有效结合，综合性能较差，实际使用不太理想。已公开的申请专利“一种复合耐磨衬板的制备方法”，申请号：200810232316.8，采用了合金粉芯棒材作为预制体，将基体金属熔化后浇注复合制备衬板，该方法主要利用高温金属液的热量来熔化溶解合金粉芯棒材，使其原位反应生成棒状硬质相，但在实际制备时，由于温差的作用，合金元素的反应很难控制，温度高的部位合金元素完全溶解扩散，会全部溶入到基体金属中，导致基体金属变质，无法保证原有性能，达不到材料复合的效果；而温度低的部位，合金元素反应不完全，仅起到烧结的作用，无法形成完整的冶金结构，起不到增强的效果；同时合金粉芯棒材在高温下容易软化变形，破坏了预制体的有序排列，难以保证复合的均匀性；另外由于没有采用预热措施，合金粉芯棒材的制冷作用很容易导致金属液过早冷却，形成浇不足、冷隔、缩孔等铸造缺陷，使用性能受到很大局限。

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能够满足冲蚀磨损工况下使用的高性能预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法。该方法采用内装硬质材料的管丝制成预制骨架体，进行真空冶金烧结，在高温下管丝和内部的硬质材料熔化溶解，形成充分的冶金组织结构，并生成大量的硬质相，然后冷却使其原位凝固形成完整的骨架增强体，再将其与基体金属浇铸复合形成一体，制备出由含有硬质相的骨架增强体与基体金属组成的复合耐磨衬板。该方法制备的骨架增强体由于经过真空高温冶炼烧结，形成了充分的冶金组织结构，性能稳定，具有良好的强度和刚度，整体性强，与基体金属复合仍能保持完整的骨架结构，且排列有序，分布均匀，可达到最佳的复合效果；硬质相的种类和含量可自由调控，并达到局部复合、梯度复合或整体复合，从而达到最佳的使用性能；衬板由含有硬质相的骨架增强体和基体金属组成，既发挥了骨架增强体中硬质相的高耐磨性，又保留了基体金属的良好韧性，二者相互交织、互相支撑，综合性能显著提高，可满足多种工况、多种规格类型机械对耐磨衬板的要求。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于，制得的该复合耐磨衬板是由含有硬质相的骨架增强体与基体金属复合而成，具体包括下列步骤：

(1)选用内装硬质材料的管丝，将管丝剪切、弯制、编织、叠加，按衬板结构制成骨架预制体；

(2)用耐火材料，填充骨架预制体内的空隙，并包覆压实制成块状，干燥，形成具有一定强度的块体；

(3)将块体放入真空冶金烧结炉内，进行冶炼烧结，在高温下管丝外钢皮与内装的硬质材料熔化溶解，形成充分的冶金组织结构，在耐火材料的定位作用下，使其在原位凝固成型；

(4)降温冷却，清理掉耐火材料，获得具有一定空间结构的骨架增强体，并进行酸洗，烘干，去除表面杂质；

(5)按照铸造工艺要求制作铸型，并将骨架增强体预置入铸型型腔内；

(6)将铸型在300℃～800℃条件下进行烘干预热；

(7)冶炼基体金属，待达到合适的温度后出炉，浇入铸型内，注满为止；

(8)冷却凝固后脱模清理，即制成由含有硬质相的骨架增强体和基体金属组成的复合耐磨衬板。

所述管丝的外钢皮为低碳钢，直径φ2.0～φ5.0mm。

所述硬质材料由铁合金粉、金属粉、石墨粉、硬质合金颗粒、陶瓷颗粒其中一种或几种构成，粒度：0.1～2mm，填充率：10％～60％。

所述耐火材料选用树脂砂、水玻璃砂、石墨或公知的耐火材料。

所述烘干预热温度：300℃～800℃

所述基体金属选用普通碳钢、合金钢、高锰钢或铸铁等。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、含有大量硬质相的骨架增强体与基体金属相互交织、互相支撑，有效融为一体，既发挥了增强体的高耐磨性，又具有基体金属的高韧性，综合性能良好。

2、采用了内装硬质材料的管丝制作骨架预制体，并进行真空冶金烧结，形成了充分的冶金组织结构，并生成了大量硬质相化合物，骨架增强体具有良好的强度和刚度，在与基体金属复合过程中，仍能保持完整骨架结构，且排列有序，分布均匀，保证了最佳的复合效果。

3、采用了真空高温冶金烧结成型工艺，形成的骨架增强体内部组织纯洁、不良缺陷少，达到了完全冶金化的效果，性能稳定可靠。

4、骨架增强体具有良好的抗高温变形能力，可提高烘干预热的温度，从而保证基体金属液的流动性和充型可靠性，避免浇不足、冷隔或缩孔等现象的发生，保证了整体复合质量。

5、制备大体积、大尺寸复合衬板时，可将骨架增强体化整为零，先制备出小规格的增强体，复合时再拼装成整体的骨架结构，复合后仍能保持增强体的完整性，可复制性好，可操作性强，制作工艺方便可靠。

6、硬质相的种类和数量可根据使用要求自由调控，通过选用不同的硬质材料组合配比，制备出适应不同磨损工况的复合衬板。

7、可根据衬板的工作面要求，设置合理的复合层厚度，并调整骨架增强体的空间密度，达到局部复合、梯度复合或整体复合，优化产品性能。

8、由于管丝具有一定的塑性，成型性好，预制体可制成二维、三维等多种骨架结构，因此可制备不同形状的衬板。

9、采用冶金铸造法制备，不存在润湿性问题，工艺简便，成本较低。

附图说明

图1管丝结构示意图；

图2骨架预制体填充耐火材料冶金烧结示意图；

图3骨架增强体浇铸复合工艺示意图；

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

以下是发明人给出的实施例，这些实施例主要用于进一步解释本发明，本发明不限于以下实施例。

实施例1：制备高铬合金骨架增强体与高锰钢复合耐磨衬板

参见图1～3，本实施例的制备方法按照以下步骤进行：

A、选用φ2.8mm直径的管丝1，外钢皮为低碳钢，内装配制好的高碳铬铁粉2，粒度0.15～0.2mm，填充率50％，按照衬板结构，将管丝1剪切、弯制、编织、叠加制成骨架预制体；

B、选用水玻璃砂作为耐火材料3，将其填充到骨架预制体的空隙内，并包覆压实制成块状，干燥后形成具有一定强度的块体；

C、将块体放入真空冶金烧结炉内，进行高温冶炼烧结，管丝1的外钢皮与内装的高碳铬铁粉2熔化溶解，形成高铬合金组织，并生成大量碳化物，在水玻璃砂耐火材料3的定位作用下，使其原位凝固成型；

D、降温冷却，清理掉水玻璃砂耐火材料3，获得具有一定空间结构的骨架增强体，进行酸洗烘干，去除表面杂质；

E、按照铸造工艺要求制作铸型4，并将骨架增强体预置入铸型4的型腔内；

F、将铸型4进行烘干预热到温度400℃；

G、冶炼高锰钢作为基体材料5，待达到合适温度后出炉，浇入铸型4内，注满为止；

H、冷却凝固后脱模清理，即制成由高铬合金骨架增强体和高锰钢基体5组成的复合耐磨衬板。

实施例2：制作碳化钨硬质合金与35钢的复合耐磨衬板

参见图1～3，本实施例的制备方法按照以下步骤进行：

A、选用φ4.0mm直径的管丝1，外钢皮为低碳钢，内装配制好的碳化钨颗粒2，粒度0.5～1mm，填充率30％，按照衬板结构，将管丝1剪切、弯制、编织、叠加制成骨架预制体；

B、选用树脂砂作为耐火材料3，将其填充到骨架预制体的空隙内，并包覆压实制成块状，干燥后形成具有一定强度的块体；

C、将块体放入真空冶金烧结炉内，进行高温冶炼烧结，管丝1的外钢皮与内装的碳化钨颗粒2熔化溶解，形成钢结碳化钨合金，在树脂砂耐火材料3的定位作用下，使其原位凝固成型；

D、降温冷却，清理掉树脂砂耐火材料3，获得具有一定空间结构的骨架增强体，进行酸洗烘干，去除表面杂质；

E、按照铸造工艺要求制作铸型4，并将骨架增强体预置入铸型4的型腔内；

F、将铸型4进行烘干预热到温度500℃；

G、冶炼35钢作为基体材料5，待达到合适温度后出炉，浇入铸型4内，注满为止；

H、冷却凝固后脱模清理，即制成由含有碳化钨硬质相的骨架增强体与35钢基体5组成的复合耐磨衬板。

实施例3：制作碳化硅陶瓷与球墨铸铁的复合耐磨衬板。

参见图1～3，本实施例的制备方法按照以下步骤进行：

A、选用φ5.0mm直径的管丝1，外钢皮为低碳钢，内装配制好的碳化硅陶瓷颗粒2，粒度1～2mm，填充率20％，按照衬板结构，将管丝1剪切、弯制、编织、叠加制成骨架预制体；

B、选用水玻璃砂和石墨粉混合作为耐火材料3，水玻璃砂和石墨粉的质量比为2∶1，将其填充到骨架预制体的空隙内，并包覆压实制成块状，干燥后形成具有一定强度的块体；

C、将块体放入真空冶金烧结炉内，进行高温冶炼烧结，管丝1的外钢皮与内装的碳化硅颗粒2熔化溶解，形成钢结碳化硅复合物相，在耐火材料3的定位作用下，降温冷却，使其原位凝固成型；

D、清理掉耐火材料3，获得具有一定空间结构的骨架增强体，进行酸洗烘干，去除表面杂质；

E、按照铸造工艺要求制作铸型4，并将骨架增强体预置入铸型4的型腔内；

F、将铸型4进行烘干预热到温度600℃；

G、冶炼球墨铸铁作为基体材料5，待达到合适温度后出炉，浇入铸型4内，注满为止；

H、冷却凝固后脱模清理，即制成由含有碳化硅陶瓷硬质相的骨架增强体与球墨铸铁基体5组成的复合耐磨衬板。

当然，本发明的硬质材料可以选择铁合金粉、金属粉、石墨粉、硬质合金颗粒、陶瓷颗粒其中一种或几种，耐火材料选用树脂砂、水玻璃砂、石墨或公知的耐火材料均可以，基体金属不局限于普通碳钢、合金钢、高锰钢或铸铁，可以根据要求选择不同的基体金属，均能够实现本发明的目的。

按照本发明的方法，可进行局部复合、梯度复合或整体复合，其硬质相的种类和含量可控可调，复合厚度也可根据要求调整，制得的该复合耐磨衬板既发挥了骨架增强体中硬质相的高耐磨性，又保留了基体金属的良好韧性，二者相互交织、互相支撑，综合性能显著提高，可广泛应用于矿山、电力、冶金、煤炭、建材等耐磨领域。

Claims (5)

1.一种预制骨架增强体复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于，制得的该复合耐磨衬板是由含有硬质相的骨架增强体与基体金属复合而成，具体包括下列步骤：

(1)选用内装硬质材料的管丝，将管丝剪切、弯制、编织、叠加，按衬板结构制成骨架预制体；

(2)用耐火材料，填充骨架预制体内的空隙，并包覆压实制成块状，干燥，形成具有一定强度的块体；

(3)将块体放入真空冶金烧结炉内，进行冶炼烧结，在高温下管丝外钢皮与内装的硬质材料熔化溶解，形成充分的冶金组织结构，在耐火材料的定位作用下，使其在原位凝固成型；

(4)降温冷却，清理掉耐火材料，获得具有一定空间结构的骨架增强体，并进行酸洗，烘干，去除表面杂质；

(5)按照铸造工艺要求制作铸型，并将骨架增强体预置入铸型型腔内；

(6)将铸型在300℃～800℃条件下进行烘干预热；

(7)冶炼基体金属，待达到合适的温度后出炉，浇入铸型内，注满为止；

(8)冷却凝固后脱模清理，即制成由含有硬质相的骨架增强体和基体金属组成的复合耐磨衬板。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述管丝的外钢皮为低碳钢，管丝直径为φ2.0～φ5.0mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硬质材料由硬质合金颗粒、陶瓷颗粒其中一种或几种构成，粒度：0.1～2mm，填充率：10％～60％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐火材料选用树脂砂、水玻璃砂、石墨或其它公知的耐火材料。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体金属选用普通碳钢、合金钢或铸铁。

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