CN101598261B - 金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，它包括耐磨陶瓷块、底板、带通孔的基板，耐磨陶瓷块镶嵌在基板的通孔内，基板安装在底板上，耐磨陶瓷块包括工作段和定位段，两段的横截面形状相同，定位段的横截面积大于工作段的横截面积，耐磨陶瓷块通过定位段与底板连接，基板的通孔与耐磨陶瓷块的工作段和定位段相匹配，或者基板的通孔仅与耐磨陶瓷块的工作段匹配。该种材料采用变截面结构设计的耐磨陶瓷块，克服了原有金属陶瓷耐磨复合材料只采用粘接剂固定，容易脱落的弊端；同时采用热装方法在金属的通孔中镶嵌耐磨陶瓷块，克服了使用粘接剂，粘接剂容易老化，耐磨陶瓷块易脱落的问题。

Description

金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种在金属基体上镶嵌陶瓷的复合耐磨材料及其制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

在冶金、电力、建材、机械、化工等行业，大多采用高锰钢和耐磨合金等制作耐磨衬板。虽然金属材料制成的衬板具有良好的强韧性，但这种衬板重量大，硬度低，耐磨性能差，寿命短，频繁更换衬板不仅降低了设备的利用率，而且增加了成本和工人的劳动强度。开发新型耐磨材料，提高构件的抗磨性能，是工业领域普遍关注的问题。

目前用金属材料制造耐磨衬板常用铸造或者堆焊技术，如中国专利公开号为CN1099075的发明专利公开了采用铸造方法生产高强度高铬铸铁衬板的方法。堆焊技术则是将耐磨材料熔敷到低碳钢等基板上制成复合耐磨钢板，如1996年《焊接技术》杂志刊登的论文“加粉堆焊工艺及耐磨堆焊复合钢板的应用”，介绍了复合耐磨钢板的一种制备技术。

与金属材料和高分子材料相比，陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化等性能优点。但是，脆性是陶瓷材料的一个致命弱点。因此，陶瓷材料只适于冲击载荷不大的工况。如中国专利公开号为CN2691774的实用新型专利“焊接式耐磨陶瓷片”，其陶瓷片由氧化铝粉经高温烧制工艺制作，在陶瓷片的中部设有1-2个圆锥形焊接孔，采用塞焊工艺连接到耐磨构件上，若干块连接形成整体。该专利解决了将陶瓷片粘贴于磨损表面，使用中容易脱落的问题。

用金属材料制作的耐磨件韧塑性好，能够承受冲击，但硬度较低，耐磨性较差。陶瓷材料虽然硬度高，耐磨性能优良，但韧性差，易碎。如果把两者结合起来制成复合材料，可以充分发挥两者各自的优点，达到既耐磨，又抗冲击的目的。如中国专利公开号为CN101024556A的发明专利“一种金属陶瓷耐磨复合材料及制备方法”，该专利以金属耐磨板为基体，在钢板上凿孔，将耐磨陶瓷材料镶嵌在钢板孔内，陶瓷的形状是球形、半球形、球柱形、圆柱形、圆锥形或多边形等。陶瓷和基体之间的间隙用有机或者无机胶做粘接剂填充。该专利提出的金属陶瓷耐磨复合材料仅通过粘接剂将金属与陶瓷连接起来，且陶瓷块截面单一，在粘接剂因老化失效，或者受到交变冲击载荷作用后，陶瓷容易脱落，降低构件的抗磨性能。

随着机械零部件使用工况的日益苛刻，如磨损、腐蚀、高温等，对低成本、使用方便、生产效率高、性能优异的耐磨材料的需求也更加迫切。

发明内容

本发明的目的是针对现有金属陶瓷复合材料中金属与陶瓷仅通过粘接剂连接，粘接剂老化，寿命短，受交变冲击载荷作用，耐磨陶瓷块容易脱落等问题，而提供一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，本发明提出了采用特定结构设计的耐磨陶瓷块，采用粘接剂粘结或者采用热装配方法，获得金属中镶嵌耐磨陶瓷块的复合材料，避免陶瓷从金属基体上脱落，提高可靠性，满足企业对高耐磨、低成本、耐冲击材料的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，它包括耐磨陶瓷块、底板、带通孔的基板，耐磨陶瓷块镶嵌在基板的通孔内，基板安装在底板上，其特征是，耐磨陶瓷块包括工作段和定位段，两段的横截面形状相同，定位段的横截面积大于工作段的横截面积，耐磨陶瓷块通过定位段与底板连接，基板的通孔与耐磨陶瓷块的工作段和定位段相匹配，或者基板的通孔仅与耐磨陶瓷块的工作段匹配。

耐磨陶瓷块工作段和定位段的横截面是圆形或椭圆形或三角形或四边形或五边形或六边形或七边形或八边形，优先选用圆形横截面。陶瓷耐磨块的结构优先选用直径不同的两个同轴圆柱体的组合体，直径较小的圆柱体为工作段，其高度为3-20mm，直径不小于2mm；直径较大的圆柱体为定位段，其高度为1-8mm，直径不小于3mm，且比工作段的直径大1mm以上。耐磨陶瓷块的材质为氧化铝陶瓷、氧化镁陶瓷、氧化锆陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷、塞隆陶瓷中的任意一种，优先选用氧化铝陶瓷。

基板的材质选用低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢中的任意一种，基板上设有与耐磨陶瓷块相匹配的通孔。通孔在基板上均匀分布，相邻通孔边缘之间的最小间距不小于0.8mm。基板的厚度与耐磨陶瓷块工作段高度相等或与耐磨陶瓷块工作段和定位段高度之和相等。基板的厚度与耐磨陶瓷块工作段和定位段高度之和相同时，见附图1，基板上所开孔为不等直径的两个同轴通孔的组合，孔径与耐磨陶瓷块两段的相应直径匹配；基板厚度与耐磨陶瓷块工作段高度相等时，见附图3，基板上所开孔的直径与耐磨陶瓷块工作段的直径匹配。采用粘接方法在基体通孔内镶嵌陶瓷块时，通孔的直径按耐磨陶瓷块与通孔之间保持0.1-5.0mm的均匀间隙确定；采用热装方法在基板通孔内镶嵌陶瓷块时，通孔形状与耐磨陶瓷块形状相同，通孔的直径比耐磨陶瓷块的相应直径小0.1-0.6mm。

底板的材质选用低碳钢、中碳钢、高碳钢、低合金钢、不锈钢、耐热钢中的任意一种，底板的厚度为1-16mm。底板为平板或带有与耐磨陶瓷块定位段匹配的盲孔的板。采用附图1的结构时，底板为平板；采用附图3的结构时，底板上开有与耐磨陶瓷块定位段匹配的盲孔，盲孔的深度与耐磨陶瓷块定位段的高度一致，盲孔的直径与耐磨陶瓷块定位段直径一致。底板安装于耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，底板对耐磨陶瓷起支撑作用。

所述的金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：

1)配制粘接剂；2)将粘接剂均匀涂于耐磨陶瓷块表面，或者均匀涂于基板的通孔内，涂层的厚度1.5-2.5mm，然后将耐磨陶瓷块安装于基板通孔内，并使通孔与耐磨陶瓷块之间的间隙均匀，粘接剂固化后将上下表面间隙处多余的粘接剂打磨干净；3)将底板采用常规的焊接方法或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，底板上有盲孔的将耐磨陶瓷块的定位段置于盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料。

所述的粘接剂组成为：100-105份环氧树脂，20-25份邻苯二甲酸二丁酯，80-100份氧化铝粉，0-20份硅粉，8-10份二乙烯三胺或乙二胺。

所述的金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的另一制备方法，包括以下步骤：

1)将带通孔的基板在炉中加热到50-600℃，待基板上的通孔由于膨胀直径变大后，立即将耐磨陶瓷块安装到通孔内，冷却后通孔收缩，将耐磨陶瓷块牢固地固定于通孔内；2)将底板用常规的焊接或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，底板上有盲孔的将耐磨陶瓷块的定位段置于盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料。

所述的通孔形状与耐磨陶瓷块形状相同，通孔横截面积比与之匹配的耐磨陶瓷块小。

耐磨陶瓷块工作段一侧的基板表面为耐磨面。耐磨陶瓷块变径处的台阶起到了定位作用，可以有效防止其脱落，比只采用粘接剂的可靠性显著提高。

本发明所述的金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料具有如下明显效果：

(1)金属中镶嵌陶瓷块的耐磨材料既有金属材料韧塑性好，抗冲击的优点，又有陶瓷材料硬度高，耐磨性能优良的长处；

(2)变截面耐磨陶瓷块的设计使其不容易脱落，可靠性提高；

(3)采用变截面结构设计的耐磨陶瓷块，克服了原有金属陶瓷耐磨复合材料只采用粘接剂固定，容易脱落的弊端；

(4)采用热装方法在金属的通孔中镶嵌耐磨陶瓷块，克服了使用粘接剂，粘接剂容易老化，耐磨陶瓷块易脱落的问题；

(5)金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料与其他构件的连接是金属与金属的连接，比陶瓷与金属连接容易得多，方便制成耐磨结构件。

附图说明

图1为金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料(板材A)的局部剖视图；

图2为金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料(板材)的上表面；

图3为金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料(板材B)的局部剖视图。

其中：1.带通孔的基板，2.耐磨陶瓷块，3.粘接剂，4.底板，5.通孔，6.耐磨陶瓷块定位段，7.耐磨陶瓷块工作段。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1、图2、图3中，金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，包括耐磨陶瓷块2、底板4、带通孔的基板1，耐磨陶瓷块镶嵌在基板的通孔内，基板安装在底板上，耐磨陶瓷块包括工作段7和定位段6，两段的横截面形状相同，定位段的横截面积大于工作段的横截面积，耐磨陶瓷块2通过定位段6与底板4连接，基板的通孔与耐磨陶瓷块的工作段和定位段相匹配，或者基板的通孔仅与耐磨陶瓷块的工作段匹配。

耐磨陶瓷块工作段和定位段的横截面是圆形或椭圆形或三角形或四边形或五边形或六边形或七边形或八边形。基板的厚度与耐磨陶瓷块的工作段和定位段高度之和相同，或者基板的厚度与耐磨陶瓷块工作段高度相等。带通孔的基板1上开设有若干个通孔5，在通孔5内设有与通孔相匹配的耐磨陶瓷块2，耐磨陶瓷块2采用粘接剂3或热装嵌入通孔5。基板的通孔内嵌入耐磨陶瓷块后，在耐磨陶瓷块定位段一侧的基板表面采用常规的焊接或机械连接方法安装上底板4。底板为平板或带有与耐磨陶瓷块定位段匹配的盲孔的板。本发明的金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料并不仅限于板材，也适合于其他形状，如圆管、不规则的几何体等。

实施例1

粘接方法制备金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料：

1)先按下列重量份的组成配制成粘接剂：100份环氧树脂，20份邻苯二甲酸二丁酯，100份氧化铝粉(300目)，8份乙二胺(环氧树脂优选选用的牌号为E-51或E-44)；

2)将粘接剂均匀涂于耐磨陶瓷块表面，涂层的厚度1.8-2.5mm，然后将耐磨陶瓷块安装于基板通孔内，并使通孔与耐磨陶瓷块之间的间隙均匀，粘接剂固化后将上下表面间隙处多余的粘接剂打磨干净(耐磨陶瓷块为用现有技术生产的氧化铝陶瓷块，耐磨陶瓷块为同轴圆柱体的组合体，工作段的直径为7mm、高度为10mm，定位段的直径为9mm、高度为6mm；选用16mm厚的低碳钢作为基板，基板的长度和宽度分别为303mm、153mm，在基板上开20×10个同轴不同直径的通孔组合，通孔在基板上均匀分布，与陶瓷块工作段相匹配的通孔直径为10mm，高度为10mm，与陶瓷块定位孔匹配的通孔直径为12mm，高度为6mm。相邻通孔边缘之间的最小距离为3mm，通孔边缘到基板边缘的最小距离为3mm)；

3)将底板采用常规的焊接方法或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料(选用长度和宽度分别为303mm、153mm、厚度为10mm的低碳钢底板)。

实施例2

粘接方法制备金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料：

1)先按下列重量份的组成配制成粘接剂：100份环氧树脂，20份邻苯二甲酸二丁酯，80份氧化铝粉(300目)，20份硅粉(300目)，8份二乙烯三胺(环氧树脂优先选用的牌号为E-51或E-44)；

2)将粘接剂均匀涂于基板的通孔内，涂层的厚度1.5-2.0mm，然后将耐磨陶瓷块安装于基板通孔内，并使通孔与耐磨陶瓷块之间的间隙均匀，粘接剂固化后将上下表面间隙处多余的粘接剂打磨干净(耐磨陶瓷块为用现有技术生产的氧化铝陶瓷块，耐磨陶瓷块为同轴圆柱体的组合体，工作段的直径为8mm、高度为8mm，定位段的直径为10mm、高度为3mm；选用8mm厚的低碳钢作为基板，基板的长度和宽度分别为166mm、86mm，在基板1上开10×5个直径为10mm的通孔，通孔在基板上均匀分布，相邻通孔边缘之间的最小距离为6mm，通孔边缘到基板边缘的最小距离为6mm)；

3)将底板采用常规的焊接方法或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，将耐磨陶瓷块的定位段置于盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料(选用长度和宽度分别为166mm、86mm、厚度为12mm的低碳钢底板，在底板上开直径为10mm，均匀分布的盲孔，盲孔的深度为3mm，盲孔的大小、位置、深度与陶瓷块的定位段配合)。

实施例3

热装方法制备金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料：

1)将带通孔的基板在炉中加热到120℃，待基板上的通孔由于膨胀直径变大后，立即将耐磨陶瓷块安装到通孔内，冷却后通孔收缩，将耐磨陶瓷块牢固地固定于通孔内(耐磨陶瓷块为用现有技术生产的氧化铝陶瓷块，耐磨陶瓷块为同轴圆柱体的组合体，工作段的直径为8mm、高度为8mm，定位段的直径为10mm、高度为3mm；选用8mm厚的低碳钢作为基板1，基板1的长度和宽度分别为166mm、86mm，在基板1上开10×5个直径为7.9mm的通孔，通孔在基板1上均匀分布)；

2)将底板用常规的焊接或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，将耐磨陶瓷块的定位段置于底板的盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料(选用长度和宽度分别为166mm、86mm，厚度为12mm的低碳钢底板，在底板上开直径为10mm，均匀分布的盲孔，盲孔的深度为3mm，盲孔的大小、位置、深度与陶瓷块的定位段配合)。

实施例4

热装方法制备金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料：

1)将带通孔的基板在炉中加热到150℃，待基板上的通孔由于膨胀直径变大后，立即将耐磨陶瓷块安装到通孔内，冷却后通孔收缩，将耐磨陶瓷块牢固地固定于通孔内(耐磨陶瓷块为用现有技术生产的氧化铝陶瓷块，耐磨陶瓷块为同轴圆柱体的组合体，工作段的直径为10mm，高度为10mm，定位段的直径为12mm，高度为6mm；选用16mm厚的低碳钢作为基板，基板的长度和宽度分别为42mm、42mm，在基板上开2×2个同轴不同直径的通孔组合，通孔在基板上均匀分布，与陶瓷块工作段相匹配的通孔直径为9.8mm，高度为10mm，与陶瓷块定位孔匹配的通孔直径为11.8mm，高度为6mm)；

2)将底板用常规的焊接或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料(选用长度和宽度分别为42mm、42mm，厚度为10mm的低碳钢底板)。

实施例5

热装方法制备金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料：

1)将带通孔的基板在炉中加热到150℃，待基板上的通孔由于膨胀直径变大后，立即将耐磨陶瓷块安装到通孔内，冷却后通孔收缩，将耐磨陶瓷块牢固地固定于通孔内(耐磨陶瓷块为用现有技术生产的氧化铝陶瓷块，耐磨陶瓷块横截面为正方形，工作段的边长为10mm，高度为10mm，定位段的边长为12mm，高度为6mm，工作段和定位段横截面的中心连线垂直于两横截面；选用16mm厚的低碳钢作为基板，基板的长度和宽度分别为42mm、42mm，在基板上开2×2个不同边长正方形的通孔组合，通孔与耐磨陶瓷块工作段和定位段配合，通孔在基板上均匀分布，与陶瓷块工作段相匹配的通孔边长为9.8mm，高度为10mm，与陶瓷块定位孔匹配的通孔边长为11.8mm，高度为6mm)；

2)将底板用常规的焊接或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料(选用长度和宽度分别为42mm、42mm，厚度为10mm的低碳钢底板)。

Claims (9)

1.一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，它包括耐磨陶瓷块、底板、带通孔的基板，耐磨陶瓷块镶嵌在基板的通孔内，基板安装在底板上，其特征是，耐磨陶瓷块包括工作段和定位段，两段的横截面形状相同，定位段的横截面积大于工作段的横截面积，耐磨陶瓷块通过定位段与底板连接，基板的通孔与耐磨陶瓷块的工作段和定位段相匹配，或者基板的通孔仅与耐磨陶瓷块的工作段匹配。

2.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，其特征是，所述的耐磨陶瓷块工作段和定位段的横截面为圆形或椭圆形或三角形或四边形或五边形或六边形或七边形或八边形。

3.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，其特征是，所述的耐磨陶瓷块工作段和定位段为直径不同的两个同轴圆柱体。

4.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，其特征是，所述的基板的厚度与耐磨陶瓷块工作段高度相等或与耐磨陶瓷块工作段和定位段高度之和相等。

5.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料，其特征是，所述的底板为平板或带有与耐磨陶瓷块定位段匹配的盲孔的板。

6.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

1)配制粘接剂；2)将粘接剂均匀涂于耐磨陶瓷块表面，或者均匀涂于基板的通孔内，涂层的厚度1.5-2.5mm，然后将耐磨陶瓷块安装于基板通孔内，并使通孔与耐磨陶瓷块之间的间隙均匀，粘接剂固化后将上下表面间隙处多余的粘接剂打磨干净；3)将底板采用常规的焊接方法或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，底板上有盲孔的将耐磨陶瓷块的定位段置于盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料。

7.按照权利要求6所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的制备方法，其特征是，步骤1)中所述的粘接剂按重量份的组成为：100-105份环氧树脂，20-25份邻苯二甲酸二丁酯，80-100份氧化铝粉，0-20份硅粉，8-10份二乙烯三胺或乙二胺。

8.按照权利要求1所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

1)将带通孔的基板在炉中加热到50-600℃，待基板上的通孔由于膨胀直径变大后，立即将耐磨陶瓷块安装到通孔内，冷却后通孔收缩，将耐磨陶瓷块固定于通孔内；2)将底板用常规的焊接或者机械连接方式安装到耐磨陶瓷块定位段一侧的基板上，底板上有盲孔的将耐磨陶瓷块的定位段置于盲孔内，即制得金属中镶嵌有陶瓷的耐磨材料。

9.按照权利要求8所述的一种金属中镶嵌陶瓷的耐磨材料的制备方法，其特征是，所述的通孔形状与耐磨陶瓷块形状相同，通孔横截面积比与之匹配的耐磨陶瓷块小。

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