CN101899585A - 复合耐磨件的预制体及用该预制体制造耐磨件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合耐磨件的预制体及用该预制体制造耐磨件的方法。预制体由碳化物陶瓷颗粒或者由硬质合金破碎而来的颗粒与金属粉末混合并在高温下烧结而制成，通过设计不同的模具，可以将预制体制成特定形状，如柱状、条状、块状、蜂窝状等。将预制体规则排列在铸型端面采用普通或负压铸造方法浇铸液态金属后，金属液浸渗入预制体形成复合材料耐磨件，耐磨件的表层由母体金属与复合材料共同组成，采用本方法制备的复合材料耐磨件即保证了耐磨件的耐磨损性能，又具有高的抗冲击能力。

Description

复合耐磨件的预制体及用该预制体制造耐磨件的方法

技术领域

本发明涉及一种适用于破碎机锤头，板锤，大型水泥磨辊及磨盘等的复合耐磨件的预制体及用该预制体制造耐磨件的方法。

背景技术

在水泥、矿山、冶金、电站或各类类似工业中遇到的磨矿设备、破碎设备中使用的易磨损部件。这些部件通常要求有很好的整体机械性能，希望这些部件不仅具有较高的耐磨性，还要具有一定韧性，以便具有抗冲击等机械强度和能够对其进行机加工。

众所周知，这两种性能很难在同一材料中协调一致。为了解决这一矛盾，使用复合材料是较好的选择。有人提出表层复合材料的概念，在耐磨件工作表层形成一定厚度的复合层，这层复合层具有高硬度，高耐磨性，而母体则由韧性较好的材料构成。

WC、VC、TiC、Cr₃C₂等碳化物陶瓷及硬质合金破碎而来的颗粒与钢铁具有较好的润湿性、利于铸渗，而且都具有较高的硬度，而且WC、VC、TiC、Cr₃C₂等碳化物陶瓷及硬质合金金破碎而来的颗粒均与钢铁都有较好的相容性，制备出的复合材料颗粒与集体为冶金结合界面，结合牢固，具有较高的耐磨性。但是颗粒增强复合材料不可避免的一个问题就是韧性较低，在高的冲击磨损条件下，这层硬而脆的复合材料层会过早的断裂与剥落，在使用过程中不稳定。因为这个缘故，也大大限制了颗粒增强表层复合材料走向实际应用。

中国发明专利(CN 101112718A)利用碳化钨颗粒制备陶瓷颗粒增强铁基复合材料，中国发明专利(CN 100535162C)中提到碳化钨颗粒增强钢/铁基复合耐磨衬板，中国发明专利(CN 101214539A)利用自蔓延反应在高锰钢表层制备一层碳化钛颗粒增强复合层等，以往制备的颗粒增强耐磨复合材料都存在以上问题，并且均未提及一种通用的复合材料预制体。最适当的解决方法就是控制硬质复合材料在表层的分布，使得表层硬而脆的复合材料不成整层分布，而是在表层规律的分布。

中国发明专利(CN 1147373C)将颗粒增强复合材料制成局部增强，则可避免整块复合增强的脆性，但使用范围有限，只能针对轧钢用导位板这种产品，并未从预制体的制备上进行改变；中国发明专利(CN 101412095A)采用低碳钢薄钢板包裹合金粉末及颗粒的方式来控制复合材料的分布，但是薄钢板并不能在高温下熔化，留在铸件中成为薄弱部分，而且操作复杂。中国发明专利(CN 101585081A)采用粘结剂和适当的模具制备出预制体，然后进行浇注，操作简单，能够批量生产，提供了较好的思路，但是使用粘结剂多少会影响铸渗；中国发明专利(CN 1114513C)利用铸造方法在耐磨件工作面上嵌入由陶瓷颗粒组成的嵌入物，嵌入物呈蜂窝状分布，具有良好的耐磨性和抗冲击性能，但是其使用的颗粒为氧化锆增韧氧化铝颗粒，与金属液浸润性能不好，制造困难，易产程缺陷。

发明内容

本发明目的在于克服以上的技术缺点，提供一种不含任何粘结剂，在浇铸过程中不易溃散，且铸渗效果良好的复合耐磨件的预制体，并提供了利用这种复合耐磨件的预制体制备耐磨件的方法，在表层形成母体金属与复合材料共存，即保证了耐磨件的耐磨损性能，又具有高的抗冲击能力，有效延长了耐磨件的使用寿命。

为达到上述目的，本发明复合耐磨件的预制体的制备方法如下：

1)首先，将粒径为8-60目的陶瓷颗粒或硬质合金颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，金属粉末的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的2％-10％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的2％-5％；

2)其次，将所述混合物填充于石墨模具中，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1300-1420℃、真空度为10^-1Pa下烧结30-60min，金属粉末将陶瓷颗粒或硬质合金颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成预制体。

所说的陶瓷颗粒为WC、TiC、VC或Cr₃C₂。

所说的金属粉末采用粒径为150-300目的还原铁粉。

所说的金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳铬铁粉，余量为还原铁粉。

所说的金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳锰铁粉，余量为还原铁粉。

所说的混合颗粒与模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸。

采用该预制体制备复合耐磨件的方法如下：

1)在铸型的端面侧放入多块厚度为3-25mm的预制体，每块预制体之间间隔至少10mm；

2)熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的浇铸温度比公知浇铸温度1380-1420℃高30-50℃，然后金属液出炉浇注进入铸型型腔底部得到厚度为10-30mm的金属母体与复合材料共存的复合耐磨件。

所说的熔炼金属母体材料是在中频感应电炉中进行的。

所说的金属母体材料为制造耐磨件常用的高锰钢、合金钢、高碳铬铁、镍铬低合金铸铁。

所述复合耐磨件端部即工作面由金属母体与规则分布其上的复合材料增强体即预制体组成，其硬度为HRC 55-67。

本发明制备预制体不仅方法简单，而且便于规模批量生产，采用不同的模具即可制出特定的预制体形态。这种预制体不含任何粘结剂及铸渗剂，不发气，不影响铸渗，在浇注金属液时预制体不会被冲散，金属液渗入预制体形成复合材料。用本发明预制体制备的耐磨件，在其端面或工作面上复合材料与金属母体相间分布，周围的金属母体能够对复合材料起到较好的支撑作用，避免了复合材料直接受到冲击，含有硬质陶瓷相得复合材料具有高的耐磨性，在磨损过程中复合材料逐渐突出承受主要磨损，保护周围金属母体不被进一步磨损。因此，采用本方法制备的复合材料耐磨件即保证了耐磨件的耐磨损性能，又具有高的抗冲击能力。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的复合耐磨部件；

图2为本发明实施例2制备的复合耐磨部件；

图3为本发明实施例3制备的复合耐磨部件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：锤式破碎机锤头

一、预制体的制备

1)首先，将粒径为8-60目的陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，陶瓷颗粒为WC，金属粉末采用粒径为150-300目的还原铁粉；金属粉末加入量为陶瓷颗粒质量的8％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒质量的4％；

2)其次，将所述混合物填充于圆柱、条状、蜂窝状的石墨模具中，为了防止粘模，在混合颗粒与石墨模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1300℃、真空度为10^-1Pa下烧结60min，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，制备过程不经过压制，直接在高温下烧结，利用陶瓷颗粒与金属粉末之间的反应和扩散，将陶瓷颗粒连接在一起，形成具有三维通孔的海绵状结构冷却后打开模具形成预制体。

二、利用预制体制备复合耐磨件：

1)在铸型的端面侧放入多块厚度为3-25mm的预制体，每块预制体之间间隔至少10mm；

2)在中频感应电炉中熔炼金属母体材料高锰钢形成金属液，金属液的浇铸温度比公知浇铸温度高30-50℃，然后金属液出炉浇注进入铸型型腔底部，金属液浸渗入预制体中得到厚度为10-30mm的金属母体与预制体共存的复合耐磨件，其硬度为HRC 55-67。如图1所示，复合材料在锤头端面呈柱状(图1a)、条状(图1b)、蜂窝状(图1c)规律分布。

实施例2：破碎机板锤

一、预制体的制备

1)首先，将粒径为8-60目的陶瓷颗粒金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，陶瓷颗粒为TiC，金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳铬铁粉，余量为还原铁粉；金属粉末为其加入量为陶瓷颗粒质量的5％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的3％；

2)其次，将所述混合物填充于圆柱的石墨模具中，为了防止粘模，在混合颗粒与石墨模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1350℃、真空度为10^-1Pa下烧结50min，金属粉末将陶瓷颗粒粘结在一起，制备过程不经过压制，直接在高温下烧结，利用陶瓷颗粒与金属粉末之间的反应和扩散，将陶瓷颗粒连接在一起，形成具有三维通孔的海绵状结构冷却后打开模具形成预制体。

二、利用预制体制备复合耐磨件：

本实例中板锤的母体合金为高铬铸铁，板锤厚度较薄，则放入的预制体具有一排孔，呈细长条状，板锤较厚大时，可具有多排孔，这些孔交错排布，制备过程同实施例1。如图2所示，复合材料在板锤工作面呈单排孔(图2a)、多排孔(图2b)分布。

实施例3：立式水泥磨磨辊

一、预制体的制备

1)首先，将粒径为8-60目的陶瓷颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，陶瓷颗粒为Cr₃C₂，金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳铬铁粉，余量为还原铁粉；金属粉末为其加入量为陶瓷颗粒质量的2％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的2％；

2)其次，将所述混合物填充于蜂窝状的石墨模具中，为了防止粘模，在混合颗粒与石墨模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1380℃、真空度为10^-1Pa下烧结40min，金属粉末将陶瓷颗粒或硬质合金颗粒粘结在一起，制备过程不经过压制，直接在高温下烧结，利用陶瓷颗粒与金属粉末之间的反应和扩散，将陶瓷颗粒连接在一起，形成具有三维通孔的海绵状结构冷却后打开模具形成预制体。

二、利用预制体制备复合耐磨件：

立式水泥磨磨辊体积较大，是一种大型耐磨部件，很难一次浇铸如此庞大的铸件，一般是以分块铸造，然后拼装成辊。制备过程同实施例1。磨辊的端面如图3所示。

实施例4：立式水泥磨磨盘

一、预制体的制备

1)首先，将粒径为8-60目的硬质合金颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，其中，金属粉末采用粒径为150-300目的还原铁粉；金属粉末为其加入量为硬质合金颗粒质量的10％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的5％；

2)其次，将所述混合物填充于蜂窝状的石墨模具中，为了防止粘模，在混合颗粒与石墨模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1420℃、真空度为10^-1Pa下烧结30min，金属粉末将陶瓷颗粒或硬质合金颗粒粘结在一起，制备过程不经过压制，直接在高温下烧结，利用陶瓷颗粒与金属粉末之间的反应和扩散，将陶瓷颗粒连接在一起，形成具有三维通孔的海绵状结构冷却后打开模具形成预制体。

二、利用预制体制备复合耐磨件：立式水泥磨磨盘体积大，也是一种大型耐磨部件，很难一次浇铸完成如此庞大的铸件，一般是以分块铸造，然后拼装成盘。制备过程同实施例1。

Claims (10)

1.复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：

1)首先，将粒径为8-60目的陶瓷颗粒或硬质合金颗粒与金属粉末使用无水乙醇机械混合均匀得混合物，金属粉末的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的2％-10％，无水乙醇的加入量为陶瓷颗粒或硬质合金颗粒质量的2％-5％；

2)其次，将所述混合物填充于石墨模具中，在80℃烘干混合物得混合颗粒，然后将模具连同混合颗粒一起放入真空烧结炉内在1300-1420℃、真空度为10^-1Pa下烧结30-60min，金属粉末将陶瓷颗粒或硬质合金颗粒粘结在一起，冷却后打开模具形成预制体。

2.根据权利要求1所述的复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：所说的陶瓷颗粒为WC、TiC、VC或Cr₃C₂。

3.根据权利要求1所述的复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：所说的金属粉末采用粒径为150-300目的还原铁粉。

4.根据权利要求1所述的复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：所说的金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳铬铁粉，余量为还原铁粉。

5.根据权利要求1所述的复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：所说的金属粉末采用粒径为150-300目的含质量百分数30％-45％的高碳锰铁粉，余量为还原铁粉。

6.根据权利要求1所述的复合耐磨件的预制体的制备方法，其特征在于：所说的混合颗粒与模具间垫一层厚度为0.4-0.6mm的石墨纸。

7.一种采用权利要求1所述的预制体制备复合耐磨件的方法，其特征在于：

1)在铸型的端面侧放入多块厚度为3-25mm的预制体，每块预制体之间间隔至少10mm；

2)熔炼金属母体材料形成金属液，金属液的浇铸温度比公知浇铸温度1380-1420℃高30-50℃，然后金属液出炉浇注进入铸型型腔底部得到厚度为10-30mm的金属母体与复合材料共存的复合耐磨件。

8.根据权利要求7所述的复合耐磨件的制备方法，其特征在于：所说的熔炼金属母体材料是在中频感应电炉中进行的。

9.根据权利要求7所述的复合耐磨件的制备方法，其特征在于：所说的金属母体材料为制造耐磨件常用的高锰钢、合金钢、高碳铬铁、镍铬低合金铸铁。

10.一种按权利要求7、8或9所述的制备方法制成的复合耐磨件，其特征在于：所述复合耐磨件端部即工作面由金属母体与规则分布其上的复合材料增强体即预制体组成，其硬度为HRC 55-67。

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