CN101905185B - 一种破碎机用原位陶瓷局部增强复合材料锤头及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头及其制备方法，利用负压铸型型腔内的自蔓延高温合成反应，在锤头打击面形成厚度为30～100毫米的原位陶瓷颗粒局部增强区域。按照本发明的制备方法所获得的原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头的锤体为合金钢，高Cr铸铁，或者高锰钢；锤头打击面由钢基体与均匀分布于其中的柱状陶瓷增强单元组成；其中柱状陶瓷增强单元中的陶瓷是由自蔓延反应形成的原位TiC、TiB2/TiC或者TiB2/TiN陶瓷颗粒；原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢之间以及柱状陶瓷增强单元中的陶瓷颗粒和金属之间的结合均为冶金结合，结合强度高。该钢基复合材料锤头具有优异的抗磨损性能。

Description

一种破碎机用原位陶瓷局部增强复合材料锤头及制备方法
技术领域
本发明属于冶金行业破碎机的应用领域，尤其是涉及一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头及其制备方法。
背景技术
锤头是建材、矿山、化工等行业使用的锤式破碎机上的关键配件，也是易损件。传统锤头多以高锰钢铸造，利用高锰钢在受到冲击载荷下发生加工硬化的特点来提高耐磨性，但其耐磨性远不适于高效低耗的现代化生产需要。由于锤头寿命短而频繁停机更换，降低了设备运转率，故有必要寻求一种新材料新工艺，以提高锤头的性能和使用寿命。
为提高锤头的耐磨性，延长锤头寿命，申请号为200910021867.4的发明专利是通过WC陶瓷颗粒预制体与母液金属的熔渗而形成的复合材料。其工艺为：首先采用电炉熔炼金属母体材料形成金属液，将WC颗粒与粘合剂混制成膏状填充于柱状金属网中，密封烘制后形成预制体并置于铸型型腔的端面侧。获得的复合材料锤头锤体为高锰钢、合金钢或普通碳钢，锤端即工作面或打击面由金属母体与均匀分布于其中的柱状增强体组成。然而，专利200810122589.7则采用高硼铸钢为母体，陶瓷颗粒复合层为锤头表层，通过消失模铸造与铸渗法铸造相结合的成型铸造方法制作锤头，高温钢液作为母体渗透于陶瓷颗粒复合层中并形成冶金结合。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单可靠，成本低廉且易于推广应用的一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头及其制备方法，可有效提高锤头的耐磨性和使用寿命。
技术关键是利用负压铸型型腔内的自蔓延高温合成反应，在锤头打击面形成厚度为30～100毫米的原位陶瓷局部增强区域。
由于本发明所采用的原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头具有高的高温强度、高硬度、和高耐磨性，其作用如下：
(1)原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元中的陶瓷颗粒和金属之间起到很好的冶金结合效果，能有效避免陶瓷的脆性断裂；
(2)原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢之间的结合为冶金结合，不会因局部的严重受损而影响整个锤头的使用寿命。
实现上述目的的技术技术方案是：
一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头，利用负压铸型型腔内的自蔓延高温合成反应，在锤头打击面形成厚度为30～100毫米的原位陶瓷局部增强区域，该原位陶瓷局部增强区域由柱状陶瓷增强单元和基体钢组成；柱状陶瓷增强单元中的陶瓷为TiC、TiB2/TiC或者TiB2/TiN陶瓷颗粒；原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢之间以及柱状陶瓷增强单元中的陶瓷颗粒和金属之间的结合均为冶金结合；
一种用于制备权利要求1所述的一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头的方法，采用的工艺步骤如下：
1)反应物压坯的制备：
a.压坯组成：压坯由粉料粒度小于50微米的金属粉和非金属粉混合组成，金属粉占混合粉料总量的重量百分比为20～60％；金属粉是由Ti粉、Ni粉、Fe粉和Cr粉中的一种或几种组成，其中Ni含量重量百分比为20～40％，Fe含量重量百分比为0～10％，Cr含量重量百分比为0～10％；非金属粉由B4C粉、C粉、BN粉中的一种或几种组成；Ti粉和非金属粉之间存在摩尔比关系为：Ti∶C＝1∶1、Ti∶B4C＝3∶1、Ti∶BN＝3∶2；
b.混料：将上述配制好的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；
c.压制成型：把混合均匀的反应物粉料放入模具中，在室温下压制成坯，反应物压坯紧实率为70～80％，反应物压坯直径为10～12毫米，反应物压坯长度为30～100毫米；
2)反应形成原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头：
a.烘干除气：将步骤1)中的反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；
b.原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头的形成：将除气后的反应物压坯置于负压铸型型腔内锤头需要增强的相应位置，并保持负压铸型型腔的真空抽力为0.07～0.1MPa，随后将1480～1600℃高温合金钢液35CrMoSi，或者高Cr铸铁液Cr15Mo3Cu，或者高锰钢液Mn13浇注到负压铸型型腔内，引燃压坯内的自蔓延高温合成反应，形成TiC、TiB2/TiC或者TiB2/TiN陶瓷颗粒，从而制备出原位陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料锤头；
所述的柱状陶瓷增强单元中的TiC、TiB2/TiC或者TiB2/TiN陶瓷颗粒在柱状陶瓷增强单元中所占的重量百分比为40～80％；
所述的原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢的体积比为1∶6～1∶2。
本发明与目前已有的技术相比具有以下特点：
1)局部增强区内增强单元中的陶瓷颗粒和金属之间为冶金结合，结合强度高；
2)局部增强区和母体区为冶金结合，增强区域不会脱落。
2)陶瓷颗粒集中于锤头打击面的局部区域，节省陶瓷，成本低。
附图说明
图1原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头示意图。
图中：1.原位陶瓷局部增强区域    2.柱状陶瓷增强单元
具体实施方式
实施例1：
由粉料粒度小于50微米的Ti粉、C粉、Ni粉、Fe粉和Cr粉组成，其中Ti粉和C粉的比例按摩尔比为Ti∶C＝1∶1，且Ni含量重量百分比为20～40％，Fe含量重量百分比为0～10％，Cr含量重量百分比为0～10％混合的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；然后把反应物粉料放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70～80％，压坯直径为10～12毫米，压坯长度为30～100毫米；随后将反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；最后将除气后的压坯置于负压铸型型腔内锤头需要增强的相应位置，并保持负压铸型型腔的真空抽力为0.08～0.09MPa，将1500℃～1600℃高温合金钢液35CrMoSi浇注到负压铸型型腔内，引燃压坯内的自蔓延高温合成反应，形成TiC陶瓷颗粒，从而制备出原位TiC陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料锤头。锤头的原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢的体积比为1∶6～1∶3。
实施例2：
由粉料粒度小于50微米的Ti粉、B4C粉、Ni粉、Fe粉和Cr粉组成，其中Ti粉和B4C粉的比例按摩尔比为Ti∶B4C＝3∶1，且Ni含量重量百分比为20～40％，Fe含量重量百分比为0～10％，Cr含量重量百分比为0～10％混合的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；然后把反应物粉料放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70～80％，压坯直径为10～12毫米，压坯长度为30～100毫米；随后将反应物压坯放入氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；最后将除气后的压坯置于负压铸型型腔内锤头需要增强的相应位置，并保持负压铸型型腔的真空抽力为0.08～0.09MPa，将1480℃～1600℃高Cr铸铁液Cr15Mo3Cu浇注到负压铸型型腔内，引燃压坯内的自蔓延高温合成反应，形成TiB2/TiC陶瓷颗粒，从而制备出原位TiB2/TiC陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料锤头。锤头的原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢的体积比为1∶5～1∶2。
实施例3：
由粉料粒度小于50微米的Ti粉、BN粉、Ni粉、Fe粉和Cr粉组成，其中Ti粉和BN粉的比例按摩尔比为Ti∶BN＝3∶2，且Ni含量重量百分比为20～40％，Fe含量重量百分比为0～10％，Cr含量重量百分比为0～10％混合的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；然后把反应物粉料放入模具中，在室温下压制成坯，压坯紧实率为70～80％，压坯直径为10～12毫米，压坯长度为30～100毫米；随后将反应物压坯放入真空保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；最后将除气后的压坯置于负压铸型型腔内锤头需要增强的相应位置，并保持负压铸型型腔的真空抽力为0.08～0.09MPa，将1480℃～1600℃高锰钢液Mn13浇注到负压铸型型腔内，引燃压坯内的自蔓延高温合成反应，形成TiB2/TiN陶瓷颗粒，从而制备出原位TiB2/TiN陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料锤头。锤头的原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢的体积比为1∶4～1∶3。

Claims (4)

1.一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头，其特征在于，利用负压铸型型腔内的自蔓延高温合成反应，在锤头打击面形成厚度为30～100毫米的原位陶瓷局部增强区域，该原位陶瓷局部增强区域由柱状陶瓷增强单元和基体钢组成；柱状陶瓷增强单元中的陶瓷为TiB2+TiC或者TiB2+TiN陶瓷颗粒；原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢之间以及柱状陶瓷增强单元中的陶瓷颗粒和金属之间的结合均为冶金结合。
2.一种用于制备权利要求1所述的一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头的方法，其特征在于，采用的工艺步骤如下：
1)反应物压坯的制备：
a.压坯组成：压坯由粉料粒度小于50微米的金属粉和非金属粉混合组成，金属粉占混合粉料总量的重量百分比为20～60％；金属粉是由Ti粉、Ni粉、Fe粉和Cr粉组成，其中Ni含量占混合粉料总量的重量百分比为20～40％，Fe含量占混合粉料总量的重量百分比为0～10％，Cr含量占混合粉料总量的重量百分比为0～10％；非金属粉由B4C粉或BN粉组成；Ti粉和非金属粉之间存在摩尔比关系为：Ti∶B4C＝3∶1、Ti∶BN＝3∶2；
b.混料：将上述配制好的反应物粉料装入球磨混料机中，混料5～8小时，使之混合均匀；
c.压制成型：把混合均匀的反应物粉料放入模具中，在室温下压制成坯，反应物压坯紧实率为70～80％，反应物压坯直径为10～12毫米，反应物压坯长度为30～100毫米；
2)反应形成原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头：
a.烘干除气：将步骤1)中的反应物压坯放入真空或有氩气保护的烘干炉内，加热至200～400℃，烘干除气；
b.原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头的形成：将除气后的反应物压坯置于负压铸型型腔内锤头需要增强的相应位置，并保持负压铸型型腔的真空抽力为0.07～0.1MPa，
随后将1480～1600℃高温合金钢液35CrMoSi，或者高Cr铸铁液Cr15Mo3Cu，或者高锰钢液Mn13浇注到负压铸型型腔内，引燃压坯内的自蔓延高温合成反应，形成TiB2+TiC或者TiB2+TiN陶瓷颗粒，从而制备出原位陶瓷颗粒局部增强钢基复合材料锤头。
3.根据权利要求1所述的一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头，其特征在于，所述的柱状陶瓷增强单元中的TiB2+TiC或者TiB2+TiN陶瓷颗粒在柱状陶瓷增强单元中所占的重量百分比为40～80％。
4.根据权利要求1所述的一种破碎机用原位陶瓷局部增强钢基复合材料锤头，其特征在于，所述的原位陶瓷局部增强区域中的柱状陶瓷增强单元和基体钢的体积比为1∶6～1∶2。
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