CN102211196A - 陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法，包括金属基耐磨件本体，在金属基耐磨件本体表面设置多个盲孔，盲孔中设置与金属基耐磨件本体冶金结合的自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体。本发明在真空炉烧结温度下，自熔性合金粉末发生熔融与耐磨件基体产生冶金结合，耐磨件基体和陶瓷不会发生变形，工艺简单、制备材料不需进行热处理就能达到所需硬度；解决了陶瓷和金属基体结合难的难题，避免了浇注工艺带来的缺陷；耐磨工件表面陶瓷、合金和金属呈规律分布，既保证了耐磨件的耐磨性，又保证了其抗冲击性能。

Description

陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制备方法。属于陶瓷增强金属基复合材料领域，特别适用于磨煤机磨辊或磨盘，破碎机锤头，板锤，大型水泥磨辊和磨盘等。

背景技术

磨损是零部件失效的一种基本类型，普遍存在于冶金、矿山、电力、机械、国防、军工、航空航天等许多工业部门，这造成了材料的极大浪费和能源的巨大消耗。据不完全统计，目前国内每年消耗金属耐磨材料高达500万吨以上，其中每年因磨损造成球磨机的钢球消耗达100万吨，球磨机和各种破碎机衬板消耗近40万吨，轧辊消耗近70万吨，各种工程挖掘机和装载机斗齿、耐磨输送管道、破碎机锤头、履带板和磨辊、磨盘衬板等消耗超过60万吨，铁路道岔和车轮20万吨，各种模具钢消耗近150万吨。

以上数据可知，提高机械设备及零部件的耐磨损性能，可以大大减少能源消耗，提高生产效率。众所周知，陶瓷具有很高的耐磨损性能，而金属具有良好的韧性。这些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。

陶瓷增强金属基复合材料能够将陶瓷的高硬度、高耐磨损性能和金属基体优良的韧性结合起来，是一种应用广泛的复合材料。

常见的耐磨铸件强化主要分为外加颗粒和原位内生成颗粒强化。外加陶瓷颗粒强化方法分为机械搅拌法外加陶瓷颗粒、渗透铸造法外加陶瓷颗粒、离心铸造法外加陶瓷颗粒等。

然而，外加陶瓷颗粒铸造法有三方面弊端：其一是颗粒与基体界面的污染和附着物的产生使基体与增强颗粒结合力降低；其二是增强颗粒的比例受到初始粉末的限制，多数颗粒尺寸都大于1μm，而且颗粒形状呈尖角对基体有割裂作用；其三是热力学稳定性差，增强颗粒在高温下易分解。原位生成陶瓷颗粒法虽然在铸件与陶瓷润湿性上得到提高，但存在铸件耐磨层薄、化学反应的影响因素多、增强相仅为金属陶瓷等缺陷，也不易于较大耐磨铸件的制作。

中国发明专利（CN 101585081A）采用粘结剂和特定的模具制作出陶瓷预制体，然后进行浇注，操作简单，能够批量生产，但浇注过程中由于金属和陶瓷热膨胀系数不同，陶瓷易出现裂纹，特别是氧化物陶瓷裂纹、破碎现象更为明显，另外，金属与陶瓷之间的结合是机械结合而不能实现冶金结合。中国发明专利（CN 101898238A）采用金属粉末与陶瓷颗粒混合连同模具在真空炉烧结炉内进行烧结，金属粉将陶瓷颗粒粘结在一起形成预制体，将预制体放入铸型型腔的端面，然后再对预制体进行浇注，形成颗粒增强复合材料。该工艺解决了氧化物陶瓷渗透难的问题，陶瓷颗粒与金属液结合良好，但工艺仍较复杂，颗粒和金属结合本质上仍为机械结合。

然而，自熔性合金是指熔点较低、熔融过程中能自行脱氧、造渣，能“润湿”基材表面而呈现冶金结合的一类合金。合金凝固后，在固溶体中能形成高硬度的弥散强化相，使合金的强度和硬度提高。

目前，绝大多数自熔性合金都是在铁基、镍基、钴基合金中添加适量的硼、硅元素而制成的。硼、硅可降低合金的熔点，并能导致合金的固相和液相之间有较宽的温度区间，硼、硅元素均可与常见基体材料，如镍、钴、铁等，在高温下生成低熔点的共晶，使合金熔点大幅度降低，镍基、钴基、铁基自熔性合金的熔点分别为800℃、800℃、1000℃左右。另外，硼、硅元素可提高合金的硬度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、陶瓷与金属基体之间通过自熔性合金呈冶金结合和高强度咬合的耐磨性能好的陶瓷增强金属基耐磨复合材料及制作方法。

本发明的技术解决方案是：

一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：包括金属基耐磨件本体，在金属基耐磨件本体表面设置多个盲孔，盲孔中设置与金属基耐磨件本体冶金结合的自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体。

所述的金属基耐磨件材料为高锰钢、合金钢、高碳铬铁或镍铬低合金铸铁；所述的盲孔孔型为柱状、螺纹状或锥形；所述的自熔性合金粉末为镍基、铁基或钴基自熔性合金；所述的陶瓷颗粒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或金刚石。

所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是陶瓷棒与自熔性合金粉末烧结体，其中陶瓷棒位于盲孔中心，自熔性合金粉末位于陶瓷棒与盲孔内壁之间，自熔性合金与金属基耐磨件本体呈冶金结合，与氧化物、氮化物或碳化物陶瓷棒为高强度咬合作用，有效防止陶瓷棒掉落。

陶瓷棒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，陶瓷棒呈柱状、螺纹状或锥形结构。

所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是自熔性合金粉末与陶瓷颗粒混合物的烧结体，其中陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的质量比为1:0.6~1.2，自熔性合金与金属基耐磨件本体呈冶金结合。

一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料的制备方法，其特征是：依次包括下列步骤：

（1）以金属基耐磨件为本体，在金属基耐磨件本体的表面设置多个盲孔；

（2）将烧结好的陶瓷棒放入金属基耐磨件盲孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满经无水乙醇混合的自熔性合金粉末，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的1%～4%；或将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于金属基耐磨件盲孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的质量比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%；

（3）将陶瓷颗粒金属基耐磨件整体放置于80℃～100℃下干燥；再将干燥后的耐磨件整体放入真空炉，在温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结；

（4）冷却后，从真空炉中取出，得产品。

步骤（2）中陶瓷棒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，陶瓷棒呈柱状、螺纹状或锥形结构。

本发明产品厚度根据工况要求设计，硬度为HRC65～75。

本发明的优点：

（1）陶瓷棒设计成柱状、螺纹状或锥形，有利于自熔性合金与其牢固的结合；

（2）在真空炉烧结温度下，自熔性合金粉末发生熔融与耐磨件基体产生冶金结合，耐磨件基体和陶瓷不会发生变形；

（3）工艺简单、制作材料不需进行热处理就能达到所需硬度；

（4）解决了陶瓷和金属基体结合难的难题，避免了浇注工艺带来的缺陷；

（5）耐磨工件表面陶瓷、合金和金属呈规律分布，既保证了耐磨件的耐磨性，又保证了其抗冲击性能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是实施例1的破碎机锤头结构示意图。

图2是实施例2的破碎机锤头结构示意图。

图3是实施例3的磨煤机磨辊衬板结构示意图。

图4是实施例4的磨煤机磨辊衬板结构示意图。

图5是实施例5的磨煤机磨盘衬板结构示意图。

图6是实施例6的磨煤机磨盘衬板结构示意图。

图7是实施例7的球磨机衬板结构示意图。

图8是实施例8的球磨机衬板结构示意图。

具体实施方式

实施例1：破碎机锤头

（1）                  以破碎机锤头为本体1，在本体的表面设置多个盲孔；

（2）                  将烧结好的陶瓷棒2放入锤头孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满合适的自熔性合金粉末3；其中，自熔性合金粉末中，无水乙醇的加入量为粉末质量1%～4%；然后再把锤头整体放置于80℃～100℃下干燥。

（3）                  将干燥后的破碎机锤头整体放入真空炉温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结，自熔性合金粉末发生熔融并与破碎机锤头基体产生牢固的冶金结合，与金属陶瓷棒也产生冶金结合，若陶瓷棒为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷，则陶瓷棒设计成柱状、螺纹状或锥形等结构，该结构可以使陶瓷棒和自熔性合金产生牢固的机械咬合作用。

（4）                  冷却后，从真空炉中取出，得产品。

实施例2：

步骤（2）改为：将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于锤头孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末5的比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%。

步骤(3)烧结后，混合颗粒中的自熔性合金发生熔融并与破碎机锤头基体4也发生牢固的冶金结合，陶瓷颗粒也被自熔性合金牢固的包裹起来。

其余同实施例1。

实施例3：磨煤机磨辊

（1）                  以磨煤机磨辊衬板为本体，在本体的表面设置多个盲孔；

（2）                  将烧结好的陶瓷棒放入磨煤机磨辊衬板孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满合适的自熔性合金粉末；其中，自熔性合金粉末中，无水乙醇的加入量为粉末质量1%～4%；然后再把衬板整体放置于80℃～100℃下干燥。

（3）                  将干燥后的磨煤机磨辊衬板整体放入真空炉温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结，自熔性合金粉末发生熔融并与磨煤机磨辊衬板基体产生牢固的冶金结合，与金属陶瓷棒也产生冶金结合，若陶瓷棒为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷，则陶瓷棒设计成柱状、螺纹状或锥形等结构，该结构可以使陶瓷棒和自熔性合金产生牢固的机械咬合作用。

（4）            冷却后，从真空炉中取出，得产品。

实施例4：

步骤（2）改为：将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于磨煤机磨辊衬板孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%。

步骤(3)烧结后，混合颗粒中的自熔性合金发生熔融并与磨煤机磨辊衬板基体也发生牢固的冶金结合，陶瓷颗粒也被自熔性合金牢固的包裹起来。

其余同实施例3。

实施例5：磨煤机磨盘、衬板

（1）                  以磨煤机磨盘衬板为本体，在本体的表面设置多个盲孔；

（2）                  将烧结好的陶瓷棒放入磨煤机磨盘衬板孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满合适的自熔性合金粉末；其中，自熔性合金粉末中，无水乙醇的加入量为粉末质量1%～4%；然后再把衬板整体放置于80℃～100℃下干燥。

（3）                  将干燥后的磨煤机磨盘衬板整体放入真空炉温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结，自熔性合金粉末发生熔融并与磨煤机磨盘衬板基体产生牢固的冶金结合，与金属陶瓷棒也产生冶金结合，若陶瓷棒为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷，则陶瓷棒设计成柱状、螺纹状或锥形等结构，该结构可以使陶瓷棒和自熔性合金产生牢固的机械咬合作用。

（4）                  冷却后，从真空炉中取出，得产品。

实施例6：

步骤（2）改为：将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于磨煤机磨盘衬板孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%。

步骤(3)烧结后，混合颗粒中的自熔性合金发生熔融并与磨煤机磨盘衬板基体也发生牢固的冶金结合，陶瓷颗粒也被自熔性合金牢固的包裹起来。

其余同实施例5。

实施例7：球磨机衬板

（1）                  以球磨机衬板为本体，在本体的表面设置多个盲孔；

（2）                  将烧结好的陶瓷棒放入球磨机衬板孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满合适的自熔性合金粉末；其中，自熔性合金粉末中，无水乙醇的加入量为粉末质量1%～4%；然后再把衬板整体放置于80℃～100℃下干燥。

（3）                  将干燥后的球磨机衬板整体放入真空炉温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结，自熔性合金粉末发生熔融并与球磨机衬板基体产生牢固的冶金结合，与金属陶瓷棒也产生冶金结合，若陶瓷棒为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷，则陶瓷棒设计成柱状、螺纹状或锥形等结构，该结构可以使陶瓷棒和自熔性合金产生牢固的机械咬合作用。

（4）                  冷却后，从真空炉中取出，得产品。

实施例8：

步骤（2）改为：将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于球磨机衬板孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%。

步骤(3)烧结后，混合颗粒中的自熔性合金发生熔融并与球磨机衬板基体也发生牢固的冶金结合，陶瓷颗粒也被自熔性合金牢固的包裹起来。

其余同实施例7。

Claims (7)

1. 一种陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：包括金属基耐磨件本体，在金属基耐磨件本体表面设置多个盲孔，盲孔中设置与金属基耐磨件本体冶金结合的自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体。

2. 根据权利要求1所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：所述的金属基耐磨件材料为高锰钢、合金钢、高碳铬铁或镍铬低合金铸铁；所述的盲孔孔型为柱状、螺纹状或锥形；所述的自熔性合金粉末为镍基、铁基或钴基自熔性合金；所述的陶瓷颗粒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷或金刚石。

3. 根据权利要求1或2所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是陶瓷棒与自熔性合金粉末烧结体，其中陶瓷棒位于盲孔中心，自熔性合金粉末位于陶瓷棒与盲孔内壁之间，自熔性合金粉末与金属基耐磨件本体及金属陶瓷棒形成冶金结合，与氧化物、氮化物或碳化物陶瓷棒为高强度咬合作用，有效防止陶瓷棒掉落。

4. 根据权利要求3所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：陶瓷棒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，陶瓷棒呈柱状、螺纹状或锥形结构。

5. 根据权利要求1或2所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料，其特征是：所述自熔性合金粉末与陶瓷的烧结体是自熔性合金粉末与陶瓷颗粒混合物的烧结体，其中陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的质量比为1:0.6~1.2，自熔性合金粉末与金属基耐磨件本体冶金结合。

6. 一种权利要求1所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料的制备方法，其特征是：依次包括下列步骤：

（1）以金属基耐磨件为本体，在金属基耐磨件本体的表面设置多个盲孔；

（2）将烧结好的陶瓷棒放入金属基耐磨件盲孔内，陶瓷棒与本体之间有间隙，间隙之间填满经无水乙醇混合的自熔性合金粉末，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的1%～4%；或将自熔性合金粉末与陶瓷颗粒用无水乙醇混合均匀成混合物，并将其填充于金属基耐磨件盲孔内，混合物中，陶瓷颗粒与自熔性合金粉末的质量比为1:0.6～1.2，无水乙醇的加入量为自熔性合金粉末质量的2%～6%；

（3）将陶瓷增强金属基耐磨件整体放置于80℃～100℃下干燥；再将干燥后的耐磨件整体放入真空炉，在温度为1000℃～1150℃、真空度为0.1Pa下烧结；

（4）冷却后，从真空炉中取出，得产品。

7. 根据权利要求6所述的陶瓷增强金属基耐磨复合材料的制备方法，其特征是：步骤（2）中陶瓷棒为金属陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷，陶瓷棒呈柱状、螺纹状或锥形结构。

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