CN102366829A - 一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，包括配比、制备Al2O3预制块、焙烧坯块、固定预制块、熔炼铸渗五个步骤。本发明制备的复合材料，Al2O3颗粒很好的镶嵌在钢基体中，Al2O3颗粒采用不同粒度混合，因而排列比较紧密，但无聚团现象，Al2O3颗粒周围充满了钢基体，呈冶金结合状态。本发明发发复合工艺简单、成本低廉、适用于低应力磨料冲蚀磨损工况下使用的表面复合耐磨材质。
Description
技术领域
本发明涉及铸造领域，特别涉及铸渗技术领域。
背景技术
磨损是机械零件失效的主要形式之一，磨料磨损相应占到材料磨损的50％。在磨料磨损中，低应力冲蚀磨损又占到一定比例。低应力冲蚀磨损广泛存在于现代工业生产中，如矿山、电厂等灰浆泵过流部件和管道及阀门的磨损。这些易磨损件在工作过程中不但承受固体粒子的冲蚀与切削作用，而且还要承受液体介质的腐蚀作用及高温的作用，工作环境极其恶劣，因而使这些耐磨件的使用寿命较低。
目前在工矿企业中常用冲蚀磨损的耐磨材料有：白口铸铁、耐磨钢、有色合金、陶瓷、塑料橡胶等几大类别。这些材料往往使硬度、韧性、高温强度、抗氧化腐蚀性、耐热性等性能的配合不尽人意，而且有些性能的提高也非常有限。对于变化的复杂冲蚀磨损工况，其耐磨耐热耐腐蚀性难以取得突破性进展。目前，渣浆泵比较广泛使用的材料是高铬铸铁，高铬铸铁具有较高的硬度，以及一定的抗腐蚀能力，在渣浆泵上使用取得一定的成效。但随着实际工况生产量的加大，以及渣浆泵向大型化的发展，液体浆料的输送速度增加，渣浆泵的磨损也就愈严重。高铬铸铁难以抵抗高速固体粒子的冲蚀磨损和液体介质引起的腐蚀和气蚀。因此，高铬铸铁作为渣浆泵过流部件材料并不是十分理想的材料。
有色合金类、陶瓷类、塑料橡胶类耐磨材料，近年有所发展。但从实际应用情况来看，都存在某些方面的不足之处，如：陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性和高温抗氧化性，非常适用于低应力磨损条件下的使用，但是由于陶瓷材料制备、加工困难，生产成本高，以及脆性大的特点，使其应用受到限制。
钢铁金属有很好的可加工性、韧性和强度，Al2O3具有很多优良的性能，如具有高的强度、硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，可作为各种覆层材料。为了发挥金属和陶瓷的各自优点，将陶瓷材料和金属材料复合形成表面复合材料，既充分发挥各自材料的性能，又可以人为地针对不同工况条件进行材料性能和结构的设计，是低应力磨损条件下耐磨材料的一个发展方向。
现有技术中有采用自蔓延技术在钢管内表面形成Al2O3陶瓷的方法，然而，在非回转体表面采用铸渗的方法形成Al2O3陶瓷覆层的技术还未见报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，通过该方法制备的Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料不仅具有金属很好的可加工性、韧性和强度，还具有陶瓷材料高的硬度和好的耐蚀性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，按以下步骤进行，
1)配比组分：粒度为120-150目和200-320目两种规格的Al2O3颗粒，其中以重量百分比计120-150目占30-50％，200-320目的占50-70％；粘结剂为高纯粘土，占Al2O3颗粒的质量比为6-10％，辅料为硼酸、氟化钠、PVC粒子，其中硼酸占Al2O3颗粒的质量比为0.3％-0.8％，氟化钠占Al2O3颗粒的质量比为5％-8％，PVC粒子占Al2O3颗粒的质量比为8％-12％；
2)制备Al2O3预制块：将上步选好的Al2O3颗粒、粘结剂以及辅料，机械混合均匀后，放入压机中压制成预制块，预制块的形状和尺寸根据需要复合的部位的情况确定；
3)焙烧坯块：将步骤2)得到的预制块在炉中在800-850℃下焙烧1.5-2个小时；
4)固定预制块：将焙烧后的预制块放入砂型中需要复合的部位，并固定好；
5)熔炼铸渗：在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃-1650℃，将步骤4)的砂型放在真空浇注室内，抽真空，真空度为0.02-0.03MPa，进行浇注，浇注完毕继续抽真空2-10min，使得熔融金属充分充型并铸渗到预制块的孔隙中，冷却后开箱、落砂及清理，即得到Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料。
本发明的有益效果在于：
1.本发明以广泛应用的钢铁材料为基体，Al2O3颗粒作为增强相，采用铸渗法制备Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料，复合工艺简单、成本低廉、适用于低应力磨料冲蚀磨损工况下使用的表面复合耐磨材质。
2.Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的特征为：Al2O3颗粒很好的镶嵌在钢基体中，Al2O3颗粒采用不同粒度混合，因而排列比较紧密，但无聚团现象，Al2O3颗粒周围充满了钢基体，呈冶金结合状态。钢表面铸渗复合层的主要组织为Al2O3颗粒+钢基体+石墨，钢基体主要为铁素体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例一
一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，按以下步骤进行，
1)配比组分：粒度为120-150目和200-320目两种规格的Al2O3颗粒，其中以重量百分比计120-150目占30％，200-320目的占70％；粘结剂为高纯粘土，占Al2O3颗粒的质量比为6％，辅料为硼酸、氟化钠、PVC粒子，其中硼酸占Al2O3颗粒的质量比为0.3％，氟化钠占Al2O3颗粒的质量比为5％，PVC粒子占Al2O3颗粒的质量比为8％；
2)制备Al2O3预制块：将上步选好的Al2O3颗粒、粘结剂以及辅料，机械混合均匀后，放入压机中压制成预制块，预制块的形状为平面状，厚度为3毫米；
3)焙烧坯块：将步骤2)得到的预制块在炉中在800℃下焙烧1.5小时；
4)固定预制块：将焙烧后的预制块放入砂型顶部，并固定好；
5)熔炼铸渗：在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃，将步骤4)的砂型放在真空浇注室内，抽真空，真空度为0.02-0.03MPa，进行浇注，浇注完毕继续抽真空5min，使得熔融金属充分充型并铸渗到预制块的孔隙中，冷却后开箱、落砂及清理，即得到Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料。
实施例二
一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，按以下步骤进行，
1)配比组分：粒度为120-150目和200-320目两种规格的Al2O3颗粒，其中以重量百分比计120-150目占40％，200-320目的占60％；粘结剂为高纯粘土，占Al2O3颗粒的质量比为8％，辅料为硼酸、氟化钠、PVC粒子，其中硼酸占Al2O3颗粒的质量比为0.5％，氟化钠占Al2O3颗粒的质量比为6％，PVC粒子占Al2O3颗粒的质量比为10％；
2)制备Al2O3预制块：将上步选好的Al2O3颗粒、粘结剂以及辅料，机械混合均匀后，放入压机中压制成预制块，预制块的形状为平面状，厚度为2毫米
3)焙烧坯块：将步骤2)得到的预制块在炉中在850℃下焙烧1.5个小时；
4)固定预制块：将焙烧后的预制块放入砂型的侧面，并固定好；
5)熔炼铸渗：在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃，将步骤4)的砂型放在真空浇注室内，抽真空，真空度为0.02-0.03MPa，进行浇注，浇注完毕继续抽真空5min，使得熔融金属充分充型并铸渗到预制块的孔隙中，冷却后开箱、落砂及清理，即得到Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料。
实施例三
一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，按以下步骤进行，
1)配比组分：粒度为120-150目和200-320目两种规格的Al2O3颗粒，其中以重量百分比计120-150目占50％，200-320目的占70％；粘结剂为高纯粘土，占Al2O3颗粒的质量比为10％，辅料为硼酸、氟化钠、PVC粒子，其中硼酸占Al2O3颗粒的质量比为0.8％，氟化钠占Al2O3颗粒的质量比为8％，PVC粒子占Al2O3颗粒的质量比为8％；
2)制备Al2O3预制块：将上步选好的Al2O3颗粒、粘结剂以及辅料，机械混合均匀后，放入压机中压制成预制块，预制块的形状为平面状，厚度为3.5毫米；
3)焙烧坯块：将步骤2)得到的预制块在炉中在850℃下焙烧2个小时；
4)固定预制块：将焙烧后的预制块放入砂型的底部，并固定好；
5)熔炼铸渗：在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1650℃，将步骤4)的砂型放在真空浇注室内，抽真空，真空度为0.02-0.03MPa，进行浇注，浇注完毕继续抽真空5min，使得熔融金属充分充型并铸渗到预制块的孔隙中，冷却后开箱、落砂及清理，即得到Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料。
Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料相对耐磨性的最大值出现在冲蚀角45°，但在冲蚀角30°、45°和60°时该复合材料的相对冲蚀磨损耐磨性都比其它三种材料高。高铬铸铁冲蚀磨损耐磨性在90°的冲蚀角度下是四种材料中最好的。低铬铸铁的最大冲蚀磨损磨损率出现在冲蚀角60°，其最好的冲蚀磨损耐磨性出现在冲蚀角45°。
表1为冲蚀角45°下试验材料的冲蚀磨损试验结果，从表中可以看出Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的冲蚀磨损耐磨性最好，其相对冲蚀磨损耐磨性为Q235钢的5.25倍。
表1材料的冲蚀磨损试验结果(冲蚀角45°)
| 磨损试样 | 磨损率，δmg/h | 相对耐磨性，β |
| Q235 | 12.20 | 1.00 |
| 高铬铸铁 | 9.24 | 1.32 |
| 低铬铸铁 | 6.26 | 1.95 |
| 本发明复合材料 | 2.90 | 4.20 |
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (1)
1.一种Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料的铸渗方法，其特征在于，按以下步骤进行，
1)配比组分：粒度为120-150目和200-320目两种规格的Al2O3颗粒，其中以重量百分比计120-150目占30-50％，200-320目的占50-70％；粘结剂为高纯粘土，占Al2O3颗粒的质量比为6-10％，辅料为硼酸、氟化钠、PVC粒子，其中硼酸占Al2O3颗粒的质量比为0.3％-0.8％，氟化钠占Al2O3颗粒的质量比为5％-8％，PVC粒子占Al2O3颗粒的质量比为8％-12％；
2)制备Al2O3预制块：将上步选好的Al2O3颗粒、粘结剂以及辅料，机械混合均匀后，放入压机中压制成预制块，预制块的形状和尺寸根据需要复合的部位的情况确定；
3)焙烧坯块：将步骤2)得到的预制块在炉中在800-850℃下焙烧1.5-2个小时；
4)固定预制块：将焙烧后的预制块放入砂型中需要复合的部位，并固定好；
5)熔炼铸渗：在中频感应电炉中熔炼钢液，纯铝脱氧，浇铸温度为1550℃-1650℃，将步骤4)的砂型放在真空浇注室内，抽真空，真空度为0.02-0.03MPa，进行浇注，浇注完毕继续抽真空2-10min，使得熔融金属充分充型并铸渗到预制块的孔隙中，冷却后开箱、落砂及清理，即得到Al2O3颗粒表面增强钢基复合材料。
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