CN102600939B - 纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供 一种纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球 其制造工艺 ，在钢球本体的 其表面和次表面均匀镶嵌 纳米氧化锆陶瓷。 其制造工艺 包括：纳米氧化锆陶瓷的 配料，雾化干燥：筛分，干压致密，烧结致密化，粉碎打磨制粉，钢材选择，模锻成球，高温淬火，机油回火等。本发明采用纳米级部分氧化钇稳定的氧化锆粉，将晶粒度控制100nm以内，在模锻制钢球时表面添加氧化锆陶瓷粉，强化钢球表面，让其具有高强度、高韧性、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀、刚度高、不导磁、电绝缘等特点；其密度为6.00g/cm ³ ，莫氏硬度可高达9,抗压强度1170Mpa，热膨胀率接近金属热膨胀率，并可靠地与钢球接合，显著地提高了钢球的强度和耐磨性能。采用本发明表面强化法具有投资少、见效快等优点。

Description

纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法

技术领域

本发明涉及用在大型磨球机上的磨介钢球，具体为一种纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球，并涉及此种耐磨钢球的制造方法。

背景技术

球磨机是工业生产中广泛使用的高细磨机械之一。球磨机钢球是球磨机设备研磨物料介质，通过球磨机钢球之间、钢球与物料之间的碰撞摩擦产生磨剥作用，是重要的基础零部件，尤其是精密工业钢球在国民经济发展中起着巨大作用，其广泛用于水泥厂和发电厂等工艺过程中。在一些特殊条件下，常常需要特殊材质的钢球，来完成不同环境下所要求达到的功能。现有技术中，球磨机的磨介钢球主要包括高铬钢球、低铬钢球、多元合金钢球和钒钛铬合金钢球等，但是对于硬度、耐磨性、耐腐蚀、耐高温要求较高的磨介钢球还不能完全满足用户的需要，如矿山、电厂等。据资料和实践表明，在磨介钢球疲劳损耗中，钢球其工作表面和次表面层的损伤（如微小点蚀、腐蚀、表面疲劳损伤和塑性变形等）占60%的比例，由此可见，要改善和提高磨介钢球的工作性能是本领域技术人员有待解决的问题。

发明内容

本发明解决现有球磨机磨介钢球工作性能（耐磨、耐腐蚀、耐高温和硬度）存在的不足，提供一种高耐磨、耐腐蚀、耐高温、高硬度的纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球。

本发明的另一目的是提供所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造工艺。

解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：一种纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球，其特征在于，在钢球本体的表面和次表面均匀镶嵌纳米氧化锆陶瓷粉。

进一步，所述纳米氧化锆陶瓷粉均匀嵌入在钢球表面和次表面，纳米氧化锆陶瓷粉加量为钢球质量的0.1%～0.3%。所述纳米氧化锆陶瓷粉中包含5%～30%的添加剂。

所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，包括如下顺序的步骤： 

　1）纳米氧化锆陶瓷的配料：将粒度为40～100nm粒径的氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体与粘接剂按 95～98∶5～2的质量比配混合，加入1～1.5倍混合料重量的净水，调配成料浆球磨16～24 h； 

2）雾化干燥：将步骤1）所得到的料浆加入质量比为0.5%～1%的分散剂，在喷雾干燥塔内雾化干燥，干燥塔温度控制在110～300℃范围内，制成造粒粉末；       

3）筛分：将步骤2）所得到的粉末过筛，取粒度范围为180～320目筛之间粉末，即40～90μm粉末；其余粉末回收再次球磨； 

4）干压致密：将步骤3）所得到的粒度为40～90μm的粉末加在12～16 Mpa压力下，在干粉压机上成型出50mm～100mm×150mm～200mm×4～10mm的矩形块，使其素坯密度≥2.5 g/cm³；

5）烧结致密化：将步骤4）所得的矩形块放入升降式电阻窑炉中，烧结至1500℃～1600℃，烧结成瓷，保温3～5小时后，使其密度≥6.0 g/cm³，让其自然降温冷却；

6）粉碎打磨制粉：将步骤5）冷却后的致密化陶瓷放入破碎机、砂轮机打磨制成陶瓷粉；将陶瓷粉粉末过筛，取200～400目筛之间致密粉末，加入5%～30%质量的添加剂混合均匀，备用；

7）钢材选择：将含有钒（V）：0.06～0.10wt%，钛（Ti）：0.04～0.10 wt%，铬（Cr）：0.10～0.15 wt%，碳（C）：0.55～0.90 wt%，硅（Si）：0.28～0.90 wt%，锰（Mn）：0.80～1.70 wt %，磷（P）：0～0.03 wt %，硫（S）:0～0.035 wt %，其余为铁（Fe）的钢材切割成所需尺寸的矩形块材；

8）模锻成球：将步骤7）的矩形块材放入加热炉中加热到1100℃～1150℃，然后将其放到锻打设备上进行模锻成球形体；此时将步骤6）所得混合瓷粉通过送粉器预热350℃～450℃，均匀覆盖整个钢球，直接锤打到钢球表面，使混合瓷粉嵌入到钢球表面和次表面；混合瓷粉的添加量为钢球质量的0.1%～0.3%；

9）高温淬火：待步骤8）处理的钢球自然冷却到780℃～830℃时，将其放进温度为35℃～ 45℃之间的淬火液中进行滚动式淬火； 

10）机油回火：将淬火后的钢球放进机油中进行回火，回火温度是150℃～249 ℃，回火时间在2小时～6小时；

 11）检测成品：回火后的钢球即为成品。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用部分氧化钇稳定的氧化锆粉 (YSZ)固体陶瓷电解质，将晶粒度控制100nm以内，在模锻制钢球时表面添加纳米氧化锆陶瓷复合瓷粉，高温成瓷后，具有高强度、高韧性、耐磨性好、耐高温、耐腐蚀、刚度高、不导磁、电绝缘等特点；其密度为6.00g/cm3，莫氏硬度可高达9, 抗压强度1170 Mpa，热膨胀率接近金属热膨胀率，并可靠地与钢球接合，显著地提高了钢球的强度和耐磨性能。

2、本发明用氧化钇稳定的氧化锆粉干压成型、高温烧结成瓷后破碎打磨成2～5um的陶瓷粉或复合瓷粉，在钢球模锻成球时，加入其表面和次表面，最终获得一种高耐磨、耐腐蚀、耐高温、高硬度的磨介钢球。

3、本发明采用表面强化法具有投资少、见效快等优点。采用本方法研磨效率高，减少物料研磨时间和循环次数，在相同研磨条件下具有较大的撞击能量，从而大大提高研磨效率．耐冲击，超低磨耗，提高了生产效率，极大降低诸如介质损耗、电耗、人工、设备等所带来的综合成本。

4、对研磨物料几乎没有污染，保证了研磨物料的纯度．综合成本低：同时，在完全适应于球磨机的情况下，明显地降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，并不是对本发明的限定。

一种纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球，在钢球本体的表面和次表面均匀镶嵌纳米氧化锆陶瓷粉。所述纳米氧化锆陶瓷粉均匀嵌入在钢球表面和次表面，纳米氧化锆陶瓷粉加量为钢球质量的0.1%～0.3%。

所述纳米氧化锆陶瓷粉中包含15%～20%的添加剂。

上述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，包括如下顺序的步骤： 

　1）纳米氧化锆陶瓷的配料：将粒度为40～100nm粒径的氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体与粘接剂按 95～98∶5～2的质量比配混合，加入1～1.5倍混合料重量的净水，调配成料浆球磨16～24 h； 

2）雾化干燥：将步骤1）所得到的料浆加入质量比为0.5%～1%的分散剂，在喷雾干燥塔内雾化干燥，干燥塔温度控制在110～300℃范围内，制成造粒粉末；       

3）筛分：将步骤2）所得到的粉末过筛，取粒度范围为180～320目筛之间粉末，即40～90μm粉末；其余粉末回收再次球磨； 

4）干压致密：将步骤3）所得到的粒度为40～90μm的粉末加在12～16 Mpa压力下，在干粉压机上成型出50mm～100mm×150mm～200mm×4～10mm的矩形块，使其素坯密度≥2.5 g/cm³；

5）烧结致密化：将步骤4）所得的矩形块放入升降式电阻窑炉中，烧结至1500℃～1600℃，烧结成瓷，保温3～5小时后，使其密度≥6.0 g/cm³，让其自然降温冷却；

6）粉碎打磨制粉：将步骤5）冷却后的致密化陶瓷放入破碎机、砂轮机打磨制成陶瓷粉；将陶瓷粉粉末过筛，取200～400目筛之间致密粉末，加入15%～20%质量的添加剂混合均匀，备用；

7）钢材选择：将含有钒（V）：0.06～0.10wt%，钛（Ti）：0.04～0.10 wt%，铬（Cr）：0.10～0.15 wt%，碳（C）：0.55～0.90 wt%，硅（Si）：0.28～0.90 wt%，锰（Mn）：0.80～1.70 wt %，磷（P）：0～0.03 wt %，硫（S）:0～0.035 wt %，其余为铁（Fe）的钢材切割成所需尺寸的矩形块材；

8）模锻成球：将步骤7）的矩形块材放入加热炉中加热到1100℃～1150℃，然后将其放到锻打设备上进行模锻成球形体；此时将步骤6）所得混合瓷粉通过送粉器预热350℃～450℃，均匀覆盖整个钢球，直接锤打到钢球表面，使混合瓷粉嵌入到钢球表面和次表面；混合瓷粉的添加量为钢球质量的0.1%～0.3%；

9）高温淬火：待步骤8）处理的钢球自然冷却到780℃～830℃时，将其放进温度为35℃～ 45℃之间的淬火液中进行滚动式淬火； 

10）机油回火：将淬火后的钢球放进机油中进行回火，回火温度是150℃～249 ℃，回火时间在2小时～6小时；

 11）检测成品：回火后的钢球即为成品。

具体实施例及对比实施例的参见下表，本发明并不限于以下实施例，在此不累述。本发明中涉及的%均为重量百分比。

氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体（深圳南玻集团所生产）和所用原料均为现有成熟产品。上述氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体中ZrO2与Y2O3的质量比为94～92∶6～8。

粘接剂和分散剂为陶瓷行业，较为通用法则，所用原料通用，配方灵活。粘接剂可以是聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的一种或两种以上的任意混合物。分散剂可以是CE64、异丁醇、磷酸三丁脂、丙三醇中的一种或两种以上的任意混合物。

添加剂为陶瓷粉和钢球结合剂，使用添加剂的目的是加大陶瓷粉与钢球表面附着力。根据陶瓷粉和钢球附着力来调节其加入量，加入瓷粉的20%较好。添加剂可以是铁粉、金刚石粉、刚玉粉、碳粉、铝粉中的一种或两种以上的任意混合物。

通过对比试验比较，本发明注入纳米氧化锆瓷粉的钢球表面显微硬度即复合硬度可提高10％以上。注入纳米氧化锆瓷粉的钢球表面处于压应力状态，应力值较未注入钢球提高15％以上。钢球表面注入纳米氧化锆瓷可以显著提高耐腐蚀性能，在恶劣的盐雾试验条件下，可使目视腐蚀锈班发生的时间推迟30～50倍。经过纳米氧化锆瓷粉表面的平均摩擦系数和平均相对磨损量比未注入材料分别降低了3～5倍和2～6倍。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (6)

1.一种纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于，

所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球为在钢球本体的表面和次表面均匀镶嵌纳米氧化锆陶瓷粉；所述纳米氧化锆陶瓷粉均匀嵌入在钢球表面和次表面，纳米氧化锆陶瓷粉加量为钢球质量的0.1%～0.3%；所述纳米氧化锆陶瓷粉中包含5～30%的添加剂；

包括如下顺序的步骤：

1）纳米氧化锆陶瓷的配料：将粒度为40～100nm粒径的氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体与粘接剂按95～98:5～2的质量比配混合，加入1～1.5倍混合料重量的净水，调配成料浆球磨16～24h；

2）雾化干燥:将步骤1）所得到的料浆加入质量比为0.5%～1%的分散剂，在喷雾干燥塔内雾化干燥，干燥塔温度控制在110～300℃范围内，制成造粒粉末；

3）筛分：将步骤2）所得到的粉末过筛，取粒度范围为180～320目筛之间粉末，即40～90μm粉末；其余粉末回收再次球磨；

4）干压致密：将步骤3）所得到的粒度为40～90μm的粉末在12～16Mpa压力下，在干粉压机上成型出50mm～100mm×150mm～200mm×4～10mm的矩形块，使其素坯密度≥2.5g/cm³；

5）烧结致密化：将步骤4）所得的矩形块放入升降式电阻窑炉中，烧结至1500℃～1600℃，烧结成瓷，保温3～5小时后，使其密度≥6.0g/cm³，让其自然降温冷却；

6）粉碎打磨制粉：将步骤5）冷却后的致密化陶瓷放入破碎机、砂轮机打磨成陶瓷粉；将陶瓷粉粉末过筛，取200～400目筛之间致密粉末，加入5%～30%质量的添加剂混合均匀，备用；

7）钢材选择：将含有钒（V）：0.06～0.10wt%，钛（Ti）：0.04～0.10 wt%，铬（Cr）：0.10～0.15 wt%，碳（C）：0.55～0.90 wt%，硅（Si）：0.28～0.90 wt%，锰（Mn）：0.80～1.70 wt %，磷（P）：0～0.03 wt %，硫（S）:0～0.035 wt %，其余为铁（Fe）的钢材切割成所需尺寸的矩形块材；

8）模锻成球：将步骤7）的矩形块材放入加热炉加热到1100℃～1150℃，然后将其放到锻打设备上进行模锻成球形体；此时将步骤6）所得混合瓷粉通过送粉器预热350℃～450℃，均匀覆盖整个钢球，直接锤打到钢球表面，使混合瓷粉嵌入到钢球表面和次表面；混合瓷粉的添加量为钢球质量的0.1%～0.3%；

9）高温淬火：待步骤8）处理的钢球自然冷却到780℃～830℃时，将其放进温度为35℃～45℃之间的淬火液中进行滚动式淬火；

10）机油回火：将淬火后的钢球放进机油中进行回火，回火温度是150℃～249℃，回火时间在2小时～6小时；

11）检测成品：回火后的钢球即为成品。

2.根据权利要求1所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于：所述氧化钇部分稳定纳米氧化锆粉体中ZrO₂与Y₂O₃的质量比为94～92:6～8。

3.根据权利要求1所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于，所述粘接剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的一种或两种以上的任意混合物。

4.根据权利要求1所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于，所述分散剂为CE64、异丁醇、磷酸三丁脂、丙三醇中的一种或两种以上的任意混合物。

5.根据权利要求1所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于，所述添加剂为铁粉、铝粉、金刚石粉、刚玉粉、碳粉中的一种或两种以上的任意混合物。

6.根据权利要求1所述纳米氧化锆陶瓷强化耐磨钢球的制造方法，其特征在于，步骤6）中，加入添加剂的量为20%。

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