CN103014568B - 锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，旨在提供一种不增加产品成本，并且大幅度提高产品的使用寿命的复合耐磨材料制造方法；其制备方法：1）将钒铁粉、水玻璃粘结剂和水按质量比9-11:1:1混合制成涂料；2）将锆刚玉陶瓷球放入氢氟酸液体中进行粗化处理；3）将步骤2）经过粗化的锆刚玉陶瓷球放在钢丝网格中，球与球相隔距离5-8mm，用另一块钢丝网将排列好的陶瓷球盖住，再将两块钢丝网固定住；4）将步骤3）固定有陶瓷球的钢丝网浸入步骤1）的涂料中，取出后烘干备用；5）将涂有涂料的钢丝网固定铸型内；6）熔化中低合金得到钢液，浇入铸型钢液凝固即得；属于机械材料制备技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料的制造方法，具体地说，是一种锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法；属于机械材料制造技术领域。
背景技术
在矿山用来采矿的机械因为磨损消耗量巨大，每年仅磨料磨损消耗的金属耐磨材料达到300多万吨。经济损失在1000亿元以上。主要原因是多数工作部件采用金属制造，而在矿山面对的工作对象是硬度较高的非金属，前者的硬度比较后者低得多，许多矿区用于矿石破碎的破碎机的锤头质量仅用几天就需要更换，导致成本增加停工损失。复杂的工作对象和恶劣的工况条件，要求加工部件的材料应该在硬度方面与之对应甚至高于工作对象，单一的金属合金材料已经难以适应，特别是工作部件的打击面应该采用硬度高的陶瓷材料，而在位于非工作面的材料则不需要高硬度，只要硬度适中和较高的韧性即可。
刘小君在2008年第4期《包头职业技术学院学报》刊登的“低碳低合金钢斗齿耐磨材料的研究”指出：当化学元素含量 0.2-0.27%C、0.4-0.6% Si、 0.6-0.8% Cr、 0.6-1.0% Mn、0.4-0.8% Mo、 0.8-1.4% Ni、 0.1-0.2% Cu、 ≤0.025% S、≤0.025% P、≤0.06% Re时，优化热处理工艺获得材料，硬度为43HRC，42.9g试样240min的磨损量为1.25g，而传统的高锰钢42.9g试样240min的磨损量为2.31g，前者的磨损量仅仅是后者的54%，耐磨性能由于后者，但该研究仍然处在提高单一金属状态，未能获得实质性突破。作者康乐等人在《热加工工艺》2010年12期刊登的“新型金属-陶瓷耐磨材料的应用研究”论文指出：通过机械加工方法将氧化铝陶瓷片嵌入金属基体中，磨损实验结果，金属-陶瓷复合材料与高铬合金白口铸铁材料相比，耐磨性提高了3倍以上。该复合材料在某电厂的输煤管上与普通铸钢衬板进行对比试验。普通铸钢衬板运转1440h已基本失效，而金属-陶瓷复合衬板至少可运转7200 h。金属陶瓷复合衬板具有耐磨性高、稳定性好等优点，但复合技术属于机械加工范畴，效率低，难以大批量生产。
发明内容
本发明的目的就是提供一种不增加产品成本，并且大幅度提高产品的使用寿命锆刚玉球的复合耐磨材料的制造方法。
本发明的技术方案是这样的：一种锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：1）将钒铁粉、水玻璃粘结剂和水按质量比9-11:1:1的比例进行混合制成涂料；2）将锆刚玉陶瓷球放入氢氟酸液体中将其进行粗化处理；3）选用网孔直径比陶瓷球直径小1-2mm的钢丝网，将步骤2）经过粗化的锆刚玉陶瓷球放在钢丝网的网格中，球与球相隔距离5-8mm，然后用另一块钢丝网将排列好的陶瓷球盖住，再将两块钢丝网固定住，确保锆刚玉球被两层钢丝网夹住不会移动；4）将步骤3）固定有陶瓷球的钢丝网浸入步骤1）所述的涂料中，使钒铁粉粘结在陶瓷球和钢丝网的钢丝上，取出后烘干备用；5）将涂有涂料的钢丝网固定铸型内；6）熔化中低合金得到钢液，用钢液浇入铸型，低合金钢钢液体对铸型空腔充型并通过钢丝网的网孔将陶瓷球包围，钢液凝固即得。
上述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，所述的锆刚玉球的直径为5-10mm。
进一步的，上述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，步骤5）用铁钉从钢丝网两侧插入铸型，将钢丝网固定在铸型内。
进一步的，上述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，步骤5）用钢杆将钢丝网支撑到两边的铸型型壁来固定钢丝网。
进一步的，上述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，所述的低合金钢的硬度为43HRC；锆刚玉陶瓷球的硬度为2400HV。
与现有技术相比，本发明的复合耐磨材料，是在低合金钢的基体上根据需要在某一部位镶铸锆刚玉陶瓷球，在陶瓷球与低合金钢的界面处形成钒原子的扩散，组织中生成碳化钒的颗粒其他部位仍然为低合金钢组织，陶瓷球具有高的硬度，合金组织具有适中的硬度和较好的韧性，二者配合各自发挥其作用避免了单一低合金钢功能不全面的问题，同样体积时锆刚玉陶瓷球的成本与低合金钢的成本相当，因此可以在不增加产品成本的基础上，大幅度提高产品的使用寿命，为生产企业带来经济效益；陶瓷球周围的低合金钢基体材料紧紧固定住陶瓷球，保证其不脱落，材料表面是合金，外观质量不受影响，可以快速大量生产。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但其不代表为本发明的唯一实施方式。
锆刚玉陶瓷球的粗化：选购锆刚玉陶瓷球，硬度为2400HV，锆刚玉陶瓷球的直径为5-10mm,。化学成分：Al2O3 76.16%；ZrO2 20.35%；SiO2 0.6%；TiO2 1.69%，球径为5-10mm，将陶瓷球放入氢氟酸溶液中（VHF：VH2O=1：1），搅拌30min粗化，取出陶瓷球，用清水预冲洗后放入超声波清洗机内进行最终冲洗，取出陶瓷球。
涂料配制：将钒铁块人工破碎成2-3mm粒度大小，放入球磨机的陶瓷罐内，加入等量的陶瓷球，启动球磨机，加工时间8小时，制成钒铁粉。将重量比为10：1：1的钒铁粉、水玻璃粘结剂、水混合后充分搅拌制成涂料。
锆刚玉陶瓷球敷涂料：将经过粗化处理的锆刚玉陶瓷球，放入涂料中，取出后自然干燥处理。
准备固定陶瓷球的钢丝网：选购网孔尺寸比陶瓷球直径小1-2 mm的钢丝网，钢丝的直径为0.3-0.5mm，经过机加工对钢丝网进行裁剪，获得需要的尺寸。
陶瓷球的固定：根据需要，将经过上述处理后的陶瓷球放在钢丝网的对应位置的网孔上，陶瓷球径大于网孔，所以不会从网孔中漏出；陶瓷球与陶瓷球之间的距离为5-10mm,球与产品表面的距离5-8mm,该距离的存在有助于低合金钢钢液的充型，保证钢液包围陶瓷球，钢液凝固后可以紧紧将其固定在合金内。然后将另一片相同尺寸的钢丝网盖在排列的陶瓷球上，用螺栓将两边的钢丝网固定好。
制作砂铸型，将固定有陶瓷球的钢丝网放在铸型内，放置在材料内部需要加大硬度的区域，用铁钉插入砂型的办法，将钢丝网固定，也可以用钢杆支撑到两边的铸型型壁来固定钢丝网。
熔化合金，低合金钢的硬度为43HRC，合金液体主要化学成分：0.2-0.27%C；0.4-0.6% Si；0.6-0.8% Cr；0.6-1.0% Mn；0.4-0.8% Mo；0.8-1.4% Ni；0.1-0.2% Cu；≤0.025 S； ≤0.025 P；≤0.06 Re；余为Fe。
本发明涉及的材料低合金钢的硬度为43HRC，锆刚玉陶瓷球的硬度为2400HV，HRC硬度与HV硬度的换算关系大约为10：1，因此锆刚玉陶瓷球的硬度是低合金钢的5倍。
浇注成型：当低合金钢液体浇入铸型时，液体对铸型空腔充型，并通过钢丝网包围住陶瓷球，涂料中的钒铁粒子被熔化，形成陶瓷球表面与合金液体中钒原子的浓度差，陶瓷球面上钒原子浓度大，钒原子向合金液体中扩散与合金液体中的碳原子结合生成碳化钒，使合金基体的硬度提高。位于合金材料中的陶瓷球成为复合耐磨材料的强化相。
复合材料使用时热处理工艺为：预处理工艺，先加热至710℃，保温1小时，再继续加热到1050℃，保温5小时，随炉缓冷至880℃，出炉空冷。淬火回火工艺，920℃保温15分钟，水淬，220℃回火35分钟。
本发明的复合耐磨材料，用于制造机械耐磨部件时，铸件表面的5-8mm的合金层被磨损后，硬度极高的锆刚玉陶瓷球将发挥抵抗物料磨损的功能，提高了部件的使用寿命。
本发明与单一低合金钢耐磨性能比较见表一。
表一
| 材 质 | 单一低合金钢 | 复合耐磨材料 |
| 组织硬度 | 43HRC | 1000HV |
| 试样初重/g | 42.6 | 42.8 |
| 磨损量/g | 1.25 | 0.34 |
| 相对磨损量% | 2.93 | 0.79 |
复合耐磨材料的相对磨损量仅是单一低合金材料的27%，用复合耐磨材料来替代原来的单一低合金钢产品，将具有明显的经济效益。
Claims (6)
1.一种锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：1）将钒铁粉、水玻璃粘结剂和水按质量比9-11:1:1的比例混合制备涂料；2）将锆刚玉陶瓷球放入氢氟酸液体中将其进行粗化处理；3）选用网孔直径比陶瓷球直径小1-2mm的钢丝网，将步骤2）经过粗化的锆刚玉陶瓷球放在钢丝网的网格中，陶瓷球与陶瓷球相隔距离5-8mm，然后用另一块钢丝网将排列好的陶瓷球盖住，再将两块钢丝网固定住，确保锆刚玉球被两层钢丝网夹住不会移动；4）将步骤3）固定有陶瓷球的钢丝网浸入步骤1）所述的涂料中，使钒铁粉粘结在陶瓷球和钢丝网的钢丝上，取出后烘干备用；5）将涂有涂料的钢丝网固定铸型内；6）熔化中低合金得到钢液，用钢液浇入铸型，低合金钢钢液体对铸型空腔充型并通过钢丝网的网孔将陶瓷球包围，钢液凝固即得。
2.根据权利要求1所述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，所述的锆刚玉球的直径为5-10mm。
3.根据权利要求1所述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，步骤5）用铁钉从钢丝网一侧穿过钢丝网插入铸型，将钢丝网固定在铸型内。
4.根据权利要求1所述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，步骤5）用钢杆将钢丝网支撑到两边的铸型型壁来固定钢丝网。
5.根据权利要求1所述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，所述的低合金钢的硬度为43HRC。
6.根据权利要求1所述的锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，锆刚玉陶瓷球的硬度为2400HV。
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| CN1042497A (zh) * | 1988-11-10 | 1990-05-30 | 兰克西敦技术公司 | 制备大复合体的方法和由该方法生产的大复合体 |
| CN201915303U (zh) * | 2011-01-19 | 2011-08-03 | 肖景春 | 铁路钢轨接头处轨端绝缘片 |
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