CN103769562B - 一种活性元素烧结zta颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，将活性元素粉末混合均匀，加入适量粘结剂与ZTA颗粒搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后烘干；烧结得到蜂巢状预制块；将蜂巢状预制块固定在铸型预留位置并浇注金属液，冷却脱模后得到复合锤头。本发明中ZTA颗粒预制块的烧结工艺简单，其形状、尺寸可通过模具进行控制，同时复合锤头的铸渗工艺具有较高的生产效率、成品率和普适性。另外，界面处引入的活性元素可提高界面结合强度，具有钉扎效应的复合层结构赋予复合锤头较好的抗冲击性。

Description

一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法
技术领域
本发明属于破碎设备材料制备领域，具体涉及一种适用于锤式破碎机的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法。
背景技术
锤式破碎机广泛应用于冶金、矿山等工业领域，其锤头是承受主要磨损及冲击作用的关键零部件。目前常用的锤头材料包括高铬铸铁、合金钢及高锰钢等传统钢铁材料，但随着破碎加工要求的不断提升，单一材料的锤头已很难在严苛工况下展现良好的服役性能，这促使了新型耐磨材料的开发及锤头结构设计的优化。
陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料结合了其中两相的特点，可通过不同陶瓷、钢铁的组合及增强颗粒在基体中的局部复合来实现部件的多性能化，具有广泛应用于严苛磨损工况中的潜力。尤其是陶瓷颗粒仅在工作部位的表层分布的表层复合耐磨件，在保证具有足够耐磨性的同时可大大减少原料使用量进而降低成本。常用的表层复合耐磨件为整层复合的形式，复合层内高比例的陶瓷颗粒使耐磨件表面脆性很大，再加上复合层与基体间的结合面在强冲击、高应力的工况下容易开裂使得复合层剥落，缩短耐磨件的使用寿命，甚至造成重大的安全事故，因此需要对复合层进行韧化并改进其复合方式。
在制备陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料时常用的陶瓷颗粒为碳化物、氧化物、氮化物三类，如碳化钨与氧化铝。碳化钨与铁液润湿性很好，其界面处能够形成牢固的冶金结合。但碳化钨与钢铁的热胀系数差别较大，其界面处极易产生热裂纹，并且碳化钨资源日趋紧张、价格昂贵。而氧化铝虽然其价格较低，与钢铁的热匹配性较好，但其脆性很大，受到较高冲击时容易断裂。近年来，国内外学者在高韧性陶瓷的研发方面做了很多工作，发现氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷中的氧化锆由于其独特的相变过程可大大提高陶瓷的韧性，并且其价格也远低于碳化钨，因此可替代传统的陶瓷颗粒作为复合材料的增强相。但ZTA陶瓷具有与氧化铝同样的问题，即与铁液润湿性差，制备高性能复合材料的难度较大。
发明内容
本发明目的在于克服以上技术问题，提出了一种烧结工艺简单，其形状、尺寸可通过模具进行控制，同时复合锤头的铸渗工艺具有较高的生产效率、成品率和普适性，且能够提高润湿性和界面结合强度，具有钉扎效应的复合层结构赋予复合锤头较好的抗冲击性的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法。
为达到上述目的，本发明的制备方法包括以下步骤：
1）首先，将活性金属元素粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末；
其中，活性金属元素粉末为Ni、Cr中的一种或其混合物；
2）其次，将上述混合粉末与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后烘干；
3）将模具放入炉中烧结，自室温以5-10℃/min的升温速度升温至950-1100℃烧结1-2小时，随后以4-6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块；
4）将多个蜂巢状预制块以15-30mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合锤头。
所述的湿混采用球磨或混料筒混料。
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为70-80%。
所述的粘结剂为质量浓度20-30%的硼砂溶液，按每100g混合物中加入3-5mL。
所述的烘干温度为70℃。
所述的蜂巢状预制块孔隙率为40～50%。
所述的钢铁基体材料为制造锤头常用的高锰合金钢、低合金钢、铬系合金铸铁或镍系合金铸铁。
与现有技术相比，本发明具有的优势和效果包括：
本发明中ZTA颗粒表面包覆的活性元素粉末，烧结时会与ZTA之间形成冶金结合，连接ZTA颗粒。最终在浇铸时，活性元素粉末与铁液之间的高固溶度及预制块中足够的孔隙也可保证其具有优良的铸渗效果。因此，本发明中将活性元素引入ZTA颗粒与铁基体界面处的方法能够得到界面结合强度较高、抗冲击性较好的耐磨复合锤头。
另外，添加少量的硼砂溶液作为粘结剂，不仅可以使得活性元素粉末较好的粘附于陶瓷颗粒表面，在后期的铸渗过程中还可起到铸渗剂的作用，因此优于其他树脂、聚乙烯醇等会带来残炭和杂质的常用粘结剂。
本发明中ZTA颗粒烧结后形成的块体为蜂巢状结构，使得圆柱状的金属基体可在复合层中产生钉扎效应，提高了复合层与基体的结合强度，可大大降低耐磨件失效的几率。此外，由于复合层中较软的金属基体在磨损时逐渐凹陷，蜂巢状增强体和其中的ZTA颗粒则突出于基体并承受主要磨损，起到保护作用。因此，蜂巢状结构的表面复合材料具有较高的耐磨性和抗冲击性，使用寿命得到了延长，并可节省增强颗粒的用量，降低成本。
另外，浇注金属液时可根据不同情况选择负压铸渗工艺、离心铸渗工艺等铸渗方法，加入的粘结剂也可作为有效的铸渗剂，起到增加铸渗深度，减少铸造缺陷的作用。总的来说，本发明中ZTA颗粒预制块的工艺简单，其形状、尺寸可通过模具进行控制，同时复合锤头的铸渗工艺具有较高的生产效率、成品率和普适性。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的复合锤头示意图，其中图1a为复合锤头整体示意图，图1b为复合锤头打击面复合层。其中，1-ZTA颗粒增强体；2-金属基体。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
1）首先，将活性金属元素粉末Ni和Cr与无水乙醇采用球磨或混料筒混料得到混合粉末；
2）其次，将上述混合粉末与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后在70℃烘干；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为75%，粘结剂为质量浓度20%的硼砂溶液，按每100g混合物中加入3mL；
3）将模具放入炉中烧结，自室温以5℃/min的升温速度升温至950℃烧结2小时，随后以4℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块，其孔隙率为40%；
4）将多个蜂巢状预制块以15mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注高锰合金钢金属液，冷却脱模后得到复合锤头。冷却脱模后得到复合锤头（图1a）。锤头打击面处的复合层呈蜂巢状结构，高锰钢基体与ZTA颗粒增强体交替分布（图1b）其中1-ZTA颗粒增强体；2-金属基体。
实施例2：
1）将活性金属元素粉末Ni与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后在70℃烘干；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为78%，粘结剂为质量浓度24%的硼砂溶液，按每100g混合物中加入5mL；
2）将模具放入真空烧结炉中烧结，自室温以6℃/min的升温速度升温至1050℃烧结1小时，随后以6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块，其孔隙率为48%；
3）将多个蜂巢状预制块以25mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注低合金钢金属液，浇注温度为1450-1550℃，冷却脱模后得到复合锤头。
实施例3：
1）将活性金属元素粉末Cr与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后在70℃烘干；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为70%，粘结剂为质量浓度25%的硼砂溶液，按每100g混合物中加入5mL；
2）将模具放入真空烧结炉中烧结，自室温以9℃/min的升温速度升温至1020℃烧结1.5小时，随后以4℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块，其孔隙率为43%；
3）将多个蜂巢状预制块以30mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注铬系合金铸铁金属液，冷却脱模后得到复合锤头。
实施例4：
1）首先，将活性金属元素粉末Ni和Cr与无水乙醇采用球磨或混料筒混料得到混合粉末；
2）其次，将上述混合粉末与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后在70℃烘干；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为80%，粘结剂为质量浓度30%的硼砂溶液，按每100g混合物中加入3mL；
3）将模具放入真空烧结炉中烧结，自室温以10℃/min的升温速度升温至1100℃烧结1小时，随后以6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块，其孔隙率为50%；
4）将多个蜂巢状预制块以15mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注镍系合金铸铁金属液，冷却脱模后得到复合锤头。

Claims (5)

1.一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，其特征在于：
1)首先，将活性金属元素粉末与无水乙醇湿混得到混合粉末；
其中，活性金属元素粉末为Ni、Cr中的一种或其混合物；
2)其次，将上述混合粉末与10-20目的ZTA颗粒混合得混合物，然后再在混合物中加入粘结剂搅拌混合，填入蜂巢状模具压制后烘干；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为70-80％；
所述的粘结剂为质量浓度20-30％的硼砂溶液，按每100g混合物中加入3-5mL；
3)将模具放入炉中烧结，自室温以5-10℃/min的升温速度升温至950-1100℃烧结1-2小时，随后以4-6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒相互连接形成蜂巢状预制块；
4)将多个蜂巢状预制块以15-30mm的间距固定在铸型的端面侧即工作面或打击面，然后采用铸渗工艺浇注钢铁基体材料金属液，冷却脱模后得到复合锤头。
2.根据权利要求1所述的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，其特征在于：所述的湿混采用球磨或混料筒混料。
3.根据权利要求1所述的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，其特征在于：所述的烘干温度为70℃。
4.根据权利要求1所述的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，其特征在于：所述的蜂巢状预制块孔隙率为40～50％。
5.根据权利要求1所述的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合锤头的制备方法，其特征在于：所述的钢铁基体材料为制造锤头常用的高锰合金钢、低合金钢、铬系合金铸铁或镍系合金铸铁。
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