CN103769563B - 一种活性元素烧结zta颗粒增强钢铁基复合磨辊及磨盘的制备方法 - 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磨辊及磨盘的制备方法，具体实施方法为：1）将多元活性元素粉末混合均匀后加入适量粘结剂与ZTA颗粒充分搅拌，使得活性元素粉末均匀包覆在颗粒表面，填入石墨模具加压后烘干；2）烧结得到多孔预制块；3）将预制块固定在铸型特定位置并浇注金属液，冷却脱模后得到复合磨辊或磨盘。本发明中ZTA颗粒预制块的形状、尺寸可通过模具进行控制，工艺简单，具有较高的生产效率、成品率和实用性。另外，界面处引入的活性元素可提高界面润湿性和结合强度，增强相与基体交互分布的复合层结构可保证磨辊及磨盘在高应力作用下具有较长的服役寿命。
Description
技术领域
本发明属于耐磨材料制备领域，具体涉及一种适用于立式磨机的活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合磨辊及磨盘的制备方法。
背景技术
立式磨机是广泛应用于冶金、矿山、水泥、化工等工业领域中的重要研磨设备，其原理为利用磨辊和磨盘的相对运动和摩擦作用将物料碾磨成粉。在使用过程中磨辊、磨盘将受到物料的反作用力、磨削力、系统施加的压力、摩擦阻力、冲击力等综合作用，因此磨辊、磨盘是设备中承受主要磨损并决定设备服役性能的关键部件之一，其选材和制备时均具有严格的要求。
陶瓷颗粒增强金属基复合材料中高硬度、强度及稳定性的陶瓷颗粒使其能够抵御磨料的磨损。另一方面，金属基体给予了复合材料的整体强韧性及对陶瓷颗粒的支持作用，并且可以通过陶瓷颗粒与金属基体的不同组合来实现复合材料性能的改变以适用于各种工况条件，如高温、高冲击、腐蚀环境等，因此其具有广泛应用于严苛磨损工况中的潜力。尤其是表层复合耐磨材料，在保证足够耐磨性的同时可节约原料、降低成本。传统的表层复合耐磨材料为整层复合，复合层内高比例的陶瓷颗粒使材料表面脆性很大，并且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，甚至造成重大安全事故。
在制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料时增强颗粒的选择也是至关重要的。常用的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匹配性很差，在铸造过程中极易产生热裂纹，并且钨元素储量较少、价格昂贵。另一常用的增强颗粒氧化铝价格较低，与钢铁的热匹配性较好，但其高脆性使得颗粒在磨损时容易断裂，严重影响复合材料的耐磨性。
氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷由于其中氧化锆独特的增韧作用，可替代常用的陶瓷作为复合材料的增强颗粒。但ZTA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很大。
发明内容
本发明目的在于克服以上技术问题，提出了一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合磨辊及磨盘的制备方法。
本发明的复合磨辊及磨盘制备方法，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，将混合粉末与10-20目的ZTA颗粒及粘结剂搅拌混合，填入石墨模具加压后烘干；
3）将模具及其中的混合物放入炉中烧结，升温速度为5-10℃/min，自室温升温到950-1100℃保温1-2小时，随后以4-6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒间通过粉末烧结产物相互连接，形成多孔预制块；
4）将多个多孔预制块固定在铸型的端面侧即磨辊或磨盘的工作面，其间距为15-30mm，采用铸渗工艺浇注金属液，冷却脱模后得到复合磨辊或磨盘。
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75-85%；
所述的粘结剂为质量浓度20-30%的硼砂溶液，其加入量为每100g混合物中加入3-5mL；
所述的烘干温度为70℃。
所述的多孔预制块孔隙率为40～50%。
所述的钢铁基体材料为制造磨辊、磨盘常用的高锰合金钢、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：
本发明中使用的ZTA颗粒可通过调节其中氧化铝与氧化锆的比例来改变ZTA的热膨胀系数、硬度和韧性以匹配不同的金属基体和工况条件。本发明中在复合界面处引入的活性元素可避免ZTA和铁基体直接接触，大大提高界面结合强度。另外，混料时加入的硼砂溶液在起到粘结作用的同时，也是有效的铸渗剂，能够提高铸渗层深度，减少铸造缺陷。
本发明可通过模具控制预制块的形状、尺寸，适用于不同尺寸、种类磨辊及磨盘的制备。因此，ZTA颗粒多孔预制块的烧结工艺简单，磨辊、磨盘的铸造工艺可根据铸件尺寸、形状及不同金属液的流动性选择普通铸渗或负压铸渗，以达到较高的生产效率和成品率。
本发明制备得到的复合磨辊及磨盘的复合层中ZTA颗粒增强相与金属基体交互分布，例如蜂巢状的增强相，在复合层中还具有钉扎效应，增加了颗粒与基体的结合面积进而提高复合层与基体的结合强度。此外，复合层中金属基体由于硬度较低、磨损程度大而逐渐凹陷，主要是周围的增强体承受磨损力，可以防止基体被进一步磨损，即“宏观阴影效应”。同时增强体中的ZTA颗粒也会突出于其周围的金属从而抵御磨损，产生“微观阴影效应”。此结构的耐磨件由于“双阴影效应”而具有较高的耐磨性和较长的使用寿命。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：锤体式磨辊
1）将活性金属元素粉末Ni与10-20目的ZTA颗粒及粘结剂搅拌混合，填入石墨模具加压后烘干；
其中，混合粉末与ZTA颗粒组成的混合物中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，其加入量为每100g混合物中加入3mL；
2）将模具及其中的混合物放入炉中烧结，升温速度为5℃/min，自室温升温到950℃保温1-2小时，随后以4℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒间通过粉末烧结产物相互连接，形成孔隙率为40～50%的条状多孔预制块；
3）将多个多孔预制块固定在铸型的端面侧即磨辊的工作面，其间距为15mm，采用铸渗工艺浇注高铬铸铁金属液，冷却脱模后得到复合磨辊。复合层中球墨铸铁基体与ZTA颗粒条状增强体交替分布。
实施例2：轮胎式磨辊
1）将活性金属元素粉末Cr与10-20目的ZTA颗粒及粘结剂搅拌混合，使得活性元素粉末均匀包覆在ZTA颗粒表面，填入石墨模具加压后烘干；
其中，混合粉末与ZTA颗粒组成的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为85%；
粘结剂为质量浓度23%的硼砂溶液，其加入量为每100g混合物中加入4mL；
2）将模具及其中的混合物放入真空烧结炉中烧结，升温速度为8℃/min，自室温升温到1050℃保温1-2小时，随后以6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒间通过粉末烧结产物相互连接，形成孔隙率为40～50%的条状多孔预制块；
3）将多个多孔预制块固定在铸型的端面侧即磨辊或磨盘的工作面，其间距为25mm，采用铸渗工艺浇注低合金钢金属液，冷却脱模后得到复合磨辊。复合层中低合金钢基体与ZTA颗粒条状增强体交替分布。
实施例3：磨盘
1）首先，将活性金属元素粉末Ni、Cr与无水乙醇采用球磨湿混得到混合粉末；
2）其次，将混合粉末与10-20目的ZTA颗粒及粘结剂搅拌混合，使得活性元素粉末均匀包覆在ZTA颗粒表面，填入石墨模具加压后烘干；
其中，混合粉末与ZTA颗粒组成的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为80%；
粘结剂为质量浓度25%的硼砂溶液，其加入量为每100g混合物中加入5mL；
3）将模具及其中的混合物放入真空烧结炉中烧结，升温速度为10℃/min，自室温升温到1000℃保温1-2小时，随后以5℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒间通过粉末烧结产物相互连接，形成孔隙率为40～50%的蜂巢状预制块；
4）将多个多孔预制块固定在铸型的端面侧即磨盘的工作面，其间距为30mm，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磨盘。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。最后将多个复合块拼装成为磨盘。
Claims (5)
1.一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合磨辊或磨盘的制备方法，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中的一种或其组合；
2)其次，将混合粉末与10-20目的ZTA颗粒及粘结剂搅拌混合，填入石墨模具加压后烘干；
3)将模具及其中的混合物放入炉中烧结，升温速度为5-10℃/min，自室温升温到950-1100℃保温1-2小时，随后以4-6℃/min进行冷却，冷却至900℃时随炉冷却，ZTA颗粒间通过粉末烧结产物相互连接，形成多孔预制块；
4)将多个多孔预制块固定在铸型的端面侧即磨辊或磨盘的工作面，其间距为15-30mm，采用铸渗工艺浇注金属液，冷却脱模后得到复合磨辊或磨盘；
所述的混合物中ZTA颗粒所占的质量分数为75-85％；
所述的粘结剂为质量浓度20-30％的硼砂溶液，其加入量为每100g混合物中加入3-5mL。
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磨辊或磨盘的制备方法，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磨辊或磨盘的制备方法，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磨辊或磨盘的制备方法，其特征在于：所述的多孔预制块孔隙率为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磨辊或磨盘的制备方法，其特征在于：所述的钢铁基体材料为制造磨辊、磨盘常用的高锰合金钢、低合金钢、铬系合金铸铁或镍系合金铸铁。
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