CN104439192B - 一种蜂窝状陶瓷‑金属复合材料立磨磨辊制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蜂窝状陶瓷‑金属复合材料立磨磨辊制备方法，属于金属基复合材料技术领域。首先制备蜂窝多孔陶瓷预制体，然后将蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷‑金属复合材料耐磨镶块该蜂窝状陶瓷‑金属复合材料耐磨镶块带有间隙肋、镶嵌孔、镶嵌柱；将蜂窝状陶瓷‑金属复合材料耐磨镶块进行热处理，然后在镶嵌孔、镶嵌柱上外表面涂耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱嵌入镶嵌孔中使耐磨镶块牢固拼接一起；放入立磨磨辊砂型中，然后浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷‑金属复合材料立磨磨辊。本发明耐磨复合镶块不需外部卡具，只需将镶嵌柱嵌入镶嵌孔中，便可牢固拼接。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
蜂窝状陶瓷-金属复合材料作为一种新型耐磨复合材料，在现代工业生产应用中表现出优异的性能，正在逐步替代传统的金属耐磨材料，如高锰钢，高铬铸铁等。适用于水泥、矿山、冶金、电站或各种类似的行业，目前蜂窝状陶瓷-金属复合材料主要应用于复合材料磨辊，磨盘，衬板等产品，并且这些产品需要通过合理的热处理工艺获取良好的综合性能，要求产品兼具较高的耐磨性和韧性。蜂窝状陶瓷-金属复合材料磨辊成分复杂，陶瓷颗粒增强复合区、耐磨镶块金属基体和韧性金属升温和冷却过程中膨胀系数、热导率变化差异很大,现有产品大多采用对陶瓷层整体铸渗，磨辊本体韧性金属与耐磨增强区冶金结合方式，降低成品率并且增加了磨辊开裂的倾向。
中国发明专利CN102211048A公布了一种具有金属陶瓷复合物的中速磨煤机辊套，其方法为将陶瓷颗粒相互粘结成网状，然后浇铸金属液整体复合，此方法制造出的辊套因为高硬度陶瓷颗粒形成的耐磨复合区而使耐磨性得到很大提升，但此方法存在以下缺点，首先其单纯依靠陶瓷颗粒之间相互粘结而产生的孔隙铸渗，限制了金属液铸渗的厚度，从而使陶瓷金属复合层厚度非常薄，而且陶瓷颗粒之间的分散度小，陶瓷颗粒之间金属无法有效起到支撑作用，磨损过程中，陶瓷颗粒容易剥落，耐磨性大大降低；其次此方法将陶瓷颗粒互相粘结成一个网状结构的陶瓷层，然后对整个陶瓷层进行铸渗，浇铸过程中整个陶瓷层很容易因为某一部位缺陷或金属液冲击坍塌不能使用，成品率大大降低；此外其磨辊本体与高铬合金和陶瓷颗粒通过浇铸方式连接成一体，由于三种材料的热膨胀系数及热导率相差很大，磨辊浇铸后冷却或热处理过程中，其高铬合金、陶瓷金属复合区及磨辊本体的冶金结合将容易在导致在结合面处产生的裂纹在整个磨辊扩展，增加磨辊开裂的可能性。中国发明专利CN103769563A公布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，其方法为将多种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，使得活性金属元素粉末均匀包覆在颗粒表面，填入石墨模具加热后烘干，烧结得到多孔预制块，将预制块固定于铸型特定位置并浇铸金属液，冷却脱模后得到复合磨辊或磨盘，但此方法存在以下缺点，此方法所使用活性元素粉末为Ni、Cr等金属粉末，价格昂贵，生产成本高，此外单纯依靠Ni、Cr等金属粉末促进金属液的铸渗，将使得铸渗复合区厚度有限，且陶瓷颗粒的分散度小，陶瓷颗粒间的金属无法对陶瓷颗粒起到有效的支撑作用。中国发明专利CN103736549A公布了一种立磨机金属基陶瓷复合材料磨辊的制备方法，此方法所用金属基陶瓷增强体料是由10~40%刚玉和60~90%铁粉烧结而成，高铬合金衬板与陶瓷衬板，辊套与磨辊基体之间通过钢液浇铸为一体，但此方法存在以下缺点，此方法利用烧结法制备复合层，由于陶瓷颗粒与铁粉比重相差很大，很难使陶瓷颗粒与铁粉混合均匀，并且铁水熔化后，陶瓷颗粒将漂浮在铁水表层，浇铸入模具后陶瓷颗粒的分布将极不均匀，此外烧结后的组织与金属完全熔化后结晶形成金属组织相比很差，浇铸的钢水使辊套与磨辊基体固结为一体，使用过程中的裂纹很容易在整个磨辊中扩展。中国实用新型专利CN202570267U公开了一种抗磨损的磨辊，磨辊由辊套和辊芯组成，棍套上的工作面由基材金属和硬质陶瓷颗粒块排布成规则网状，硬质陶瓷颗粒块与基材金属形成良好的冶金过渡结合，界面结合牢固，但此方法存在以下缺点，此种方法对陶瓷颗粒块强度要求高，由于陶瓷颗粒与金属形成冶金结合，结合面不能缓冲磨辊使用中产生的应力，容易产生裂纹并且利于裂纹的扩展，且整体铸渗工艺成品率低，有缺陷部位将使整体辊套不能使用。中国实用新型专利CN202845108U公开了一种立式磨机高耐磨复合磨辊、磨盘，磨辊、磨盘的工作面上镶嵌有直径5~30mm的硬质合金棒。各个合金棒圆心之间的距离在10~50mm之间，相邻两排合金交错排布，但硬质合金棒成本高，增加了磨辊磨盘的制造成本。中国发明专利CN103386476A公布了一种复合双金属立式磨辊及其制作工艺，其制作工艺包含以下步骤：用水玻璃砂制造铸件砂型，型腔上涂刷锆英粉醇基涂料，合箱后备用，熔炼高铬铸铁和球墨铸铁；将高铬铸铁熔液定量的浇铸到铸件砂型中，浇铸温度为1350~1370℃，浇进1/3后的高铬铸铁铁水后，向高铬铸铁铁水表面撒上防氧化剂；冷却20~30分钟，砂型内铁水温度达到1300~1330℃时，再浇注球铁铁水，铁水浇注温度为1360~1380℃；铸件清理后热处理，首先将复合双金属铸件进行退火软化处理，降低硬度值HRC40~42，再进行机械加工，然后以50~60℃/h温升对铸件进行热处理。但是离心铸造工艺复杂，热处理过程中，高铬铸铁和球墨铸铁热导率及膨胀系数相差很大，仅靠冶金结合的界面很容易产生缺陷，磨辊容易产生脆断和脱层现象。
综上所述，当前制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊有以下难点需要解决：1、提高预制体的强度、孔隙率及成品率；2、避免铸造或热处理过程中磨辊裂纹的萌生、扩展。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法。本发明耐磨复合镶块不需外部卡具，只需将镶嵌柱嵌入镶嵌孔中，耐磨复合镶块便可牢固拼接在一起，同时通过合理控制升温和冷却速度，设置保温台阶和控制保温时间，有效提高了磨辊使用性能和寿命，本发明通过以下技术方案实现。
一种蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:0.5~10:1~20混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，然后升温将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为0.01~2mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留5~30mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有5~40mm厚度耐火涂层的活块金属模，整体预热到400~800℃后放入立磨磨辊砂型中，然后浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊。
所述步骤1中的陶瓷颗粒为锆刚玉、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、碳化钨中的一种或几种任意比例混合物，粒度为0.1~3.3mm。
所述步骤1中造孔剂为聚苯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、碳酰二胺中的一种或几种任意比例混合物，粒度为0.1~2mm。
所述步骤1中粘结剂为硼酸、铝酸盐水泥、硅酸钠、酚醛树脂、硅溶胶等一种或几种任意比例混合物。
所述步骤2中高硬度合金为高铬合金、高锰钢、镍硬铸铁或高铬铸铁。
所述步骤2中制备得到的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2~4个间隙肋5、2~6个镶嵌孔6、2~6个镶嵌柱7。
所述步骤3中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块热处理过程为：将蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40~50℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以40~50℃/h升温加热至550~600℃保温0.5h；然后以30~40℃/h升温加热至650~750℃，保温1h；再以20~30℃/h升温加热850~900℃，保温1h；然后以30~45℃/h升温加热至1000~1050℃，保温2~4h；出炉空冷至室温或随炉冷至800~900℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1~3h，深冷处理次数为2~3次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以40~50℃/h升温加热至250~450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程。
所述步骤5中的韧性金属为球墨铸铁或石墨钢。
所述步骤5中的复合材料立磨磨辊整体热处理过程为：将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以30~50℃/h升温加热至600~750℃，保温1~3h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以30~50℃/h升温加热至650~750℃，保温0.5~1h；然后以20~40℃/h升温加热至800~900℃，保温1~2h；再以30~40℃/h升温加热至1000~1050℃，保温2~4h；随炉冷却至750~850℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以40~50℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用多个小块蜂窝多孔陶瓷预制体拼接成整体预制体，有缺陷的小块可以被更换掉，避免了整体预制体制备过程中，局部缺陷导致整个预制体不能使用的缺点，提高了成品率，降低了生产成本；
2、本发明蜂窝多孔陶瓷预制体中加入了可挥发造孔剂，提高了铸渗复合层厚度和陶瓷颗粒的分散度，复合层最大厚度可达80mm以上，陶瓷颗粒最小体积分数可至30%，显著降低生产成本；
3、本发明蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3不需外部卡具，只需将镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中，耐磨复合镶块3便可牢固拼接在一起；
4、本发明利用带有耐火涂层的活块金属模，对蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3进行整体预热，快捷方便地解决了蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3整体预热的难题，此外活块金属模方便取出砂型中的磨辊，并且能够重复利用；
5、由于蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3表面涂有一定厚度的耐火涂料，形成的机械嵌合面，利用韧性金属4良好的弹塑性变性能力，使蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3与韧性金属4之间产生应力缓冲区，避免了冶金结合过程应力集中导致裂纹萌生、扩展的不利影响；
6、蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块3上的镶嵌柱7，保证了磨辊在凝固成形后，蜂窝状陶瓷-金属复合材料复合镶块3能够牢固的嵌入到韧性金属4基体中，避免使用其它固定装置，提升成形工艺的可操作性；
7、通过合理控制升温和冷却速度，设置保温台阶和控制保温时间，兼顾陶瓷颗粒增强复合区1、蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块金属基体2和韧性金属4升温和冷却过程中膨胀系数和热导率变化的差异，蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨复合镶块基体硬度在62~67HRC，有效提高了磨辊使用性能和寿命，本发明热处理方法保证了立磨磨辊具有良好的综合性能。
附图说明
图1是根据本发明制备得到的蜂窝状陶瓷-金属复合磨辊结构图；
图2是根据本发明实施例2制备得到的蜂窝状陶瓷-金属复合耐磨镶块结构图；
图3是根据本发明制备得到的蜂窝多孔陶瓷预制体结构图；
图4是根据本发明制备得到的带有耐火涂料的活块金属模结构示意图；
图5是根据本发明的实施例1的蜂窝状陶瓷-金属复合材料中高硬度合金金相图；
图6是根据本发明的实施例1的蜂窝状陶瓷-金属复合磨辊韧性金属金相图；
图7是根据本发明的实施例1的蜂窝状陶瓷-金属复合磨辊热处理曲线；
图8是根据本发明的实施例1的蜂窝状陶瓷-金属复合耐磨镶块热处理曲线。
图中：1-陶瓷颗粒增强复合区，2-耐磨镶块金属基体，3-蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，4-韧性金属，5-间隙肋，6-镶嵌孔，7-镶嵌柱，8-端柱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:3:15混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，然后升温至500℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体，蜂窝多孔陶瓷预制体结构图如图3所示；其中陶瓷颗粒为锆刚玉，粒度为2mm；造孔剂为聚甲醛，粒度为0.5mm；粘结剂为质量比为5:10的铝酸盐水泥和硅溶胶混合物；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高铬铸铁，金相图如图5所示，高铬铸铁组织为“细小六边形碳化物+马氏体+残余奥氏体”，高铬铸铁成分为：C2.3~3.5wt%，Cr23~3.0wt%，Mn0.5~2wt%，Si0.3~0.8wt %，稀土0.1~0.6wt %，余量为Fe；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2个间隙肋5、2个镶嵌孔6、2个镶嵌柱7；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，该蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块热处理曲线图如图8所示，该蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以50℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以50℃/h升温加热至550℃保温0.5h；然后以40℃/h升温加热至650℃，保温1h；再以30℃/h升温加热850℃，保温1h；然后以45℃/h升温加热至1030℃，保温2h；出炉空冷至室温或随炉冷至800℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1h，深冷处理次数为2次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以50℃/h升温加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为1mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留5mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有20mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模结构示意图如图4所示，整体预热到500℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1380℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊结构示意图如图1所示，其中韧性金属液为球墨铸铁，球墨铸铁组织为“均匀弥散的球状石墨+铁素体+珠光体”，金相图如图6所示，球墨铸铁成分为：C3.0~3.5wt%；Si2.4~2.8wt%；Mn0.3~0.5wt%，余量为Fe；
该蜂窝状陶瓷-金属复合磨辊热处理曲线如图7所示，将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以50℃/h升温加热至600℃，保温2h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以50℃/h升温加热至650℃，保温1h；然后以40℃/h升温加热至850℃，保温1h；再以30℃/h升温加热至1030℃，保温2h；随炉冷却至830℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以50℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
实施例2
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:3:15混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，然后升温至500℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体，该蜂窝多孔陶瓷预制体结构图如图3所示；其中陶瓷颗粒为锆刚玉，粒度为2mm；造孔剂为聚甲醛，粒度为0.5mm；粘结剂为质量比为5:10的铝酸盐水泥和硅溶胶混合物；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高铬铸铁，高铬铸铁组织为“细小六边形碳化物+马氏体+残余奥氏体”，高铬铸铁成分为：C2.3~3.5wt%，Cr23~3.0wt%，Mn0.5~2wt%，Si0.3~0.8wt %，稀土0.1~0.6wt %，余量为Fe；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有3个间隙肋5、6个镶嵌孔6、6个镶嵌柱7，该蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块如图2所示；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以50℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以50℃/h升温加热至550℃保温0.5h；然后以40℃/h升温加热至650℃，保温1h；再以30℃/h升温加热850℃，保温1h；然后以45℃/h升温加热至1030℃，保温2h；出炉空冷至室温或随炉冷至900℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1h，深冷处理次数为2次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以50℃/h升温加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为1mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留30mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有20mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模的结构示意图如图4所示，整体预热到500℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1420℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，该蜂窝状陶瓷-金属复合磨辊结构图如图1所示，其中韧性金属液为石墨钢，石墨钢成分为：C1.2~1.6wt%；Si1.0~1.5wt%；Mn0.6~1.0wt%，余量为Fe；
将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以50℃/h升温加热至750℃，保温3h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以50℃/h升温加热至650℃，保温1h；然后以30℃/h升温加热至800℃，保温2h；再以40℃/h升温加热至1030℃，保温2h；随炉冷却至800℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以50℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
实施例3
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:1:.6混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，蜂窝多孔陶瓷预制体结构图如图3所示，然后升温至300℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；其中陶瓷颗粒为碳化钛，粒度为1mm；造孔剂为聚苯乙烯，粒度为0.5mm；粘结剂为质量比为5:1的硅酸钠和蒸馏水混合物；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高铬铸铁，高铬铸铁组织为“细小六边形碳化物+马氏体+残余奥氏体”，高铬铸铁成分为：C2.3~3.5wt%，Cr23~3.0wt%，Mn0.5~2wt%，Si0.3~0.8wt%，稀土0.1~0.6wt %，余量为Fe；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2个间隙肋5、4个镶嵌孔6、4个镶嵌柱7；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以40℃/h升温加热至580℃保温0.5h；然后以30℃/h升温加热至700℃，保温1h；再以20℃/h升温加热900℃，保温1h；然后以30℃/h升温加热至1030℃，保温2h；出炉空冷至室温或随炉冷至900℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1h，深冷处理次数为2次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以40℃/h升温加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为1mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留30mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有20mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模结构示意图如图4所示，整体预热到500℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1380℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊结构图如图1所示，其中韧性金属液为石墨钢，石墨钢成分为：C1.2~1.6wt%；Si1.0~1.5wt%；Mn0.6~1.0wt%，余量为Fe；
将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40℃/h升温加热至750℃，保温3h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以40℃/h升温加热至650℃，保温1h；然后以20℃/h升温加热至800℃，保温2h；再以30℃/h升温加热至1030℃，保温2h；随炉冷却至800℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以40℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
实施例4
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:1:6混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，蜂窝多孔预制体结构图如图3所示，然后升温至500℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；其中陶瓷颗粒为碳化钛，粒度为1mm；造孔剂为聚苯乙烯，粒度为0.3mm；粘结剂为质量比为5:1的硅酸钠和蒸馏水混合物；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高铬铸铁，高铬铸铁组织为“细小六边形碳化物+马氏体+残余奥氏体”，高铬铸铁成分为：C2.3~3.5wt%，Cr23~3.0wt%，Mn0.5~2wt%，Si0.3~0.8wt%，稀土0.1~0.6wt %，余量为Fe；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2个间隙肋5、4个镶嵌孔6、4个镶嵌柱7；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以40℃/h升温加热至580℃保温0.5h；然后以30℃/h升温加热至700℃，保温1h；再以20℃/h升温加热900℃，保温1h；然后以30℃/h升温加热至1030℃，保温2h；出炉空冷至室温或随炉冷至800℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1h，深冷处理次数为2次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以40℃/h升温加热至450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为1mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留25mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有20mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模结构示意图如图4所示，整体预热到500℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1420℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊结构图如图1所示，其中韧性金属液为石墨钢，石墨钢成分为：C1.2~1.6wt%；Si1.0~1.5wt%；Mn0.6~1.0wt%，余量为Fe；
将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40℃/h升温加热至750℃，保温3h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以40℃/h升温加热至650℃，保温1h；然后以20℃/h升温加热至800℃，保温2h；再以30℃/h升温加热至1030℃，保温2h；随炉冷却至850℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以40℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
实施例5
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:0.5:20混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，该蜂窝多孔陶瓷预制体结构图如图3所示，然后升温至500℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；其中陶瓷颗粒为质量比为1:1:1的氧化铝、氧化锆和氮化硅混合物，粒度为0.1mm；造孔剂为质量比为1:1的聚乙烯和聚乙烯醇混合物，粒度为0.1mm；粘结剂为硼酸；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高铬合金；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2个间隙肋5、4个镶嵌孔6、4个镶嵌柱7；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以45℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以45℃/h升温加热至600℃保温0.5h；然后以35℃/h升温加热至750℃，保温1h；再以25℃/h升温加热880℃，保温1h；然后以35℃/h升温加热至1050℃，保温4h；出炉空冷至室温或随炉冷至850℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理3h，深冷处理次数为3次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以45℃/h升温加热至400℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为0.01mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留25mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有5mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模结构示意图如图4所示，整体预热到400℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1420℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊结构图如图1所示，其中韧性金属液为石墨钢，石墨钢成分为：C1.2~1.6wt%；Si1.0~1.5wt%；Mn0.6~1.0wt%，余量为Fe；
将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以30℃/h升温加热至700℃，保温1h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以30℃/h升温加热至700℃，保温0.5h；然后以20℃/h升温加热至900℃，保温1.5h；再以35℃/h升温加热至1050℃，保温4h；随炉冷却至750℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以45℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
实施例6
该蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:10:12混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，蜂窝多孔预制体结构图如图3所示，然后升温至500℃保温2小时将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；其中陶瓷颗粒为质量比为1:1:1:1的碳化硅、碳化硼、硼化钛和碳化钨混合物，粒度为3.3mm；造孔剂为质量比为碳酰二胺，粒度为2mm；粘结剂为酚醛树脂；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液在1530℃浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋5、镶嵌孔6、镶嵌柱7结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；其中高硬度合金为高锰钢；其中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱8用于支撑固定蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块，两侧侧面各带有2个间隙肋5、4个镶嵌孔6、4个镶嵌柱7；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理：蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以45℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以45℃/h升温加热至600℃保温0.5h；然后以35℃/h升温加热至750℃，保温1h；再以25℃/h升温加热880℃，保温1h；然后以35℃/h升温加热至1000℃，保温3h；出炉空冷至室温或随炉冷至850℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理2h，深冷处理次数为3次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以45℃/h升温加热至250℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为2mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱7嵌入镶嵌孔6中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋5使两两拼接的耐磨镶块间保留25mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有40mm厚度耐火涂层的活块金属模，活块金属模结构示意图如图4所示，整体预热到800℃后放入立磨磨辊砂型中，然后在1420℃下浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊，蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊结构图如图1所示，其中韧性金属液为石墨钢，石墨钢成分为：C1.2~1.6wt%；Si1.0~1.5wt%；Mn0.6~1.0wt%，余量为Fe；
将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以30℃/h升温加热至700℃，保温1h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以30℃/h升温加热至750℃，保温0.8h；然后以20℃/h升温加热至850℃，保温1.5h；再以35℃/h升温加热至1000℃，保温3h；随炉冷却至750℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以45℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (9)
1.一种蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、制备蜂窝多孔陶瓷预制体：首先将陶瓷颗粒、造孔剂与粘结剂按100:0.5~10:1~20混合均匀加入模具中制备得到蜂窝多孔预制体，然后升温将蜂窝多孔陶瓷预制体中的造孔剂发挥得到蜂窝多孔陶瓷预制体；
步骤2、将步骤1中的蜂窝多孔陶瓷预制体制备蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块：步骤1中的若干蜂窝多孔陶瓷预制体拼接固定在铸型腔特定位置，然后将刚出炉的高硬度合金熔液浇铸在蜂窝多孔陶瓷预制体上，完全凝固后形成带有间隙肋（5）、镶嵌孔（6）、镶嵌柱（7）结构的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块；
步骤3、步骤2中的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块进行热处理；
步骤4、将步骤3中已进行热处理的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块外表面涂一层厚度为0.01~2mm的耐火涂料，将两两耐磨镶块镶嵌柱（7）嵌入镶嵌孔（6）中使耐磨镶块牢固拼接一起，间隙肋（5）使两两拼接的耐磨镶块间保留5~30mm的间隙；
步骤5、将步骤4中拼接的耐磨镶块装入带有5~40mm厚度耐火涂层的活块金属模，整体预热到400~800℃后放入立磨磨辊砂型中，然后浇铸熔炼好的韧性金属液，完全凝固后形成复合材料立磨磨辊，复合材料立磨磨辊进行整体热处理制备得到蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊；
所述步骤3中蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块热处理过程为：将蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以40~50℃/h升温加热至250℃保温2h，然后炉冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，继续以40~50℃/h升温加热至550~600℃保温0.5h；然后以30~40℃/h升温加热至650~750℃，保温1h；再以20~30℃/h升温加热850~900℃，保温1h；然后以30~45℃/h升温加热至1000~1050℃，保温2~4h；出炉空冷至室温或随炉冷至800~900℃最后强制风冷至室温；
c、再次深冷处理：经淬火处理后，再用干冰和甲醇混合物在-80℃进行深冷处理1~3h，深冷处理次数为2~3次；
d、最后回火处理：经深冷处理后立即进行回火处理，以40~50℃/h升温加热至250~450℃，保温2h，随炉冷却至室温即完成热处理过程。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤1中的陶瓷颗粒为锆刚玉、氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、碳化钨中的一种或几种任意比例混合物，粒度为0.1~3.3mm。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤1中造孔剂为聚苯乙烯、聚乙烯、聚乙烯醇、聚甲醛、碳酰二胺中的一种或几种任意比例混合物，粒度为0.1~2mm。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤1中粘结剂为硼酸、铝酸盐水泥、硅酸钠、酚醛树脂、硅溶胶等一种或几种任意比例混合物。
5.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤2中高硬度合金为高铬合金、高锰钢或镍硬铸铁。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤2中制备得到的蜂窝状陶瓷-金属复合材料耐磨镶块两端带有端柱（8），两侧侧面各带有2~4个间隙肋（5）、2~6个镶嵌孔（6）、2~6个镶嵌柱（7）。
7.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤5中的韧性金属为球墨铸铁或石墨钢。
8.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述步骤5中的复合材料立磨磨辊整体热处理过程为：将复合材料立磨磨辊依次进行下列处理：
a、首先退火处理：以30~50℃/h升温加热至600~750℃，保温1~3h，空冷至室温；
b、其次淬火处理：经退火处理后，以30~50℃/h升温加热至650~750℃，保温0.5~1h；然后以20~40℃/h升温加热至800~900℃，保温1~2h；再以30~40℃/h升温加热至1000~1050℃，保温2~4h；随炉冷却至750~850℃，然后出炉空冷至100℃；
c、最后回火处理：经淬火处理后立即进行回火，以40~50℃/h升温加热至550℃，保温2h，空冷至室温。
9.根据权利要求5所述的蜂窝状陶瓷-金属复合材料立磨磨辊制备方法，其特征在于：所述高铬合金为高铬铸铁。
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| Al2O3p/40Cr复合材料的热震失效机理;陈世敏等;《西安交通大学学报》;20130531;第47卷(第5期);110-114 * |
| 铸渗法制备SiO2颗粒增强铁基复合材料的研究;贺小刚等;《热加工工艺》;20130228;第42卷(第4期);113-119 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104439192A (zh) | 2015-03-25 |
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