CN105084927B - 一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，将成型剂浆料和苯丙乳液或纯丙乳液，按体积比10:0.7~1.0混合，搅拌均匀得到粘结剂；称取陶瓷颗粒，加入粘结剂，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平；将装模打好的陶瓷预制块在50℃烘箱内带模干燥24小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块；将得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块。利用本发明的方法得到的蜂窝陶瓷颗粒预制块，与钢水熔合后不破碎不漂散，可定向复合在耐磨部件的磨损部位，制备出高性能陶瓷金属复合耐磨材料。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷颗粒增强金属基复合耐磨材料中陶瓷块制备技术领域，具体涉及一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法。
背景技术
耐磨材料广泛应用于冶金、电力、机械、建材等工业部门装备中的关键部件，覆盖面广且消耗量巨大。目前国内外广泛应用的耐磨材料还停留在传统钢铁材料的水平上，包括高锰钢、铬系抗磨铸铁、镍硬铸铁、球墨铸铁、合金钢等，耐磨性偏低、且耐磨性与强韧性相互制约是传统耐磨材料部件存在的共性问题，已成为国内外耐磨材料行业发展的关键技术难题。
随着复合材料制备技术的迅猛发展，耐磨材料领域正在酝酿着巨大的变革，陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合材料成为新的研究热点。因为其既具备金属材料的高强度、良好塑性和冲击性、易成型等特点，又具备陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性等一系列优点，从而成为替代传统钢铁耐磨材料的首先材料。如何解决将陶瓷颗粒定向复合在特定部位起到延长耐磨件使用寿命，是制备陶瓷金属复合耐磨材料的关键技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，得到的蜂窝陶瓷颗粒预制块，与钢水熔合后不破碎不漂散，可定向复合在耐磨部件的磨损部位，制备出高性能陶瓷金属复合耐磨材料。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，步骤如下：
（1）粘接剂的制备：将成型剂浆料和苯丙乳液、硅丙乳液或纯丙乳液其中任意一种乳液，按体积比10:0.7~1.0混合，搅拌均匀得到粘结剂；
（2）成型：称取陶瓷颗粒，加入步骤（1）制备得到的粘结剂，1Kg陶瓷颗粒需要33~37mL配制好的粘接剂，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平；
（3）干燥：将步骤（2）装模打好的陶瓷预制块在45~55℃烘箱内带模干燥24小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块，此工艺制备的陶瓷颗粒预制块形状完好，强度可满足装炉烧结时不破损不掉粒；
（4）烧结：将步骤（3）得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块。
所述步骤（1）中成型剂浆料的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝45~50、合成助溶剂40~45、氧化硅10~15、水30~35和聚羧酸减水剂1~1.2，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料。
所述步骤（1）中成型剂浆料的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝50、合成助溶剂40、氧化硅10、水32和聚羧酸减水剂1~1.2，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:2.5~3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料。
所述合成助溶剂的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制合成助溶剂：烧滑石18~24、碳酸镁2~7、硼酸32~36、石灰石24~28和工业氧化铝12~16，将上述原料混磨均匀后，装入匣钵，在850℃~950℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂。
所述合成助溶剂的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制合成助溶剂：烧滑石21、碳酸镁5、硼酸34、石灰石26和工业氧化铝14，将上述原料混磨均匀后，装入匣钵，在850℃~950℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂。
所述步骤（2）中的陶瓷颗粒选用高冲击韧性、高强度的氧化锆复合陶瓷，或者是金属增韧氧化锆氧化铝陶瓷颗粒；陶瓷颗粒采用电熔方法、干压烧结、溶胶凝胶法制备；陶瓷颗粒粒度选择F10~F12颗粒。
所述步骤（4）中的烧结温度1260~1350℃，烧结时间为1~1.5h。
所述步骤（2）中的模具为蜂窝状陶瓷预制块模具，材质用PVC板材或木板制作，模芯用PVC管材；模具制作先在底板上按设计图纸作图钻孔，四周模板组合固定在底板上，模具制作要方便拆装。蜂窝陶瓷孔径12~22mm之间，陶瓷壁厚在10~25mm之间，保证钢水能充分铸渗。
本发明的有益效果：采用本发明的制备方法得到的蜂窝状陶瓷预制块强度高，孔隙度大，可以定向复合在磨损严重的耐磨部件内，显著延长设备使用寿命，降低运行成本；所述的蜂窝陶瓷颗粒预制块，与钢水熔合过程中不破碎不漂散，可定向固定复合在耐磨部件的磨损部位，制备出高性能陶瓷金属复合耐磨材料。采用锆刚玉陶瓷颗粒为原料制备的蜂窝状预制块，和高铬铸铁复合制备的金属基陶瓷复合衬板，陶瓷颗粒与高铬铸铁基体界面结合良好，相同磨损环境下打磨试验金属基陶瓷复合衬板磨损量仅为目前常用高铬铸铁材料的20%~22%，上机运行表明，陶瓷蜂窝预制块金属基陶瓷复合衬板的磨损量仅为高铬铸铁材料的50%~54%，显著提高耐磨材料的寿命。
具体实施方式
实施例1
本实施例的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，步骤如下：
（1） a:合成助溶剂制备：称取烧滑石420克、碳酸镁100克、硼酸680克、石灰石520克、工业氧化铝280克，原料粒度320目，将上述原料翻搅混匀过40目筛三遍，装入匣钵，在900℃煅烧2小时，熟料粉碎后，过30目筛备用；
b: 成型剂浆料制备：称取上述合成助溶剂200克、ɑ-Al2O3 250克、SiO250克、聚羧酸减水剂6mL、水160克，试验磨合金钢球研磨20分钟，倒出浆液；
（2）蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备：选用锆刚玉2~3mm颗粒，其化学成分重量比：21wt%Al、33wt%Zr，其余为O，硬度HRC70~75；称取1.1kg陶瓷颗粒，放入塑料盆内；用烧杯量取粘接剂浆液37mL，加入纯丙乳液（河南三元科技化工有限公司生产）3.5mL搅拌均匀；将混合浆液倒入陶瓷颗粒中翻搅均匀，再倒入蜂窝体模具内摊平轻轻压实（注：模具组合前将模芯和模腔涂抹一层薄油膜），放入烘箱50℃干燥18小时，取出脱模，陶瓷蜂窝块表面平整，用手拿起时不掉粒不破裂；
（3）烧结：将干燥后的预制块装入真空炉烧结，按以下烧结曲线对预制块进行烧结：0~100℃/2h、100℃~300℃/40min、300℃~900℃/2.5h、900℃/30min、900℃~1300℃/3h、1300℃/1.5h，按此曲线烧结好的陶瓷预制块，颗粒粘接强度较高，安装在砂型内不同部位，1400℃~1500℃高铬铸铁金属液熔合浇注，陶瓷块不漂散不破碎，界面结合好。
实施例2
本实施例的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，步骤如下：
（1）a:合成助溶剂的制备方法如下：按下述原料配制合成助溶剂：烧滑石21Kg、碳酸镁5 Kg、硼酸34 Kg、石灰石26 Kg和工业氧化铝14 Kg，将上述原料混磨均匀后，装入匣钵，在900℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂；
b：成型剂浆料的制备方法如下：按下述原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝50 Kg、合成助溶剂40 Kg、氧化硅10 Kg、水32 Kg和聚羧酸盐1 .1Kg，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:2.5的条件下混磨1h后制成成型剂浆料；
c：粘接剂的制备：将成型剂浆料1000mL和100mL苯丙乳液混合，搅拌均匀得到粘结剂；
（2）成型：称取1Kg陶瓷颗粒（陶瓷颗粒选用高冲击韧性、高强度的氧化锆复合陶瓷，氧化锆复合陶瓷颗粒采用电熔方法制备；陶瓷颗粒粒度选择F10~F12颗粒），加入步骤（1）c制备得到的粘结剂33mL，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平，模具为蜂窝状陶瓷预制块模具，材质用PVC板材或木板制作，模芯用PVC管材；模具制作先在底板上按设计图纸作图钻孔，四周模板组合固定在底板上，模具制作要方便拆装，蜂窝陶瓷孔径12~22mm之间，陶瓷壁厚在10~25mm之间，保证钢水能充分铸渗；
（3）干燥：将步骤（2）装模打好的陶瓷预制块在50℃烘箱内带模干燥20小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块，此工艺制备的陶瓷颗粒预制块形状完好，强度可满足装炉烧结时不破损不掉粒；
（4）烧结：将步骤（3）得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，参照实施例1的烧结曲线，在烧结温度1300℃时的烧结时间为1.2h，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块。
实施例3
本实施例的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，步骤如下：
（1）a: 合成助溶剂的制备方法如下：按下述原料配制合成助溶剂：烧滑石18Kg、碳酸镁7Kg、硼酸32Kg、石灰石28Kg和工业氧化铝12Kg，将上述原料混磨均匀后，装入匣钵，在850℃的条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂；
b：成型剂浆料的制备方法如下：按下述原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝45Kg、合成助溶剂45Kg、氧化硅10Kg、水35Kg和聚羧酸盐1Kg，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料；
c：粘接剂的制备：将1000mL成型剂浆料和70mL纯丙乳液混合，搅拌均匀得到粘结剂；
（2）成型：1Kg称取陶瓷颗粒（陶瓷颗粒选用金属增韧氧化锆氧化铝陶瓷颗粒；金属增韧氧化锆氧化铝陶瓷颗粒采用干压烧结法制备；陶瓷颗粒粒度选择F10~F12颗粒），加入步骤（1）制备得到的粘结剂35mL，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平，模具为蜂窝状陶瓷预制块模具，材质用PVC板材或木板制作，模芯用PVC管材；模具制作先在底板上按设计图纸作图钻孔，四周模板组合固定在底板上，模具制作要方便拆装，蜂窝陶瓷孔径12~22mm之间，陶瓷壁厚在10~25mm之间，保证钢水能充分铸渗；
（3）干燥：将步骤（2）装模打好的陶瓷预制块在45℃烘箱内带模干燥24小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块，此工艺制备的陶瓷颗粒预制块形状完好，强度可满足装炉烧结时不破损不掉粒；
（4）烧结：将步骤（3）得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，参照实施例1的烧结曲线，在烧结温度1260℃时的烧结时间为1.5h，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块。
实施例4
本实施例的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，步骤如下：
（1）a：合成助溶剂的制备方法如下：按下述原料配制合成助溶剂：烧滑石24Kg、碳酸镁2Kg、硼酸36Kg、石灰石24Kg和工业氧化铝16Kg，将上述原料混磨均匀后，装入匣钵，在950℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂；
b：成型剂浆料的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝50Kg、合成助溶剂40Kg、氧化硅15Kg、水30Kg和聚羧酸盐1.2Kg，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料；
c：粘接剂的制备：将成型剂浆料1000mL和硅丙乳液80mL混合，搅拌均匀得到粘结剂；
（2）成型：称取1Kg陶瓷颗粒（陶瓷颗粒选用氧化锆复合陶瓷，陶瓷颗粒采用溶胶凝胶法制备；陶瓷颗粒粒度选择F10~F12颗粒），加入步骤（1）制备得到的粘结剂34mL，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平，模具为蜂窝状陶瓷预制块模具，材质用PVC板材或木板制作，模芯用PVC管材；模具制作先在底板上按设计图纸作图钻孔，四周模板组合固定在底板上，模具制作要方便拆装，蜂窝陶瓷孔径12~22mm之间，陶瓷壁厚在10~25mm之间，保证钢水能充分铸渗；
（3）干燥：将步骤（2）装模打好的陶瓷预制块在55℃烘箱内带模干燥17小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块，此工艺制备的陶瓷颗粒预制块形状完好，强度可满足装炉烧结时不破损不掉粒；
（4）烧结：将步骤（3）得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，参照实施例1的烧结曲线，在烧结温度1350℃时的烧结时间为1h，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块。
Claims (6)
1.一种蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）粘接剂的制备：将成型剂浆料和粘接组分按体积比10:0.7~1.0混合，搅拌均匀得到粘结剂；
（2）成型：称取陶瓷颗粒，加入步骤（1）制备得到的粘结剂，1kg陶瓷颗粒需要33~37mL配制好的粘接剂，翻动搅拌，陶瓷颗粒表面涂覆均匀的粘结剂后，倒入模具压实摊平；
（3）干燥：将步骤（2）装模打好的陶瓷预制块在45~55℃烘箱内带模干燥17~24小时，从烘箱拿出后先将模芯抽出，再松动模框，取出预制块；
（4）烧结：将步骤（3）得到的预制块在真空炉或氮气气氛炉内烧结，使粘接剂完全熔融覆盖陶瓷颗粒表面，冷却后形成高强度的蜂窝状陶瓷颗粒预制块；
所述步骤（1）中成型剂浆料的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝48~53、合成助溶剂38~43、氧化硅8~13、水30~35和聚羧酸盐1~1.2，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料；
所述合成助溶剂的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制合成助溶剂：烧滑石18~24、碳酸镁2~7、硼酸32~36、石灰石24~28和工业氧化铝12~16，将上述原料混料均匀后，装入匣钵，在850℃~950℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂。
2.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于：
所述步骤（1）中粘接组分为苯丙乳液、纯丙乳液或硅丙乳液中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中成型剂浆料的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制成型剂浆料：煅烧氧化铝50、合成助溶剂40、氧化硅10、水32和聚羧酸减水剂1~1.2，将上述原料加入搅拌球磨机内，在料球比为1:3的条件下混磨1h后制成成型剂浆料。
4.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于：所述合成助溶剂的制备方法如下：按下述重量份数的原料配制合成助溶剂：烧滑石21、碳酸镁5、硼酸34、石灰石26和工业氧化铝14，将上述原料混和均匀后，装入匣钵，在850℃~950℃条件下煅烧2小时得到熟料，熟料粉碎后，过30目筛得到合成助溶剂。
5.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的陶瓷颗粒选用高冲击韧性、高强度的氧化锆复合陶瓷，或者是金属增韧氧化锆氧化铝陶瓷颗粒；陶瓷颗粒采用电熔方法、干压烧结、溶胶凝胶法制备；陶瓷颗粒粒度选择F10~F12颗粒。
6.根据权利要求1所述的蜂窝状陶瓷颗粒预制块的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的烧结温度1260~1350℃，烧结时间为1~1.5h。
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