CN105689642A - 一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法。提供了一种有利于高铬铸铁铁水浸渗、一次浇注成型、工艺实施简便、复合层形状厚度可调、提高耐磨性能的普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法。包括以下步骤：1）选用2-4mm电熔锆刚玉颗粒；2）将上述电熔锆刚玉颗粒制得弧形蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体，冷却待用；3）将制备的预制体并排放置在立磨磨辊砂型型腔的圆弧面上，并通过芯撑进行固定；4）合箱后采用热风机对型腔进行预热，然后浇注成型，开箱取件；5）将上述所得的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行热处理。本发明工艺简单；复合磨辊一次浇注成型；生产过程可实现机械化操作，生产成本低，生产效率高。

Description

一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法
技术领域
本发明涉及一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法。
背景技术
金属基耐磨材料由于导热性好、耐冲击，在电力、矿山、冶金、建材等行业得到广泛应用。目前制备立磨磨辊常用的金属耐磨材料有高铬铸铁、高锰钢等，高铬铸铁具有很高的硬度和一定的韧性，在矿山、冶金、建材和化工等行业中得到广泛应用。研究人员在提高高铬铸铁的力学性能和耐磨性能以及扩大其应用方面做了许多工作，并获得了较好的效果。然而，高铬铸铁在磨煤机立磨磨辊产品上应用时依然存在磨损速度快、更换周期短、生产效率低等不足。开发高耐磨铁基陶瓷复合材料立磨磨辊是弥补上述不足的重要途径之一。
目前，研究人员对高耐磨铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行了大量研究，其制备方法主要有以下几种：1.普通浇注：首先通过浇注或者烧结制备耐磨铁基陶瓷复合材料镶块，然后将两两耐磨镶块拼接一起，放入立磨磨辊砂型中浇注成型。2.离心浇注：首先制备陶瓷预制体，将陶瓷预制体两两拼接放入活块金属模中，活块金属模整体预热至100-600℃，然后通过螺栓固定于离心铸造设备中进行浇注成型。
普通浇注方法需要二次浇注甚至更多，工艺实施较复杂，并且在耐磨复合材料镶块的拼接部位容易出现裂纹，磨辊的强度不足；离心浇注法制备的复合材料磨辊性能较好，但是工艺复杂，对浇注设备要求很高，制备不同型号磨煤机陶瓷磨辊的成本会很高。所以迫切需要一种一次浇注成型、铁水充型良好、工艺实施简单、适用于多型号磨煤机的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，加快耐磨铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的推广应用，提高立磨磨煤机的使用效率，降低磨辊的更换周期。
发明内容
本发明为了解决以上问题提供了一种有利于高铬铸铁铁水浸渗、一次浇注成型、工艺实施简便、复合层形状厚度可调、提高耐磨性能的普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法。
本发明的技术方案为：包括如下步骤：
1）选用粒径为2-4mm的电熔锆刚玉颗粒，颗粒的质量百分比21-28wt%Al、29-33wt%Zr，其余为O，颗粒的硬度为HRC70-75；
2）将上述电熔锆刚玉颗粒与2-4wt%的粘结剂一起混合，边混合边加入铝粉和稀土粉末的混合粉末1-3wt%；混合均匀平铺在模具中，放入烘箱中150-300℃下保温20-30min，脱模后制得弧形蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体冷却待用；
3）将上述所得的锆刚玉陶瓷颗粒预制体放入立磨磨辊砂型的型腔中，沿型腔的圆弧面并排摆放，通过芯撑进行固定；
4）砂型均布设置若干内浇道和若干冒口，合箱后用热风机对型腔进行预热达到150-300℃，再进行浇注高铬铸铁的铁水，铁水温度为1350-1500℃，浇注后在砂型内冷却，待型腔温度低于200℃后开箱取件；
5）将上述所得到的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行热处理，其工艺为：先空淬处理，温度为800-1200℃，时间为7-9h；再空冷处理，温度为400-500℃，时间为7-9h。
所述粘结剂为耐高温无机纳米复合粘结剂。
所述稀土粉末的成分为钇、镧系元素的氧化物稀土混合物。
所述芯撑为钢制弹簧。
所述锆刚玉陶瓷颗粒预制体内留有平均直径为9-12mm的六角形的铁水流动通道。
所述高铬铸铁为含C量为2.6-2.8wt%、含Cr量为20-30wt%的耐磨铸铁。
本发明中的陶瓷颗粒是大尺寸电熔锆刚玉颗粒，该颗粒质地坚韧，结构致密，强度高，热震性好，硬度（莫氏）≥9.0，仅次于钻石，最高使用温度达1900℃。同时，锆刚玉耐熔体侵蚀性好，具有很好的自锐性，以大尺寸电熔刚玉颗粒作为增强颗粒，不仅具有自锐性以及硬度高、韧性好的特点，而且有利于高铬铸铁铁水的浸渗，铸造工艺容易实现；同时，锆刚玉陶瓷颗粒预制体中稀土粉末及基体合金中铬的存在，可以有效改善铁水与锆刚玉颗粒之间润湿性，并由于其相对较高的耐磨性，可以避免基体磨损过快，保证基体对锆刚玉颗粒的有效支撑。
蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体上留有平均直径9-12mm的六角形铁水流动通道，以保证铁水流动，保证铁水在预制体每一部分实际需要渗入的深度小于4mm；陶瓷颗粒之间的铝粉在高温铁水作用下熔化，增大了陶瓷颗粒间的间隙，提高了铁水对陶瓷的充型能力。
蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体形状和厚度，可根据不同型号的磨煤机磨辊进行调整。
芯撑为具有一定强度的普通钢制弹簧，以保证锆刚玉陶瓷颗粒预制体在浇注过程中不会倾倒。
冒口和内浇道（即铁水流道）根据不同铸件的铸造工艺来确定，均布即可。
本发明方法具有如下优点：
1、工艺简便，通过普通铸造方法即可实现，且复合层形状和厚度可在较大范围内调节，适用于多种型号的磨煤机磨辊；
2、复合立磨磨辊一次浇注成型，整个磨辊无拼接处，强度好；
3、可以有效避免复合材料生产过程中的气孔与夹渣；
4、生产过程易于实现机械化，生产成本低，生产效率高。
附图说明
图1是本发明中锆刚玉陶瓷颗粒预制体布置在砂型型腔的结构示意图一，
图2是本发明中锆刚玉陶瓷颗粒预制体布置在砂型型腔的结构示意图二，
图3是本发明中锆刚玉陶瓷颗粒预制体的结构示意图，
图4是图3中A-A面的剖视图；
图中1是砂型，2是砂型泥芯，3是锆刚玉陶瓷颗粒预制体，4是芯撑，5是内浇道，6是冒口,7是六角形通道，8是型腔,9是横浇道,10是直浇道。
具体实施方式
本发明包括如下步骤：
1）选用粒径为2-4mm的电熔锆刚玉颗粒，颗粒的质量百分比21-28wt%Al、29-33wt%Zr，其余为O，颗粒的硬度为HRC70-75；
2）将上述电熔锆刚玉颗粒与2-4wt%的粘结剂一起混合，边混合边加入铝粉和稀土粉末的混合粉末1-3wt%；混合均匀平铺在模具中，放入烘箱中150-300℃下保温20-30min，脱模后制得弧形蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体冷却待用；其中预制体尺寸及形状为立磨磨辊圆弧外表面的1/15-1/20，厚度为10-50mm；
如图1-2所示，3）将上述所得的锆刚玉陶瓷颗粒预制体3放入立磨磨辊砂型1的型腔8中，沿型腔的圆弧面并排摆放，通过芯撑4进行固定；砂型1的中心设有中孔，通过设置砂型泥芯2，从而形成型腔8；
4）砂型均布设置若干内浇道5和若干冒口6（布置6-8道均布的内浇道，设置4-8个冒口），合箱后用热风机对型腔进行预热达到150-300℃，再进行浇注高铬铸铁的铁水，铁水温度为1350-1500℃，通过顶注浇注方式进行浇注成型，浇注后在砂型内冷却，待型腔温度低于200℃后开箱取件；
通过对型腔提前预热，增加了浇注过程中铁水的流动性，对陶瓷块充型良好；在浇注过程中，铁水从一直浇道10进入环形的横浇道9，横浇道再连接若干内浇道，内浇道连接型腔进行浇注成型；图1-2中，砂型为下箱，上箱未示出，直浇道和冒口位于上箱内，上箱盖在下箱上，即合箱。
5）将上述所得到的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行热处理，其工艺为：先空淬处理，温度为800-1200℃，时间为7-9h，提高基体的强度和硬度；再空冷处理，温度为400-500℃，时间为7-9h，消除基体的残余应力，进一步强化基体。
所述粘结剂为耐高温无机纳米复合粘结剂。
所述稀土粉末的成分为钇、镧系元素的氧化物稀土混合物。
所述芯撑为钢制弹簧，用于固定锆刚玉陶瓷颗粒预制体，防止在浇注过程中，预制体发生倾倒。
如图3-4所示，所述锆刚玉陶瓷颗粒预制体内留有平均直径为9-12mm的六角形的铁水流动通道（即六角形通道7），使得铁水需要充型的预制体深度小于4mm；陶瓷颗粒之间的铝粉在高温铁水作用下熔化，增大了陶瓷颗粒间的间隙，提高了铁水对陶瓷的充型能力。
所述高铬铸铁为含C量为2.6-2.8wt%、含Cr量为20-30wt%的耐磨铸铁，热处理后的硬度为HRC55-60。
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。下面结合具体实施例，进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。在以下的实施例中，为详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
选用经电熔、浇注、破碎、筛分等工艺生产的粒径为2.5mm的电熔锆刚玉颗粒，其化学成分重量比为：21wt%Al、33wt%Zr，其余为O，颗粒的硬度约为HRC75；高铬铸铁的含C量为2.7wt%，含Cr量为25wt%，热处理后的硬度HRC可达60。
以所选用的粒径2.5mm的电熔锆刚玉颗粒，与3.5wt%的粘结剂一起混合，边混合边加入2wt%Al粉、1wt%的稀土粉末；混合均匀后在模具中成型，经200℃烘干30min，脱模后制得蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体。预制体上留出平均直径12mm的六角形铁水流动通道，相邻六角形铸件的陶瓷颗粒层厚4mm，以保证铁水流动。将预制体放置在树脂砂型型腔的圆弧侧面，并用芯撑对预制体进行固定，预制体上部的砂型中留出可以补缩磨辊的明冒口和流畅的排气通道，合箱后用热风机对型腔进行预热达到300℃后进行浇注，铁水浇注温度1400℃，浇注后磨辊在砂型中冷却到200℃以下，开箱取件，对铸造出的锆刚玉颗粒增强铁基复合立磨磨辊进行热处理，其工艺为：1000℃×8h；空淬-450℃×8h-空冷。
采用便携式硬度计对热处理后锆刚玉颗粒增强铁基复合立磨磨辊进行硬度测试，其硬度HRC≥58；采用悬挂式砂轮对热处理后的高铬铸铁立磨磨辊与热处理后的锆刚玉颗粒增强铁基复合立磨磨辊进行磨损性能对比，发现在相同压力（15Kg）下30min磨损，铁基复合立磨磨辊的体积磨损量仅为高铬铸铁的30%。

Claims (6)

1.一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）选用粒径为2-4mm的电熔锆刚玉颗粒，颗粒的质量百分比21-28wt%Al、29-33wt%Zr，其余为O，颗粒的硬度为HRC70-75；
2）将上述电熔锆刚玉颗粒与2-4wt%的粘结剂一起混合，边混合边加入铝粉和稀土粉末的混合粉末1-3wt%；混合均匀平铺在模具中，放入烘箱中150-300℃下保温20-30min，脱模后制得弧形蜂窝状锆刚玉陶瓷颗粒预制体冷却待用；
3）将上述所得的锆刚玉陶瓷颗粒预制体放入立磨磨辊砂型的型腔中，沿型腔的圆弧面并排摆放，通过芯撑进行固定；
4）砂型均布设置若干内浇道和若干冒口，合箱后用热风机对型腔进行预热达到150-300℃，再进行浇注高铬铸铁的铁水，铁水温度为1350-1500℃，浇注后在砂型内冷却，待型腔温度低于200℃后开箱取件；
5）将上述所得到的铁基陶瓷复合材料立磨磨辊进行热处理，其工艺为：先空淬处理，温度为800-1200℃，时间为7-9h；再空冷处理，温度为400-500℃，时间为7-9h。
2.根据权利要求1所述的一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为耐高温无机纳米复合粘结剂。
3.根据权利要求1所述的一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：所述稀土粉末的成分为钇、镧系元素的氧化物稀土混合物。
4.根据权利要求1所述的一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：所述芯撑为钢制弹簧。
5.根据权利要求1所述的一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：所述锆刚玉陶瓷颗粒预制体内留有平均直径为9-12mm的六角形的铁水流动通道。
6.根据权利要求1所述的一种普通铸造铁基陶瓷复合材料立磨磨辊的制备方法，其特征在于：所述高铬铸铁为含C量为2.6-2.8wt%、含Cr量为20-30wt%的耐磨铸铁。
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