CN105886824B - 一种多晶刚玉复相材料的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，具体步骤为通过铸造飞灰、不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉形成微晶核、采用特殊的天然铝矾土熔炼形成刚玉晶相、添加金属材料进行熔炼预处理以及材料的熔铸。本发明可以制备不同脆韧性的多晶刚玉复合材料，具有显著高硬度高韧性特点和卓越的摩擦学性能，在耐磨、抗冲击材料领域有重要的应用。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷-金属复合材料领域，特别是涉及一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，包括形成微晶核和刚玉主晶相，熔炼预处理以及材料的熔铸。
背景技术
随着现代材料制造业等领域的快速发展，矾土资源和质量越来越受关注，特别是优质矾土资源面临枯竭的状况，使得熔炼刚玉材料的原料面临困境。发展新型的高功能高硬度高韧性的耐磨材料，替代以消耗矾土资源和能源的白刚玉和棕刚玉品种，成为材料研究的潜在趋势。一些功能与结构一体化的新型材料，如拓扑点阵材料、laves结构材料等，因其显著的高硬度和卓越的韧性以及摩擦学性能而吸引了国外诸多学者的研究。它们要求的理论组成与中国废弃的低质量矾土资源的成分组成相近，均由Al2O3、SiO2、Fe2O3和TiO2形成的高硬高硬相，达到刚玉的硬度和磨削性能。目前尚未有直接生产方法的报道。
发明内容
本发明针对优质矾土资源面临枯竭、使得熔炼刚玉材料的原料面临困境的状况，以及冶炼能耗成本高等问题，提出一种具有高功能、高硬度、高韧性的耐磨材料微晶增强多晶刚玉复相材料。
本发明实现上述目的所采用的技术方案是：
一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.5～1.8∶1～1.5∶0.3～0.5的比例混合，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780～1960℃，熔炼条件下按原料总质量的1～5％添加氮化钒合金，熔炼3～5h；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700～2300℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的1～5％添加氮化钒合金，熔炼3～5h，形成刚玉主晶相熔体；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的15～45％，调节温度到1550～1850℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶1～12小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
作为上述技术方案的改进，所述步骤(1)可同时加入原料总质量的1.5～9％的铝铬渣。
进一步的，所述的微晶核熔体是拓扑密堆相，刚玉主晶相熔体是刚玉以及其他少量铝铁氧系高硬相。
进一步的，所述铸造方式为常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造以及负压-电磁场铸造的任意一种。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种具有laves相的高硬度和高韧性结构的多晶刚玉复合材料，这类材料是在微晶基体的结构上，形成大量的laves相，起到增强刚玉主晶相的功能。使用铸造飞灰和回收微粉、钛合金粉的回收原料和天然低挡铝矾土，属于循环经济模式。高含量的铝、铌、钒、钛、氮合金材料引入熔铸工艺环节，实现微晶晶核的发育和再形核，并诱导刚玉主晶相在微晶基体组织中发育完整，同时起到晶粒细化、晶界强化和弥散强化的作用，大大提高了材料的的韧性和硬度。多晶刚玉复合材料兼具陶瓷耐高温耐磨损耐腐蚀特性和金属材料强韧性，可以把金属材料的优良韧性和刚玉的硬度结合起来，使其具有良好的磨削和摩擦性能，能够长期承受很大的静载荷和周期载荷，在航空、航天和交通材料领域具有很好的应用前景，特别在磨削和耐磨材料领域具有非常重要的应用价值。
附图说明
图1为多晶刚玉复合材料的生产工艺流程图
具体实施方式
实施例1
一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.5∶1∶0.3的比例混合，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780℃，熔炼条件下按原料总质量的1％添加含有氮化钒合金，熔炼5h，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为1850℃或1960℃，时间为3小时或4小时亦可以；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的1％添加氮化钒合金，熔炼5h，形成刚玉主晶相熔体，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为2000℃或2300℃，时间为3小时或4小时亦可以；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的15％，调节温度到1550℃或1650℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶5小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行常温铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
实施例2
一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.5∶1∶0.3的比例混合，同时加入原料总质量的1.5％的铝铬渣，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780℃，熔炼条件下按原料总质量的1％添加含有氮化钒合金，熔炼5h，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为1850℃或1960℃，时间为3小时或4小时亦可以；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的1％添加氮化钒合金，熔炼5h，形成刚玉主晶相熔体，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为2000℃或2300℃，时间为3小时或4小时亦可以；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的15％，调节温度到1550℃或1650℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶5小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行负压铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
实施例3
一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.8∶1.5∶0.5的比例混合，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780℃，熔炼条件下按原料总质量的5％添加含有氮化钒合金，熔炼5h，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为1850℃或1960℃，时间为3小时或4小时亦可以；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的5％添加氮化钒合金，熔炼5h，形成刚玉主晶相熔体，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为2000℃或2300℃，时间为3小时或4小时亦可以；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的45％，调节温度到1650℃或1750℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶8小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行差压铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
实施例4
一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.8∶1.5∶0.5的比例混合，同时加入原料总质量的9％的铝铬渣，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780℃，熔炼条件下按原料总质量的5％添加含有氮化钒合金，熔炼5h，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为1850℃或1960℃，时间为3小时或4小时亦可以；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的5％添加氮化钒合金，熔炼5h，形成刚玉主晶相熔体，当然上述熔炼温度和时间可也以作适应调整，例如将熔炼温度调整为2000℃或2300℃，时间为3小时或4小时亦可以；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的45％，调节温度到1650℃或1750℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶8小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行重力-电磁场铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
Claims (4)
1.一种多晶刚玉复相材料的生产工艺，其特征在于，有如下步骤组成：
(1)、微晶核熔体的准备
a、原料混合，将主要成分为氧化铝的铸造飞灰、含有Cr元素的不锈钢铸造回收微粉和钛合金熔炼飞溅回收的钛合金粉，按照1.5～1.8∶1～1.5∶0.3～0.5的比例混合，在机械混粉机中搅拌30min使其均匀；
b、熔炼，将步骤a中混合均匀的原料转移至立式微晶熔炼炉中熔炼，控制温度1780～1960℃，熔炼条件下按原料总质量的1～5％添加氮化钒合金，熔炼3～5h；
c、微晶核熔体的形成，将步骤b中熔体倾倒进冷凝容器，快速降温至1500℃，形成微晶核熔体，熔体在半固态状态下备用；
(2)、刚玉主晶相熔体的准备，将天然高铝矾土加入大型熔炼炉，在1700～2300℃熔炼熔融，熔炼条件下按原料总质量的1-5％添加氮化钒合金，熔炼3～5h，形成刚玉主晶相熔体；
(3)熔体混合处理，将步骤(1)中形成的微晶核熔体加入含有刚玉主晶相熔体的大型熔炼炉，加入比例占整个熔体体积的15～45％，调节温度到1550～1850℃，充分混均后，保温50min以上；
(4)、铸造，将上述步骤(3)中混合熔体控制结晶1～12小时，浇铸到带有冷却装置的金属模具中进行铸造，冷却后得到多晶刚玉复相材料。
2.根据权利要求1所述多晶刚玉复相材料的生产工艺，其特征在于：所述步骤(1)中a可同时加入原料总质量1.5～9％的铝铬渣。
3.根据权利要求1或2所述多晶刚玉复相材料的生产工艺，其特征在于：所述的微晶核熔体是拓扑密堆相，刚玉主晶相熔体是刚玉以及其他少量铝铁氧系高硬相。
4.根据权利要求1或2所述多晶刚玉复相材料的生产工艺，其特征在于：所述铸造方式为常压铸造，负压铸造，差压铸造，重力-电磁场铸造以及负压-电磁场铸造的任意一种。
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