CN106111946A - 一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法及其制品 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，包括以下步骤：(1)预备陶瓷颗粒、硬质合金粉末与铸钢熔液；(2)将硬质合金粉末预压成型，得到具有沟槽的合金基体；(3)将陶瓷颗粒与硬质合金粉末的混合物充入合金基体沟槽内，通过压力机在500MPa的压强条件下压制成型得到半成品；(4)将半成品置入烧结炉中绝氧加热烧结，当烧结温度加热至1200℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形；(5)将耐磨坯形置于砂型模范中，再往砂型模范中灌注铸钢熔液，冷却翻砂成型，获得复合陶瓷耐磨零配件产品。还公开了复合陶瓷金属耐磨坯件。本发明制备出兼具陶瓷的高耐磨性与合金材料的高强度韧性的复合陶瓷金属耐磨坯件。

Description

一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法及其制品
技术领域
本发明涉及耐磨坯件，尤其涉及一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法及其制品。
背景技术
耐磨材料大量应用于冶金、水泥、矿业、电力等基础行业，是国家“863”支持项目之一。我国用于磨料磨损工况的耐磨材料年用量目前已经达到360吨以上。应用非常广泛，用量也非常大。但随着现代工业的快速发展，使得生产中对机械产品的性能要求越来越严格，要使设备在高温、高压、高速等恶劣工况条件下长期稳定运转，必然对其表面强度、耐磨性等提出更高的要求，而耐磨材料的应用可以有效减少这种消耗，从而提高生产效率并节约成本。耐磨复合材料代替传统耐磨材料已成为行业发展的必然趋势。
我国在耐磨复合材料的加工制造方面已经落伍，尤其在一些专用耐磨件的设计制造方面，仍然是技术空白，如电力、冶金、矿业行业广泛应用的磨料机的磨辊与衬瓦采用复合陶瓷技术的制造技术方面，尚属空白。其存在的主要技术瓶颈在于，如何能使耐磨性极高的陶瓷与高强度韧性极高的合金钢材料有效的结合，避其所短，用其所长。存在的主要技术难题是：陶瓷材料密度、热膨胀性与金属差异较大。在重力环境下采用融合浇铸或机械镶嵌都难以实现理想的形状和结构，使二者的机械性能有机融合。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法及其制品，将陶瓷颗粒与硬质合金粉末有效融合，制备出兼具陶瓷的高耐磨性与合金材料的高强度韧性的复合陶瓷金属耐磨坯件，提高最终产品的耐磨性、高强度韧性与抗拉强度。
本发明为达到上述目的所采用的技术方案是：
一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预备以下原材料：陶瓷颗粒、硬质合金粉末与铸钢熔液；
(2)将硬质合金粉末装入模具内预压成型，得到具有沟槽的合金基体；
(3)将体积比为3：2的陶瓷颗粒与硬质合金粉末的混合物充入合金基体的沟槽内，再通过压力机在450～550MPa的压强条件下压制成型得到半成品；
(4)再将半成品置入烧结炉中绝氧加热烧结，当烧结温度加热至1200-1300℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形；
(5)将耐磨坯形置于砂型模范中，再往砂型模范中灌注铸钢熔液，冷却翻砂成型，获得复合陶瓷耐磨零配件产品。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(1)中，所述陶瓷颗粒的粒径为1～3mm，且该陶瓷颗粒为氧化锆陶瓷颗粒或氧化铝陶瓷颗粒，所述硬质合金粉末为粒径小于0.5μm的Fe基硬质合金粉末。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(1)中，所述铸钢熔液的制备方法为：将合金钢或含碳量为0.2-0.5％的中碳钢放入高温熔炼炉内，熔炼形成铸钢熔液。
作为本发明的进一步改进，所述氧化锆陶瓷颗粒中的元素成分含量为：30％Zr、0.9％Mo、0.2％Nb、0.08％Sn、0.03％Cu、68％O。
作为本发明的进一步改进，所述Fe基硬质合金粉末中的元素成分含量为：28％Cr、70％Fe、1.44％Mn、0.34％Co、0.8％Ni、0.1％Mo、0.08％Cu、0.05％Nb、0.09％W、0.05％V、0.04％Ti。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(3)中，压力机在常温或加热至200℃的温度条件下、及500MPa的压强条件下压制成型。
作为本发明的进一步改进，在所述步骤(4)中，在烧结炉内绝氧烧结的方式为：采用真空烧结或惰性气体保护烧结的方式；当烧结温度加热至1200℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形。
实施上述方法制备出的复合陶瓷金属耐磨坯件，其特征在于，包括耐磨坯形与铸钢层，其中，该耐磨坯形包括合金基体、及集中嵌入或分散嵌入合金基体之内的陶瓷颗粒层，且该耐磨坯形上分布有陶瓷颗粒的面即形成一复合陶瓷耐磨层。
作为本发明的进一步改进，所述耐磨坯形与铸钢层之间有预先模型设计的用于衔接的燕尾型榫卯结构。
作为本发明的进一步改进，所述复合陶瓷耐磨层沿磨损作用面呈点状、蜂窝状、网状或颗粒均匀分布于合金基体上。
本发明的有益效果为：采用粉末冶金压型烧结方法，先采用陶瓷颗粒与硬质合金粉末制造出复合陶瓷金属耐磨坯形，再根据实际需要制造出符合装配需求的复合陶瓷金属耐磨件产品，将陶瓷颗粒与硬质合金粉末有效融合，克服了陶瓷材料密度、热膨胀性与金属差异大，二者机械性能难以有机融合的技术难题，本发明制备出的复合陶瓷金属耐磨坯件兼具了陶瓷的高耐磨性与合金材料的高强度韧性，提高最终产品的耐磨性、高强度韧性与抗拉强度。
上述是发明技术方案的概述，以下结合附图与具体实施方式，对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明耐磨坯形的截面图；
图2为本发明耐磨坯形的结构示意图；
图3为本发明复合陶瓷辊胎的结构示意图；
图4为本发明复合陶瓷辊胎的剖面图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达到预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式详细说明。
本发明实施例提供一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，包括以下步骤：
(1)预备以下原材料：陶瓷颗粒、硬质合金粉末与铸钢熔液；
(2)将硬质合金粉末装入模具内预压成型，得到具有沟槽的合金基体；
(3)将体积比为3：2的陶瓷颗粒与硬质合金粉末的混合物充入合金基体的沟槽内，再通过压力机在450～550MPa的压强条件下压制成型得到半成品；
(4)再将半成品置入烧结炉中绝氧加热烧结，当烧结温度加热至1200-1300℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形；
(5)将耐磨坯形置于砂型模范中，再往砂型模范中灌注铸钢熔液，冷却翻砂成型，获得一定尺寸形状的复合陶瓷耐磨零配件产品。
在所述步骤(1)中，所述陶瓷颗粒的粒径为1～3mm，且该陶瓷颗粒为氧化锆陶瓷颗粒或氧化铝陶瓷颗粒，所述硬质合金粉末为粒径小于0.5μm的Fe基硬质合金粉末。在本实施例中，所述氧化锆陶瓷颗粒中的元素成分含量为：30％Zr、0.9％Mo、0.2％Nb、0.08％Sn、0.03％Cu、68％O。所述Fe基硬质合金粉末中的元素成分含量为：28％Cr、70％Fe、1.44％Mn、0.34％Co、0.8％Ni、0.1％Mo、0.08％Cu、0.05％Nb、0.09％W、0.05％V、0.04％Ti。
在所述步骤(1)中，所述铸钢熔液的制备方法为：将合金钢或含碳量为0.2-0.5％的中碳钢放入高温熔炼炉内，熔炼形成铸钢熔液。
在所述步骤(3)中，优选的，压力机在常温或加热至200℃的温度条件下、及500MPa的压强条件下压制成型。
在所述步骤(4)中，优选的，在烧结炉内绝氧烧结的方式为：采用真空烧结或惰性气体保护烧结的方式；当烧结温度加热至1200℃后，恒温保持60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形。
需要说明的是，在本实施例中，陶瓷颗粒嵌入硬质合金粉末的深度(即陶瓷颗粒层垂直于磨损作用面的厚度)可以依据具体的要求而定，只要其达到具体的使用条件即可。
请参照图1-4，本发明实施例还提供了实施上述方法制备出的复合陶瓷金属耐磨坯件，其包括耐磨坯形1与铸钢层2，其中，该耐磨坯形1包括合金基体11、及集中嵌入或分散嵌入合金基体11沟槽内的陶瓷颗粒层12，且该耐磨坯形1上分布有陶瓷颗粒的面即形成一复合陶瓷耐磨层13，该复合陶瓷耐磨层13的作用面形状根据耐磨坯件的外形尺寸而定；同时，该复合陶瓷耐磨层13中的陶瓷颗粒与硬质合金粉末的体积比为3:2。
在本实施例中，所述耐磨坯形1与铸钢层2之间有预先模型设计的用于衔接的燕尾型榫卯结构，以保证耐磨坯形1与铸钢层2连接的牢固性。
在本实施例中，所述所述复合陶瓷耐磨层沿磨损作用面呈点状、蜂窝状、网状或颗粒均匀分布于合金基体11上，且陶瓷颗粒层12嵌入合金基体11内的深度依照磨损寿命而定。在本实施例中，耐磨坯形1的形状及尺寸根据耐磨坯件特性结构尺寸而定。
具体的，如图1、2所示，为制备中速磨煤机复合陶瓷辊胎过程中形成的的半成品耐磨坯形1的结构示意图，复合陶瓷辊胎中的陶瓷颗粒层12呈蜂窝状结构分布于合金基体11内。
同时，为了使复合陶瓷金属耐磨坯件具有一定形状的安装尺寸和精度，需要对铸造出的复合陶瓷金属耐磨坯件进行机械加工，从而形成达到装配需求的陶瓷复合耐磨零配件产品，如图3所示，为复合陶瓷辊胎结构示意图。
本发明的重点主要在于，采用粉末冶金压型烧结方法，先采用陶瓷颗粒与硬质合金粉末制造出耐磨坯形，再根据实际需要制造出符合装配需求的复合陶瓷金属耐磨配件产品，将陶瓷颗粒与硬质合金粉末有效融合，克服了陶瓷材料密度、热膨胀性与金属差异大，二者机械性能难以有机融合的技术难题，本发明制备出的复合陶瓷金属耐磨坯件兼具了陶瓷的高耐磨性与合金材料的高强度韧性，提高最终产品的耐磨性、高强度韧性与抗拉强度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故采用与本发明上述实施例相同或近似的技术特征，而得到的其它结构，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预备以下原材料：陶瓷颗粒、硬质合金粉末与铸钢熔液；
(2)将硬质合金粉末装入模具内预压成型，得到具有沟槽的合金基体；
(3)将体积比为3：2的陶瓷颗粒与硬质合金粉末的混合物充入合金基体的沟槽内，再通过压力机在450～550MPa的压强条件下压制成型得到半成品；
(4)再将半成品置入烧结炉中绝氧加热烧结，当烧结温度加热至1200-1300℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形；
(5)将耐磨坯形置于砂型模范中，再往砂型模范中灌注铸钢熔液，冷却翻砂成型，获得复合陶瓷耐磨零配件产品。
2.根据权利要求1所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述陶瓷颗粒的粒径为1～3mm，且该陶瓷颗粒为氧化锆陶瓷颗粒或氧化铝陶瓷颗粒，所述硬质合金粉末为粒径小于0.5μm的Fe基硬质合金粉末。
3.根据权利要求1所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，所述铸钢熔液的制备方法为：将合金钢或含碳量为0.2-0.5％的中碳钢放入高温熔炼炉内，熔炼形成铸钢熔液。
4.根据权利要求2所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，所述氧化锆陶瓷颗粒中的元素成分含量为：30％Zr、0.9％Mo、0.2％Nb、0.08％Sn、0.03％Cu、68％O。
5.根据权利要求2所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，所述Fe基硬质合金粉末中的元素成分含量为：28％Cr、70％Fe、1.44％Mn、
0.34％Co、0.8％Ni、0.1％Mo、0.08％Cu、0.05％Nb、0.09％W、0.05％V、0.04％Ti。
6.根据权利要求1所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，压力机在常温或加热至200℃的温度条件下、及500MPa的压强条件下压制成型。
7.根据权利要求1所述的复合陶瓷金属耐磨坯件制备方法，其特征在于，在所述步骤(4)中，在烧结炉内绝氧烧结的方式为：采用真空烧结或惰性气体保护烧结的方式；当烧结温度加热至1200℃后，恒温保持30～60min，然后以不大于100℃/h的冷却速度降温冷却，获得耐磨坯形。
8.实施权利要求1-7任一所述方法制备出的复合陶瓷金属耐磨坯件，其特征在于，包括耐磨坯形与铸钢层，其中，该耐磨坯形包括合金基体、及集中嵌入或分散嵌入合金基体之内的陶瓷颗粒层，且该耐磨坯形上分布有陶瓷颗粒的面即形成一复合陶瓷耐磨层。
9.根据权利要求8所述的复合陶瓷金属耐磨坯件，其特征在于，所述耐磨坯形与铸钢层之间有预先模型设计的用于衔接的燕尾型榫卯结构。
10.根据权利要求8所述的复合陶瓷金属耐磨坯件，其特征在于，所述复合陶瓷耐磨层沿磨损作用面呈点状、蜂窝状、网状或颗粒均匀分布于合金基体上。
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