CN107587043A - 反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，包括以下步骤：(1)基体金属液的配制：基体金属液的化学成分如下：C：0.45％‑0.55％，Cr：4.5％‑6.5％，Mn：0.5％‑1.2％，Mo：0.2％‑0.8％，Ni：0.4％‑1.0％，Si：0.4％‑1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；(2)陶瓷颗粒预制体的制备：陶瓷的球磨微粉和陶瓷颗粒通过粘结剂，铸模烘干而成；(3)复合锤头的成型：将陶瓷颗粒预制体固定在模具型腔的工作面上，浇铸基体金属液，冷却脱模，热处理得到成品复合锤头。本发明中，高温下陶瓷微粉与金属液反应，促进了金属液对预制体的浸渗，改善了陶瓷与金属的复合效果，降低了生产成本，预制体的制备工艺简洁，生产效率高，适宜工业化生产；基体金属材料的强度较高且冲击韧性较好，大大提高了锤头的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法。
背景技术
随着工业化进程的不断推进，在水泥、矿山、冶金等各种行业中，对锤头的需求量越来越大，传统的钢铁耐磨材料所制备的锤头由于耐磨性差或韧性差，锤头在工作过程中磨损严重，降低了物料的破碎效果和物料产量。为了提高锤头的破碎效果和使用寿命，提高锤头的耐磨性迫在眉睫。陶瓷颗粒增强金属基复合材料兼具陶瓷颗粒高模量、高比强度、高耐磨性和高热稳定性的特点，以及金属材料良好的韧性、抗冲击能力，生产工艺简单、成本低廉而成为制备耐磨件的理想材料。目前最经济有效的方式是通过无压铸渗制备复合材料耐磨件，然而此工艺所制备的金属基陶瓷复合材料仍存在一定的缺陷，其主要问题是陶瓷颗粒与金属液润湿性差，浸渗复合困难或复合效果差。
中国发明专利CN103769562 A公开了一种活性元素烧结ZTA颗粒增强钢铁基复合材料锤头制备方法。其步骤是首先将活性金属粉末混合均匀后与ZTA陶瓷颗粒、粘结剂混合后填入模具中进行烧结，脱模，然后将其固定在型腔中进行浇铸得到复合材料锤头，此方法预制体制备工艺复杂，生产成本高，难以大规模工业化生产。本发明中，直接将陶瓷颗粒与陶瓷微粉混合均匀加入粘结剂搅拌即可填充模具，脱模浇铸，简化了预制体制备工艺，降低了生产成本。中国发明专利CN1748910A公开了一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料制备方法，其方法是将锤头模具安装在离心机转盘上，启动离心机浇铸金属液，碳化钨颗粒随流加入，离心结束冷却脱模后即可得到复合材料锤头，此方法制备的锤头中，颗粒分布不均匀，碳化钨颗粒价格昂贵，离心工艺复杂，生产成本高，难以工业化生产。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，包括以下步骤：
(1)基体金属液的配制：基体金属液包括以下重量百分比的化学成分：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；按照以上配方，添加金属及其他无机材料，高温条件下，融化成基体金属液A；
(2)陶瓷颗粒预制体的制备：将陶瓷微粉均匀混合后，加入无水乙醇，所述无水乙醇占陶瓷微粉的质量分数为5％-10％，进行球磨2-4h，得到球磨微粉B；称取陶瓷颗粒，并与球磨微粉B均匀混合，加入粘结剂，搅拌均匀后，填入模具中，烘干脱模后得到蜂窝状的陶瓷颗粒预制体C；
(3)复合锤头的成型：将陶瓷颗粒预制体C固定在模具型腔的工作面上，浇铸基体金属液A，冷却脱模，在进行热处理工艺，得到成品复合锤头。
优选地，所述步骤(2)中，陶瓷微粉具体为TiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、WC、TiC、TiB2、Si3N4、BN、TiN、AlN中的2种或2种以上混合而成，其粒度为1000-1500目。
优选地，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒具体为ZTA、Al2O3、WC、TiC、SiC、B4C、TiB2中的一种或任意几种混合而成，其粒度为12-150目。
优选地，所述陶瓷颗粒为两种或两种以上时，所有种类的所述陶瓷颗粒的粒度相同。
优选地，所述步骤(2)中，球磨微粉B的重量为陶瓷颗粒的重量的2％-8％。
优选地，所述步骤(3)中，热处理工艺包括以下步骤：将复合锤头以5-8℃/min的升温速率升温至930℃-980℃，保温30min后将锤头交替放入淬火油和空气中，进行油淬和空淬交替过程。
优选地，所述油淬的时间为10-20min，所述空淬的时间为40-50min，空淬及油淬过程依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
优选地，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒预制体C的蜂窝孔具体为正六边形。
优选地，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒预制体C的蜂窝孔具体为圆形。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中包覆在陶瓷颗粒表面的陶瓷微粉与金属液反应，促进了金属液对陶瓷颗粒预制体的浸渗，提高了陶瓷颗粒与金属液的复合效果，提高了锤头的使用寿命；
2.本发明将球磨后的陶瓷微粉与陶瓷颗粒混合，添加粘结剂直接制备出蜂窝状预制体，简化了陶瓷预制体制备工艺，适宜工业化生产；
3.本发明制备基体金属耐磨性好，韧性好，在中低冲击力工况下具有较高的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的实例1所制备的12目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面图；
图2是本发明的实例1所制备的12目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨锤头复合层的组织图；
图3是本发明的实例2所制备的90目Al2O3颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面图；
图4是本发明的实例2所制备的90目Al2O3颗粒/钢基复合材料耐磨锤头复合层的组织图；
图5是本发明的实例3所制备的60目WC颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面图；
图6是本发明的实例3所制备的60目WC颗粒/钢基复合材料耐磨锤头复合层的组织图。
图7是本发明的实例4所制备的150目B4C颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面图；
图8是本发明的实例4所制备的150目B4C颗粒/钢基复合材料耐磨锤头复合层的组织图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，具体步骤如下：
(1)将TiO2、Al2O3按1:1均匀混合后加入其质量分数5％的无水乙醇进行球磨2h，将12目锆刚玉陶瓷颗粒与其质量分数6％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入六边形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到正六边形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；
(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；
(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分金属液，冷却脱模得到复合材料锤头；
(4)将所得复合材料锤头以5℃/min的升温至950℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为40min空淬与20min油淬依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
本实施例制备了12目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨锤头。本实施例所制备的锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面如图1所示，耐磨锤头的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着锆刚玉颗粒，提高锤头的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的表层复合材料组织图如图2所示，锆刚玉颗粒与基体结合良好，且在基体中分布均匀，分布在锤头工作面表面，锤头表面可以实现均匀磨损；锤头寿命提高了4.5倍，相同工作时间内与其他材料金属锤头相比，磨料产量提高4.5倍；其性能测试结果见表1。
实施例2：
反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，具体步骤如下：
(1)将CaO、WC、TiC、TiB2按1:2:1:1均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨2.5h，将90目Al2O3颗粒与其质量分数6％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；
(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；
(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分金属液，冷却脱模得到复合材料锤头；
(4)将所得复合材料锤头以6℃/min的升温至930℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为45min空淬与15min油淬依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
本实施例制备了90目Al2O3颗粒/钢基复合材料耐磨锤头。本实施例所制备的Al2O3颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面如图3所示，耐磨锤头的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着Al2O3颗粒，提高锤头的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的Al2O3/钢基复合材料耐磨锤头的表层复合材料组织图如图4所示，Al2O3颗粒与基体结合良好，且Al2O3颗粒在基体中分布均匀，分布在锤头工作面表面，锤头表面可以实现均匀磨损；锤头寿命提高了4倍，相同工作时间内与其他材料金属锤头相比，磨料产量提高3.5倍；其性能测试结果见表1。
实施例3：
反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，具体步骤如下：
(1)将TiO2、CaO、WC、TiN、AlN按1:2:1:1:2均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨3.5h，将60目WC瓷颗粒与其质量分数3％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；
(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；
(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分的金属液，冷却脱模得到复合材料锤头；
(4)将所得复合材料锤头以7℃/min的升温至980℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为50min空淬与20min油淬依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
本实施例设计制备60目WC颗粒/钢基复合材料耐磨锤头。本实施例所制备的WC颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面如图5所示，耐磨锤头的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着WC颗粒，提高锤头的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的WC/钢基复合材料耐磨锤头的表层复合材料组织图如图6所示，WC颗粒与基体结合良好，且WC颗粒在基体中分布均匀，分布在锤头工作面表面，锤头表面可以实现均匀磨损；锤头寿命提高了5倍，相同工作时间内与其他材料金属锤头相比，磨料产量提高4倍；其性能测试结果见表1。
实施例4：
反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，具体步骤如下：
(1)将CaO、WC、TiB2、Si3N4、TiN、AlN按1:2:1:1:2:1均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨4h，将150目B4C颗粒与其质量分数3％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；
(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；
(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分金属液，冷却脱模得到复合材料锤头；
(4)将所得复合材料锤头以7℃/min的升温至980℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为50min空淬与20min油淬依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
本实施例制备了150目B4C颗粒/钢基复合材料耐磨锤头。本实施例所制备的B4C颗粒/钢基复合材料耐磨锤头的工作面如图7所示，耐磨锤头的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着B4C颗粒，提高锤头的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的B4C/钢基复合材料耐磨锤头的表层复合材料组织图如图8所示，B4C颗粒与基体结合良好且在基体中分布均匀，分布在锤头工作面表面，锤头表面可以实现均匀磨损；锤头寿命提高了5倍，相同工作时间内与其他材料金属锤头相比，磨料产量提高4倍；其性能测试结果见表1。
表1 复合材料锤头性能测试结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基体金属液的配制：基体金属液包括以下重量百分比的化学成分：C：0.45％-0.55％，Cr：4.5％-6.5％，Mn：0.5％-1.2％，Mo：0.2％-0.8％，Ni：0.4％-1.0％，Si：0.4％-1.0％，S≦0.04％,P≦0.04％,余量为Fe；按照以上配方，添加金属及其他无机材料，高温条件下，融化成基体金属液A；
(2)陶瓷颗粒预制体的制备：将陶瓷微粉均匀混合后，加入无水乙醇，所述无水乙醇占陶瓷微粉的质量分数为5％-10％，进行球磨2-4h，得到球磨微粉B；称取陶瓷颗粒，并与球磨微粉B均匀混合，加入粘结剂，搅拌均匀后，填入模具中，烘干脱模后得到蜂窝状的陶瓷颗粒预制体C；
(3)复合锤头的成型：将陶瓷颗粒预制体C固定在模具型腔的工作面上，浇铸基体金属液A，冷却脱模，在进行热处理工艺，得到成品复合锤头。
2.根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，陶瓷微粉具体为TiO2、Al2O3、ZrO2、CaO、WC、TiC、TiB2、Si3N4、BN、TiN、AlN中的2种或2种以上混合而成，其粒度为1000-1500目。
3.根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒具体为ZTA、Al2O3、WC、TiC、SiC、B4C、TiB2中的一种或任意几种混合而成，其粒度为12-150目。
4.根据权利要求3所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒为两种或两种以上时，所有种类的所述陶瓷颗粒的粒度相同。
5.根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，球磨微粉B的重量为陶瓷颗粒的重量的2％-8％。
6.根根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，热处理工艺包括以下步骤：将复合锤头以5-8℃/min的升温速率升温至930℃-980℃，保温30min后将锤头交替放入淬火油和空气中，进行油淬和空淬交替过程。
7.根据权利要求6所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述油淬的时间为10-20min，所述空淬的时间为40-50min，空淬及油淬过程依次交替进行，直至锤头冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒预制体C的蜂窝孔具体为正六边形。
9.根据权利要求1所述的反应诱导浸渗陶瓷颗粒增强钢基复合材料锤头的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒预制体C的蜂窝孔具体为圆形。
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