CN107971473A - 一种WCp/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，属于复合材料领域。本发明所述衬板包括嵌体和基体，嵌体为WCP/高锰钢复合材料，基体为贝马复相钢，通过拼接的方式使嵌体之间形成相应的空间结构。采用粉末冶金的方法制备嵌体，通过拼接的方式使嵌体之间形成相应的空间结构；采用常规砂型或消失模铸造以及后续热处理得到具有空间结构的WCP/高锰钢基复合耐磨衬板粗坯，最后将粗坯进行热等静压致密化处理即可得到具有优异性能的空间构型WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。本发明所述方法非常有效的解决铸造产生的气孔、缩孔等缺陷，同时采用一定的空间结构促进材料本身的优势，提高衬板抗冲击性、耐磨性、适宜高中低不同的冲击载荷。
Description
技术领域
本发明公开一种WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，属于复合材料领域。
背景技术
随着我国冶金工业的发展，应用于矿山、冶金、水泥等行业的球磨机向大型化发展，保护球磨机筒体的衬板既要有良好的耐磨性，也要有较好的韧性，以适应较复杂工况下的冲击力。目前，国内衬板的材质多使高锰钢和低合金耐磨钢等单一材质，在实际工况下不能满足较宽范围的冲击载荷，使用寿命大大降低。高锰钢没有在高冲击状态下使用时，应用在球磨机上不能形成硬质层的条件，不能完全加工硬化，耐磨性降低。为了发挥不同耐磨材料的优良性能，采用组元间复合的形式以及利用空间结构，充分发挥不同组元之间的协同，耦合及多功能响应机制，让衬板发挥出更加优良的耐磨性与高的硬度和韧性，同时采用后续致密化处理，使衬板使用性能以及寿命得到显著提升。
中国发明专利CN202200604U所公布的是一种复合材料的耐磨陶瓷衬板，其耐磨层与基体层中间设置了一层橡胶层，起到了一定的抗冲击能力，但由于耐磨层在实际高冲击、高热量的工况下，橡胶层容易脱落，最终导致衬板的使用寿命在很大程度上减少了。中国发明专利CN1962122A所公布的是一种双液双合金耐磨衬板的制备方法，其耐磨层与基体层都采用贝氏体钢，由于贝氏体钢在热处理过程中，其相变不易控制，生产体积小板体薄的衬板，能够容易控制组织相变，使组织与性能较好匹配，但生产体积大板体厚的衬板，板体热处理的淬透性不能很好的控制，导致耐磨层厚度不均，很难兼顾耐磨层与基体层的组织和性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，显著提升衬板整体的耐磨性以及抗冲击性，提高了衬板的使用性能，提高寿命，减少了维修次数，包括嵌体和基体，嵌体为WCP/高锰钢复合材料，基体为贝马复相钢，通过常规砂型或消失模铸造将嵌体与基体复合，通过拼接的方式使嵌体之间形成相应的空间结构。
优选的，本发明所述嵌体为圆台体（如图2所示），嵌体之间的空间结构采用三角形、正方形、六边形或者圆形（如图3所示）。
本发明的另一目的在于提供所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，具体包括以下步骤：
（1）将粒度为60~80目的球形WC颗粒和粒度为200~500目的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，将混合粉末压制成型后进行烧结，烧结温度为1300~1450℃，保温1~2小时得到WCP/高锰钢复合材料嵌体。
（2）熔炼与浇注：将WCP/高锰钢复合材料嵌体拼接成相应的空间结构，通过粘结剂使嵌体固定在浇注系统里，采用常规砂型铸造或消失模铸造，按组分配比熔炼基体金属液至浇注温度，将其浇入预埋有WCP/高锰钢复合材料嵌体的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为500~550℃，保温2~3小时后随炉冷却，待冷却至300~350℃出炉空冷得到铸坯。
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至880~930℃，保温0.5~1.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至300~330℃，再保温2~3h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢。
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，消除铸造缺陷，采用氩气作为压力传递介质，加热温度1000~1300℃，压力100~150MPa；保压半小时即可得到具有空间构型WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，如图1所示。
优选的，本发明步骤（1）中成形压力为20~50MPa，球磨时间为2~3小时。
优选的，本发明步骤（1）中所述混合粉末中WC颗粒的体积分数为10%~40%，高锰钢粉末的体积分数为60%~90%。
优选的，本发明步骤（2）中所述基体金属液的组分及其质量百分比为：C：0.5%~0.6%，Si：2.0%~2.2%，Mn：2.5%~2.8%，P≤0.03%，S≤0.03%，Fe及不可避免的杂质。
优选的，本发明步骤（2）所述粘结剂为硼酸、铝酸盐水泥、硅溶胶、硅酸钠、酚醛树脂的一种或多种按任意比混合。
本发明的有益效果：
（1）本发明有效的发挥材料本身的优势，提高衬板抗冲击性、耐磨性、适宜高中低不同的冲击载荷，有效的解决了单一材质所造成的耐磨性低、使用寿命短的情况。
（2）本发明中WCP/高锰钢基嵌体，结合了陶瓷颗粒高模量、高硬度、高耐蚀性和高锰钢基体高塑韧性等优点，有着良好的经济适用性；采用粉末冶金的方法制备充分使WC颗粒与高锰钢基体发生冶金反应，形成界面，提高颗粒与基体之间的结合强度，在高冲击工况下颗粒不易发生脱落，同时嵌体与基体之间有良好的相容性，结合紧密，结构设计为表层复合材料，因为衬板在作业时都是从表面开始磨损的，改变材料结构，设计成表层复合材料能够节约成本、工艺简单，同时嵌体设计为圆台体能紧密的与基体结合，不易发生开裂与脱落。
（3）本发明中嵌体之间采用一定的空间结构，在一定程度上可以减少因增强体分布不均匀产生的过度应力集中而导致复合材料脆性破坏，充分发挥不同组元之间的协同，耦合及多功能响应机制，使得衬板在强度，刚度提高的同时，塑韧性和损伤容限提高。
（4）本发明中采用热等静压致密化处理，虽然在一定程度上提高了成本，但由于加热温度低，时间短，成本相对不高，经热致密处理后的衬板能达到100%致密，进一步提高嵌体与基体之间的结合强度，消除缺陷，提高综合力学性能，显著提高衬板的使用寿命。
（5）本发明显著提高了衬板的使用寿命，减少球磨机维修次数，生产工艺简单，节约成本，综合性能优异，衬板基体硬度为55~60HRC，冲击韧性16~22J/cm2，普通筒体高锰钢衬板不间断使用时长在4~5月，此种空间构型WCP/高锰钢基复合耐磨衬板不间断使用时长在8月以上。
附图说明
图1 为WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的结构示意图；
图2为嵌体的结构示意图；
图3为嵌体之间空间结构示意图；
图4为实施例1中嵌体与基体的组织图。
图1中：1-嵌体，2-基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，碳化钨颗粒粒度为60~80目，高锰钢粉末粒度为200目，如图1所示，基体厚度为200mm，嵌体高度为100mm，嵌体为圆柱台，上圆直径为12mm，下圆直径为8mm，基体和嵌体的组分及重量百分比如表1所示。
表1
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末冶金：将体积分数为10%的球形WC颗粒与90%的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，球磨2小时，将球磨好的粉末装入特定模具通过压力机进行成形，成形压力为20MPa，将压坯放入箱式炉中烧结，烧结温度1300℃，保温1小时。
（2）熔炼与浇注：将步骤（1）得到的WCP/高锰钢复合材料嵌体按照工件工作面的形状通过拼接构成三角形空间结构、通过粘结剂使之固定在浇注系统里，采用常规砂型铸造，熔炼金属液至浇注温度，将其浇入预埋有空间结构复合材料的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为500℃，保温2小时后随炉冷却，待冷却至300℃出炉空冷。
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至880℃，保温0.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至300℃，再保温2h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢。
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，消除铸造缺陷，采用氩气作为压力传递介质，加热温度1000℃，压力100MPa；保压半小时即可得到具有空间结构的WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。嵌体与基体的组织图如图4所示，图中（a）为嵌体扫描电镜图，（b）为贝马复相组织图，由图可以看出复合耐磨衬板上有针状贝氏体和板条状马氏体。
本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，基体层硬度为55HRC，冲击韧性为16J/cm2，该空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板可以使用8个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
实施例2
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，碳化钨颗粒粒度为60~80目，高锰钢粉末粒度为300目如图1所示，基体厚度为200mm，嵌体高度为75mm，嵌体为圆柱台，上圆直径为12mm，下圆直径为8mm，基体和嵌体的组分及重量百分比如表2所示。
表2
本实施例所述一种WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末冶金：将体积分数为20%的球形WC颗粒与80%的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，球磨2.2小时，将球磨好的粉末放入特定模具通过压力机进行成形，成形压力为30MPa，将压坯放入箱式炉中烧结，烧结温度1350℃，保温1.3小时。
（2）熔炼与浇注：将步骤（1）得到的WCP/高锰钢复合材料嵌体按照工件工作面的形状通过拼接构成四边形空间结构、通过粘结剂使之固定在浇注系统里，采用消失模铸造，熔炼金属液至浇注温度，将其浇入预埋有空间结构复合材料的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为520℃，保温2.3小时后随炉冷却，待冷却至320℃出炉空冷。
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至900℃，保温1h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至310℃，再保温2.2h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢。
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，消除铸造缺陷，采用氩气作为压力传递介质，加热温度1100℃，压力125MPa；保压半小时即可得到具有空间结构的WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。
本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，基体层硬度为57HRC，冲击韧性为17J/cm2；该空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板可以使用10个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
实施例3
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，碳化钨颗粒粒度为60~80目，高锰钢粉末粒度为400目如图1所示，基体厚度为200mm，嵌体高度为60mm，嵌体为圆柱台，上圆直径为12mm，下圆直径为8mm，基体和嵌体的组分及重量百分比如表3所示。
表3
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末冶金：将体积分数为30%的球形WC颗粒与70%的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，球磨2.5小时，将球磨好的粉末放入特定模具通过压力机进行成形，成形压力为40MPa，将压坯放入箱式炉中烧结，烧结温度1400℃，保温1.5小时。
（2）熔炼与浇注：将步骤（1）得到的WCP高锰钢复合材料嵌体按照工件工作面的形状通过拼接构成六边形空间结构、通过粘结剂使之固定在浇注系统里，采用消失模铸造，熔炼金属液至浇注温度，将其浇入预埋有空间结构复合材料的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为540℃，保温2.5小时后随炉冷却，待冷却至340℃出炉空冷。
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至910℃，保温1.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至320℃，再保温2.5h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢。
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，消除铸造缺陷，采用氩气作为压力传递介质，加热温度1200℃，压力135MPa；保压半小时即可得到具有空间结构的WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。
本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，基体层硬度为60HRC，冲击韧性为20J/cm2；该空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板可以使用12个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
实施例4
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，碳化钨颗粒粒度为60~80目，高锰钢粉末粒度为500目，如图1所示，基体厚度为200mm，嵌体高度为50mm，嵌体为圆柱台，上圆直径为12mm，下圆直径为8mm，基体和嵌体的组分及重量百分比如表4所示。
表4
本实施例所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板及其制备方法，具体包括以下步骤：
（1）粉末冶金：将体积分数为40%的球形WC颗粒与60%的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，球磨3小时，将球磨好的粉末放入特定模具通过压力机进行成形，成形压力为50MPa，将压坯放入箱式炉中烧结，烧结温度1450℃，保温2小时。
（2）熔炼与浇注：将步骤（1）得到的WCP/高锰钢复合材料嵌体按照工件工作面的形状通过拼接构成圆形空间结构、通过粘结剂使之固定在浇注系统里，采用常规砂型铸造，熔炼金属液至浇注温度，将其浇入预埋有空间结构复合材料的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为550℃，保温3小时后随炉冷却，待冷却至350℃出炉空冷。
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至930℃，保温2h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至330℃，再保温3h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢。
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，消除铸造缺陷，采用氩气作为压力传递介质，加热温度1300℃，压力150MPa；保压半小时即可得到具有空间结构的WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。
本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，基体层硬度为57HRC，冲击韧性为18J/cm2；该空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板与普通筒体高锰钢衬板在同样的使用条件下不间断使用，本实施例制备得到的空间结构WCP/高锰钢基复合耐磨衬板可以使用11个月，而普通筒体高锰钢衬板只能使用5个月。
Claims (7)
1.一种WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，其特征在于：包括嵌体和基体，嵌体为WCP/高锰钢复合材料，基体为贝马复相钢，通过常规砂型或消失模铸造将嵌体与基体复合，通过拼接的方式使嵌体之间形成相应的空间结构。
2.根据权利要求1所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板，其特征在于：所述嵌体为圆台体，嵌体之间的空间结构采用三角形、正方形、六边形或者圆形。
3.权利要求1或2所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）将粒度为60~80目的球形WC颗粒和粒度为200~500目的高锰钢粉末通过球磨机进行混粉，将混合粉末压制成型后进行烧结，烧结温度为1300~1450℃，保温1~2小时得到WCP/高锰钢复合材料嵌体；
（2）熔炼与浇注：将WCP/高锰钢复合材料嵌体拼接成相应的空间结构，通过粘结剂使嵌体固定在浇注系统里，采用常规砂型铸造或消失模铸造，按组分配比熔炼基体金属液至浇注温度，将其浇入预埋有WCP/高锰钢复合材料嵌体的型腔内，室温冷却凝固，进行表面清砂去应力退火，退火温度为500~550℃，保温2~3小时后随炉冷却，待冷却至300~350℃出炉空冷得到铸坯；
（3）热处理：将步骤（2）退火后的铸坯加热至880~930℃，保温0.5~1.5h后，交替水冷-空冷处理，水冷5~10s，空冷7~15s，交替进行，冷却至300~330℃，再保温2~3h，然后冷却至室温，使得基体为贝氏体-马氏体复相钢；
（4）热等静压：将步骤（3）经过热处理后的铸坯经热等静压进行致密化处理，加热温度1000~1300℃，压力100~150MPa；保压半小时即可得到具有空间构型WCP/高锰钢基复合耐磨衬板。
4.根据权利要求3所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中成形压力为20~50MPa，球磨时间为2~4小时。
5.根据权利要求3所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述混合粉末中WC颗粒的体积分数为10%~40%，高锰钢粉末的体积分数为60%~90%。
6.根据权利要求3所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述基体金属液的组分及其质量百分比为：C：0.5%~0.6%，Si：2.0%~2.2%，Mn：2.5%~2.8%，P≤0.03%，S≤0.03%，Fe及不可避免的杂质。
7.根据权利要求3所述WCP/高锰钢基复合耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述粘结剂为硼酸、铝酸盐水泥、硅溶胶、硅酸钠、酚醛树脂的一种或多种按任意比混合。
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