CN108746556B - 一种耐磨复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于耐磨材料技术领域，特别涉及一种耐磨复合材料及其制备方法。一种耐磨复合材料，包括多孔陶瓷基体和填充于多孔陶瓷基体孔隙中的金属基体，所述多孔陶瓷基体由第一多孔陶瓷板和布置在第一多孔陶瓷板之上的第二多孔陶瓷板组成，所述第一多孔陶瓷板上设有若干个第一浇注通孔，所述第二多孔陶瓷板上设有若干个第二浇注通孔，所述第二浇注通孔对每个第一浇注通孔形成部分遮挡。本发明的耐磨复合材料将金属的韧性、抗弯型，与陶瓷的高耐磨、高强度和抗氧化性能有机结合，整体的强度、抗冲击韧性和耐磨性均有极大地提高。

Description

一种耐磨复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于耐磨材料技术领域，特别涉及一种耐磨复合材料及其制备方法。
背景技术
耐磨材料广泛应用于火电、钢铁、冶炼、机械、煤炭、矿山、化工、水泥、港口码头等企业的输煤、输料系统、制粉系统、排灰、除尘系统等一切磨损大的机械设备上，比如在物料(铁矿石、煤炭等)装卸机械料斗系统中使用，具体部位在导料板、落料回收版、斗轮回弧耐磨板等易磨损部位。耐磨在烧结时，金属与陶瓷颗粒不能充分的混匀，导致耐磨复合材料的金属相和陶瓷相分布不均，导致耐磨性产生较大差异。
申请号为201220097663.6，授权公告号为CN202461486U的中国专利公开了一种金属陶瓷增强体，在增强体上下两个端面上设有多个通孔，并设有安装槽，使用时将通过相互配合的安装槽将多个增强体拼接后形成整体，然后在通孔中浇注钢水，冷却后得到产品，从而完整的将易磨损部位保护起来。然而该方案具有以下不足：1、通孔尺寸较大，浇注时必须将钢水对增强体进行包裹才能完成制作；2、钢水在浇注后将拼接的增强体包裹，以使不同的陶瓷增强体连接，而实际起到耐磨损作用的是增强体，当金属相磨损后，增强体之间会形成间隙导致产品的使用效果急剧下降，不能够起到良好的耐磨作用；3、通孔在增强体上分布不均匀，产品耐磨性差。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种耐磨复合材料及其制备方法。本发明的耐磨复合材料将金属的韧性、抗弯型，与陶瓷的高耐磨、高强度和抗氧化性能有机结合，整体的强度、抗冲击韧性和耐磨性均有极大地提高。
本发明采用以下技术方案来实现：
一种耐磨复合材料，包括多孔陶瓷基体和填充于多孔陶瓷基体孔隙中的金属基体，所述多孔陶瓷基体由第一多孔陶瓷板和布置在第一多孔陶瓷板之上的第二多孔陶瓷板组成，所述第一多孔陶瓷板上设有若干个第一浇注通孔，所述第二多孔陶瓷板上设有若干个第二浇注通孔，所述第二浇注通孔对每个第一浇注通孔形成部分遮挡，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔均为圆形。
优选的方案，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔的直径为0.4～1mm。
优选的方案，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔的直径相同。
优选的方案，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔在水平投影面上的孔心分布满足：
Figure GDA0002471053040000021
其中，XA为第一浇注通孔的横坐标，XB为第二浇注通孔的横坐标，YA为第一浇注通孔的纵坐标，YB为第二浇注通孔的纵坐标，当计算第一浇筑通孔的分布时，R0为第一浇注通孔的直径，当计算第二浇筑通孔的分布时，R0为第二浇注通孔的直径，以上均为在水平投影面上的参数。
一种耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，按质量份计，称取碳化硅陶瓷颗粒40～50份，氮化硅陶瓷颗粒50～60份、亚微米级氮化铝5～12份和粘结剂5～12份，放入容器中混合均匀后得到混合物料；
S2，将所述混合物料倒入分别倒入不同的模具成型，制得具有通孔的预制件A和预制件B；
S3，将预制件A和预制件B放入气氛炉内，在1100～1300℃条件下烧结30～50min，再经淬火、回火步骤后制得第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板；
S4，将第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板放入浇模中，将金属材料融化后浇注到多孔陶瓷基体，冷却后形成耐磨复合材料。
优选的方案，所述碳化硅陶瓷颗粒的密度为3.2～3.25g/cm3，且，所述氮化硅陶瓷颗粒和密度为3.12～3.2g/cm3。在步骤S1中，原料中碳化硅陶瓷颗粒40～50份，氮化硅陶瓷颗粒50～60份，二者作为主要原料，在混合时无需担心分层现象，制得的混合物料各物质成分分布混匀，适合批量生产，对产品质量的把控较好。
优选的方案，碳化硅颗粒平均粒径0.1mm，所述氮化硅平均粒径500um，所述亚微米级氮化铝平均粒径600nm。较大粒径的碳化硅颗粒作为主要原材料，其使用温度达1380℃，价格较低，但不耐融化的金属材料腐蚀，其反应机理主要在于，高温状态下，碳化硅与铁氧化物可发生如下：SiC(s)+3FeO(l)＝SiO2(s)+CO(g)+3Fe(l)及其类似反应，导致碳化硅颗粒被腐蚀。氮化硅颗粒的使用温度1200℃，在1200℃以上会随使用时间的增长而出现破损，使其强度降低，在1450℃以上更易出现疲劳损坏，但是能够耐融化的金属材料腐蚀，其价格比碳化硅颗粒价格高；而氮化铝具有优良的耐高温性能和耐熔融金属材料的腐蚀性能卓越，但是价格更高。较大粒径的碳化硅颗粒表面被氮化硅、氮化铝颗粒包覆形成耐腐蚀保护层，使本发明的耐磨复合材料具有优良的耐磨性，使用寿命大大提高。
氮化铝稳定使用温度达2200℃，且强度随温度的升高下降较慢，导热性好，热膨胀系数小，能够用于保证金属基体固化后的结构形状与设计相符，抗熔融金属侵蚀的性能卓越。
优选的方案，在步骤S2中，所述通孔的直径为0.4～1mm。设置较小的通孔直径有助于浇注的金属材料迅速凝固，降低了制造难度。
优选的方案，在步骤S4中，先将第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板进行抛光处理，然后放入浇模中。抛光处理使第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板之间形成光面连接，保证了第一浇注通孔和第二浇注通孔之间形成良好的连通效果，并保证金属基体的形状结构与设计相符。
优选的方案，所述金属材料为高铬铸铁，高铬铸铁是高铬白口抗磨铸铁的简称，是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料，比合金钢的耐磨性高很多，且具有一般白口铸铁所不具备的高韧性、高强度，还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能，生产便捷、成本适中。
本发明的有益效果是：
1、本发明的耐磨复合材料将金属的韧性、抗弯型，与陶瓷的高耐磨、高强度和抗氧化性能有机结合，整体的强度、抗冲击韧性和耐磨性均有极大地提高。
2、本发明的耐磨复合材料浇注后的金属基体呈阶梯状，使得金属基体与多孔陶瓷基体连接的紧密性，且，第一浇注通孔和第二浇注通孔的特殊设置，既提高了连接强度的提高，保证了二者固定牢固，又提高了多孔陶瓷基体与金属基体之间的补强作用。
3、本发明选用密度为3.2～3.25g/cm3的氮化硅陶瓷颗粒和密度为3.12～3.2g/cm3的氮化硅陶瓷颗粒作为陶瓷基料，不仅减少了高温熔融金属材料在浇注时，高温熔融金属材料对碳化硅的吸收作用，且，碳化硅和氮化硅的比重近似，混合时无需担心分层现象。
4、第一浇注通孔和第二浇注通孔均为圆形，在相同的尺寸条件下，圆形具有最大的接触面积，提高了金属基体对多孔陶瓷基体的补强作用，金属基体与多孔陶瓷基体的接触面为弧形，避免了金属基体与多孔陶瓷基体在长时间的冲击下产生分离，而保证了连接的紧密性，二者设置的特殊的位置关系，提高了多孔陶瓷基体与金属基体之间相互协同的补强作用。
5、本发明较大粒径的碳化硅颗粒表面被氮化硅、氮化铝颗粒包覆形成耐腐蚀保护层，利用氮化铝能耐铁、铝等金属及合金的溶蚀性能，减少了浇注时对碳化硅材料的腐蚀作用，使本发明的耐磨复合材料具有优良的耐磨性，使用寿命大大提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域一般技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的多孔陶瓷基体的结构示意图。
图2是本发明的多孔陶瓷基体的剖视图。
图3是本发明的耐磨复合材料的剖视图。
图中，1、第一多孔陶瓷板；11、第一浇注通孔；2、第二多孔陶瓷板；21、第二浇注通孔；3、金属基体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域一般技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种耐磨复合材料，包括多孔陶瓷基体和填充于多孔陶瓷基体孔隙中的金属基体3，所述多孔陶瓷基体由第一多孔陶瓷板1和布置在第一多孔陶瓷板1之上的第二多孔陶瓷板2组成，所述第一多孔陶瓷板1上设有若干个第一浇注通孔11，所述第二多孔陶瓷板2上设有若干个第二浇注通孔21，所述第二浇注通孔21对每个第一浇注通孔11形成部分遮挡。本发明的耐磨复合材料将金属的韧性、抗弯型，与陶瓷的高耐磨、高强度和抗氧化性能有机结合，整体的强度、抗冲击韧性和耐磨性均有极大地提高。
本实施例中，所述第一浇注通孔11和第二浇注通孔21均为圆形，耐磨复合材料多为旋转使用，圆形的设置使得金属基体3在第一多孔陶瓷板1或第二多孔陶瓷板2的内部为圆柱形，提高金属基体3与多孔陶瓷基体在旋转方向上的抗冲击性能；在相同的尺寸条件下，圆形具有最大的接触面积，提高了金属基体3对多孔陶瓷基体的补强作用，并使多孔陶瓷基体的占比达到最大化；金属基体3与多孔陶瓷基体的接触面为弧形，避免了金属基体3与多孔陶瓷基体在长时间的冲击下产生分离，而保证了连接的紧密性。
较佳的，所述第一浇注通孔11和第二浇注通孔21的直径为0.4～1mm。设置较小的通孔直径有助于浇注的金属材料迅速凝固，降低了制造难度。
本实施例中，所述第一浇注通孔11和第二浇注通孔21的直径为0.4mm。本公司在先申请了一种金属陶瓷复合耐磨制品及其制备方法(申请号为201210327943.6)，说明书部分提到普通的金属-陶瓷复合耐磨材料在磨损初期，基体金属受磨粒尖角的切削作用优先磨损下陷，陶瓷颗粒逐渐凸起，承受磨粒的冲击和切削，此时处在凹陷中的基体金属被冲击和切削的机率相对减少，同时反过来基体金属对陶瓷颗粒起到良好的固定和支撑，正是这种互为保护和支撑，从而使整体材料的强度、抗冲击韧性耐磨性都得到改进提高。本发明采用直径为0.4～1mm毛细孔作为浇注通孔，提高了多孔陶瓷基体与金属基体3之间相互协同的补强作用，将产品的使用寿命提高到了现有设计的一倍以上。
本实施例中，所述第一浇注通孔11和第二浇注通孔21的直径相同。
本实施例中，所述第一浇注通孔11和第二浇注通孔21在水平投影面上的孔心分布满足：
Figure GDA0002471053040000051
其中，XA为第一浇注通孔11的横坐标，XB为第二浇注通孔21的横坐标，YA为第一浇注通孔11的纵坐标，YB为第二浇注通孔21的纵坐标，当计算第一浇筑通孔11的分布时，R0为第一浇注通孔11的直径，当计算第二浇筑通孔21的分布时，R0为第二浇注通孔21的直径，以上均为在水平投影面上的参数。特殊位置关系的设定不会增加金属材料在耐磨复合材料中的整体占比，在保证耐磨复合材料耐磨性的同时，提高了金属基体3在第一多孔陶瓷板1与第二多孔陶瓷板2的连接处的强度，延长了耐磨复合材料的使用寿命。
浇注后的金属基体3呈阶梯状，提高了金属基体3与多孔陶瓷基体连接的紧密性，且，第一浇注通孔11和第二浇注通孔21的特殊设置，既提高了连接强度的提高，保证了二者固定牢固，又提高了多孔陶瓷基体与金属基体3之间的补强作用。按照使用的需要，金属基体3可以根据需要设置为多个，例如，在制备尺寸厚度为300mm的耐磨板时，可以选用三个层叠设置的厚度为100mm的多孔陶瓷基体，然后通过金属材料对三个多孔陶瓷基体进行封堵，多孔陶瓷基体中的第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2的厚度可相等，即均设置为50mm，也可以不相等，例如第一多孔陶瓷板1的厚度为40mm，第二多孔陶瓷板2的厚度为60mm。
以申请号为201220097663.6，授权公告号为CN202461486U的中国专利中公开的金属陶瓷增强体采用高铬钢水制备的耐磨材料作为对比样品，以本发明的多孔陶瓷基体采用相同的高铬钢水制备的耐磨材料作为实施样，分别采用将对比样品和实施样品放在MMH-5环块三体磨损试验机上进行对比磨损试验，磨料为石英砂，主轴转速30rpm，载荷用砝码加载方式，单轴试验力3kg，每磨2小时对两种不同试样进行清洗干燥称重计算，通过对比，实施样品在MMH-5环块三体磨损试验机上磨损性能是对比样品的1.6倍。
实施例2
一种耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，按质量份计，称取密度为3.2g/cm3、平均粒径0.1mm的碳化硅陶瓷颗粒50份，密度为3.2g/cm3、平均粒径500um的氮化硅陶瓷颗粒50份，亚微米级平均粒径600nm的氮化铝5份，和酚醛液体树脂5份，放入容器中混合均匀后得到混合物料；
S2，将所述混合物料倒入分别倒入不同的模具成型，制得具有0.6mm通孔的预制件A和预制件B；
S3，将预制件A和预制件B放入气氛炉内，在1200℃条件下烧结40min，在980℃保条件下温5h，出炉空冷后，在250℃条件下保温6h，炉冷，制得第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2；
S4，将第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2进行抛光处理后放入浇模中，将高铬铸铁融化后浇注到多孔陶瓷基体，冷却后形成耐磨复合材料。
实施例3
一种耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，按质量份计，称取密度为3.25g/cm3、平均粒径0.1mm的碳化硅陶瓷颗粒45份，密度为3.2g/cm3、平均粒径500um的氮化硅陶瓷颗粒55份，亚微米级平均粒径600nm的氮化铝7份，和环氧树脂9份，放入容器中混合均匀后得到混合物料；
S2，将所述混合物料倒入分别倒入不同的模具成型，制得具有1mm通孔的预制件A和预制件B；
S3，将预制件A和预制件B放入气氛炉内，在1250℃条件下烧结35min，在1000℃保条件下温2h，出炉空冷后，在300℃条件下保温2h，炉冷，制得第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2；
S4，将第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2进行抛光处理后放入浇模中，将高铬铸铁融化后浇注到多孔陶瓷基体，冷却后形成耐磨复合材料。
实施例4
一种耐磨复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1，按质量份计，称取密度为3.2g/cm3、平均粒径0.1mm的碳化硅陶瓷颗粒40份，密度为3.12g/cm3、平均粒径500um的氮化硅陶瓷颗粒60份，亚微米级平均粒径600nm的氮化铝12份，和聚氯乙烯12份，放入容器中混合均匀后得到混合物料；
S2，将所述混合物料倒入分别倒入不同的模具成型，制得具有0.4mm通孔的预制件A和预制件B；
S3，将预制件A和预制件B放入气氛炉内，在1100℃条件下烧结50min，在960℃保条件下温6h，出炉空冷后，在200℃条件下保温8h，炉冷，制得第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2；
S4，将第一多孔陶瓷板1和第二多孔陶瓷板2进行抛光处理后放入浇模中，将高铬铸铁融化后浇注到多孔陶瓷基体，冷却后形成耐磨复合材料。

Claims (7)

1.一种耐磨复合材料，包括多孔陶瓷基体和填充于多孔陶瓷基体孔隙中的金属基体，其特征在于，所述多孔陶瓷基体由第一多孔陶瓷板和布置在第一多孔陶瓷板之上的第二多孔陶瓷板组成，所述第一多孔陶瓷板上设有若干个第一浇注通孔，所述第二多孔陶瓷板上设有若干个第二浇注通孔，所述第二浇注通孔对每个第一浇注通孔形成部分遮挡，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔均为圆形；所述第一浇注通孔和第二浇注通孔的直径为0.4～1mm；所述第一浇注通孔和第二浇注通孔在水平投影面上的孔心分布满足：
Figure FDA0002471053030000011
Figure FDA0002471053030000012
其中，XA为第一浇注通孔的横坐标，XB为第二浇注通孔的横坐标，YA为第一浇注通孔的纵坐标，YB为第二浇注通孔的纵坐标，当计算第一浇注通孔的分布时，R0为第一浇注通孔的直径，当计算第二浇注通孔的分布时，R0为第二浇注通孔的直径，以上均为在水平投影面上的参数；所述第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板的配方包括如下材料：碳化硅陶瓷颗粒40～50份，氮化硅陶瓷颗粒50～60份、亚微米级氮化铝5～12份和粘结剂5～12份。
2.根据权利要求1所述的耐磨复合材料，其特征在于，所述第一浇注通孔和第二浇注通孔的直径相同。
3.一种如权利要求1所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，按质量份计，称取碳化硅陶瓷颗粒40～50份，氮化硅陶瓷颗粒50～60份，亚微米级氮化铝5～12份，和粘结剂5～12份，放入容器中混合均匀后得到混合物料；
S2，将所述混合物料倒入分别倒入不相同的模具成型，制得具有通孔的预制件A和预制件B；
S3，将预制件A和预制件B放入气氛炉内，在1100～1300℃条件下烧结30～50min，再经淬火、回火步骤后制得第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板；
S4，将第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板放入浇模中，将金属材料融化后浇注到多孔陶瓷基体，冷却后形成耐磨复合材料。
4.根据权利要求3所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述通孔的直径为0.4～1mm。
5.根据权利要求3所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，所述碳化硅陶瓷颗粒的密度为3.2～3.25g/cm3，且，所述氮化硅陶瓷颗粒和密度为3.12～3.2g/cm3。
6.根据权利要求3所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，碳化硅颗粒平均粒径0.1mm，所述氮化硅平均粒径500um，所述亚微米级氮化铝平均粒径600nm。
7.根据权利要求3所述耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，先将第一多孔陶瓷板和第二多孔陶瓷板进行抛光处理，然后放入浇模中。
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