CN109202089B - 一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法 - Google Patents

一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法，包括以下步骤：A、将粒径为25～50nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；B、将粒径为80～120μm的4140高强度合金钢粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合金钢粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；C、在模具中插入薄片，在薄片两侧装填氧化锆粉末和4140高强度合金钢粉末，然后抽出薄片并沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为45～50％，金属端致密度为70～75％；D、将生坯在真空度为(1～2)×10‑2Pa烧结，升温速率为每分钟2～3℃，在1300～1350℃下保温2～3小时，然后随炉冷却至室温。本发明可提高氧化锆陶瓷与4140高强度合金钢粉末的共烧结性能，同时通过对烧结温度范围合理选择和有效控制，可提高金属与陶瓷界面的结合强度。

Description

一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法。
背景技术
为适应机械化掘进工作，需要在掘进机、采煤机等机械装备的工作部加装 截齿。而作为这些重型装备的“牙齿”，截齿又叫刀齿，是采掘机械切割煤和岩 石的重要部件，根据不同的使用工况，截齿分为：煤截齿、掘进机截齿、旋挖 机截齿等。根据截齿的不同形状截齿又分为：扁截齿、锥形截齿、径向截齿、 切向截齿等。截齿分为齿体与球齿，齿体一般使用42CrMo低合金钢通过铸造、 锻造等方式制得。球齿又叫刀头，是加装在截齿齿体前端的主要工作部件。因 为球齿的工作环境特殊，球齿一般具有高硬度(85HRA)的硬质合金制得。但是， 硬质合金在800℃时，其高温稳定性变差，硬度降低。就目前球齿而言，其主要 失效形式是由于硬质合金硬度不达标而使球齿使用寿命不高。氧化锆陶瓷具有 高硬度(95HRA)，其在高温(1700℃)时依然可以保持其化学稳定性，且在高 温(1200℃)时，硬度依然可达80HRA。但是，陶瓷不具有焊接性，这使得直接 使用陶瓷制作刀头的可行性不足。
发明内容
本发明的目的是解决陶瓷焊接性的问题，提供一种界面结合强度高的陶瓷/ 金属共烧结制备球齿的方法。
为了达到上述目的，本发明的方法包括以下步骤：A、将粒径为25～50nm 的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；B、 将粒径为80～120μm的4140高强度合金钢粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合 金钢粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；C、在模具中插入薄片，在薄片两侧 装填氧化锆粉末和4140高强度合金钢粉末，然后抽出薄片并沿薄片插入方向压 制成生坯，陶瓷端致密度为45～50％，金属端致密度为70～75％；D、将生坯在 真空度为(1～2)×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2～3℃，在1300～1350℃ 下保温2～3小时，然后随炉冷却至室温。
优选地，所述薄片的厚度为0.5～1mm。
优选地，在B步骤中的4140高强度合金钢粉末中添加B粉，并混合均匀， 所述B粉的质量占的4140高强度合金钢粉末质量的0.4～0.8％。
本发明采用25～50nm的氧化锆粉末和80～120μm的4140高强度合金钢粉 末，可提高氧化锆陶瓷与4140高强度合金钢粉末的共烧结性能，同时通过对烧 结温度范围合理选择和有效控制，可提高金属与陶瓷界面的结合强度。采用本 发明的方法可使成品中金属端的致密度为95.3％，陶瓷端的致密度为96％；烧结 试样的界面结合强度达到450MPa。本发明采用在4140高强度合金钢粉末中添加 B元素粉，利用Fe-B液相的润湿作用，有效提高了金属与陶瓷的结合强度，使 界面结合强度达到了600MPa。此时，金属端的致密度达到了97.8％，陶瓷端致 密度可达99％。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明。
实施例1：
A、将粒径为25nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质 量比为98∶1；B、将粒径为80μm的4140高强度合金钢粉末与石蜡混合均匀， 4140高强度合金钢粉末与石蜡的质量比为98∶1；C、在模具中插入厚度为0.5mm 的薄片，在薄片两侧装填掺入石蜡的氧化锆粉末和4140高强度合金钢粉末，然 后抽出片并沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为45％，金属端致密度为 70％；D、将生坯在真空度为1×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2℃，在1300℃ 下保温2小时，然后随炉冷却至室温。
实施例2：
A、将粒径为30nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质 量比为99∶1；B、将粒径为90μm的4140高强度合金钢粉末与石蜡混合均匀， 4140高强度合金钢粉末与石蜡的质量比为99∶1；C、在模具中插入厚度为1mm 的薄片，在薄片两侧装填掺入石蜡的氧化锆粉末和4140高强度合金钢粉末，然 后抽出薄片并沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为48％，金属端致密度 为72％；D、将生坯在真空度为1×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2℃，在1350℃ 下保温2小时，然后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，得到烧结试样的 界面结合强度达到450MPa。所得成品中金属端的致密度为95.3％、陶瓷端的致 密度为96％。
实施例3：
A、将粒径为50nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质 量比为99∶1；B、在粒径为120μm的4140高强度合金钢粉末中添加B粉，并混 合均匀，所述B粉的质量占的4140高强度合金钢粉末质量的0.4％，采用机械球 磨的方式混合均匀，再将混合粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合金钢混合粉 末与石蜡的质量比为99∶1；C、在模具中插入厚度为0.8mm的薄片，在薄片两 侧装填掺入石蜡的氧化锆粉末和4140高强度合金钢混合粉末，然后抽出薄片并 沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为50％，金属端致密度为75％；D、 将生坯在真空度为1.5×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2℃，在1340℃下保 温3小时，然后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，得到烧结试样的界面 结合强度达到600MPa。所得成品中金属端的致密度为97.8％、陶瓷端的致密度 为99％。
实施例4：
A、将粒径为45nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质 量比为99∶1；B、在粒径为100μm的4140高强度合金钢粉末中添加B粉，并混 合均匀，所述B粉的质量占的4140高强度合金钢粉末质量的0.8％，采用机械球 磨的方式混合均匀，再将混合粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合金钢混合粉 末与石蜡的质量比为99∶1；C、在模具中插入厚度为1mm的薄片，在薄片两侧 装填掺入石蜡的氧化锆粉末和4140高强度合金钢混合粉末，然后抽出薄片并沿 薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为48％，金属端致密度为73％；D、将 生坯在真空度为1×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟3℃，在1350℃下保温3 小时，然后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，得到烧结试样的界面结合 强度达到580MPa。所得成品中金属端的致密度为97％、陶瓷端的致密度为98％。
实施例5：
A、将粒径为50nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质 量比为99∶1；B、在粒径为120μm的4140高强度合金钢粉末中添加B粉，并混 合均匀，所述B粉的质量占的4140高强度合金钢粉末质量的0.6％，采用机械球 磨的方式混合均匀，再将混合粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合金钢混合粉 末与石蜡的质量比为99∶1；C、在模具中插入厚度为0.8mm的薄片，在薄片两 侧装填掺入石蜡的氧化锆粉末和4140高强度合金钢混合粉末，然后抽出薄片并 沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为50％，金属端致密度为75％；D、 将生坯在真空度为1.2×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2℃，在1340℃下保 温3小时，然后随炉冷却至室温。检测成品的力学性能，得到烧结试样的界面 结合强度达到600MPa。所得成品中金属端的致密度为97.3％、陶瓷端的致密度 为99％。
以上所述设计参数仅为本发明部分实例，故不能以此限定本发明的实施范 围，依本发明申请专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应仍属本 发明专利涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法，其特征是，包括以下步骤：A、将粒径为25～50nm的氧化锆粉末与石蜡混合均匀，氧化锆粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；B、将粒径为80～120μm的4140高强度合金钢粉末与石蜡混合均匀，4140高强度合金钢粉末与石蜡的质量比为(98～99)∶1；C、在模具中插入薄片，在薄片两侧装填氧化锆粉末和4140高强度合金钢粉末，然后抽出薄片并沿薄片插入方向压制成生坯，陶瓷端致密度为45～50％，金属端致密度为70～75％；D、将生坯在真空度为(1～2)×10-2Pa烧结，升温速率为每分钟2～3℃，在1300～1350℃下保温2～3小时，然后随炉冷却至室温；
其中，在B步骤中的4140高强度合金钢粉末中添加B粉，并混合均匀，所述B粉的质量占的4140高强度合金钢粉末质量的0.4～0.8％。
2.根据权利要求1的一种陶瓷/金属共烧结制备球齿的方法，其特征是，所述薄片的厚度为0.5～1mm。
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