CN109351405A - 一种复合材料轧臼壁及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合材料轧臼壁及其制备方法，属于圆锥破碎机部件制造技术领域。在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。将5种或5种以上陶瓷微粉均匀混合后得到混合粉，加入无水乙醇，球得到陶瓷混合微粉；将陶瓷混合微粉与陶瓷颗粒混合，再加入粘结剂，搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中，进行固化，脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体；将制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；将轧臼壁热处理得到复合材料轧臼壁。本方法在于解决传统塔圆锥破碎机的轧臼壁耐磨性差、使用寿命短等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料轧臼壁及其制备方法，属于圆锥破碎机部件制造技术领域。
背景技术
圆锥破碎机是广泛应用于煤炭、冶金、矿山、建材、耐火材料、能源等工业行业中的中碎和细碎破碎设备。圆锥破碎机的主要磨损件是轧臼壁。在圆锥破碎机工作状况下，轧臼壁承受着冲击、磨损、挤压、剪切等强烈的，反复交变应力的作用。近年来，随着国家发展迅速，对矿物等原材料需求日益增强，圆锥破碎机的轧臼壁消耗量逐年上升。但传统的轧臼壁，因其使用寿命短，耐磨性能差导致降低生产效率，难以满足现在市场的需要。为了解决现实所面临的问题，一种新型复合材料轧臼壁的制备方法应运而生。利用金属材料的高韧性来提高抗冲击和抗剪切力，复合材料区的陶瓷颗粒为抗磨介质。此种塔磨机耐磨性、耐压力和耐冲击性能好，且具有一定耐高温性能，适用于更严酷的工况条件。
中国发明专利CN100443185C公布了一种复合破碎壁与复合轧臼壁的制造工艺，采用紧固有纳米结构金属复合管，作为轧臼壁的工作表面，进而提高耐磨性能。但是此方法制备复合轧臼壁制备工艺过于繁琐，制备成本高。中国发明专利CN 104525859A公开了一种破碎壁与轧臼壁的制备方法，在其锥形工作面上结合一层碳化物涂层，具有耐磨、耐腐蚀、抗氧化等优点。但此方法没有结构优点，整层的涂层结构容易脱落。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种复合材料轧臼壁及其制备方法。本方法在于解决传统塔圆锥破碎机的轧臼壁耐磨性差、使用寿命短等问题。本发明通过以下技术方案实现。
一种复合材料轧臼壁，在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。
一种复合材料轧臼壁的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将5种或5种以上陶瓷微粉均匀混合后得到混合粉，加入混合粉质量10%～30%的无水乙醇，球磨4～6小时得到陶瓷混合微粉；
步骤2、将步骤1得到的陶瓷混合微粉按照陶瓷混合微粉占陶瓷颗粒质量的8%～14%与陶瓷颗粒混合，再加入陶瓷颗粒质量10%～16%的粘结剂，搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中，进行固化，脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体；
步骤3、将步骤2制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；
步骤4、经步骤3后将轧臼壁热处理得到复合材料轧臼壁。
所述步骤1中陶瓷微粉为Al2O3、ZrO2、CaO、TiO2、TiC、TiB2、Si3N4、TiN、WC和AlN，混合粉中由5种或5种以上等质量瓷微粉混合而成，粒度为1300～1600目。
所述步骤2中陶瓷颗粒为氧化铝、锆刚玉、碳化硅、碳化钨或氮化硼颗粒，其粒度在12～36目。
所述步骤2中粘结剂为水玻璃、硅溶胶、磷酸二氢铝、聚乙烯醇或聚乙烯醇缩丁醛。
所述步骤2中固化具体为以2～4℃/min的升温速率升温至160～180℃，保温2～4小时后随炉冷却，固化方法为加热固化或者微波固化。
所述步骤3中金属液为高锰钢、高铬铸铁或中铬合金耐磨钢
所述步骤3中金属液为高锰钢时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至650～750℃后，保温1.5～2.5h，再以2℃/min的升温至1100～1200℃后，保温2～3h后水淬，直至冷却至室温。
所述步骤3中金属液为高铬铸铁时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至930～1030℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行230～530℃回火处理。
所述步骤3中金属液为中铬合金耐磨钢时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至980～1200℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行500～600℃回火处理。
上述步骤1中球磨为玛瑙球或者无锈钢球，其中球料比3:1。
上述步骤2中蜂窝状模具为硅胶模，硅胶模可通过木模，聚氯乙烯模或者通过3D打印出的聚乳酸模或者丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）模获得。
上述步骤3中，浇铸为无压渗透砂型铸造，其型沙为树脂砂、水玻璃沙或宝珠砂。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用微波固化粘结剂，提高了预制体的强度为工业化提供了方便。
2、本发明采用复合材料制备出轧臼壁，使其不仅拥有金属的韧性和塑性，而且兼具陶瓷材料的硬度，大大提高了轧臼壁的耐磨性，提高了使用寿命。
3、本发明采用蜂窝状预制体获得更厚的复合区，并且获得更好的复合区性能。
4、本发明采用简单的无压浇注工艺，简化了生产工艺及节约了生产成本。
5、本发明中包覆在陶瓷颗粒表面的陶瓷微粉与金属液反应，提供反应浸渗，吸附浸渗，溶解浸渗。促进金属液对陶瓷颗粒预制体的浸渗，提高陶瓷颗粒与金属液的复合效果，提高轧臼壁的使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例1硅胶模具照片；
图2是本发明实施例1预制体照片；
图3是本发明实施例1复合材料轧臼壁的工作面照片；
图4是本发明实施例1复合轧臼壁示意图。
图中：1-陶瓷增强金属基复合材料，2-轧臼壁金属壁面。
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。
实施例1
如图4所示，该复合材料轧臼壁，在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料1，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。
该复合材料轧臼壁的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将1300目的6种陶瓷微粉（TiO2、TiC、TiB2、TiN、ZrO2、Si3N4）按质量比1:1:1:1:1:1均匀混合后得到混合粉，加入混合粉质量10%的无水乙醇，球磨4小时得到陶瓷混合微粉；其中球磨为玛瑙球，其中球料比3:1；
步骤2、将步骤1得到的陶瓷混合微粉按照陶瓷混合微粉占陶瓷颗粒质量的8%与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为12目的锆刚玉）混合，再加入陶瓷颗粒质量10%的粘结剂（水玻璃），搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中（通过木模制备硅胶模具，制备得到的硅胶模具照片如图1所示），进行微波固化（以2℃/min的升温速率微波升温至160℃，保温2小时后随炉冷却），脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体，蜂窝状的陶瓷预制体照片如图2所示；
步骤3、将步骤2制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；其中浇铸为无压渗透砂型铸造，其型沙为树脂砂，金属液为高锰钢金属液，高锰钢金属液质量百分比成分为C0.9%-1.5%，Mn10%-15%，Si0.3%-1.0%，S≤0.05%，P≤0.10%；
步骤4、经步骤3后将轧臼壁自然冷却后脱型沙，然后热处理得到复合材料轧臼壁；其中热处理具体过程为：以3℃/min的升温至650℃后，保温1.5h，再以2℃/min的升温至1100℃后，保温2h后水淬，直至冷却至室温。
本实施例制备得到的复合材料轧臼壁的工作面照片如图3所示，复合材料轧臼壁的基体金属高锰钢具有较好的韧性，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，复合材料轧臼壁的耐磨性能比常规单金属材质的轧臼壁提高3倍，使用寿命延长3.5倍。
实施例2
如图4所示，该复合材料轧臼壁，在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料1，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。
该复合材料轧臼壁的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将1600目的7种陶瓷微粉（TiO2、TiC、Al2O3、AlN、ZrO2、Si3N4、WC）按质量比1:1:1:1:1:1:1均匀混合后得到混合粉，加入混合粉质量30%的无水乙醇，球磨6小时得到陶瓷混合微粉；其中球磨为无锈钢球，其中球料比3:1；
步骤2、将步骤1得到的陶瓷混合微粉按照陶瓷混合微粉占陶瓷颗粒质量的14%与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为36目的氧化铝）混合，再加入陶瓷颗粒质量16%的粘结剂（硅溶胶），搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中（通过聚氯乙烯模制备硅胶模具），进行加热固化（以4℃/min的升温速率升温至180℃，保温4小时后随炉冷却），脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体；
步骤3、将步骤2制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；其中浇铸为无压渗透砂型铸造，其型沙为水玻璃沙，金属液为中铬合金耐磨钢金属液，中铬合金耐磨钢金属液成分为C0.45%-0.55%，Cr4%-6%，Mn0.5%-1.2%，，Si0.4%-1.2%，Mo0.2%-0.8%，Ni≤1.0%，P≤0.04%，S≤0.04%；
步骤4、经步骤3后将轧臼壁自然冷却后脱型沙，然后热处理得到复合材料轧臼壁；其中热处理具体过程为：以3℃/min的升温至1200℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行500℃回火处理。
本实施例所制备的复合材料轧臼壁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氧化铝陶瓷颗粒，复合材料轧臼壁的耐磨性能比常规单金属材质的轧臼壁提高2.5倍，使用寿命延长3倍。
实施例3
如图4所示，该复合材料轧臼壁，在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料1，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。
该复合材料轧臼壁的制备方法，其具体步骤如下：
步骤1、将1450目的8种陶瓷微粉（TiO2、CaO、Al2O3、AlN、ZrO2、Si3N4、WC、TiN）按质量比1:1:1:1:1:1:1:1均匀混合后得到混合粉，加入混合粉质量20%的无水乙醇，球磨5小时得到陶瓷混合微粉；其中球磨为无锈钢球，其中球料比3:1；
步骤2、将步骤1得到的陶瓷混合微粉按照陶瓷混合微粉占陶瓷颗粒质量的11%与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为24目的碳化硅）混合，再加入陶瓷颗粒质量13%的粘结剂（磷酸二氢铝），搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中（通过3D打印聚乳酸模制备硅胶模具），进行加热固化（以3℃/min的升温速率升温至170℃，保温3小时后随炉冷却），脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体；
步骤3、将步骤2制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；其中浇铸为无压渗透砂型铸造，其型沙为宝珠砂，金属液为高铬铸铁金属液，高铬铸铁金属液成分为C0.3%-0.4%，Cr26%-30%，Mn0.8%-1.0%，Si≤1.0%，P≤0.04%，S≤0.04%；
步骤4、经步骤3后将轧臼壁自然冷却后脱型沙，然后热处理得到复合材料轧臼壁；其中热处理具体过程为：以3℃/min的升温至1030℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行530℃回火处理。
本实施例所制备的复合材料轧臼壁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碳化硅陶瓷颗粒，复合材料轧臼壁的耐磨性能比常规单金属材质的轧臼壁提高3.5倍，使用寿命延长4倍。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (10)
1.一种复合材料轧臼壁，其特征在于：在轧臼壁锥形工作表面具有一层陶瓷增强金属基复合材料，其中陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷为蜂窝结构。
2.一种根据权利要求1所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤1、将5种或5种以上陶瓷微粉均匀混合后得到混合粉，加入混合粉质量10%～30%的无水乙醇，球磨4～6小时得到陶瓷混合微粉；
步骤2、将步骤1得到的陶瓷混合微粉按照陶瓷混合微粉占陶瓷颗粒质量的8%～14%与陶瓷颗粒混合，再加入陶瓷颗粒质量10%～16%的粘结剂，搅拌均匀后，填入蜂窝状模具中，进行固化，脱模后得到蜂窝状的陶瓷预制体；
步骤3、将步骤2制备得到的陶瓷预制体固定在轧臼壁型腔中工作表面上，浇铸金属液，自然冷却；
步骤4、经步骤3后将轧臼壁热处理得到复合材料轧臼壁。
3.根据权利要求2所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤1中陶瓷微粉为Al2O3、ZrO2、CaO、TiO2、TiC、TiB2、Si3N4、TiN、WC和AlN，混合粉中由5种或5种以上等质量瓷微粉混合而成，粒度为1300～1600目。
4.根据权利要求2所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤2中陶瓷颗粒为氧化铝、锆刚玉、碳化硅、碳化钨或氮化硼颗粒，其粒度在12～36目。
5.根据权利要求2所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤2中粘结剂为水玻璃、硅溶胶、磷酸二氢铝、聚乙烯醇或聚乙烯醇缩丁醛。
6.根据权利要求2所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤2中固化具体为以2～4℃/min的升温速率升温至160～180℃，保温2～4小时后随炉冷却。
7.根据权利要求2所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤3中金属液为高锰钢、高铬铸铁或中铬合金耐磨钢。
8.根据权利要求7所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤3中金属液为高锰钢时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至650～750℃后，保温1.5～2.5h，再以2℃/min的升温至1100～1200℃后，保温2～3h后水淬，直至冷却到室温。
9.根据权利要求7所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤3中金属液为高铬铸铁时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至930～1030℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行230～530℃回火处理。
10.根据权利要求7所述的复合材料轧臼壁的制备方法，其特征在于：所述步骤3中金属液为中铬合金耐磨钢时，步骤4热处理具体过程为：以3℃/min的升温至980～1200℃后，淬火，直至冷却至室温，再进行500～600℃回火处理。
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