CN110372178B - 一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法，包括步骤：1)利用现有低温熔相法烧结微晶陶瓷的配方技术，配制低温烧结微晶陶瓷块，采用铸造行业的消失模技术，将消失模制作成宫格形状，然后把低温烧结微晶陶瓷板块放在消失模的空格中，确保微晶陶瓷板与消失模之间没有其他物质；2)将合金钢熔炼后，铁液温度控制在1550～1680度出炉，浇注在消失模中，1650度高温铁液熔化了消失模，这时铁液与微晶陶瓷板相接触得部分产生液相，随着时间的延长液相逐渐由接触面向内渗入，当温度小于800度时液相产生和烧结完全停止；3)当消失模中的金属完全冷却到室温时，由于浇注钢的收缩率在1％左右，进而形成预应力微晶陶瓷衬板。

Description

一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法

技术领域

本发明属于金属-陶瓷复合技术领域，具体涉及一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法。

背景技术

微晶陶瓷具有耐磨、耐腐、耐温和硬度高的优点，这是其他金属和有机材料不能同时具备的优异性能，但是微晶陶瓷抗冲击性能和冷热急变性能比较差是它的最大缺陷，这是微晶陶瓷(微晶玻璃、耐磨陶瓷和金属陶瓷)在生产过程中产生的工艺“缺陷”导致的微裂纹，所以当微晶陶瓷受到压应力时，微裂纹就会闭合或者呈稳态缓慢扩展，使得压缩强度和冲击强度提高，微晶陶瓷的抗拉强度比抗压强度小一个数量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预应力微晶陶瓷衬板及其生产方法。本发明根据原料仓的损坏机理而研制了预应力微晶陶瓷复合衬板，主要就是解决冲击开裂而腐蚀的问题，由于复合衬板是由金属和微晶陶瓷复合而成，由于金属的韧性好主要是起到抗冲击的作用，而当微晶陶瓷获得预压应力时可显著提高其抗冲强度；微晶陶瓷的作用是防腐蚀和耐磨损，尤其是保护金属板在受到冲击时不会弯曲变形。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种预应力微晶陶瓷衬板的生产方法，包括以下步骤：

1)利用现有低温熔相法烧结微晶陶瓷的配方技术，制作低温烧结微晶陶瓷板，采用铸造行业的消失模技术，将消失模制作成宫格形状，然后把低温烧结微晶陶瓷板放在消失模的空格中，且微晶陶瓷板与消失模之间不含有其它物质；

2)将合金钢熔炼后，铁液温度控制在1550～1680度出炉，浇注在消失模中，1650度高温铁液熔化了消失模，这时铁液与微晶陶瓷板相接触得部分产生液相，随着时间的延长液相逐渐由接触面向内渗入，当温度小于800度时液相产生和烧结完全停止；

3)当消失模中的金属完全冷却到室温时，由于浇铸钢的收缩率在1％左右，进而形成预应力微晶陶瓷衬板。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中，宫格每格的尺寸控制在长50～200mm、50～200mm以及高20～100mm。

本发明进一步的改进在于，消失模的厚度在10～50mm。

本发明进一步的改进在于，步骤2)中，通过实际检测微晶陶瓷板的液相厚度在0～10mm。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中，采用95*95*28mm的微晶陶瓷，用消失模方法做出预应力微晶陶瓷板，通过检测微晶陶瓷与钢板的摩擦力，然后除以微晶陶瓷的摩擦系数0.3，得到微晶陶瓷受到钢板的与压应力是28MPa；同理采用200*200*28mm的微晶陶瓷浇铸成预应力微晶陶瓷衬板，检测计算可得钢板对于微晶陶瓷的与压应力是53.7MPa。

一种预应力微晶陶瓷衬板，采用上述一种预应力微晶陶瓷衬板的生产方法得到，该预应力微晶陶瓷复合衬板具有20～100Mpa的预应力。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明利用低温熔相法烧结耐磨陶瓷技术(微晶陶瓷浇注料在800～1200度即可烧结成微晶陶瓷)，熔融铁液浇注浇铸时1550～1680度的高温铁液加热了微晶陶瓷浇注料，使得铁水与微晶陶瓷相接处的部分，微晶陶瓷浇注料产生液相而被烧结，由于铸钢的导热系数是微晶陶瓷导热系数的两倍，所以当金属与微晶陶瓷冷却下来后，由铸钢板的冷却收缩给微晶陶瓷施加的压应力，进而形成预应力微晶陶瓷。

进一步，当每一个小格边长是140mm按照1％的收缩率，计算可得金属“九宫格”的每一个小格的边长收缩了1.4mm时，这个收缩量给微晶陶瓷产生了39.3Mpa的压应力，这是因为微晶陶瓷的弹性模量比铸钢板的大很多，微晶陶瓷被压缩的量是比较小的可以忽略不计，所以铸钢板在这里是受到抗拉力(利用微晶陶瓷与浇铸钢板之间摩擦力检测值F，除以微晶陶瓷的摩擦系数u，得到钢板对于微晶陶瓷的正压力也就是预应力值在25～60MPa)，进而形成预应力微晶陶瓷衬板。

通过预应力微晶陶瓷复合衬板的制作方法的原理，本发明可以推广到预应力微晶陶瓷管道的生产方法：把微晶陶瓷制作成管道形状，利用消失模的方法，在微晶陶瓷的管道外面附装消失模，同理在1550～1680度钢水浇铸时，消失模被熔化有钢水充填冷却后变成钢管，由于钢管的收缩而对微晶陶瓷管道产生了压力，就形成了预应力微晶陶瓷管道，这样不但提高了微晶陶瓷管道的抗冲击和抗压能力，而且还提高了微晶陶瓷的耐磨耐腐蚀性能，就是因为微晶陶瓷在受到压力时，可以使得微晶陶瓷工艺“缺陷”产生的微裂纹被压缩闭合。

附图说明

图1为本发明消失模制作成的“九宫格”立体图。

图2为本发明消失模制作成的“九宫格”俯视图。

图3为本发明消失模制作成的“九宫格”中加入微晶陶瓷板后的结构示意图。

图4为本发明预应力微晶陶瓷复合衬板的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。

本发明利用低温熔相法烧结耐磨陶瓷技术(微晶陶瓷浇注料在800～1200度即可烧结成微晶陶瓷)，熔融铁液浇注浇铸时1550～1680度的高温加热了微晶陶瓷浇注料，使得铁水与微晶陶瓷相接处的部分，微晶陶瓷产生液相而与金属较为紧密结合，由于铸钢的膨胀系数是微晶陶瓷导热系数的两倍，所以当金属与微晶陶瓷冷却下来后，由铸钢板的冷却收缩给微晶陶瓷施加的压应力(由于微晶陶瓷的弹性模量比金属板的大，所以可以把微晶陶瓷被压缩的量忽略不计)，这就是预应力微晶陶瓷的形成机理。

如图1至图4所示，本发明提供的预应力微晶陶瓷复合衬板的生产方法，包括以下步骤：

1)利用现有低温熔相法烧结微晶陶瓷的配方技术，制作低温烧结微晶陶瓷板(这种低温烧结微晶陶瓷的热急变性能好，而与浇铸钢水接触的部分能够产生液相，更有利于低温烧结微晶陶瓷与铸钢板的结合)，采用铸造行业的消失模技术，将消失模制作成“九宫格”(可以根据产品尺寸的要求，边界也可以是弧形的，也有可能是六宫格或是其它个数的宫格，总之微晶陶瓷的周边是受到浇铸钢的预压应力后，才能形成预应力微晶陶瓷复合衬板)形状，每格的尺寸控制在长120～150mm、宽120～150mm、高30～60mm，消失模的厚度在10～14mm。把低温烧结微晶陶瓷浇注料预制成块放在消失模的空格中，确保浇注料在空格中密实无空洞，浇注料固化烘干后待用。

2)采用现有易焊接、抗冲击性能好、具有耐腐蚀性能的牌号合金钢，中频炉熔炼，铁液温度控制在1550～1680度出炉，浇注在消失模中，1650度高温铁液熔化了消失模，这时铁液与微晶陶瓷浇注料相接触得部分产生液相，随着时间的延长液相逐渐由接触面向内渗入，当温度小于800度时液相产生和烧结就完全停止，通过实际检测微晶陶瓷浇注料的液相厚度在5～10mm。

3)采用95*95*28mm的微晶陶瓷，用消失模方法做出预应力微晶陶瓷板，通过检测微晶陶瓷与钢板的摩擦力，然后除以微晶陶瓷的摩擦系数0.3，得到微晶陶瓷受到钢板的与压应力是28MPa；同理采用200*200*28mm的微晶陶瓷浇铸成预应力微晶陶瓷衬板，检测计算可得钢板对于微晶陶瓷的与压应力是53.7MPa；当消失模中的金属完全冷却到室温时，由于浇注钢的收缩率在1％左右，所以当微晶陶瓷有140*140mm时，浇注钢的收缩量在1.4mm左右。

如果微晶陶瓷板的尺寸变大，浇铸钢的收缩量是长度的1％，所以预应力与铸钢板的长度是成正比的关系，这时铸钢板的抗拉力是线性放大，试验也得到了验证(详见预应力检测数据表)，这时就要考虑铸钢板的抗拉强度，原则上设计铸钢板的抗拉强度是理论强度的不大于70％，所以铸钢板的厚度在10～30mm之间，铸钢板对于微晶陶瓷的预应力在20～100MPa。

预应力检测数据表

注：1、为了方便建立数学模型，本发明采用正方形微晶陶瓷，不失一般性；

2、这次试验微晶陶瓷的摩擦系数μ在0.2～0.4之间，取0.3；

3、微晶陶瓷与钢板之间的剪切力就是摩擦力，所以预应压力

4、钢板对微晶陶瓷的预应力与微晶陶瓷的边长是线性相关的，所以用回归方程建立了数学模型(1)：

y＝0.08x+0.6 (1)

其中y表示剪切强度(单位MPa)，Y值除以摩擦系数就是预应力，本次试验的微晶陶瓷摩擦系数为0.3；x表示微晶陶瓷的长度(单位mm)。

计算可得金属“九宫格”的每一个小格的边长X＝140mm时，带入数学模型(1)，得Y＝11.8MPa，再除以摩擦系数0.3，可得铸钢板对于微晶陶瓷板的压应力是39.3MPa；收缩了1.4mm，这个收缩量给微晶陶瓷板产生较大的压应力(39.3Mpa)，这就形成了预应力微晶陶瓷复合衬板，不但提高了微晶陶瓷的抗压和抗冲击强度，而且提高了金属与微晶陶瓷结合面间的抗渗透能力，而当外力冲击小于39.3Mpa(这是在微晶陶瓷边长是140mm的条件下，浇铸钢收缩1.4mm时所产生预压应力)时，微晶陶瓷不会开裂和受到损坏，这是提高预应力微晶陶瓷物理性能的重要因素。铸钢板受到微晶陶瓷的拉应力就是39.3*10＝390MPa，所以浇铸钢的抗拉强度确定之后，取0.7的安全系数，就可以计算出浇铸钢的厚度是多少毫米，可见建立微晶陶瓷压缩量与压强的数学模型是至关重要的，详见建立数学模型的方法。

经检验，本发明生产的预应力微晶陶瓷复合衬板，其剪切强度的平均值在8.4MPa；在耐进行急冷急热性能检验时，将试件在900℃恒温20分钟，取出后迅速放入24℃的水中，试验后试件无炸裂及其它破坏；在进行落球冲击检验时，试件平放在硬质地面，用2Kg钢球落差2.0m冲击试件表面中央，冲击后试件无裂纹及其它破坏，另外将用于对比的无钢框同样尺寸及材料的对比试件平放在硬质地面，用1Kg钢球落差1.0m冲击微晶玻璃表面中央，冲击后无裂纹，落差1.1m冲击后产生裂纹。

Claims (2)

1.一种预应力微晶陶瓷衬板的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）利用现有低温熔相法烧结微晶陶瓷的配方技术，制作低温烧结微晶陶瓷板，采用铸造行业的消失模技术，将消失模制作成宫格形状，然后把低温烧结微晶陶瓷板放在消失模的空格中，且微晶陶瓷板与消失模之间不含有其它物质；消失模的厚度在10~50mm；

2）将合金钢熔炼后，熔液温度控制在1680度出炉，浇注在消失模中，1650度高温熔液熔化了消失模，这时熔液与微晶陶瓷板相接触的部分产生液相，随着时间的延长液相逐渐由接触面向内渗入，当温度小于800度时液相产生和烧结完全停止；通过实际检测微晶陶瓷板的液相厚度在5~10mm；

3）采用95*95*28mm的微晶陶瓷，用消失模方法做出预应力微晶陶瓷板，通过检测微晶陶瓷与钢板的摩擦力，然后除以微晶陶瓷的摩擦系数0.3，得到微晶陶瓷受到钢板的预压应力是28MPa；同理采用200*200*28mm的微晶陶瓷浇铸成预应力微晶陶瓷衬板，检测计算可得钢板对于微晶陶瓷的预压应力是53.7MPa；当消失模中的金属完全冷却到室温时，由于浇铸钢的收缩率在1%左右，进而形成预应力微晶陶瓷衬板。

2.根据权利要求1所述的一种预应力微晶陶瓷衬板的生产方法，其特征在于，步骤1）中，宫格每格的尺寸控制在长50~200mm、宽50~200mm以及高20~100mm。

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