CN110792605A - 一种陶瓷复合过流件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了陶瓷复合过流件，属于渣浆泵装置技术领域。陶瓷复合过流件的叶轮包括叶轮陶瓷预制件和金属层，叶片陶瓷预制件在两个叶壁陶瓷预制件之间呈中心对称分布。陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内均填充有金属块。叶壁陶瓷预制件表面设置有长条孔，两个叶壁陶瓷预制件相背离的表面上设置有金属层。叶片陶瓷预制件的中部设置有空腔结构，空腔与长条孔一一对应并连通。长条孔及空腔内填充有金属块。金属层、金属块为一体铸造结构。本发明还公开了一种陶瓷复合过流件的制备方法。本发明采用上述结构的陶瓷复合过流件及其制备方法能够解决渣浆泵耐磨性差、使用寿命短的问题，制备的陶瓷复合过流件的使用寿命是高铬铸铁过流件的3‑5倍。

Description

一种陶瓷复合过流件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种渣浆泵技术，尤其涉及一种陶瓷复合过流件及其制备方法。
背景技术
渣浆泵属于离心泵的一种，从概念上讲指通过借助离心力(泵的叶轮的旋转)的作用使固、液混合介质能量增加的一种机械，将电能转换成介质的动能和时能的设备。
目前，所使用的渣浆泵(挖泥泵、挖沙泵)的结构形式虽然很多，但其结构大同小异，其结构主要包括叶轮、蜗壳、前护板、后护板等，在使用过程中，金属过流件所处工况的恶劣环境(腐蚀、高温、高冲击、硬质磨料磨损等)导致其存在失效快、寿命短等问题。在泵的转动过程中，过渡磨损的过流件可能产生掉块或者直接开裂的危险，而过流件接触面涂覆耐磨层成为现在防磨损的主要手段。
现有的过流件一般采用铬系白口铸铁、奥氏体耐磨锰钢、中低合金钢及陶瓷-钢铁制成的耐磨层，且耐磨铸铁仍以铬系白口铸铁为主，市面上常见并已大批量生产和应用的主要有Cr15、Cr20、Cr26系列高铬耐磨铸铁，由于Cr15、Cr20、Cr26金属铸造易磨损，使用寿命短，一般在1200小时，甚至更短，摩擦磨损性能的提升能力有限，影响渣浆泵使用寿命和生产效率，难以满足现代工业生产的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种陶瓷复合过流件及其制备方法，解决渣浆泵耐磨性差、使用寿命短的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种陶瓷复合过流件，包括蜗壳、叶轮、前护板和后护板，叶轮位于蜗壳的内部，前护板、后护板分别位于叶轮的两侧并且与蜗壳固定连接；所述叶轮包括叶轮陶瓷预制件和金属层，叶轮陶瓷预制件包括叶壁陶瓷预制件和叶片陶瓷预制件，叶片陶瓷预制件在两个叶壁陶瓷预制件之间呈中心对称分布，叶片陶瓷预制件与叶壁陶瓷预制件固定连接；所述叶壁陶瓷预制件上设置有若干个穿透叶壁陶瓷预制件的蜂窝孔，叶壁陶瓷预制件表面对应叶片陶瓷预制件的位置设置有长条孔，两个叶壁陶瓷预制件相背离的表面上设置有金属层，长条孔及蜂窝孔内均填充有金属块；
叶片陶瓷预制件的中部设置有空腔结构，空腔与长条孔一一对应并连通，叶片陶瓷预制件的侧壁上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔与空腔连通，空腔及蜂窝孔内均填充金属块；
叶壁陶瓷预制件上的金属层、蜂窝空内的金属块、长条孔内的金属块及空腔内的金属块为一体铸造结构。
优选的，蜗壳包括蜗壳陶瓷预制件和金属层，金属层包覆在蜗壳陶瓷预制件的外部，蜗壳陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
优选的，所述前护板包括前护板陶瓷预制件和金属层，金属层位于前护板陶瓷预制件的外表面上，前护板陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
优选的，所述后护板包括后护板陶瓷预制件和金属层，金属层位于后护板陶瓷预制件的外表面上，后护板陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
优选的，所述叶轮陶瓷预制体、蜗壳陶瓷预制体、前护板陶瓷预制体、后护板陶瓷预制体均为采用粘结剂和ZrO陶瓷颗粒混合、烧结而成；所述金属层及金属块均为Cr26高铬铸铁。
优选的，所述ZrO陶瓷颗粒的表面采用化学镀镍的方式镀有镍层，ZrO陶瓷颗粒的粒径为8-12目。
优选的，所述粘结剂为环氧树脂，粘结剂在陶瓷预制体中的含量为10-30％。
一种上述陶瓷复合过流件的制备方法，包括以下步骤：
S1、合金化，将粒径为8-12目的ZrO陶瓷颗粒表面采用化学镀镍的方式镀有一层镍层，烘干后将包覆有镍层的ZrO陶瓷颗粒在真空状态下烧结制成表面合金化的陶瓷颗粒；
S2、混料，将步骤S1合金化后的陶瓷颗粒与粘结剂按一定的比例混合均匀得到混合物；
S3、成型，将步骤S2得到的混合物填充于蜂窝状模具型腔内成型、干燥，得到蜂窝状陶瓷预制体素坯；
S4、烧结，将步骤S3得到的陶瓷预制体素坯进行干燥，并将干燥后的陶瓷预制体素坯在1250-1350℃的温度下烧结90-150分钟，得到陶瓷预制件；
S5、制备铸模，将EPS泡沫与步骤S4得到的陶瓷预制件进行组合形成与过流件一样形状的铸模，在铸模表面刷涂涂料并烘干；
S6、铸渗，将步骤S5得到的铸模放置在铸型内，采用消失模浇道负压铸渗方法进行浇注，浇注温度为1400-1500℃，冷却、打箱获得铸件；
S7、热处理，将步骤S6得到的铸件加热到980-1200℃，保温6-8小时，空冷到室温，得到陶瓷复合过流件。
优选的，所述步骤S1中，化学镀镍溶液包括浓度为25-55g/L的氯化镍溶液，20-40g/L的次亚磷酸钠溶液，10-30g/L的柠檬酸钠溶液，10-20g/L的硼酸溶液，10-50g/L的氯化胆碱-乙二醇离子溶液；化学镀镍溶液采用氢氧化钠调节PH值至9-10。
因此，本发明采用上述结构的陶瓷复合过流件及其制备方法能够解决渣浆泵耐磨性差、使用寿命短的问题。采用上述方法制备的陶瓷复合过流件的使用寿命是高铬铸铁过流件的3-5倍。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的结构爆炸图；
图2为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮结构示意图；
图3为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮截面结构示意图；
图4为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮陶瓷预制件结构示意图；
图5为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶片陶瓷预制件结构示意图；
图6为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的前护板结构示意图；
图7为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的前护板截面结构示意图；
图8为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的蜗壳截面结构示意图；
图9为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的后护板结构示意图；
图10为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的后护板截面结构示意图。
其中：1、蜗壳；2、叶轮；3、前护板；4、后护板；5、金属层；6、叶轮陶瓷预制件；7、叶片；8、叶壁；9、蜂窝孔；10、长条孔；11、金属块；12、蜗壳陶瓷预制件；13、前护板陶瓷预制件；14、后护板陶瓷预制。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的结构爆炸图。一种陶瓷复合过流件，包括蜗壳1、叶轮2、前护板3和后护板4，叶轮2位于蜗壳1的内部，前护板3、后护板4分别位于叶轮2的两侧并且与蜗壳1固定连接。过流件的整体结构与现有过流件的结构相同。
图2为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮结构示意图，图3为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮截面结构示意图，图4为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶轮陶瓷预制件结构示意图，图5为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的叶片陶瓷预制件结构示意图。叶轮2包括叶轮2陶瓷预制件和金属层5，叶轮2陶瓷预制件包括叶壁8陶瓷预制件和叶片7陶瓷预制件。叶片7陶瓷预制件在两个叶壁8陶瓷预制件之间呈中心对称分布。叶片7陶瓷预制件与叶壁8陶瓷预制件为分体结构，即分别制作，然后粘接固定连接在一起形成叶轮2陶瓷预制件。叶壁8陶瓷预制件上设置有若干个穿透叶壁8陶瓷预制件的蜂窝孔9，即叶壁8陶瓷预制件为蜂窝状结构。叶壁8陶瓷预制件表面对应叶片7陶瓷预制件的位置设置有长条孔10。两个叶壁8陶瓷预制件相背离的表面上设置有金属层5，长条孔10及蜂窝孔9内均填充有金属块11，金属层5与金属块11为采用浇注的方式一体成型的结构。叶片7陶瓷预制件的中部设置有空腔结构，空腔与长条孔10一一对应并连通。叶片7陶瓷预制件的侧壁上设置有若干个蜂窝孔9，蜂窝孔9与空腔连通，空腔及蜂窝孔9内均填充金属块11。叶片7上的金属块11与叶壁8上的金属层5、金属块11均为采用铸造的方式一体浇注而成的。
叶片7陶瓷预制体位于叶片7的外层，叶壁8陶瓷预制体位于叶壁8的内层，即叶片7陶瓷预制体、叶壁8陶瓷预制体均位于叶片7、叶壁8与砂浆接触的表面上，即磨损表面。叶片7的空腔与叶壁8上的长条孔10的设置有利于增加金属基体与叶片7的接触面积，提高连接强度。并且依靠金属基体的韧性提高叶片7的抗冲击性能，避免叶片7发生脆性断裂。
图8为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的蜗壳截面结构示意图。蜗壳1包括蜗壳陶瓷预制件12和金属层5，金属层5包覆在蜗壳陶瓷预制件12的外部。蜗壳陶瓷预制件12上设置有若干个蜂窝孔9，蜂窝孔9内填充有金属块11，金属块11与金属层5为一体结构。蜗壳1陶瓷预制体也是位于蜗壳1与砂浆接触的表面上，即位于蜗壳1易磨损面上。
图6为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的前护板结构示意图，图7为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的前护板截面结构示意图。前护板3包括前护板3陶瓷预制件和金属层5，金属层5位于前护板3陶瓷预制件的外表面上。前护板3陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔9，蜂窝孔9内填充有金属块11，金属块11与金属层5为一体结构。图9为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的后护板结构示意图，图10为本发明一种陶瓷复合过流件及其制备方法实施例的后护板截面结构示意图。后护板4包括后护板4陶瓷预制件和金属层5，金属层5位于后护板4陶瓷预制件的外表面上。后护板4陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔9，蜂窝孔9内填充有金属块11，金属块11与金属层5为一体结构。前护板3陶瓷预制体13、后护板4陶瓷预制体14也均是位于前护板3、后护板4与砂浆接触的表面上，即位于前护板3、后护板4的易磨损面上。
叶片7陶瓷预制体、蜗壳1陶瓷预制体、前护板3陶瓷预制体13、后护板4陶瓷预制体14均为蜂窝状结构，蜂窝孔9内填充有韧性好的圆柱形的金属块11。在磨损工况下以陶瓷颗粒作为主要的磨损承载体均有较好的耐磨性能，金属基体对陶瓷颗粒起到固定、支撑和缓冲的作用，避免陶瓷预制体在受到较高冲击载荷下发生脆性断裂，提高其冲击韧性和使用寿命。蜂窝状的陶瓷预制体也有利于金属液的铸渗，降低了金属-陶瓷复合材料的制备难度，金属液能够顺利快速的进入到蜂窝孔9内，并从多方位向蜂窝壁的陶瓷颗粒间渗透。
叶轮2陶瓷预制体6、蜗壳1陶瓷预制体、前护板3陶瓷预制体13、后护板4陶瓷预制体14均为采用粘结剂和ZrO陶瓷颗粒混合、烧结而成。粘结剂为环氧树脂，粘结剂在陶瓷预制体中的含量为10-30％。环氧树脂包括250份的E51环氧树脂，150份的F51环氧树脂，80份的增韧剂，140份的氧化铝，140份的硅微粉，200份的沉淀白炭黑，20份的气相白炭黑和20份的炭黑。粘结剂在高温下不会分解，能够使预制体在浇注过程中保持原有的形状，粘结剂与金属液具有良好的亲和性，不会以杂质的形式存在于耐磨件中。相邻陶瓷颗粒在粘结剂的作用下粘接在一起，形成多孔连通结构，并具有一定的强度。一方面容易对陶瓷颗粒进行成型制备预制体，另一方面陶瓷颗粒在粘结剂作用下形成的多孔连接结构内在浇注过程中会填充上金属基体，提高金属基体与预制体的接触面积和接触强度。粘结剂的含量不易过多，过多的粘结剂会在预制体中形成盲孔、闭孔现象，不利于金属液在孔内填充。金属层5及金属块11均为Cr26高铬铸铁，Cr26高铬铸铁具有高耐磨、强韧性好、安全可靠的特点，有利于控制界面应力，防止裂纹产生。
ZrO陶瓷颗粒的表面采用化学镀镍的方式镀有镍层，镍层能够提高陶瓷颗粒与金属基体之间的润湿性，使金属基体与陶瓷颗粒之间形成良好的结合。化学镀镍溶液包括浓度为25-55g/L的氯化镍溶液，20-40g/L的次亚磷酸钠溶液，10-30g/L的柠檬酸钠溶液，10-20g/L的硼酸溶液，10-50g/L的氯化胆碱-乙二醇离子溶液；化学镀镍溶液采用氢氧化钠调节PH值至9-10。先将氯化镍溶液缓慢加入到柠檬酸钠溶液中，然后依次加入次亚磷酸钠溶液和硼酸溶液，最后加入离子液体，并用氢氧化钠调节溶液PH值至9-10。
ZrO陶瓷颗粒的粒径为8-12目。陶瓷颗粒的选择，粒径过小，陶瓷颗粒与基体结合面小，当基体磨损下凹时，容易整颗脱落；粒径过大，陶瓷颗粒容易产生脆性裂纹，导致断裂失效。
上述陶瓷复合过流件的制备方法，包括以下步骤：
S1、合金化，将粒径为8-12目的ZrO陶瓷颗粒表面采用化学镀镍的方式镀一层镍层，烘干后将包覆有镍层的ZrO陶瓷颗粒在真空状态下烧结制成表面合金化的陶瓷颗粒。镍层有利于提高ZrO陶瓷颗粒与金属基体的润湿性。
S2、混料，将步骤S1合金化后的陶瓷颗粒与粘结剂按一定的比例混合均匀得到混合物。
S3、成型，将步骤S2得到的混合物填充于蜂窝状模具型腔内成型、干燥，得到蜂窝状陶瓷预制体素坯。
S4、烧结，将步骤S3得到的陶瓷预制体素坯进行干燥，并将干燥后的陶瓷预制体素坯在1250-1350℃的温度下烧结90-150分钟，得到陶瓷预制件。粘结剂的含量为10-30％，相邻陶瓷颗粒通过粘结剂粘接在一起烧结后会存在一定的空隙，金属在后续的浇注过程中可以填充到空隙中，对提高金属基体与预制件之间的连接强度具有较大的作用。
S5、制备铸模，将EPS泡沫与步骤S4得到的陶瓷预制件进行组合形成与过流件一样形状的铸模，在铸模表面刷涂涂料并烘干。陶瓷预制件位于过流件与砂浆接触的表面上，即易磨损表面上。
S6、铸渗，将步骤S5得到的铸模放置在铸型内，采用消失模浇道负压铸渗方法进行浇注，浇注温度为1400-1500℃，冷却、打箱获得铸件。陶瓷颗粒在陶瓷预制体中均匀分布，铸渗后的陶瓷预制体中陶瓷颗粒之间的间隙和EPS泡沫部位被高铬铸铁材料完全填充，陶瓷颗粒与高铬铸铁材料完全接触、无缝隙，高铬铸铁为陶瓷颗粒提供了有效的支撑，从而保证陶瓷颗粒在承受冲击时，能够起到缓冲作用，避免陶瓷颗粒发生脆性断裂。蜂窝状预制体在金属浇注过程中，金属液进入圆柱形孔内可从多方面铸渗预制体，提高铸渗效果。该结构中复合层中圆柱基体对复合层具有一定的钉扎作用，可有效的避免表层复合材料在受到较高冲击载荷下整体脱落，提高复合材料的冲击韧性。陶瓷热膨胀系数小于金属基体，在铸件冷却过程中基体更加紧密的包裹陶瓷颗粒，提高了陶瓷颗粒与基体的结合能力，有效防止陶瓷颗粒在磨料磨损条件下整体剥落；另一方面，金属基体总是相连的，陶瓷颗粒都被金属基体完全包围，更加有利于提高复合材料的整体抗冲击韧性。
S7、热处理，将步骤S6得到的铸件加热到980-1200℃，保温6-8小时，空冷到室温，得到陶瓷复合过流件。
陶瓷复合过流件中陶瓷预制件的厚度为10-20mm，陶瓷颗粒的体积分数为30-40％。
采用上述方法制备的陶瓷复合过流件的使用寿命是高铬铸铁过流件的3-5倍。
因此，本发明采用上述结构的陶瓷复合过流件及其制备方法能够解决渣浆泵耐磨性差、使用寿命短的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种陶瓷复合过流件，包括蜗壳、叶轮、前护板和后护板，叶轮位于蜗壳的内部，前护板、后护板分别位于叶轮的两侧并且与蜗壳固定连接；其特征在于：所述叶轮包括叶轮陶瓷预制件和金属层，叶轮陶瓷预制件包括叶壁陶瓷预制件和叶片陶瓷预制件，叶片陶瓷预制件在两个叶壁陶瓷预制件之间呈中心对称分布，叶片陶瓷预制件与叶壁陶瓷预制件固定连接；所述叶壁陶瓷预制件上设置有若干个穿透叶壁陶瓷预制件的蜂窝孔，叶壁陶瓷预制件表面对应叶片陶瓷预制件的位置设置有长条孔，两个叶壁陶瓷预制件相背离的表面上设置有金属层，长条孔及蜂窝孔内均填充有金属块；
叶片陶瓷预制件的中部设置有空腔结构，空腔与长条孔一一对应并连通，叶片陶瓷预制件的侧壁上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔与空腔连通，空腔及蜂窝孔内均填充金属块；
叶壁陶瓷预制件上的金属层、蜂窝空内的金属块、长条孔内的金属块及空腔内的金属块为一体铸造结构。
2.根据权利要求1所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述蜗壳包括蜗壳陶瓷预制件和金属层，金属层包覆在蜗壳陶瓷预制件的外部，蜗壳陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
3.根据权利要求2所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述前护板包括前护板陶瓷预制件和金属层，金属层位于前护板陶瓷预制件的外表面上，前护板陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
4.根据权利要求3所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述后护板包括后护板陶瓷预制件和金属层，金属层位于后护板陶瓷预制件的外表面上，后护板陶瓷预制件上设置有若干个蜂窝孔，蜂窝孔内填充有金属块，金属块与金属层为一体铸造结构。
5.根据权利要求4所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述叶轮陶瓷预制体、蜗壳陶瓷预制体、前护板陶瓷预制体、后护板陶瓷预制体均为采用粘结剂和ZrO陶瓷颗粒混合、烧结而成；所述金属层及金属块均为Cr26高铬铸铁。
6.根据权利要求5所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述ZrO陶瓷颗粒的表面采用化学镀镍的方式镀有镍层，ZrO陶瓷颗粒的粒径为8-12目。
7.根据权利要求5所述的陶瓷复合过流件，其特征在于：所述粘结剂为环氧树脂，粘结剂在陶瓷预制体中的含量为10-30％。
8.一种基于上述权利要求1-7任一项所述的陶瓷复合过流件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、合金化，将粒径为8-12目的ZrO陶瓷颗粒表面采用化学镀镍的方式镀一层镍层，烘干后将包覆有镍层的ZrO陶瓷颗粒在真空状态下烧结制成表面合金化的陶瓷颗粒；
S2、混料，将步骤S1合金化后的陶瓷颗粒与粘结剂按一定的比例混合均匀得到混合物；
S3、成型，将步骤S2得到的混合物填充于蜂窝状模具型腔内成型、干燥，得到蜂窝状陶瓷预制体素坯；
S4、烧结，将步骤S3得到的陶瓷预制体素坯进行干燥，并将干燥后的陶瓷预制体素坯在1250-1350℃的温度下烧结90-150分钟，得到陶瓷预制件；
S5、制备铸模，将EPS泡沫与步骤S4得到的陶瓷预制件进行组合形成与过流件一样形状的铸模，在铸模表面刷涂涂料并烘干；
S6、铸渗，将步骤S5得到的铸模放置在铸型内，采用消失模浇道负压铸渗方法进行浇注，浇注温度为1400-1500℃，冷却、打箱获得铸件；
S7、热处理，将步骤S6得到的铸件加热到980-1200℃，保温6-8小时，空冷到室温，得到陶瓷复合过流件。
9.根据权利要求8所述的陶瓷复合过流件的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，化学镀镍溶液包括浓度为25-55g/L的氯化镍溶液，20-40g/L的次亚磷酸钠溶液，10-30g/L的柠檬酸钠溶液，10-20g/L的硼酸溶液，10-50g/L的氯化胆碱-乙二醇离子溶液；化学镀镍溶液采用氢氧化钠调节PH值至9-10。
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