CN112453423B - 一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法，所述孕镶金刚石切割环包括切割环基体，以及镶嵌于切割环基体凹槽内的孕镶金刚石耐磨体，所述孕镶金刚石耐磨体由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石耐磨体中，金刚石的体积分数为10～40％。本发明的制备方法采用熔融沉积3D打印成型‑粉末冶金烧结法制作孕镶金刚石耐磨体，将孕镶金刚石耐磨体镶嵌在切割环基体的环形凹槽中即得。本发明中孕镶金刚石切割环耐磨性能高，切割环寿命长。在与眼镜板成为摩擦副后，不仅能降低相互的磨损，反而能自动修复眼镜板在磨粒磨损中形成的划痕，保证眼镜板表面的光洁度，从而延长眼镜板与切割环的使用寿命。

Description

一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法
技术领域
本发明主要属于机械制造领域和粉末冶金领域，具体涉及一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法。
背景技术
切割环是混凝土泵送机械的重要构件之一，它与眼镜板在混凝土输送过程中组成切割摩擦副，对具有高压力的混凝土进行连续切割。因此，切割环极易磨损报废。目前技术中，主要是通过堆焊硬合金层于切割环的表面，来延长其使用寿命，增强其耐磨性和抗冲击力。但堆焊的硬合金层易出现气孔、焊缝不饱满等缺陷，在强冲击力、剪切力和摩擦力的作用下，会出现磨粒磨损，无法阻止切割环与眼镜板磨损，加之硬合金层本身的耐磨性能不够高，影响了切割环的使用寿命。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法和应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环，所述孕镶金刚石切割环包括切割环基体，以及镶嵌于切割环基体凹槽内的孕镶金刚石耐磨体，所述孕镶金刚石耐磨体由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石耐磨体中，金刚石的体积分数为10～40％。
本发明在孕镶金刚石切割环的凹槽内设置孕镶金刚石耐磨体，所述孕镶金刚石耐磨体可以大幅切割环耐磨损性能，发明人发现，孕镶金刚石耐磨体可与眼镜板成为摩擦副，这样不仅能降低相互的磨损，反而能自动修复眼镜板在磨粒磨损中形成的划痕，保证眼镜板表面的光洁度，从而延长眼镜板与切割环的使用寿命.
在本发明中，金刚石的体积分数需要有效控制，从而使孕镶金刚石耐磨体与眼镜板成为最佳匹配的摩擦副。
优选的方案，所述孕镶金刚石层中，金刚石的体积分数为18～25％。将金刚石的体积分数控制在上述范围内，最终切割环的耐磨性最佳，孕镶金刚石耐磨体与眼镜板的磨损均最小。
优选的方案，所述孕镶金刚石耐磨体的壁厚为10～100mm，优选为40～50mm。
优选的方案，所述孕镶金刚石耐磨体的高度为4～100mm，优选为45～55。
在本发明中，孕镶金刚石耐磨体的尺寸与切割环凹槽的尺寸需要相匹配，因为切割环有较大的预紧力，因而能紧压在眼镜板上，泵送时，砂浆便无法进入。如若耐磨体高度与切割环高度不符，容易导致眼镜板与切割环之间产生间隙，砂浆及小骨料将很容易进入眼镜板、切割环之间，容易造成眼镜板鼻粱磨穿报废。
优选的方案，所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～70％、Co15～40％、Cu5～25％。
进一步的优选，所述FeCoCu合金基体，按质量比百分比计，其成份组成为Fe40～50％、Co30～40％、Cu15～25％。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
优选的方案，所述孕镶金刚石耐磨体通过熔融沉积3D打印成型。
本发明一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环的制备方法，包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，逐层铺设颗粒料打印，获得孕镶金刚石耐磨体，镶嵌于切割环基体凹槽内中，即得孕镶金刚石切割环。
优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，其成份组成为Fe20～70％、Co15～40％、Cu5～25％。
进一步的优选，所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，Fe40～50％、Co30～40％、Cu15～25％。
优选的方案，所述FeCoCu预合金粉末的粒径≤0.074mm，优选为0.035～0.074mm。
优选的方案，所述金刚石的粒径≤0.5mm，优选为0.15～0.3mm。
优选的方案，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛65～80％、聚丙烯8～15％、氧化锌7～12％、邻苯二甲酸二丁酯3～8％、石蜡2～5％。
进一步的优选，所述粘结剂，按质量百分比计，组成如下：聚甲醛72～76％、聚丙烯8～10％、氧化锌8～10％、邻苯二甲酸二丁酯4～5％、石蜡3～4％。
优选的方案，所述粘结剂的加入量为FeCoCu预合金粉末与金刚石质量之和的3～15％，优选为8～10％。
优选的方案，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度100～300℃，单层打印厚度0.1～1.0mm。
进一步的优选，所述熔融沉积3D打印成型的工艺参数为：温度160～200℃，单层打印厚度0.3～0.4mm。
优选的方案，所述脱脂的温度为50～80℃，脱脂的时间为5～10h。可以看出，本发明所用脱脂剂脱脂的温度低，对材料的致密性更为有利。
优选的方案，所述烧结工艺参数为：以3.5～5℃/min的升温速率，从室温升温至300℃～350℃，保温1～2h；然后以2.5～4℃/min的升温速率升温至750℃～800℃，保温1～2h；再以1.5～3℃/min的升温速率升温至900℃～950℃保温1～2h；然后随炉冷却。
在本发明中，烧结时，采用逐步阶梯式保温的烧结方式，在该烧结程序下可使孕镶金刚石耐磨体致密、晶粒理想，最终摩擦性能最优。
在实际操作过程中，在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型印设备中；将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型3D打印机的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型打印机的工作参数，即喷嘴温度100～300℃，即单层打印厚度0.1～1.0mm，启动设备，逐层打印孕镶金刚石耐磨体，直至孕镶金刚石耐磨体生坯打印到设定厚度和高度；：将打印好的孕镶金刚石耐磨体生坯置于脱脂炉中进行脱脂，再置于烧结炉中进行烧结，烧结完毕后随炉冷却得到切割体的孕镶金刚石耐磨体；将烧结好的孕镶金刚石耐磨体，镶嵌在带凹槽的割环基体中，即得到孕镶金刚石切割环成品。
原理与优势：
本发明提供了一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环及其制备方法，所述孕镶金刚石切割环包括切割环基体，以及镶嵌于切割环基体凹槽内的孕镶金刚石耐磨体，在本发明中，通过熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结制作孕镶金刚石耐磨体，将孕镶金刚石耐磨体镶嵌在切割环基体的环形凹槽中，即得到混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环。本发明中孕镶金刚石耐磨体的制造采用熔融沉积3D打印成型-粉末冶金烧结成型，使切割环耐磨性能得到极大提高，极大延长了切割环的使用寿命。与堆焊硬合金材料的切割环相比，采用3D打印制作的新型切割环，能避免因焊接导致的质量缺陷，加工余量小，结构简单牢固，有利于降低产品的生产成本，改善质量，提高耐磨性能。
另外，更重要的是，在本发明中，通过孕镶金刚石的基体成份组成，以及金刚石的体积占比，从而使本发明中的孕镶金刚石切割环能与眼镜板成为最匹配的摩擦副，不仅能降低相互的磨损，反而能自动修复眼镜板在磨粒磨损中形成的划痕，保证眼镜板表面的光洁度，从而延长眼镜板与切割环的使用寿命。
附图说明
图1是本发明基体示意图；其中1-切割环基体上的圆环形凹槽；2-切割环基体。
图2是本发明切割环示意图；其中1-切割环上的圆环形金刚石耐磨体；2-切割环。
具体实施方式
实施例1：
如图1、2所示，混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环，其结构包括带凹槽的切割环基体、孕镶金刚石耐磨体两部分。切割环基体凹槽中镶嵌孕镶金刚石耐磨体，设计型号230的切割环孕镶金刚石耐磨体的其厚度×高度尺寸为40mm×50mm，与切割环凹槽的尺寸相匹配，金刚石耐磨体中FeCoCu合金所占体积分数为82％，金刚石所占体积分数为18％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe40、Co40％、Cu20％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)。所用金刚石粒度为0.12～0.15mm(100/120目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe60％、Co25％、Cu15％，粉末粒度为0.038～0.044mm(300/325目)；所用金刚石粒度为0.178～0.250mm(60/80目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛76％、聚丙烯8％、氧化锌8％、邻苯二甲酸二丁酯4％、石蜡4％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的8％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度160℃，即单层打印厚度0.3mm，启动设备，逐层打印，直至孕镶金刚石耐磨体生坯打印到设定厚度和高度；
步骤七：将打印好的孕镶金刚石层生坯置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度60℃，脱脂时间6h；
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；烧结完毕后随炉冷却得到切割环的孕镶金刚石耐磨体；
步骤九：将烧结好的孕镶金刚石耐磨体，镶嵌在带凹槽的割环基体中，即得到孕镶金刚石切割环成品。
应用效果
在广州某工程现场，对所述的孕镶金刚石切割环进行了装机使用试验，试验中采用的为标准C50混凝土，混凝土骨料为花岗石破碎骨料，实验结果显示所述的孕镶金刚石切割环连续运输了近25000方混凝土，而传统的硬质合金切割环在相同条件下的使用寿命一般为7000方左右，故本发明所述的孕镶金刚石切割环的使用寿命得到了大幅度提升，使用效果较好。
实施例2：
如图1、2所示，混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环，其结构包括带凹槽的切割环基体、孕镶金刚石耐磨体两部分。切割环基体凹槽中镶嵌孕镶金刚石耐磨体，设计型号230的切割环孕镶金刚石耐磨体的其厚度×高度尺寸为50mm×50mm，金刚石耐磨体中FeCoCu合金所占体积分数为75％，金刚石所占体积分数为25％。采用原料FeCoCu预合金粉末其成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)。所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)。
其制作工艺流程为：
步骤一：准备FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，所用FeCoCu预合金粉末的成分质量比例为Fe50％、Co30％、Cu20％，粉末粒度为0.061～0.074mm(200/230目)；所用金刚石粒度为0.250～0.297mm(50/60目)；采用粘结剂组分的质量百分比为：聚甲醛72％、聚丙烯10％、氧化锌10％、邻苯二甲酸二丁酯5％、石蜡3％；其用量为FeCoCu合金粉末与金刚石质量之和的10％；
步骤二：按照比例计算和称量所需FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂；
步骤三：将FeCoCu预合金粉末、金刚石和粘结剂放入球磨混料机中混合均匀，形成混合料；
步骤四：将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料；
步骤五：在计算机三维建模软件中建立孕镶金刚石层模型，以STL格式存储模型文件，再利用切片软件对该文件进行切割，将切片文件导入熔融沉积3D打印成型设备中；
步骤六：将颗粒料置于熔融沉积3D打印成型设备的进料斗内，设定熔融沉积3D打印成型设备的工作参数，即喷嘴温度200℃，即单层打印厚度0.4mm，启动设备，逐层打印，直至孕镶金刚石耐磨体生坯打印到设定厚度和高度；
步骤七：将打印好的孕镶金刚石层生坯置于脱脂炉中进行脱脂，脱脂参数为：脱脂温度60℃，脱脂时间6h；
步骤八：将产品置于烧结炉中进行烧结，烧结参数为：从室温至300℃，升温速率为3.5℃/min，在300℃保温1小时；从300℃升温至750℃，升温速率为2.5℃/min，在750℃保温1小时；从750℃升温至900℃，升温速率为1.5℃/min，在900℃保温1小时；烧结完毕后随炉冷却得到切割环的孕镶金刚石耐磨体；
步骤九：将烧结好的孕镶金刚石耐磨体，镶嵌在带凹槽的割环基体中，即得到孕镶金刚石切割环成品。
应用效果
在广州某工程现场，对所述的孕镶金刚石切割环进行了装机使用试验，试验中采用的为标准C50混凝土，混凝土骨料为花岗石破碎骨料，实验结果显示所述的孕镶金刚石切割环连续运输了近22000方混凝土，而传统的硬质合金切割环在相同条件下的使用寿命一般为7000方左右，故本发明所述的孕镶金刚石切割环的使用寿命得到了大幅度提升，使用效果较好。
对比例1：
其它条件与实施例1相同，但孕镶金刚石耐磨体的厚度不同，其厚度为5mm，高度为10mm,由于此耐磨体与切割环之间结合不够紧密，砂浆及小骨料很容易进入眼镜板，导致切割环的磨损较为严重，在运输完5000方左右的混凝土后便由于磨损严重而报废。
对比例2：
其它条件与实施例1相同，但金刚石的含量不同，此对比例中金刚石含量为5％,由于此金刚石的含量较低，在强烈的冲击力、剪切力和摩擦力的作用下，此切割环表面的磨损较严重，耐磨性能明显降低，在运输完9000方左右的混凝土后便由于磨损严重而报废，使用寿命明显降低。

Claims (4)

1.一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环，其特征在于：所述孕镶金刚石切割环包括切割环基体，以及镶嵌于切割环基体凹槽内的孕镶金刚石耐磨体，所述孕镶金刚石耐磨体由FeCoCu合金基体以及分散于FeCoCu合金基体中的金刚石组成，所述孕镶金刚石耐磨体中，金刚石的体积分数为18～25%；
所述FeCoCu合金基体，按质量百分比计，其成份组成为Fe40～50%、Co30～40%、Cu15～25%；
所述金刚石的粒径为0 .15～0 .3mm；
所述孕镶金刚石耐磨体通过熔融沉积3D打印成型。
2.根据权利要求1所述的一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环，其特征在于：
所述孕镶金刚石耐磨体的壁厚为10~100mm，所述孕镶金刚石耐磨体的高度为40～100mm。
3.一种如权利要求1或2所述的混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按设计比例配取FeCoCu预合金粉末、金刚石、粘结剂，混合获得混合料，将混合料进行密炼、造粒、破碎，得到颗粒料，然后通过熔融沉积3D打印成型，逐层铺设颗粒料打印获得生坯，生坯经脱脂、烧结即获得孕镶金刚石耐磨体，镶嵌于切割环基体凹槽内中，即得孕镶金刚石切割环。
4.根据权利要求3所述的一种混凝土输送泵用孕镶金刚石切割环的制备方法，其特征在于：所述FeCoCu预合金粉末，按质量百分比计，其成份组成为Fe40～50%、Co30～40%、Cu15～25%；
所述FeCoCu预合金粉末的粒径≤0.074mm，
所述金刚石的粒径为0 .15～0 .3mm。
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