CN112872330A - 一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于耐磨材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法。为了将Al2O3陶瓷均匀添加到韧性优异的高铬铸铁基体中，并保证Al2O3陶瓷与铸铁基体实现良好的冶金结合，以满足磨煤机耐磨零部件的要求，本发明提供一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法。该方法通过选择合适大小的氧化铝颗粒和合适间距的304不锈钢铁丝网，然后将铁丝网与氧化铝陶瓷隔层铺放，同时在模具顶盖板材等间距焊接加固，从模具两端同时进行浇铸，浇铸的同时利用真空泵对模具进行抽真空，使陶瓷颗粒与金属基体实现均匀分布、冶金结合，将陶瓷的耐磨性和金属的机械性能有机结合起来，使整个结构在运行过程中具有足够的抗磨和抗磨损强度。
Description
技术领域
本发明属于耐磨材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法。
背景技术
现代社会的高速发展离不开力学性能优异、耐恶劣环境的高性能材料。水泥、电力、矿业以及煤矿工业等工况复杂的重工领域对耐磨材料及其机械零部件的抗磨损性能提出了更高要求。磨煤机在实际服役过程中，不仅处于高温氧化、腐蚀、高冲击等恶劣的工况环境中，同时受到硬质磨料的磨损，导致零部件因磨损而快速失效。剧烈磨损造成大量的金属流失，同时零部件因磨损而快速失效需要消耗大量人力、物力频繁更换，造成生产停顿、成本增加，这对企业的生产效率和经济效益产生了极大的不利影响。
目前，国内主要通过高铬铸铁整体铸造成型及表面堆焊或整体堆焊等方法来生产制备磨煤机的耐磨零部件。现阶段磨辊耐磨材料以高铬铸铁和各类合金钢为代表，整体表现为硬度高、耐磨性好、韧性也有大幅度地提高，其硬度值一般均在HRC56以上。同时具有较好的韧性。但是其焊接性能较差，在运行过程中主要存在以下几类问题：
1)磨盘和磨辊耐磨件受热风冲刷磨损较快，使用时间短，更换施工和堆焊成本较高；
2)磨煤产量受磨盘和磨辊耐磨件磨损影响波动较大，随耐磨件磨损，台时产量大幅降低且煤粉平均细度达不到生产及设计要求；
3)随磨辊耐磨件的磨损，煤立磨回渣量增加后，加大了刮板的磨损，同时磨机整体和磨辊轴承振动会增大，影响磨机的稳定运行；
4)磨损后的磨辊经堆焊修复后仍存在部分脱落、整体脱落、磨辊补焊后开裂和磨辊变形等安全隐患。
Al2O3作为高硬度的陶瓷材料，其维氏硬度远高于煤炭中各成分的维氏硬度。因此，将Al2O3陶瓷颗粒添加到铸铁中制备而成的铁基陶瓷复合材料为解决这一难题指出了一条有效的途径。由于Al2O3陶瓷与铁基体两种物理化学性质差异大，导致陶瓷颗粒在金属基体中难以实现均匀分布，这必将对复合材料的耐磨性能产生不利影响。
因此，实现Al2O3陶瓷球的均匀分布，提高复合材料的耐磨性，对于延长磨煤机耐磨零部件的使用寿命是至关重要的，对于我国的经济发展和社会发展同样具有重大意义。
发明内容
为解决如何将Al2O3陶瓷均匀添加到韧性优异的高铬铸铁基体中，并保证Al2O3陶瓷与铸铁基体实现良好的冶金结合，以满足磨煤机耐磨零部件的要求，本发明的目的在于提供一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，氧化铝陶瓷表面预处理；
步骤2，等间距304不锈钢铁丝网的加工；
步骤3，304不锈钢铁丝网的清洗；
步骤4，浇铸模具的定制；
步骤5，步骤4定制浇铸模具的预处理；
步骤6，将清洗后的304不锈钢铁丝网与预处理后的氧化铝陶瓷装入预处理后的浇铸模具；
步骤7，对步骤6的浇铸模具进行顶盖板材等间距焊接加固；
步骤8，对步骤7加固后的铸铁模具进行高铬溶液浇铸；
步骤9，对步骤8浇铸冷凝后形成的金属耐磨材料进行打磨及清洗。
进一步，所述步骤1中氧化铝陶瓷表面预处理包括对氧化铝陶瓷进行粒度筛选、清洗和干燥，所述粒度筛选是选择直径为5mm的氧化铝颗粒，所述清洗是通过超声震动清洗，超声频率为100khz，清洗时长为3-5min，洗掉陶瓷颗粒表面的杂质、油污，所述干燥为自然干燥。氧化铝颗粒表面的预处理时为了保持陶瓷表面的干净，避免将杂质、油污带入金属液体中，因为在磨损过程中残留在材料内部的杂质部位往往会成为起裂部位，降低磨损寿命。
进一步，所述步骤2中等间距304不锈钢铁丝网的间距为3mm，304不锈钢铁丝网加工的具体过程为，依据浇铸模具的尺寸，剪制相应尺寸的铁丝网，保证铁丝网的长宽均比模具内壁尺寸小1mm，保证铁丝网与模具内壁的完美贴合，标准为铺完陶瓷颗粒后铁丝网在垂直方向不发生明显位移。选取网格间距为3mm的304不锈钢铁丝网用于固定5mm氧化铝陶瓷颗粒，目的是减缓陶瓷颗粒的上浮。
进一步，所述步骤3中304不锈钢铁丝网清洗是通过刷体积百分比为75％的酒精溶液进行的，以去除表面的油污和杂质，保证浇铸过程中陶瓷颗粒与铁丝网和金属液体的高质量结合，进而保证制备的网格状陶瓷/金属耐磨材料的耐磨性。
进一步，所述步骤4中浇铸模具的内壁尺寸为180mm×150mm×53m，模具材质为Q235碳钢，浇铸模具底部与侧面通过焊接连接，在模具侧面底部同时开一孔径为30mm的排气孔，用于在浇铸铁液时抽真空，抽真空的目的是为了避免材料浇铸过程中在材料内部残留气孔，而气孔往往是材料服役过程中最容易率先失效的部位。
进一步，所述步骤5中对定制的浇铸模具预处理的具体步骤为：先对定制的浇铸模具的内壁用砂纸从80#到1500#依次进行打磨，随后利用体积百分比为75％的酒精溶液对打磨后的表面进行擦洗保持浇铸前模具内壁的干净。
进一步，所述步骤6中将清洗后的304不锈钢铁丝网与预处理后的氧化铝陶瓷装入预处理后的浇铸模具的具体步骤为：先在预处理后的浇铸模具底部铺放第一层铁丝网，随后在第一层铁丝网上等间距网格铺放预处理后的氧化铝陶瓷颗粒，每两颗氧化铝颗粒之间间隔一格铁丝网，保证氧化铝颗粒与铁丝网网格的牢固固定；随后在氧化铝陶瓷颗粒上铺放第二层铁丝网，同样在第二层铁丝网上等间距铺放预处理后的氧化铝陶瓷颗粒，与第一层的陶瓷颗粒呈错峰排布，在避免陶瓷颗粒直接接触的情况下实现最大体积分数的陶瓷添加量；依据如上铺法，逐层铺放铁丝网。该方法的优势是在保证陶瓷颗粒等间距隔有金属液体的前提下，理论可添加最大体积分数的陶瓷颗粒，实现耐磨材料的极限耐磨性。
进一步，所述步骤7中模具顶盖板材等间距焊接加固具体为，在最上层铁丝网表面等间距加固三根铁片，使模具内部铺设的铁丝网不发生位移，然后以熔化气体保护焊为手段与模具内壁实现连接，保证模具内的铁丝网和陶瓷颗粒均为固定状态。
进一步，所述步骤8中高铬溶液浇铸的具体过程为，从模具两端同时进行浇铸，浇铸的同时利用真空泵对模具进行抽真空。从模具两端同时进行浇铸可以保证铁液在模具内部均匀渗透，浇铸的同时利用真空泵对模具进行抽真空，可以避免氧化的同时减少凝固过程中材料内部残留的气孔等缺陷。
进一步，所述步骤9中金属耐磨材料打磨及清洗的步骤为，将冷凝后的金属耐磨材料试块通过水刀切割，用砂纸打磨周边及断面，打磨砂纸粒度从80#到1500#，然后用体积百分比为75％的酒精溶液进行清洗。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
1、本发明基于陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性，选用毫米级氧化铝陶瓷颗粒制备的金属耐磨材料具有比高铬铸铁更为优异的硬度及耐磨性。
2、本发明方法使陶瓷颗粒与金属基体实现均匀分布、冶金结合，同时将陶瓷材料的耐磨性和铸造合金的机械性能有机结合起来，使整个结构在运行过程中具有足够的抗磨和抗磨损强度，以期延长磨辊的使用寿命，提高煤粉的细度，并最终提高企业的实践效果和经济效益。
3、本发明的空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法简易可行，是一种陶瓷/金属耐磨材料工业会制备的可行途径。
附图说明
图1为本发明空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的空间结构示意图。
图2为本发明浇铸前的空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的实物图。
图3为本发明水刀切割后空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的截面形貌。
具体实施方式
下面结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行具体、详细的说明。
空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备：
a、氧化铝陶瓷表面预处理
将氧化铝陶瓷首先进行粒度筛选，选择合适的筛网，筛选出直径为5mm的氧化铝颗粒；随后对筛选出的氧化铝颗粒放入盛有酒精的烧杯中，进行超声震动清洗，清洗时长3min，洗掉陶瓷颗粒表面的杂质、油污并自然干燥；
b、等间距304不锈钢铁丝网加工
选取网格间距为3mm的304不锈钢铁丝网用于固定5mm氧化铝陶瓷颗粒，目的是减缓陶瓷颗粒的上浮。依据浇铸模具的尺寸，剪制相应尺寸的铁丝网，保证铁丝网的长宽均比模具内壁尺寸小1mm，保证铁丝网与模具内壁的完美贴合，标准为铺完陶瓷颗粒后铁丝网在垂直方向不发生明显位移；
c、304不锈钢铁丝网清洗
将按照模具尺寸加工后的铁丝网用体积百分比为为75％的酒精溶液进行清洗，去除表面的油污和杂质，保证浇铸过程中陶瓷颗粒与铁丝网和金属液体的高质量结合，进而保证制备的网格状陶瓷/金属耐磨材料的耐磨性；
d、浇铸模具定制
高铬铸铁溶液的浇铸是在内壁尺寸为180mm×150mm×53mm模具中进行的，模具材质为Q235碳钢，浇铸模具底部与侧面通过焊接连接，在模具侧面底部同时开一孔径为30mm的排气孔，用于在浇铸铁液时抽真空；
e、浇铸模具打磨和清洗
定制的浇铸模具用于浇铸前，需对模具内壁进行打磨，利用砂纸从80#到1500#依次进行打磨，保证模具内壁平整光亮，随后利用体积百分比为为75％的酒精溶液对打磨后的表面进行擦洗，保持浇铸前模具内壁的干净；
f、铁丝网与氧化铝陶瓷隔层铺放
对加工后的铁丝网和氧化铝陶瓷进行逐层铺放，具体步骤如下：首先，在模具底部铺放第一层铁丝网，随后在铁丝网上等间距网格铺放氧化铝颗粒，每两颗氧化铝颗粒之间间隔一格铁丝网，保证氧化铝颗粒与铁丝网网格的牢固固定；随后进行第二层铁丝网铺放，同样等间距铺放氧化铝颗粒，但是与第一层的陶瓷颗粒呈错峰排布，在避免陶瓷颗粒直接接触的情况下实现最大体积分数的陶瓷添加量；依据如上铺法，逐层铺放铁丝网；
图1为本发明空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的空间结构示意图。
g、模具顶盖板材等间距焊接加固
为使模具内部铺设的铁丝网不发生位移，在最上层铁丝网表面等间距加固三根铁片，以熔化气体保护焊为手段与模具内壁实现连接，保证模具内的铁丝网和陶瓷颗粒均为固定状态；图2为浇铸前空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的实物图。
h、高铬溶液浇铸
将高铬铸铁溶液浇入装有铁丝网和氧化铝颗粒的碳钢模具中，为保证铁液在模具内部均匀渗透，浇铸过程是从模具两端同时进行的，浇铸的同时利用真空泵对模具进行抽真空，在避免氧化的同时减少凝固过程中材料内部残留的气孔等缺陷，
i、耐磨材料打磨及清洗
将冷凝后的耐磨材料试块通过水刀切割，用砂纸打磨周边及断面，打磨砂纸粒度从80#到1500#，打磨后用体积百分比为75％的酒精溶液进行清洗。图3为本发明水刀切割后的空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的截面形貌。
Claims (10)
1.一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，氧化铝陶瓷表面预处理；
步骤2，等间距304不锈钢铁丝网的加工；
步骤3，304不锈钢铁丝网的清洗；
步骤4，浇铸模具的定制；
步骤5，步骤4定制浇铸模具的预处理；
步骤6，将清洗后的304不锈钢铁丝网与预处理后的氧化铝陶瓷装入预处理后的浇铸模具；
步骤7，对步骤6的浇铸模具进行顶盖板材等间距焊接加固；
步骤8，对步骤7加固后的铸铁模具进行高铬溶液浇铸；
步骤9，对步骤8浇铸冷凝后形成的金属耐磨材料进行打磨及清洗。
2.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤1中氧化铝陶瓷表面预处理包括对氧化铝陶瓷进行粒度筛选、清洗和干燥，所述粒度筛选是选择直径为5mm的氧化铝颗粒；所述清洗是将氧化铝颗粒在体积百分比为75％在酒精溶液中，进行超声震动清洗，超声频率为100khz，清洗时长为3-5min；所述干燥为自然干燥。
3.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2中等间距304不锈钢铁丝网的间距为3mm，304不锈钢铁丝网加工的具体过程为，依据浇铸模具的尺寸，剪制长宽均比浇铸模具内壁尺寸小1mm铁丝网。
4.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3中304不锈钢铁丝网清洗是通过刷体积百分比为75％的酒精溶液进行的。
5.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4中定制浇铸模具的内壁尺寸为180mm×150mm×53mm，浇铸模具材质为Q235碳钢，浇铸模具底部与侧面通过焊接连接，在浇铸模具侧面和底部同时开一孔径为30mm的排气孔。
6.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤5中对定制的浇铸模具预处理的具体步骤为：先对定制的浇铸模具的内壁用砂纸从80#到1500#依次进行打磨，随后利用体积百分比为75％的酒精溶液对打磨后的表面进行擦洗。
7.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤6中将清洗后的304不锈钢铁丝网与预处理后的氧化铝陶瓷装入预处理后的浇铸模具的具体步骤为：先在预处理后的浇铸模具底部铺放第一层铁丝网，随后在第一层铁丝网上等间距网格铺放预处理后的氧化铝陶瓷颗粒，每两颗氧化铝颗粒之间间隔一格铁丝网；随后在氧化铝陶瓷颗粒上铺放第二层铁丝网，同样在第二层铁丝网上等间距铺放预处理后的氧化铝陶瓷颗粒，与第一层的陶瓷颗粒呈错峰排布；依据如上铺法，逐层铺放铁丝网。
8.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤7中对步骤6的浇铸模具进行顶盖板材等间距焊接加固的具体方式为，在最上层铁丝网表面等间距加固三根铁片，以熔化气体保护焊为手段将铁片与浇铸模具连接。
9.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤8中对步骤7加固后的铸铁模具进行高铬溶液浇铸的方式为，从铸铁模具两端同时进行浇铸，浇铸的同时利用真空泵对模具进行抽真空。
10.根据权利要求1所述的一种空间网格状陶瓷/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述步骤9中对步骤8浇铸冷凝后形成的金属耐磨材料进行打磨及清洗的步骤为，将冷凝后的金属耐磨材料试块通过水刀切割，用砂纸打磨周边及断面，打磨砂纸粒度从80#到1500#，然后用体积百分比为75％的酒精溶液进行清洗。
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