CN113000822B - 一种陶瓷强化Fe-B合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷强化Fe‑B合金及其制备方法，包括陶瓷块制备、Fe‑B合金熔炼、复合浇注和热处理。陶瓷颗粒主选氮化硼、TiC、Al2O3和Cr3C2，其质量百分数分别为10‑12%、20‑22%、36‑38%和30‑32%；辅助料有钠基膨润土、磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精、梭甲基纤维素钠、预发泡聚苯乙烯颗粒和水，加入量为主料质量的1.2‑1.4%、0.5‑0.8%、0.40‑0.55%、0.25‑0.40%、0.35‑0.50%、0.15‑0.18%和3.5‑4.0%；主料和辅助料混合均匀后，在模具中压制成型，晾干加热后获得多孔陶瓷块。Fe‑B合金熔液自多孔陶瓷块充型，得到陶瓷强化Fe‑B合金铸件。在严酷磨损工况下，该铸件使用寿命比高锰钢提高10倍以上，比高铬铸铁提高1.5倍以上。材料中不含钼、镍、铌等价格昂贵的合金元素，具有良好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明应用于耐磨材料技术领域，特别适用于严酷磨损工况，具体涉及一种陶瓷强化的Fe-B合金及其制备方法。
背景技术
严酷磨损工况是指承受高冲击应力、硬磨料磨损的工况，在冶金、矿山、建材、电力、化工等行业广泛存在这种工况，如刮板输送机中部槽，破碎机锤头、板锤，粉磨机辊套等。
对于板锤而言，公开的发明申请有CN110093569A、CN108262465A、CN105107576A、CN105132792A等。发明专利CN110093569A公开了一种板锤用高碳高铬钢，其特征在于：原材料的化学成分及其质量百分比为：Cr：9-14%，C：1.4-1.8%，Mo：0.6-1.3%，V：0.1-0.6%，Si：0.3-1.0%，Mn：0.3-1.0%，Ni：0.05-2.0%，Ti：0.05-1.0%，Y：0.05-0.50%，P：0-0.03%，S：0-0.03%，O：0-0.03%，余量为Fe；其制备方法包括以下步骤：（1）对熔炼所需原材料进行预热，在200-280℃下保温20-30min，在真空中频感应炉中将按成分配比准备好的原材料熔炼，抽真空，保持80-100Pa，熔炼温度1620-1670℃；（2）当钢水温度为1600℃时，浇入铸型中，即得到高碳高铬钢铸件；（3）在气体保护炉中进行退火处理，退火处理：840℃-890℃保温1h-3h，炉冷至730℃-770℃，保温4-6h，随后炉冷至500℃，出炉空冷；（4）除去退火处理后铸件表面的氧化皮，在气体保护炉中进行加热，淬火处理：550℃-650℃保温20-40min为第一次预热，800℃-900℃保温20-40min为第二次预热，1020℃-1080℃保温30-50min，出炉在油介质中淬火，油温不超过120℃；（5）淬火处理后的铸件在1-6h之内在气体保护炉中进行回火处理，回火处理：450℃-550℃保温1.5-2.5h，出炉空冷，180℃-250℃保温1.5-2.5h，出炉空冷。该发明制备的高碳高锰铬钢用于反击式破碎机的板锤，抗拉强度在3800MPa以上，冲击韧性在13J/cm2以上，硬度在60HRC以上。发明专利CN108262465A公开了一种耐磨反击式破碎机板锤的制造方法，制备的板锤用于反击式破碎机上，采用高锰钢为原料，在板锤的工作面上设置多处硬质合金点，板锤铸件中不出现裂纹及疏松现象。发明专利CN105107576A公开了一种反击式破碎机板锤，其特征是：反击式破碎机板锤以合金钢为材质，在反击式破碎机板锤用于打击物料的磨损工作部位内间隔排列有表面镀镍陶瓷棒；表面镀镍陶瓷棒垂直于板锤磨损工作部位的外表面插入到磨损工作部位内，且表面镀镍陶瓷棒的端面高出所述磨损工作部位的外表面1～3mm；所述合金钢的化学成分为C0.4～0.6％，Cr4～6％，Mo0.3～1.0％，Si0.5～1.0％，Mn0.5～1.0％，S≤0.05％、P≤0.05％，余量为Fe；所述表面镀镍陶瓷棒是按如下方法获得：由20～50目的Al2O3颗粒和20～50目的ZrO2颗粒按质量百分比75～85％：15～25％混合，均匀打散后进行表面镀镍，镀镍厚度20～200μm；然后烘干，再加入自熔性合金粉末和粘结剂并混合均匀，放入模具内经40～60Mpa压力成型；将成型棒体放入真空烧结炉内以真空度0.01～0.02Pa、温度1200℃～1400℃高温致密细化烧结1～2h，即获得表面镀镍陶瓷棒；所述自熔性合金粉末的添加量占Al2O3颗粒和ZrO2颗粒总质量的5～20％；所述粘结剂的添加量占Al2O3颗粒和ZrO2颗粒总质量的1～5％。发明申请CN105132792A公开了一种高铬高钨耐磨铸铁破碎机板锤及其制备方法，其各化学成分及质量百分比为：Cr26.7-31.2、Si0.9-1.7、C2.8-3.6、Mo1.5-2.5、Mn0.03-0.06、W1.6-2.7、Mg0.8-1.4、Ni0.2-0.5、Cu0.3-0.6、Al0.15-0.35、Ge0.1-0.3、Pr0.06-0.09、Yb0.04-0.08、S≤0.05、P≤0.05、余量为Fe。
对于锤头而言，公开的发明申请有CN108326260A、CN109433335A、CN107460291A等。发明专利CN108326260A公开了一种耐磨锤式破碎机锤头的制造方法，包括以下步骤：①制取合金柱备用，合金柱的外表面呈锥状，其大直径端面设置嵌拉杆；②制备砂型，将合金柱放置在砂型腔内，砂型腔分三部分：锤头座腔、锤头支撑筋腔和锤头体腔，合金柱布置在锤头体腔内，其水平方向排列多层，每两个合金柱中心线的间距为40-60毫米，合金柱的高度为28-32毫米，嵌拉杆的长度为25-30毫米；③在砂型腔内表面涂碱性镁砂粉涂料，涂料厚度为0.5-0.7毫米；④采用中频炉冶炼钢水，中频炉上设置炉盖，炉盖是以炉体中心部为开合线形成对开式结构，两个炉盖分别绕各自的转轴转动实现开合，转轴面向炉腔的壁上均匀开设数个第一通气孔，第一通气孔的直径为5-30毫米，转轴面向外的壁上开设气体进气孔；⑤砂型腔上端设置浇注口，浇注口外周设置气体保护罩，气体保护罩有外套和内套，外套上开设通孔，通孔与进气管道相连，内套上均匀开设数个第二通气孔；⑥将钢水通过浇注口浇注在型腔内，浇注时间为5-12秒，钢水凝固后脱掉砂型得到铸件，然后将铸件置入热处理炉窑内，热处理炉窑内的入口温度设置在70℃以下，4-10小时后进入炉窑的650℃范围保持2小时，然后在炉窑1000℃-1080℃范围保持5小时；⑦打开炉窑将铸件在30-40秒内置入水池中，保持水池温度在40℃以下，2小时后铸件出水，打掉嵌拉杆后得到耐磨锤式破碎机锤头，耐磨锤式破碎机锤头的锤头体呈矩形，锤头体的工作面内嵌入合金柱，合金柱的大直径端面与耐磨锤式破碎机锤头体的工作面位于同一平面内。发明申请CN109433335A公开了一种高强度高耐磨破碎机锤头，基体成分按重量百分比包括：C：0.3-0.5％，Si：0.3-0.5％，Mn：0.5-1.0％，Cr：16-18％，Mo：0.8-1.0％，Cu：0.3-0.5％，B：0.05-0.1％，Ca：0.005-0.01％，Zr：0.3-0.5％，S：≤0.05％，P：≤0.05％，余量为Fe，基体的外表面通过贴合剂粘合有功能层。使得到的破碎机锤头既具有优异的耐磨、抗裂性能，还有良好的韧性和抗冲击能力，强度高，外观质量高，耐用性好，通过基层的顶部通过粘接剂粘合有耐磨层，多个防护层对锤头本体进行防护，在进行使用的过程中，可以提高对锤头的保护，延长其使用寿命。发明专利CN107460291A公开了一种轻质高锰钢锤式破碎机锤头表面爆炸硬化方法，多次将高聚物粘结塑性炸药铺设在锤头的表面，利用雷管引爆对锤头表面爆炸硬化；所述锤头为轻质高锰钢锤头，所述轻质高锰钢锤头化学组成及各组成成分的重量百分含量为：C：1.22％、Si：0.36％、Mn：25.1％、Al：6.6％、B：0.002％、Re：0.36％、P：0.02％、S：0.02％，余量为Fe和不可避免的杂质。爆炸处理后硬化层为25mm，表面硬度≥400HB，冲击韧性（V型缺口）≥110J/cm2，抗拉强度≥850MPa。
对于陶瓷复合耐磨材料而言，发明申请CN111618277A公开了一种易拆卸、易加工、可修复、高耐磨陶瓷合金复合磨辊的制造方法，将陶瓷预制件固定在辊皮衬板铸型型腔表面，将砂箱放置在震动平台上，先后顺次浇注耐磨合金金属液、碳钢金属液两种材料；将开有键槽的辊皮衬板小头依次装配在设有卡槽的辊芯小头内，每安装1块辊皮衬板，将扁铁敲入辊芯和辊皮衬板上端接触面的键槽中锁死固定，再将销轴插入辊皮衬板侧面的半圆形凹槽中，在安装相邻辊皮衬板时使两块衬板压紧固定销轴。该发明辊皮衬板与辊芯大量采用键槽与卡槽等内固定，替代了辊皮衬板端面螺栓结构，减少了打孔等机加工步骤；磨辊工作面由耐磨合金和金属陶瓷复合材料交错构成，呈蜂窝状，具有双重耐磨性能。发明申请CN110076322A公开了一种陶瓷增强钢基耐磨复合材料及其制备方法，采用铸渗法浇注合金钢金属液铸渗陶瓷预制体制备得到的。所述陶瓷预制体由以下重量百分数的原料组成：球形陶瓷颗粒40-55wt％、非球形多面体陶瓷颗粒40-55wt％、粘结剂2-5wt％。该发明中陶瓷预制体采用球形陶瓷颗粒和非球形多面体陶瓷颗粒相配合，并控制其粒径，使其之间协同作用，与合金钢基体之间形成独特的增韧结构，制得的复合材料表现出很好的抗冲击性和抗磨损性，能够有效抵抗磨料的切削和犁沟作用，且制备方法简单，制得的复合材料适合用于制造锤头、衬板、磨辊、磨盘等耐磨工作部件。
上述方法制备的各种抗磨部件，在一定程度上提高了耐磨使用寿命，但在严酷磨损工况下，其耐磨使用寿命仍不满足要求，希望使用寿命更长。
发明内容
本发明提供一种陶瓷与耐磨Fe-B合金复合的耐磨复合材料及其制备方法，以获得严酷磨损工况下新型耐磨材料。
本发明目的是利用陶瓷材料硬度高，抗磨损能力强的特点，采用铸造复合工艺，将其与Fe-B合金复合成一体，在工件严重磨损的部位，制备一层20-50 mm厚、具有高硬度陶瓷颗粒与Fe-B合金复合的耐磨复合层，可大幅度提高破碎机锤头、板锤，粉磨机辊套等这类易损件的使用寿命，以减少工件更换造成的设备停机损失。
本发明陶瓷强化Fe-B合金制备方法如下：
④热处理。入炉加热至350-400℃，保温8-10小时，炉冷，温度不高于160℃出炉，空冷至室温，即获得陶瓷强化Fe-B合金或铸件。
立方氮化硼（CBN）材料的硬度很高，达HV3200~HV4000，仅次于金刚石，热传导率好，达1300W/MK，具有良好的高温化学稳定性，在1200℃下热稳定性很好。选用废旧立方氮化硼，主要是为了降低生产成本。氮化硼硬度高，但脆性大，为了发挥其优异的耐磨性，并防止使用中发生脆裂，将其粒径控制在30-50目。TiC、Al2O3和Cr3C2也具有较高的硬度和优异的耐磨性，TiC、Al2O3和Cr3C2和立方氮化硼搭配使用，可以确保陶瓷块具有优异的耐磨性和较好的疲劳性能。
加入300-320目的钠基膨润土做流变剂，可以确保高温金属液通过多孔陶瓷块时，陶瓷块不会开裂。加入主要组分质量分数0.5-0.8%磷酸二氢铝、0.40-0.55%硅溶胶、0.25-0.40%糊精和0.35-0.50%梭甲基纤维素钠，可以确保陶瓷复合块具有较高的常温强度和高温强度。
加入颗粒尺寸3.5-5.0 mm的预发泡聚苯乙烯颗粒，主要是利用预发泡聚苯乙烯颗粒的密度小、低燃点及易分解性，其密度为18-30kg/m³，燃点为450-500℃。在850-900℃加热和保温时，预发泡聚苯乙烯颗粒全部燃烧或分解，在陶瓷块中留下许多分布均匀连通的空洞，变成多孔陶瓷块，随后浇入的高温Fe-B合金熔液进入这些空洞中，将陶瓷块和Fe-B合金紧密复合成一体。
Fe-B合金中加入0.33-0.38%C和1.53-1.59%B，可以结合生成高硬度的Fe2B，提高合金耐磨性。加入2.67-2.80%Cr，部分铬元素进入基体，提高基体淬透性，部分铬进入Fe2B中，对Fe2B有韧化作用，降低Fe2B的脆性。加入0.27-0.44%Si和1.71-1.96%Mn，除了起脱氧作用外，1.71-1.96%Mn的加入，还可以大幅度提高Fe-B合金淬透性。0.04-0.07%Ti, 0.05-0.08%N, 0.019-0.034%Mg和0.065-0.088%Ce的加入，可以细化凝固组织，改善Fe2B的形态和分布，提高Fe-B合金强韧性和耐磨性，确保Fe-B合金加入陶瓷空隙后，对陶瓷颗粒有坚强的支撑和保护作用，防止陶瓷颗粒使用过程中发生碎裂和脱落。
Fe-B合金熔液流经内浇道，通过多孔陶瓷块进入铸型型腔充型，这样可以确保Fe-B合金与陶瓷颗粒结合良好。
入炉加热至350-400℃，保温8-10小时，炉冷，温度不高于160℃出炉，空冷至室温，可以消除内应力，确保陶瓷强化Fe-B合金使用中不发生断裂现象。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1、本发明陶瓷颗粒与Fe-B 合金结合牢靠，确保陶瓷颗粒使用中不会发生剥落和碎裂；
2、本发明陶瓷增强 Fe-B合金硬度高，达到70HRC以上，具有优异的耐磨性；
3、用本发明制造陶瓷增强 Fe-B合金板锤、锤头和衬板等产品，在严酷磨损工况下，使用寿命比高锰钢提高10倍以上，比高铬铸铁提高1.5倍以上。
附图说明
无。
具体实施方式
实施例1：陶瓷强化Fe-B合金锤头。
本实施例以生产陶瓷强化Fe-B合金锤头为例，其具体制备工艺步骤如下：
陶瓷颗粒主料的选择和配比见下表，氮化硼宜选择废旧立方氮化硼。
辅助料的选择和配比见下表，钠基膨润土作为流变剂，粒度为300-320目，磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠作为粘结剂，预发泡聚苯乙烯作为多孔剂，粒度3.5-5.0 mm。水作为稀释剂。加入量为主料的质量分数。
将上述主要组分陶瓷颗粒混合均匀，加入钠基膨润土、磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠，并与主要组分陶瓷颗粒混合均匀。加入预发泡聚苯乙烯颗粒，与陶瓷颗粒、流变剂和粘结剂一起在搅拌机内搅拌45分钟，然后加入水，继续在搅拌机内搅拌30分钟。将搅拌均匀后的物料加入到金属型模具中，在压力0.20 MPa下，制成厚度20mm的陶瓷复合块，陶瓷复合块的长度和宽度为60×50mm。陶瓷复合块自然晾干后，随炉加热至850℃，保温80分钟，炉冷至200℃以下出炉，获得多孔陶瓷块。
锤头造型时，在锤端型腔的四个角固定多孔陶瓷块，多孔陶瓷块下设计内浇道，内浇道数量4个。Fe-B合金熔液浇注温度为1642℃，合金熔液经过内浇道，穿过多孔陶瓷块进入铸型型腔充型。凝固冷却后，开箱取出锤头铸件，打磨清砂。
④热处理。
锤头铸件室温入炉，随炉加热至350℃，保温10小时，炉冷至温度160℃出炉，空冷至室温，即可获得陶瓷强化Fe-B合金锤头，检测硬度，平均值为70.4HRC。
实施例2：陶瓷强化Fe-B合金板锤。
本实施例以生产陶瓷强化Fe-B合金板锤为例，其具体制备工艺步骤如下：
陶瓷颗粒主料的选择和配比见下表，氮化硼宜选择废旧立方氮化硼。
辅助料的选择和配比见下表，钠基膨润土作为流变剂，粒度为300-320目，磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠作为粘结剂，预发泡聚苯乙烯作为多孔剂，粒度3.5-5.0 mm。水作为稀释剂。加入量为主料的质量分数。
将上述主要组分陶瓷颗粒混合均匀，加入钠基膨润土、磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠，并与主要组分陶瓷颗粒混合均匀。加入预发泡聚苯乙烯颗粒，与陶瓷颗粒、流变剂和粘结剂一起在搅拌机内搅拌90分钟，然后加入水，继续在搅拌机内搅拌45分钟。将搅拌均匀后的物料加入到金属型模具中，在压力0.25 MPa下，制成厚度50mm的陶瓷复合块，陶瓷复合块的长度和宽度为100×60mm。陶瓷复合块自然晾干后，随炉加热至900℃，保温60分钟，炉冷至200℃以下出炉，获得多孔陶瓷块。
在电炉内熔炼Fe-B合金，浇注包内钢水的化学组成及质量分数见下表。
板锤造型时，板锤型腔底部两侧的端部和中间固定6个多孔陶瓷块，在每个多孔陶瓷块下设计一个内浇道，内浇道数量6个。Fe-B合金熔液浇注温度为1659℃，合金熔液经过内浇道，穿过多孔陶瓷块进入铸型型腔充型。凝固冷却后，开箱取出板锤铸件，打磨清砂。
④热处理。
板锤铸件室温入炉，随炉加热至400℃，保温8小时，炉冷至温度120℃出炉，空冷至室温，即可获得陶瓷强化Fe-B合金板锤，检测硬度，平均值为70.9HRC。
实施例3：陶瓷强化Fe-B合金衬板
本实施例以生产陶瓷强化Fe-B合金衬板为例，其具体制备工艺步骤如下：
陶瓷颗粒主料的选择和配比见下表，氮化硼宜选择废旧立方氮化硼。
辅助料的选择和配比见下表，钠基膨润土作为流变剂，粒度为300-320目，磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠作为粘结剂，预发泡聚苯乙烯作为多孔剂，粒度3.5-5.0 mm。水作为稀释剂。加入量为主料的质量分数。
将上述主要组分陶瓷颗粒混合均匀，加入钠基膨润土、磷酸二氢铝、硅溶胶、糊精和梭甲基纤维素钠，并与主要组分陶瓷颗粒混合均匀。加入预发泡聚苯乙烯颗粒，与陶瓷颗粒、流变剂和粘结剂一起在搅拌机内搅拌60分钟，然后加入水，继续在搅拌机内搅拌40分钟。将搅拌均匀后的物料加入到金属型模具中，在压力0.23MPa下，制成厚度40mm的陶瓷复合块；陶瓷复合块的长度和宽度为60×40mm。陶瓷复合块自然晾干后，随炉加热至880℃，保温90分钟，炉冷至200℃以下出炉，获得多孔陶瓷块。
在电炉内熔炼Fe-B合金，浇注包内钢水的化学组成及质量分数见下表。
衬板造型时，衬板型腔底部固定6个多孔陶瓷块，在每个多孔陶瓷块下设计一个内浇道，内浇道数量6个。Fe-B合金熔液浇注温度为1648℃，合金熔液经过内浇道，穿过多孔陶瓷块进入铸型型腔充型。凝固冷却后，开箱取出衬板铸件，打磨清砂。
④热处理。
衬板铸件室温入炉，随炉加热至380℃，保温9小时，炉冷至温度130℃出炉，空冷至室温，即可获得陶瓷强化Fe-B合金衬板，检测硬度，平均值为70.6HRC。
本发明陶瓷块与Fe-B 合金复合牢靠，在严酷磨损工况使用中，陶瓷块不会发生剥落和碎裂。本发明利用陶瓷块增强 Fe-B合金硬度，达到70HRC以上，具有优异的耐磨性。用本发明制造陶瓷增强 Fe-B合金板锤、锤头和衬板等产品，在严酷磨损工况下，使用寿命比高锰钢提高10倍以上，比高铬铸铁提高1.5倍以上。使用本发明产品，可以提高设备作业率，减轻工人劳动强度。材料中不含钼、镍、铌等价格昂贵的合金元素，成本低，具有良好的经济和社会效益。
Claims (2)
1.一种陶瓷强化Fe-B合金的制备方法，其步骤如下：
所述主料和辅助料混合均匀后，加入到金属型模具中，在压力0.20-0.25 MPa下，制成厚度20-50 mm的陶瓷复合块；陶瓷复合块自然晾干后，随炉加热至850-900℃，保温60-90分钟，炉冷至200℃以下出炉，获得多孔陶瓷块；
④热处理：将步骤
所述复合铸件入炉加热至350-400℃，保温8-10小时，炉冷，不高于160℃出炉，空冷至室温。
2.由权利要求1所述方法制备得到的陶瓷强化Fe-B合金。
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