CN113404724B - 一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮及其制造方法 - Google Patents

一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及渣浆泵技术领域，公开了一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮及其制造方法，包括碳化硅陶瓷和浇注在碳化硅陶瓷内部的金属骨架，碳化硅陶瓷包括前盖板、陶瓷叶片和后盖板，陶瓷叶片夹设在前盖板和后盖板之间，金属骨架与碳化硅陶瓷之间设置有耐高温缓冲层，耐高温缓冲层和碳化硅陶瓷内填充有有机无机复合填充剂。本发明具有以下优点和效果：金属复合碳化硅陶瓷叶轮由碳化硅陶瓷和浇注在碳化硅陶瓷内的金属骨架制成，在制备碳化硅陶瓷件时，在陶瓷件中心预留型腔，然后向预留型腔内浇注金属骨架，成型后的金属骨架与碳化硅陶瓷件贴合紧密，且无需铸造金属骨架，简化了工艺流程。

Description

一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮及其制造方法
技术领域
本发明涉及渣浆泵技术领域，特别涉及一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮及其制造方法。
背景技术
重型渣浆泵适用于输送含有固体颗粒的耐磨蚀性和耐腐蚀性的浆液输送，如冶金选矿厂矿浆输送、电厂灰渣输送、煤浆输送及重介质输送等，叶轮是重型渣浆泵的核心部件，采用碳化硅陶瓷作为叶轮的表面接触材料是提升叶轮的耐磨蚀性和耐腐蚀性的重要方法，能够有效提高叶轮的使用寿命。
现有的碳化硅陶瓷叶轮通常采用金属作为骨架，然后在金属表面粘接一层碳化硅陶瓷提升叶轮的耐磨蚀性能，金属骨架和碳化硅陶瓷表面需要分别进行制造，然后再通过粘接剂进行粘接，工艺流程较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，具有制作工艺简单，抗冲击性能好，使用寿命长的效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：包括碳化硅陶瓷和浇注在碳化硅陶瓷内部的金属骨架，所述碳化硅陶瓷包括前盖板、陶瓷叶片和后盖板，所述陶瓷叶片夹设在前盖板和后盖板之间，所述金属骨架与碳化硅陶瓷之间设置有耐高温缓冲层，所述耐高温缓冲层和金属骨架、碳化硅陶瓷之间有装配间隙，所述装配间隙中填充有有机无机复合填充剂；
金属复合碳化硅陶瓷叶轮通过如下步骤制备而成：
S1、将消失模内芯和石膏模具组装浇注或注浆成型叶轮碳化硅陶瓷件组件；
S2、脱去内外模，经烘干和修坯后得到将碳化硅陶瓷叶轮组件坯体；
S3、在陶瓷件金属预留型腔的四周涂覆耐高温缓冲层；
S4、将叶轮碳化硅陶瓷件组件用碳化硅粘接料进行组装粘接，形成含有金属骨架浇注空腔的碳化硅陶瓷叶轮坯体；
S5、将碳化硅陶瓷叶轮坯体放入高温烧结炉中进行烧成，得到碳化硅陶瓷叶轮；
S6、将碳化硅陶瓷叶轮放置在具有升温和保温功能的高温保温装置中，将高温保温装置逐渐升温至浇注温度并保温10~15min后，将熔融金属浇注或注入到碳化硅陶瓷叶轮预留的金属浇注空隙中；
S7、浇注完成后，将高温保温装置逐渐降温，得到金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯；
S8、将金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯的陶瓷层和耐高温缓冲层内注入有机无机复合填充剂后，然后将金属复合碳化硅陶瓷叶轮上的浇注孔采用树脂结合碳化硅填料进行填充，最后在200℃以下固化6-12h；
S9、加工金属复合碳化硅陶瓷叶轮形成叶轮连接螺纹，得到金属复合碳化硅陶瓷叶轮。
本发明的进一步设置为：所述耐高温缓冲层包括粘接剂和耐高温添加剂，所述耐高温添加剂为耐火纤维棉、硅酸铝纤维、岩棉、玻璃丝棉中的一种或多种。
本发明的进一步设置为：所述粘接剂包括硅溶胶5~10份、甲基纤维素5~10份、水80~90份、碳化硅细粉5~10份和耐火水泥1~5份。
本发明的进一步设置为：所述金属骨架采用铝合金、不锈钢、Cr26高铬铸铁、Cr15Mo3高铬铸铁、DF2钢、2507双相不锈钢、2605N双相不锈钢或Cr30A高铬合金中的一种制成制成。
本发明的进一步设置为：所述耐高温缓冲层厚度为4~10mm。
本发明的进一步设置为：所述前盖板上贯穿设置有若干第一浇注孔，所述后盖板上贯穿设置有若干第二浇注孔。
本发明的进一步设置为：所述陶瓷叶片内设置浇注腔，所述浇注腔内设置有若干连接柱，所述金属骨架在连接柱处形成贯通孔。
本发明的进一步设置为：所述有机无机复合填充剂包括无机微粉、硅溶胶、树脂、消泡剂、偶联剂、固化剂和溶剂。
本发明的进一步设置为：所述碳化硅陶瓷的材质可替换为氧化硅结合碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、氧化铝高温陶瓷、复相高温陶瓷中的一种或多种复合。
本发明的进一步设置为：
本发明的有益效果是：
1.金属复合碳化硅陶瓷叶轮由碳化硅陶瓷和浇注在碳化硅陶瓷内的金属骨架制成，在制备碳化硅陶瓷件时，在陶瓷件中心预留型腔，然后向预留型腔内浇注金属骨架，成型后的金属骨架与碳化硅陶瓷件贴合紧密，且无需铸造金属骨架，简化了工艺流程。
2.采用浇注的方式制造金属骨架，在碳化硅陶瓷件中预留好浇注空腔即可，金属骨架可完全适应碳化硅陶瓷件的结构，金属骨架冷却后在碳化硅陶瓷件内形成一个整体，铸造难度低，对碳化硅陶瓷强度的增强效果好。
3.在金属骨架和碳化硅陶瓷之间设置耐高温缓冲层，耐高温缓冲层涂覆在碳化硅陶瓷金属预留型腔内，一方面，耐高温缓冲涂层位于碳化硅陶瓷和金属之间，在金属浇注的过程中，金属与碳化硅陶瓷没有直接进行接触，可避免金属冷却过程中产生的收缩力对陶瓷产生拉扯，从而减小金属和陶瓷因拉扯产生的应力，提高陶瓷的抗冲击性能和使用寿命；另一方面，耐高温缓冲涂层具有一定的膨胀性，可填充金属收缩所产生的缝隙，与耐高温缓冲涂层结合，使金属骨架与碳化硅陶瓷始终保持紧密结合的状态。
4.耐高温缓冲层和碳化硅陶瓷内注入有有机无机复合填充剂，有机无机复合填充剂可对耐高温缓冲层和碳化硅陶瓷内的空隙进行填充，保证陶瓷与浇注金属骨架的复合的一体性，有很好的缓冲作用。
5.在金属骨架上设置贯通孔，一方面可以降低金属浇注量；另一方面可以增加金属骨架与碳化硅陶瓷的接触面积，使金属骨架与碳化硅陶瓷连接更为紧密。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是金属复合碳化硅陶瓷叶轮金属骨架浇注前剖面示意图。
图2是金属复合碳化硅陶瓷叶轮金属骨架从第一浇注孔和第二浇注孔浇注后剖面示意图。
图3是金属复合碳化硅陶瓷叶轮金属骨架从叶轮连接孔浇注后剖面示意图。
图4是金属复合碳化硅陶瓷叶轮加工叶轮连接螺纹后剖面示意图。
图5是金属复合碳化硅陶瓷叶轮结构示意图。
图中，1、前盖板；2、陶瓷叶片；3、后盖板；4、金属骨架；5、耐高温缓冲层；6、碳化硅陶瓷；7、第一浇注孔；8、第二浇注孔；9、贯通孔；10、叶轮连接孔；11、高温保温装置；12、连接柱。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种金属复合碳化硅陶叶轮的制造方法，包括如下步骤：
S1、将消失模内芯和石膏模具组装浇注或注浆成型叶轮碳化硅陶瓷件组件；
S2、脱去内外模，经烘干和修坯后得到将碳化硅陶瓷叶轮组件坯体；
S3、在陶瓷件金属预留型腔的四周涂覆耐高温缓冲层5，耐高温缓冲层5由粘接剂20份和耐火纤维棉70份混合而成，粘接剂包括硅溶胶5份、甲基纤维素10份、水80份、碳化硅细粉10份和耐火水泥1份；
S4、将叶轮碳化硅陶瓷件组件用碳化硅粘接料进行组装粘接，形成含有金属骨架4浇注空腔的碳化硅陶瓷叶轮坯体；
S5、将碳化硅陶瓷叶轮坯体放入高温烧结炉中进行烧成，得到碳化硅陶瓷叶轮；
S6、将碳化硅陶瓷叶轮放置在具有升温和保温功能的高温保温装置11中，将高温保温装置11逐渐升温至浇注温度1500~1550℃，并保温10min后，将熔融不锈钢注入到碳化硅陶瓷叶轮预留的金属浇注空隙中；
S7、浇注完成后，将高温保温装置逐渐降温，得到金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯；
S8、将金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯进行有机无机复合填充剂补强，将有机无机复合填充剂注入陶瓷和耐高温缓冲层5，金属复合碳化硅陶瓷叶轮上的浇注孔采用树脂结合碳化硅填料进行填充，并在120℃固化12h，有机无机复合填充剂包括将纳米氧化锆3份、纳米氮化铝7份、纳米二氧化钛6份、磷酸铝2份、三聚磷酸钠4份，硅溶胶5份，2份偶联剂KH-540，聚二甲基硅氧烷6份，正丁醇6份，正丙醇15份，糠醛树脂14份，过氧化二苯甲酰2份和过氧化苯甲酸叔丁酯1份；
S9、加工金属复合碳化硅陶瓷叶轮形成叶轮连接螺纹，得到金属复合碳化硅陶瓷6叶轮。
实施例2
一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮的制造方法，包括如下步骤：
S1、将消失模内芯和石膏模具组装浇注或注浆成型叶轮氧化硅结合碳化硅陶瓷件组件；
S2、脱去内外模，经烘干和修坯后得到将氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮组件坯体；
S3、在陶瓷件金属预留型腔的四周涂覆耐高温缓冲层5，耐高温缓冲层5由粘接剂30份和耐火纤维棉60份混合而成，粘接剂包括硅溶胶10份、甲基纤维素5份、水90份、碳化硅细粉5份和耐火水泥5份；
S4、将叶轮氧化硅结合碳化硅陶瓷件组件用碳化硅粘接料进行组装粘接，形成含有金属骨架4浇注空腔的氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮坯体；
S5、将氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮坯体放入高温烧结炉中进行烧成，得到碳氧化硅结合化硅陶瓷叶轮；
S6、将氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮放置高温保温装置11中，将高温保温装置11逐渐升温至浇注温度700~740℃，并保温15min后，将熔融铝合金浇注到氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮预留的金属浇注空隙中；
S7、浇注完成后，将高温保温装置逐渐降温，得到金属复合氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮毛坯；
S8、将金属复合氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮毛坯进行有机无机复合填充剂补强，将有机无机复合填充剂注入陶瓷和耐高温缓冲层5，金属复合氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮上的浇注孔采用树脂结合碳化硅填料进行填充，并在60℃固化12h，有机无机复合填充剂包括纳米氧化锆6份、纳米氮化铝3份、纳米二氧化钛2份、磷酸铝1份、三聚磷酸钠5份，硅溶胶4份，8份偶联剂KH-540，聚二甲基硅氧烷2份，正丁醇8份，正丙醇15份，二甲苯树脂40份，过氧化二苯甲酰1份和过氧化苯甲酸叔丁酯1份；
S9、加工金属复合氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮形成叶轮连接螺纹，得到金属复合氧化硅结合碳化硅陶瓷6叶轮。
其中，实施例1和实施例2中氧化硅结合碳化硅陶瓷叶轮结构如图5所示，包括前盖板1、陶瓷叶片2和后盖板3，如图1~4所示，氧化硅结合碳化硅陶瓷6内部浇注有金属骨架4，金属骨架4与氧化硅结合碳化硅陶瓷6之间设置有耐高温缓冲层5，陶瓷叶片2内设置浇注腔，所述浇注腔内设置有若干连接柱12，所述金属骨架在连接柱处形成贯通孔9，如图1、图5所示，前盖板1上设置有若干第一浇注孔7，后盖板3上设置有若干第二浇注孔8，在高温炉11内熔融金属从第一浇注孔7和第二浇注孔8内进入后，高温保温装置逐渐降温，得到如图2所示的金属骨架，然后在叶轮连接孔10处加工如图3所示的叶轮连接螺纹。
进一步设置的，如图3、图4所示，在高温炉11内熔融金属可从叶轮连接孔10处进行浇注，高温保温装置逐渐降温后，得到如图3所示金属骨架，然后在叶轮连接孔10处加工如图4所示的叶轮连接螺纹。
实施例1至2的陶瓷本体部的金属骨架采用浇注成型，成型后的金属骨架与碳化硅陶瓷件贴合紧密，无需铸造金属骨架，且金属骨架被陶瓷层紧密包裹，具有良好的耐腐蚀、耐酸碱能力；实施例1至2的的体积密度在2.75-2.95g/cm3之间，显气孔率都≤1%，常温抗折强度达到100MPa以上，封闭了氮化硅结合碳化硅材料的大部分气孔，有效减少了碳化硅颗粒与具有腐蚀的浆液的接触面积并解决浆液渗漏，提高材料的耐酸碱腐蚀性能。
应当说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，任何耐高温、且可填充在金属骨架4与碳化硅陶瓷6之间的用作占位的材料，均可作为耐高温缓冲层5，主要目的是为了在浇注过程中隔离熔融金属和碳化硅陶瓷叶轮，避免金属与碳化硅陶瓷叶轮粘连，熔融金属在冷却固化过程中发生收缩不会对碳化硅陶瓷叶轮产生拉力。

Claims (9)

1.一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：包括碳化硅陶瓷（6）和浇注在碳化硅陶瓷（6）内部的金属骨架（4），所述碳化硅陶瓷（6）包括前盖板（1）、陶瓷叶片（2）和后盖板（3），所述陶瓷叶片（2）夹设在前盖板（1）和后盖板（3）之间，所述金属骨架（4）与碳化硅陶瓷（6）之间设置有耐高温缓冲层（5），所述耐高温缓冲层（5）和碳化硅陶瓷（6）内注入有有机无机复合填充剂；
所述金属复合碳化硅陶瓷叶轮通过如下步骤制备而成：
S1、将消失模内芯和石膏模具组装浇注或注浆成型叶轮碳化硅陶瓷件组件；
S2、脱去内外模，经烘干和修坯后得到将碳化硅陶瓷叶轮组件坯体；
S3、在陶瓷件金属预留型腔的四周涂覆耐高温缓冲层（5）；
S4、将叶轮碳化硅陶瓷件组件用碳化硅粘接料进行组装粘接，形成含有金属骨架（4）浇注空腔的碳化硅陶瓷叶轮坯体；
S5、将碳化硅陶瓷叶轮坯体放入高温烧结炉中进行烧成，得到碳化硅陶瓷叶轮；
S6、将碳化硅陶瓷叶轮放置在高温保温装置（11）中，将高温保温装置（11）逐渐升温至浇注温度并保温10~15min后，将熔融金属浇注或注入到碳化硅陶瓷叶轮预留的金属浇注空隙中；
S7、浇注完成后，将高温保温装置（11）逐渐降温，得到金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯；
S8、将金属复合碳化硅陶瓷叶轮毛坯的陶瓷层和耐高温缓冲层（5）内注入有机无机复合填充剂后，然后将金属复合碳化硅陶瓷叶轮上的浇注孔采用树脂结合碳化硅填料进行填充，最后在200℃以下固化6-12h；
S9、加工金属复合碳化硅陶瓷叶轮形成叶轮连接螺纹，得到金属复合碳化硅陶瓷叶轮。
2.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述耐高温缓冲层（5）包括粘接剂20~30份和耐高温添加剂60~70份，所述耐高温添加剂为耐火纤维棉、硅酸铝纤维、岩棉、玻璃丝棉中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述粘接剂包括硅溶胶5~10份、甲基纤维素5~10份、水80~90份、碳化硅细粉5~10份和耐火水泥1~5份。
4.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述金属骨架（4）采用铝合金、不锈钢、Cr26高铬铸铁、Cr15Mo3高铬铸铁、DF2钢、2507双相不锈钢、2605N双相不锈钢、2205双相不锈钢、Cr30A高铬合金、A49白口高铬合金铸铁、A05铝合金或A51铝合金中的一种制成。
5.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述耐高温缓冲层（5）厚度为4~10mm。
6.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述前盖板（1）上设置有若干第一浇注孔（7），所述后盖板（3）上设置有若干第二浇注孔（8）。
7.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述陶瓷叶片（2）内设置浇注腔，所述浇注腔内设置有若干连接柱（12），所述金属骨架在连接柱处形成贯通孔（9）。
8.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述有机无机复合填充剂包括无机微粉、硅溶胶、树脂、消泡剂、偶联剂、固化剂和溶剂。
9.根据权利要求1所述的一种金属复合碳化硅陶瓷叶轮，其特征在于：所述碳化硅陶瓷（6）的材质可替换为氧化硅结合碳化硅陶瓷、无压烧结碳化硅陶瓷、氧化铝高温陶瓷、复相高温陶瓷中的一种或多种复合。
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