CN116422865A - 一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括将粒径为8～12目的陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡清洗后除去表面水分，将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂混合均匀得混合物；混合物均匀包覆在陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中微波炉内微波固化后取出，得到蜂窝状陶瓷预制体，将熔融的高铬铸铁铁水浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后制得陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯，并在热处理得到表面硬度为60～62HRC的陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板，能够提升陶瓷颗粒与基体润湿程度，极大程度的降低陶瓷颗粒从基体上脱落程度，增加其使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于新材料领域，特别涉及一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺。
背景技术
磨煤机是燃煤电厂制粉系统的核心部件，磨盘衬板是磨煤机的关键核心部件之一，其耐磨性能直接影响到制粉出力、煤粉质量和生产成本。为了提高衬板的耐磨寿命，减少磨煤机停机次数，衬板材料越来越多的选用陶瓷颗粒增强金属基复合衬板。采用该复合材料制造的衬板寿命可从8000小时提高至20000小时以上，衬板磨损量和原高铬铸铁材料相比大大降低，节电效果也明显增加。
国内生产的陶瓷颗粒增强金属基复合衬板质量不稳定，特别是针对恶劣煤质工况条件下，寿命达不到预期效果。主要由于铸造工艺不合理，陶瓷颗粒与金属的润湿性差，陶瓷颗粒与金属结合为机械结合，导致在衬板在研磨物料过程中陶瓷颗粒易脱落，耐磨寿命提高不明显，严重制约了陶瓷复合衬板的产业化应用。
针对上述现有陶瓷颗粒增强金属基复合衬板存在陶瓷颗粒与基体润湿性差、导致陶瓷颗粒易脱落、寿命短等技术问题，所以提供一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，能够提升陶瓷颗粒与基体润湿程度，极大程度的降低陶瓷颗粒从基体上脱落程度，增加其使用寿命。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括以下步骤：
S1：将粒径为8～12目的陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡，然后再对其震动清洗；
S2：将清洗后的陶瓷颗粒放入烘箱中加热除去表面水分；
S3：将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂按比例混合均匀得混合物；
S4：将步骤S3中的混合物均匀包覆在步骤S2中的陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中并压实；
S5：将步骤S4中的模具整体放入微波炉内微波固化后取出，得到蜂窝状陶瓷预制体，且蜂窝状陶瓷预制体上的预制孔为锥形孔；
S6：蜂窝状陶瓷预制体预热后放入铸造砂型模腔底部，将预制孔孔径大的一侧朝下放置后闭合模箱；
S7：将熔融的高铬铸铁铁水浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后制得陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S8：清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内淬火、回火热处理，制得表面硬度为60～62HRC的陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。
进一步的，在步骤S3中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的2％～4％，无机粘结剂加入质量是陶瓷颗粒质量的3％～6％。
进一步的，步骤S1中的陶瓷颗粒成分为锆刚玉或氧化锆。
进一步的，步骤S1中的草酸溶液中草酸质量含量为10％～14％。
进一步的，步骤S3中的无机粘结剂为水玻璃或硅溶胶。
进一步的，步骤S6中蜂窝状陶瓷预制体底面带有3～5mm芯撑。
进一步的，步骤S6中靠近内浇口的预制体表面有1～2mm的扁铁固定保护。
进一步的，步骤S7中高铬铸铁浇注温度为1450～1520℃。
进一步的，所述蜂窝状陶瓷预制体的预制孔孔型结构为圆锥形结构，锥度为2°～6°。
进一步的，所述蜂窝状陶瓷预制体厚度为30～50mm。
有益效果：本发明的相对于现有技术包含以下优点：
(1)采用微波固化方式，较以往的干燥箱热固化方式相比，时间由几小时缩短至几分钟，生产效率大大提高，并且在固化过程中，由于时间较短，能够有效的防止碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂与陶瓷颗粒在重力作用下沉降分离，保证其包覆均匀。
(2)无机粘结剂微波固化后因出现非晶相能更好的连接陶瓷颗粒，不规则的陶瓷颗粒间的缝隙几乎被粘结剂全部填充，颗粒表面被粘结剂全部包裹，结合强度较热固化大大提高。
(3)蜂窝状陶瓷预制体孔型采用圆锥形结构，该结构可使高铬铸铁在液态和固态收缩过程中金属液的收缩铸渗，同时因预制体孔内有一定的锥度，热处理后孔内高铬金属基体对陶瓷颗粒的压应力，可使结合更牢固，解决了高铬金属基体与陶瓷颗粒因热膨胀系数不同导致热处理后的微裂纹和脱落问题。
(4)陶瓷颗粒表面包覆碳化硼粉，在高铬铸铁铁水高温下可以实现充分的界面反应结合，与陶瓷颗粒表面反应生成Al2O3·B2O3，与高铬铸铁基体生成硼铁合金，改善了陶瓷与高铬铸铁基体润湿性差的问题。
(5)陶瓷颗粒表面包覆氧化铝粉，在高温下，氧化铝可以与高铬铸铁基体反应生成FeAl2O4，与水玻璃或硅溶胶中SiO2反应生成3Al2O3·2SiO2，提高了陶瓷颗粒与高铬铸铁基体的结合强度。
(6)蜂窝状陶瓷预制体带有3-5mm芯撑支撑，有利于衬板表面有高铬铁水的反应铸渗；
(7)本发明从孔型结构、微波固化工艺、负压浸渗工艺、陶瓷预制体成分等方面可彻底解决陶瓷颗粒与高铬铸铁基体界面结合性能差的问题，复合衬板寿命提高至原来的3倍以上。
附图说明
附图1为本发明的整体工艺流程示意图；
附图2为本发明陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的结构侧视图；
附图3为本发明附图2的俯视图；
附图4为本发明一个实施例陶瓷预制体的结构示意图；
附图5为本发明中附图4的结构剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1所示，一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括以下步骤：
S1：将粒径为8～12目的陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡16～24小时，然后再将其放入震动清洗机清洗1.5～3小时；陶瓷颗粒成分为锆刚玉或氧化锆，草酸溶液中草酸质量含量为10％～14％。
S2：将清洗后的陶瓷颗粒放入烘箱中在150～200℃下加热4～6小时除去表面水分；
S3：将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂混合均匀得混合物，其中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的2％～4％，无机粘结剂加入质量是陶瓷颗粒质量的3％～6％；
无机粘结剂为水玻璃或硅溶胶，无机粘结剂微波固化后因出现非晶相能更好的连接陶瓷颗粒，不规则的陶瓷颗粒间的缝隙几乎被粘结剂全部填充，颗粒表面被粘结剂全部包裹，结合强度较热固化大大提高。
陶瓷颗粒表面包覆碳化硼粉，在高铬铸铁铁水高温下可以实现充分的界面反应结合，与陶瓷颗粒表面反应生成Al2O3·B2O3，与高铬铸铁基体生成硼铁合金，改善了陶瓷与高铬铸铁基体润湿性差的问题。
陶瓷颗粒表面包覆氧化铝粉，在高温下，氧化铝可以与高铬铸铁基体反应生成FeAl2O4，与水玻璃或硅溶胶中SiO2反应生成3Al2O3·2SiO2，提高了陶瓷颗粒与高铬铸铁基体的结合强度。
S4：将上述混合物均匀包覆在S2陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中手工压实；
S5：将S4中模具整体放入微波炉内微波固化50～70秒后取出，得蜂窝状陶瓷预制体；采用微波固化方式，较以往的干燥箱热固化方式相比，时间由几小时缩短至几分钟，生产效率大大提高，并且在固化过程中，由于时间较短，能够有效的防止碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂与陶瓷颗粒在重力作用下沉降分离，保证其包覆均匀。
其中，模具的蜂窝芯柱呈锥度设置，所述蜂窝状陶瓷预制体的预制孔孔型结构为圆锥形结构，锥度为2°～6°。蜂窝状陶瓷预制体孔型采用圆锥形结构，该结构可使高铬铸铁在液态和固态收缩过程中金属液的收缩铸渗，同时因预制体孔内有一定的锥度，热处理后孔内高铬金属基体对陶瓷颗粒的压应力，可使结合更牢固，解决了高铬金属基体与陶瓷颗粒因热膨胀系数不同导致热处理后的微裂纹和脱落问题。
S50：设计复合衬板铸造工艺，并经充型与凝固数值仿真模拟优化；采用了充型与凝固数值模拟分析，优化了铸造工艺，缩短了实验周期，降低了实验成本；
S6：蜂窝状陶瓷预制体预热至400～500℃放入铸造砂型模腔底部，将预制体孔径大的一侧朝下放置后闭合模箱；
S7：高铬铸铁浇注温度为1450～1520℃，将1450～1500℃熔融的高铬铸铁铁水按照先快后慢的原则浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后得陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S8：清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内在980～1020℃下淬火、400～420℃下回火热处理，得表面硬度为60～62HRC的陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。
步骤S7中蜂窝状陶瓷预制体底面带有3～5mm芯撑，有利于衬板表面有高铬铁水的反应铸渗。靠近内浇口的预制体表面有1～2mm的扁铁固定保护。
所述蜂窝状陶瓷预制体厚度为30～50mm，此情况下，能够在满足硬度的同时，还能够与基体具有最好的粘结强度。
通过以下实施例进行分析和对比：
实施例1：
一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括：
S1、将粒径为8～12目的锆刚玉陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡24小时，草酸溶液中草酸质量含量为10％，然后再将其放入震动清洗机清洗3小时；
S2、将清洗后的锆刚玉陶瓷颗粒放入烘箱中在150℃下加热6小时除去表面水分；
S3、将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与水玻璃混合均匀得混合物，其中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的2％，水玻璃加入质量是陶瓷颗粒质量的3％；
S4、将上述混合物均匀包覆在S2陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中手工压实；
S5、将S4中模具整体放入微波炉内微波固化50秒后取出，微波固化功率为1400W，得高强度的蜂窝状陶瓷预制体2，蜂窝状陶瓷预制体孔型结构为圆锥形结构，如图4和图5，锥度为2°，蜂窝状陶瓷预制体厚度为30mm；
S6、设计复合衬板铸造工艺，并经充型与凝固数值仿真模拟优化；
S7、蜂窝状陶瓷预制体预热至400℃放入铸造砂型模腔底部，蜂窝状陶瓷预制体底面带有3mm芯撑，将预制体孔径大的一侧朝下放置后合箱；
S8、将1450℃熔融的高铬铸铁铁水按照先快后慢的原则浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后得锆刚玉陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S9、清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内在980℃下淬火、400℃下回火热处理，得表面硬度为60HRC的锆刚玉陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板，如图2和图3。
实施例2：
一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括：
S1、将粒径为8～12目的氧化锆陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡16小时，草酸溶液中草酸质量含量为12％，然后再将其放入震动清洗机清洗2小时；
S2、将清洗后的氧化锆陶瓷颗粒放入烘箱中在200℃下加热4小时除去表面水分；
S3、将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与水玻璃混合均匀得混合物，其中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的4％，水玻璃加入质量是陶瓷颗粒质量的6％；
S4、将上述混合物均匀包覆在S2陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中手工压实；
S5、将S4中模具整体放入微波炉内微波固化70秒后取出，微波固化功率为1600W，得高强度的蜂窝状陶瓷预制体2，蜂窝状陶瓷预制体孔型结构为圆锥形结构，如图4和图5，锥度为4°，蜂窝状陶瓷预制体厚度为50mm；
S6、设计复合衬板铸造工艺，并经充型与凝固数值仿真模拟优化；
S7、蜂窝状陶瓷预制体预热至500℃放入铸造砂型模腔底部，蜂窝状陶瓷预制体底面带有5mm芯撑，将预制体孔径大的一侧朝下放置后合箱；
S8、将1500℃熔融的高铬铸铁铁水按照先快后慢的原则浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后得氧化锆陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S9、清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内在1020℃下淬火、420℃下回火热处理，得表面硬度为62HRC的氧化锆陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。如图2和图3。
实施例3：
一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括：
S1、将粒径为8～12目的氧化锆陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡20小时，草酸溶液中草酸质量含量为13％，然后再将其放入震动清洗机清洗2.5小时；
S2、将清洗后的氧化锆陶瓷颗粒放入烘箱中在180℃下加热5小时除去表面水分；
S3、将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与水玻璃混合均匀得混合物，其中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的3％，水玻璃加入质量是陶瓷颗粒质量的5％；
S4、将上述混合物均匀包覆在S2陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中手工压实；
S5、将S4中模具整体放入微波炉内微波固化60秒后取出，微波固化功率为1500W，得高强度的蜂窝状陶瓷预制体2，蜂窝状陶瓷预制体孔型结构为圆锥形结构，如图4和图5，锥度为5°，蜂窝状陶瓷预制体厚度为40mm；
S6、设计复合衬板铸造工艺，并经充型与凝固数值仿真模拟优化；
S7、蜂窝状陶瓷预制体预热至450℃放入铸造砂型模腔底部，蜂窝状陶瓷预制体底面带有4mm芯撑，将预制体孔径大的一侧朝下放置后合箱；
S8、将1480℃熔融的高铬铸铁铁水按照先快后慢的原则浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后得氧化锆陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S9、清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内在1000℃下淬火、410℃下回火热处理，得表面硬度为61.2HRC的氧化锆陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。如图2和图3。
实施例4：
一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，包括：
S1、将粒径为8～12目的锆刚玉陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡20小时，草酸溶液中草酸质量含量为14％，然后再将其放入震动清洗机清洗1.5小时；
S2、将清洗后的锆刚玉陶瓷颗粒放入烘箱中在180℃下加热5小时除去表面水分；
S3、将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与水玻璃混合均匀得混合物，其中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的2.5％，水玻璃加入质量是陶瓷颗粒质量的3.5％；
S4、将上述混合物均匀包覆在S2陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中手工压实；
S5、将S4中模具整体放入微波炉内微波固化65秒后取出，微波固化功率为1550W，得高强度的蜂窝状陶瓷预制体2，蜂窝状陶瓷预制体孔型结构为圆锥形结构，如图4和图5，锥度为5°，蜂窝状陶瓷预制体厚度为45mm；
S6、设计复合衬板铸造工艺，并经充型与凝固数值仿真模拟优化；
S7、蜂窝状陶瓷预制体预热至460℃放入铸造砂型模腔底部，蜂窝状陶瓷预制体底面带有4mm芯撑，将预制体孔径大的一侧朝下放置后合箱；
S8、将1430℃熔融的高铬铸铁铁水按照先快后慢的原则浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后得锆刚玉陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S9、清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内在1100℃下淬火、420℃下回火热处理，得表面硬度为61.6HRC的锆刚玉陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。如图2和图3。
对比例1：和实施例1、实施例2、实施例3、实施例4相比，未含蜂窝状陶瓷复合预制体，衬板整体为高铬铸铁基体材质。
对比例2：采用热固化预制体制备的陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。
实施例1-4与对比例1-2的测试结构对比如下表：
从上表中可以看出，实施例1～4中的三体磨料磨损体积和硬度均要优于对比例1高铬铸铁基体，耐磨损性能分别是对比例1、对比例2的3.1倍、1.5倍以上。且在实施例2的配比情况下具有最好的性能。
如附图2所示，一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板，包含高铬铸铁基衬板1和蜂窝陶瓷颗粒2。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将粒径为8～12目的陶瓷颗粒在草酸溶液中浸泡，然后再对其震动清洗；
S2：将清洗后的陶瓷颗粒放入烘箱中加热除去表面水分；
S3：将300～500目的碳化硼粉、氧化铝粉与无机粘结剂按比例混合均匀得混合物；
S4：将步骤S3中的混合物均匀包覆在步骤S2中的陶瓷颗粒表面，然后将其填入模具中并压实；
S5：将步骤S4中的模具整体放入微波炉内微波固化后取出，得到蜂窝状陶瓷预制体，且蜂窝状陶瓷预制体上的预制孔为锥形孔；
S6：蜂窝状陶瓷预制体预热后放入铸造砂型模腔底部，将预制孔孔径大的一侧朝下放置后闭合模箱；
S7：将熔融的高铬铸铁铁水浇入衬板模腔内，实现高铬铸铁铁水浸渗到陶瓷预制体颗粒间隙内，冷却凝固后制得陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板毛坯；
S8：清理、切割、打磨衬板浇冒口，然后放入热处理炉内淬火、回火热处理，制得表面硬度为60～62HRC的陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板。
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：在步骤S3中，碳化硼粉、氧化铝粉加入质量分别为陶瓷颗粒质量的2％～4％，无机粘结剂加入质量是陶瓷颗粒质量的3％～6％。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S1中的陶瓷颗粒成分为锆刚玉或氧化锆。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S1中的草酸溶液中草酸质量含量为10％～14％。
5.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S3中的无机粘结剂为水玻璃或硅溶胶。
6.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S6中蜂窝状陶瓷预制体底面带有3～5mm芯撑。
7.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S6中靠近内浇口的预制体表面有1～2mm的扁铁固定保护。
8.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：步骤S7中高铬铸铁浇注温度为1450～1520℃。
9.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：所述蜂窝状陶瓷预制体的预制孔孔型结构为圆锥形结构，锥度为2°～6°。
10.根据权利要求1所述的一种陶瓷颗粒增强高铬铸铁基复合衬板的铸造工艺，其特征在于：所述蜂窝状陶瓷预制体厚度为30～50mm。
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