CN101279522B

CN101279522B - 用于抗冲击磨损的复合材料及其制备方法

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Publication number: CN101279522B
Application number: CN2008100180598A
Authority: CN
Inventors: 鲍崇高; 邢建东; 高义民
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2008-04-25
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2028-04-25
Also published as: CN101279522A

Abstract

本发明涉及抗磨损复合材料领域，公开了一种用于抗冲击磨损的复合材料及其制备方法。该复合材料，包括钢铁基底层、橡胶中间层以及高铬合金耐磨层，所述高铬合金耐磨层与钢铁基底层通过橡胶中间层粘接在一起；其制备方法是首先铸造或者焊接钢铁基底层，其次铸造高铬合金耐磨层，然后将橡胶中间层硫化在钢铁基底层上，最后在橡胶中间层上硫化粘接高铬合金耐磨层即可。本发明制备的复合材料耐磨、耐冲击、降噪、耐腐蚀，可以广泛应用于矿山、电力、机械等具有高冲击磨损的工况。

Description

用于抗冲击磨损的复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及抗磨损复合材料领域，特别涉及一种用于抗冲击磨损的复合材料及其制备方法。

背景技术

高冲击磨损主要包括凿削式冲击磨损、高应力碾碎磨粒磨损、低应力擦伤摩擦磨损等，具有高冲击磨损的工况普遍存在于矿山、电力、机械等工业，例如煤炭等矿料输送。高冲击磨损工况采用的服役材料不仅要求耐磨性好，而且要求抗冲击性能高，即韧性好。由于高硬度的、耐磨性能好的合金材料都为高铬合金白口铸铁，其焊接性能差，为了保证安装、检修方便，上述工况中一般选用耐磨材料基本都是焊接性能好低合金碳钢材料，低合金碳钢材料硬度相对低，耐磨性差。例如：某洗煤厂所有靠近地面的煤介质输送溜槽斜挡板采用低合金碳钢材料，由于冲击磨损严重，每隔三个月左右就要焊补或增加一层16～18mm厚的低合金碳钢耐磨板，一年左右时间所有溜槽斜挡板都要更换一次，包括其他煤介质输送设备在内，其耐磨材料的消耗量巨大，成本增加，而且生产设备管理工作和工人检修、更换的劳动强度巨大，严重影响生产效率。此外，高冲击磨损引起的噪音污染也是致使环境恶劣的首要因素之一。

碳含量高、硬度高的高铬合金白口铸铁耐磨性能优越，但韧性低、耐冲击和焊接性能差；低合金碳钢材料韧性、焊接性能好，但硬度低，耐磨性差，因此从材料研究和应用角度出发，难以寻求既耐磨、耐冲击，又能保证焊接性能，适合于高冲击磨损工况下使用的单一的金属合金材料。陶瓷材料虽然硬度高、耐磨性好，但脆性大，也不能满足使用要求；高分子材料耐冲击、也耐腐蚀，但耐磨性差，且因高冲击磨损致使材料受力面温度升高而容易老化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨、耐冲击、焊接性能好的用于抗冲击磨损的复合材料；本发明的另一个目的在于提供上述复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明的采用如下技术方案予以实现：

(1)一种用于抗冲击磨损的复合材料，其特征在于，包括钢铁基底层、橡胶中间层以及高铬合金耐磨层，所述高铬合金耐磨层与钢铁基底层通过橡胶中间层粘接在一起。

所述高铬合金耐磨层上表面为平滑的弧面，其横截面为中间厚两边薄的弧形。

所述高铬合金耐磨层由高铬合金铸铁网格块拼接而成；高铬合金铸铁网格块大小为100mm×100mm。

所述钢铁基底层周侧焊接有横档，包绕橡胶夹层和高铬合金耐磨层。

(2)一种用于抗冲击磨损的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

铸造或者焊接钢铁基底层；

铸造高铬合金耐磨层；

将橡胶中间层硫化在钢铁基底层上，然后在橡胶中间层上硫化粘接高铬合金耐磨层。

所述铸造高铬合金耐磨层的配料成分重量百分比(wt％)为：2.6～3.0％C、0.6～0.8％Si、0.6～0.8％Mn、0～0.03％S、0～0.03％P、28.0～30.0％Cr、0.3～1.0％Mo、0.5～1.5％Cu、0.2～0.5％B、其余为Fe；一种优化的配料成分重量百分比(wt％)为：2.8％C、0.8％Mn、0.8％Si、0～0.03％S、0～0.03％P、29.0％Cr、0.8％Mo、1.0％Cu、0.2％B、其余为Fe；另一种优化的配料成分重量百分比(wt％)为：2.9％C、0.6％Mn、0.6％Si、0～0.03％S、0～0.03％P、28.0％Cr、0.6％Mo、0.8％Cu、0.3％B、其余为Fe。

由于本发明的复合材料由三层、三种材料组成，底层为钢铁材料，中间层为高分子橡胶材料，上层为高铬合金铸铁材料。底层钢铁材作为组装和支撑高铬合金层和橡胶中间层的基底，方便安装焊接；中间层高分子橡胶硫化粘接于钢铁和高铬合金铸铁材料之间，可以缓冲物料冲击、降低噪音；上层高铬合金铸铁材料设计成100mm×100mm网格型，而且整体拼接成横截面为中间高两边低的弧形，防止了高冲击致使高硬度耐磨合金碎裂问题，提高耐磨合金的抗冲击性能，并充分发挥了高铬合金耐磨铸铁的高耐磨性能(硬度HRC62～65)，同时高铬合金铸铁基体组织为奥氏体，也具有较好的抗冲击性能。

此外，上层高铬合金铸铁材料中的铬、钼、铜等合金在材料表面形成致密的抗腐蚀氧化膜(Cr₂O₃、MoO、CuO等)，因此，本发明的复合材料具有较好的抗H₂SO₄、H₂S酸液的腐蚀能力。

附图说明

图1为本发明复合材料(具有高铬合金铸铁网格块)的横截面示意图；

图2为本发明复合材料(具有高铬合金铸铁网格块)的俯视意图；

其中：1、钢铁基底层；2、橡胶中间层；3、高铬合金耐磨层；4、网格块5、横档。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1、图2，本发明复合材料由钢铁基底层1、橡胶中间层2以及高铬合金耐磨层3组成，高铬合金耐磨层3与钢铁基底层1通过橡胶中间层2粘接在一起。进一步的改进是高铬合金耐磨层3由高铬合金铸铁网格块4拼接而成，高铬合金铸铁网格块4大小为100mm×100mm，中间的网格块厚度30～40mm，边部因磨损较轻微，网格块4边部设计厚度为15～20mm。整体上看，高铬合金耐磨层3上表面为平滑的弧面，其横截面为中间厚两边薄的弧形。钢铁基底层1周侧焊接有横档5，包绕橡胶中间层2和高铬合金耐磨层3。

本发明复合材料的组成成分或铸造配料说明如下：

(1)钢铁基底层可以为普通碳钢材料，化学成分见表1所示。

表1外结构普通碳钢材料化学成分(wt％)

(2)橡胶中间层可以为丙烯酸酯橡胶。

(3)高铬耐磨合金层可以采用高铬耐磨合金铸铁材料，其铸造配料成分见表2所示。

表2高铬耐磨合金铸铁材料配料成分(wt％)

本发明的复合材料的的制备方法说明如下：

步骤一，铸造或者焊接钢铁基底层。采用铸造方式时，钢铁基底层可以采用普通碳钢材料，配料可以参照表1，采用通用铸造技术。

步骤二，铸造高铬合金耐磨层。高铬合金耐磨层可以采用高铬合金铸铁材料，铸造成高铬合金铸铁网格块，具体方法如下：

(1)按照表2中成分要求进行配料；

(2)根据高铬合金铸铁网格块的尺寸划分，设计、加工模具、造型(砂型)；

(3)根据(1)中的配料进行熔炼，达到出炉温度1480～1520℃后出炉，出炉铁水对(2)中砂型进行浇注，浇注温度为1400～1450℃；

(4)对(3)中铸造好的网格块铸件进行打箱清理(铸造完毕3小时后进行)、表面打磨、热处理，热处理规范为：350～450℃回火3～4小时后，出炉空冷。

步骤三，将橡胶中间层硫化在钢铁基底层上，然后在橡胶中间层上硫化粘接高铬合金耐磨层。

具体为：将10～12mm厚的橡胶板(即橡胶中间层)硫化粘接于中钢铁基底层之上；将铸造好的高铬合金铸铁网格块硫化粘接于橡胶板之上。

实施例1：

用于抗冲击磨损的复合材料制备煤炭生产中的斜冲击板。

步骤一，铸造或者焊接钢铁基底层。本实施例采用铸造方式，钢铁基底层采用普通碳钢材料，配料参照表1，采用通用铸造技术。

(1)按照表2中成分要求进行配料，确定的最终配料为(wt％)：2.8％C、0.8％Mn、0.8％Si、P≤0.03％、S≤0.03％、29.0％Cr、0.8％Mo、1.0％Cu、0.2％B，、其余Fe，其中P、S为杂质，分别控制在0.03％以下。

(2)根据高铬合金铸铁网格块的尺寸划分，设计、加工模具、造型(砂型)；其中网格块4大小为100mm×100mm，中间的网格块厚度30mm，边部设计厚度为15mm；

具体为：将10mm厚的橡胶板(即橡胶中间层)硫化粘接于中钢铁基底层之上；将铸造好的高铬合金铸铁网格块硫化粘接于橡胶板之上。

该复合材料在陕北某煤业公司使用后，使用寿命比原16Mn耐磨钢材料提高11倍多，维修次数比原来减少了10％，噪音污染由原95分贝降至90分贝。

实施例2：

用于抗冲击磨损的复合材料制备矿料生产中的水平冲击板

步骤一，铸造或者焊接钢铁基底层。本实施例10mm钢板进行焊接。

(1)按照表2中成分要求进行配料，确定的最终配料为(wt％)：2.9％C、0.6％Mn、0.6％Si、P≤0.03％、S≤0.03％、28.0％Cr、0.6％Mo、0.8％Cu、0.3％B、其余为Fe，其中P、S为杂质，分别控制在0.03％以下。

(2)根据高铬合金铸铁网格块的尺寸划分，设计、加工模具、造型(砂型)；其中网格块4大小为120mm×120mm，中间的网格块厚度40mm，边部设计厚度为20mm；

具体为：将12mm厚的橡胶板(即橡胶中间层)硫化粘接于中钢铁基底层之上；将铸造好的高铬合金铸铁网格块硫化粘接于橡胶板之上。

该复合材料在某煤业生产中使用后使用寿命比原16Mn耐磨钢材料提高9倍多，维修次数比原来减少了12.5％，噪音污染由原95分贝降至87分贝。

本发明复合材料性能与工业试验说明如下：

针对煤炭生产中存在高冲击磨损工况，对上述具有高铬合金铸铁网格块的复合材料进行工业试验，对使用后冲击磨损腐蚀表面进行了观察和测量，并与16Mn耐磨钢进行了比较，工业试验结果如表3所示。

表3具有高铬合金铸铁网格块的

复合材料和16Mn耐磨钢抗冲击磨损腐蚀试验结果

上述试验结果表明，网格型多层复合材料的抗冲击腐蚀磨损性能是16Mn耐磨钢的9倍左右，该复合材料是洗煤厂煤炭生产中理想的抗冲击腐蚀磨损新材料。

Claims

1.一种用于抗冲击磨损的复合材料，其特征在于，包括钢铁基底层、橡胶中间层以及高铬合金耐磨层，所述高铬合金耐磨层与钢铁基底层通过橡胶中间层粘接在一起，该高铬合金耐磨层由高铬合金铸铁网格块拼接而成，该高铬合金耐磨层上表面为平滑的弧面，其横截面为中间厚两边薄的弧形，铸造高铬合金耐磨层的配料成分重量百分比(wt％)为：2.6～3.0％C、0.6～0.8％Si、0.6～0.8％Mn、0～0.03％S、0～0.03％P、28.0～30.0％Cr、0.3～1.0％Mo、0.5～1.5％Cu、0.2～0.5％B、其余为Fe。

2.根据权利要求1所述一种用于抗冲击磨损的复合材料，其特征在于，高铬合金铸铁网格块大小为100mm×100mm。

3.根据权利要求1所述一种用于抗冲击磨损的复合材料，其特征在于，所述钢铁基底层周侧焊接有横档，包绕橡胶夹层和高铬合金耐磨层。

4.一种用于抗冲击磨损的复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

铸造或者焊接钢铁基底层；

铸造高铬合金耐磨层：采用高铬合金铸铁材料，铸造成高铬合金铸铁网格块，该高铬合金耐磨层由高铬合金铸铁网格块拼接而成；铸造高铬合金耐磨层的配料成分重量百分比(wt％)为：2.6～3.0％C、0.6～0.8％Si、0.6～0.8％Mn、0～0.03％S、0～0.03％P、28.0～30.0％Cr、0.3～1.0％Mo、0.5～1.5％Cu、0.2～0.5％B、其余为Fe；

将橡胶中间层硫化在钢铁基底层上，然后在橡胶中间层上硫化粘接高铬合金耐磨层，该高铬合金耐磨层上表面为平滑的弧面，其横截面为中间厚两边薄的弧形。

5.根据权利要求4所述一种用于抗冲击磨损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述铸造高铬合金耐磨层的配料成分重量百分比(wt％)为：2.8％C、0.8％Mn、0.8％Si、0～0.03％S、0～0.03％P、29.0％Cr、0.8％Mo、1.0％Cu、0.2％B、其余为Fe。

6.根据权利要求4所述一种用于抗冲击磨损的复合材料的制备方法，其特征在于，所述铸造高铬合金耐磨层的配料成分重量百分比(wt％)为：2.9％C、0.6％Mn、0.6％Si、0～0.03％S、0～0.03％P、28.0％Cr、0.6％Mo、0.8％Cu、0.3％B、其余为Fe。