CN108380850B - 一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备方法 - Google Patents

一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备方法，属于零部件制备领域。本发明用陶瓷颗粒与合金粉末压制烧结制备棒状复合材料，并结合镶铸工艺将多根棒状复合材料镶嵌在金属基体中，实现金属基体对均匀分布的多根棒状复合材料的包裹。本发明耙齿齿头避免了普通耙齿易磨损、均质复合耐磨件韧性差、质脆不耐冲击的问题，通过粉末冶金与镶铸结合工艺，相比于整体冶金烧结，保证零部件尺寸精准，满足特定部件使用性能要求，省略装配工序，一定程度简化了制造工艺，相比于整体冶金烧结极大降低零件制备成本，组织致密冶金结合良好，可应用于铁道维护用清筛车和耙斗装岩机耙齿零部件等。

Description

一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备 方法
技术领域
本发明属于零部件制备技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备方法。
背景技术
铁道维护用清筛车主要用于铁道道床石渣清筛疏松后回填作业，耙斗装岩机是一种采矿重要设备，用于挖掘与掘进，耙齿是该两种设备中重要的零部件之一，也是一些矿山机械和养路机械的重要零部件，耙齿齿头的好坏决定着此类设备工作效率的快慢。耙齿齿头在不同的工作条件下服役受到不同程度的磨损和冲击而发生不同程度、不同形式的失效，而陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有优异的耐磨性和耐冲击性能，广泛用于矿山机械中。
中国发明专利CN201520399948.9涉及到一种铁道清筛车耐磨耙齿，于齿头后端外圆周面设计凹槽并于凹槽内焊接耐磨合金，构成简易耐磨复合。该发明双合金弧面套嵌焊接工艺复杂难以实现，且成本高昂，焊接质量难以把控，长期受到冲击作用时硬质合金耐磨结构容易松动开裂。
中国发明专利CN201510026941.7涉及到一种铁道清筛车或耙斗装岩机新型耐磨复合材料耙齿，其特征在于与齿头外表面包裹一层陶瓷颗粒金属复合材料，其余部分为普通合金。该发明耙齿耐磨性、硬度、抗冲击性提升明显，但齿头表面复合耐磨层厚度有限，而大部为普通合金，无法充分应用齿头大部结构，约束使用寿命的延长。
因此如何克服现有技术的不足是目前零部件制备技术领域亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头及其制备方法，以解决耙齿齿尖在频繁冲击、接触摩擦等恶劣工作条件下服役受到不同程度模式与冲击而发生不同程度、不同形式的失效，延长齿尖工作时间，纯陶瓷颗粒增强均质复合材料质脆易碎的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，包括金属基体和棒状复合材料，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料；
所述的金属基体的材质为高锰钢、高铬铸铁和碳钢中的一种或两种组合；
所述的棒状复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤（1），将陶瓷颗粒、合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于300~500Mpa压力下压制15~60min后成型，得到粉体棒；
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂，完全脱脂后，分阶段升温至1110~1150℃后，保温烧结2.0~3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为WC、TiC、Al2O3、ZrO2和SiC中的一种或几种按任意比例混合后得到的混合物；
所述的合金粉末为铬铁粉、铁粉和锰铁粉中的一种或几种混合物；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为1:1-10；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的1%~2%；
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
进一步，优选的是，脱脂时间为2h。
进一步，优选的是，所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯和石蜡中的一种或两种的组合。
进一步，优选的是，所述的陶瓷颗粒的颗粒粒径为
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目。
进一步，优选的是，所述的棒状复合材料径为2mm~6mm，长度为10mm~50mm；耙齿齿头为圆锥形。
进一步，优选的是，所述的混合在球墨机中进行，混合时间为30~120min；所述的压制时间为30min。
本发明同时提供上述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤b，采用电磁熔炼浇铸，先用钢液浇铸预热浇道，砂型升温预热，当砂型温度达最高时浇铸型腔，完成镶铸复合步骤；
所述的钢液为高锰钢液、高铬铸铁液和碳钢液中的一种或两种组合。
进一步，优选的是，所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的9~20倍。
进一步，优选的是，先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度范围10~30mm；浇铸型腔时，钢液温度范围1470~1650℃。
进一步，优选的是，冒口上端直径为浇道直径的1.5~2.5倍。
本发明耙齿齿头为金属基体与冶金烧结制备的棒状复合材料镶铸冶金连接成整体。
本发明所述棒状复合材料中陶瓷颗粒所占体积分数为20%~80%。
砂型的型腔容积随所用的全部棒状复合材料（镶块）的材质、熔体成分变动。
浇铸预热浇道钢液温度随具体材料成分、型腔大小变动。
预热浇道宽度随具体材料成分、型腔大小变动。
本发明对于合金粉末的粒度没有限制。
本发明冒口上部直径加粗至浇道直径的1.5~2.5倍，有效利用冒口大体量熔体重力下压对型腔有效补缩，冒口大体量熔体经型腔进入冒口将更多热量释放于型腔内，促进镶铸冶金复合进程。
本发明耙齿齿头避免了普通耙齿易磨损、均质复合耐磨件韧性差、质脆不耐冲击的问题，通过粉末冶金与镶铸结合工艺，相比于整体冶金烧结，保证零部件尺寸精准，满足特定部件使用性能要求，省略装配工序，一定程度简化了制造工艺，相比于整体冶金烧结极大降低零件制备成本，组织致密冶金结合良好，可应用于铁道维护用清筛车和耙斗装岩机耙齿零部件等。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
（1）本发明陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头中的陶瓷颗粒相比一般成品硬质合金价格低廉50%，且本发明齿头在不同冲击和磨损工况下都有较高的应用能力，使用效果好。
（2）本发明陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头多尺寸增强，韧性组织有效限制裂纹扩展，避免陶瓷颗粒增强均质复合材料质脆。不耐冲击、移开裂问题。
（3）本发明采用粉末冶金烧结制备棒状复合材料作为镶块，尺寸精准，复合良好，棒状复合材料形态、体积设计自由。
（4）采用预热砂型浇铸，大型腔情况下冶金复合效果良好；
（5）砂型冒口上部加粗有效增加过型腔钢液热释放 总量。
附图说明
图1为陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头俯视图；
图2为陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头纵向剖视图
图3为制备陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头所采用的装置的结构示意图；
其中，1、金属基体；2、棒状复合材料；3、型腔；4、浇道；5、加粗冒口；6、预热浇道；7、砂型；。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例提供Al2O3-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述Al2O3-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为Al2O3；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
实施例2
本实施例提供的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径2mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为12mm、24mm、36mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高铬铸铁。
本实施例所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法如下：
步骤（1），将80~120目陶瓷颗粒、合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于300Mpa压力下压制15min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为30min；所述的压制时间为50min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂，完全脱脂后，分阶段升温至1110℃后，保温烧结2.0h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为WC；
所述的合金粉末为铬铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为1:1；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的1%；
所述的增塑剂为石蜡。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1110℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1470℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高铬铸铁液。
其中，所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的9倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1470℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
实施例3
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
实施例4
本实施例提供陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径6mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为10mm、30mm、50mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高铬铸铁和碳钢的组合。
本实施例所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法如下：
步骤（1），将60~100目陶瓷颗粒、100目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制60min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为120min；所述的压制时间为45min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1120℃后，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为ZrO2和SiC的混合物（质量比为1：1）；
所述的合金粉末为铬铁粉和锰铁粉中的混合物（质量比为1：1）；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为1:10；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的1.5%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯和石蜡的混合物（质量比为1：1）。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1120℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积钢液，待温度达1400℃，倾倒15%体积的钢液熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1650℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高铬铸铁液和碳钢液中的组合（质量比为1：2）。
其中，所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的20倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为30mm；浇铸型腔时，钢液温度为1650℃。冒口上端直径为浇道直径的2.5倍。
实施例5
本实施例提供Al2O3-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径4mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为16mm、32mm、48mm。
所述的金属基体的材质为高锰钢、高铬铸铁和碳钢中的组合（质量比为1：2：1）。
本实施例所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法如下：
步骤（1），将50~70目陶瓷颗粒、合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机400Mpa压力下压制40min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为80min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1130℃后，保温烧结2.0~3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为WC、TiC和Al2O3的混合物（质量比为2：1：1）；
所述的合金粉末为铬铁粉、铁粉和锰铁粉中的混合物（质量比为1：2：1）；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为1:6；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的1.8%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯和石蜡的混合物（质量比为1：2）。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1130℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积钢液，待温度达1400℃，倾倒1/5份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1550℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液、高铬铸铁液和碳钢液的组合（质量比为1：2：1）。
其中，所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为20mm；浇铸型腔时，钢液温度为1550℃。冒口上端直径为浇道直径的2倍。
对比例1
对比例1与实施例3的区别在于：保温烧结为1.5h。耙齿齿头为圆锥形。
具体如下：
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结1.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
对比例2
对比例2与实施例3的区别在于：所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的5倍。
具体如下：
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的5倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
对比例3
对比例1与实施例3的区别在于：浇铸型腔时，钢液温度为1460℃。
具体如下：
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1460℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1460℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于：不采用分阶段升温，直接以每分钟4℃方式升温。
具体如下：
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的2%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
对比例5
对比例5与实施例3的区别在于：增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的3%。
具体如下：
本实施例提供TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，所述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头由图1、2中金属基体1和棒状复合材料2构成，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料。棒状复合材料直径5mm，由外到内三层棒状复合材料长度分别为15mm、30mm、45mm。耙齿齿头为圆锥形。
所述的金属基体的材质为高锰钢。
本实施例所述TiC-高锰钢陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头制备方法如下：
步骤（1），将40~60目陶瓷颗粒、200目合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于45t液压机500Mpa压力下压制30min后成型，得到粉体棒；所述的混合在球墨机中进行，混合时间为60min；所述的压制时间为30min。
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂2h，完全脱脂后，分阶段升温至1150℃，保温烧结3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为TiC；
所述的合金粉末为锰铁粉；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为3:5；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的3%；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯。
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃。
步骤（3），于下沙箱型腔中部通过使用齿尖形状木模做圆锥凹槽，依据齿尖棒状复合材料分布设计，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤（4），采用电磁熔炼浇铸，电磁熔炼双倍型腔容积高锰钢液，待温度达1400℃，倾倒1/6份熔体于浇包，随后倒入预热浇道，砂型升温预热，将剩余钢液熔炼至1520℃，当砂型温度达最高时，将剩余钢液全部倾倒于浇包内，匀速浇铸于砂型内，完成镶铸复合步骤；如图3所示。
等待次日，砂型彻底冷却，开箱取件，经销切加工，制备零件整体。
所述的钢液为高锰钢液。
其中，所有棒状复合材料体积为9420mm2；所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的15倍。
先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度为10mm；浇铸型腔时，钢液温度为1520℃。冒口上端直径为浇道直径的1.5倍。
性能检测
对本发明实施例1-5产品及对比例1-3产品进行性能检测，检测结果如表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE004
由实施例1-5的性能检测数据，可知本发明陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头具有良好冲击韧性、高周疲劳、耐磨性，因硬质颗粒的添加硬度良好且具有不同颗粒的耙齿齿尖硬度相差不大，且从表1中看出对比例效果均逊于实施例，本发明实施例3为最优实施例。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，其特征在于，包括金属基体和棒状复合材料，金属基体内包裹多根均匀分布的棒状复合材料；
所述的金属基体的材质为高锰钢、高铬铸铁和碳钢中的一种或两种组合；
所述的棒状复合材料的制备方法包括如下步骤：
步骤（1），将陶瓷颗粒、合金粉末和增塑剂一起混合均匀后填充到空心柱型模具中，于300~500Mpa压力下压制15~60min后成型，得到粉体棒；
步骤（2），将经步骤（1）压制成型得到的粉体棒置于真空管式炉，先于110℃下脱脂，完全脱脂后，分阶段升温至1110~1150℃后，保温烧结2.0~3.5h，得到棒状复合材料；
所述陶瓷颗粒为WC、TiC、Al2O3、ZrO2和SiC中的一种或几种按任意比例混合后得到的混合物；
所述的合金粉末为铬铁粉、铁粉和锰铁粉中的一种或几种混合物；
所述的陶瓷颗粒、合金粉末的质量比为1:1-10；增塑剂添加质量含量为陶瓷颗粒和合金粉末总质量的1%~2%；
所述的分阶段升温的升温程序为：110-600℃时，每分钟6℃；600-800℃内，每分钟4℃，800-1150℃内，每分钟2℃；
所述的增塑剂为邻苯二甲酸酯和石蜡中的一种或两种的组合；
所述的混合在球墨机中进行，混合时间为30~120min。
2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，其特征在于，脱脂时间为2h。
3.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，其特征在于，所述的陶瓷颗粒的颗粒粒径为
Figure 155773DEST_PATH_IMAGE002
目。
4.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，其特征在于，所述的棒状复合材料径为2~6mm，长度为10mm~50mm；棒状复合材料呈圆锥形布设，耙齿齿头为圆锥形。
5.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头，其特征在于，所述的压制时间为30min。
6.权利要求1-5任意一项所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a，将烧结制备成型棒状复合材料经抛光后，均匀安插砂型底座中间并固定于砂型中；
步骤b，采用电磁熔炼浇铸，先用钢液浇铸预热浇道，砂型升温预热，当砂型温度达最高时浇铸型腔，完成镶铸复合步骤；
所述的钢液为高锰钢液、高铬铸铁液和碳钢液中的一种或两种组合。
7.根据权利要求6所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法，其特征在于，所述砂型的型腔容积为所有棒状复合材料体积的9~20倍。
8.根据权利要求6所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法，其特征在于，先用钢液浇铸预热浇道时，预热浇道宽度范围10~30mm；浇铸型腔时；浇铸型腔时，钢液温度范围1470~1650℃。
9.根据权利要求6所述的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合耐磨耙齿齿头的制备方法，其特征在于，冒口上端直径为浇道直径的1.5~2.5倍。
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