CN108754462A - 一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，属于金属材料制备技术领域。本发明中陶瓷粉成分中的氧化铈为稀土氧化物中活性最强的氧化物，它能加强复合镀液中陶瓷粉体与涂覆的基体铸件分子间的原子轨道交互作用，提高耐磨衬板的耐高温性能，本发明中用复合镀液浸涂基底板时，复合镀液中水化氧化铝粒子吸附周围金属离子而带正电，在静电吸引力的作用下水化氧化铝粒子不断地向基底板表面迁移，水化氧化铝粒子接触到基底板表面，高密度超细粒径的氧化铝膜能减少耐磨衬板的阿克隆磨耗体积量，可通过纳米氧化铝颗粒提高金属陶瓷粉和基底板的结合力，不易剥落并保持高致密度，不易产生磨损，从而提高耐磨衬板的耐磨性能，应用前景广阔。

Description

一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法
技术领域
本发明公开了一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，属于金属材料制备技术领域。
背景技术
耐磨衬板，是指耐磨钢板通过切割、卷板变形、打孔和焊接等生产工艺加工而成各种耐磨衬板，如输送机衬板、给煤机底板/旋风分离器倒锥和衬板、耐磨叶片等，耐磨寿命可比普通钢板提高15倍以上。
耐磨材料是一类较为特殊的材料，它多用于存在磨损的场合，如：矿山机械、工程机械、粉末设备中与土砂、矿石、岩石、水泥等物料相互作用的机械零件；粮油加工、耕作收割等农业机械；水利和火力发电设备中许多机械零部件；人体的牙齿、鞋底、笔尖以及多种生活品等。可以说，耐磨材料在冶金、建材、矿山、港口、石油、电力、煤炭、化工以及军事等各个工业领域中普遍存在，和每个人的生活息息相关。
耐磨材料的工作环境非常复杂，有些耐磨材料需要在重载、冲击、腐蚀、粉尘、蒸汽、渣滓等恶劣工况条件下工作，常常用于矿山、机械、水电、煤炭、港口、冶金等场合，这些环境会造成耐磨材料的巨大损耗和能源浪费，这部分耐磨材料占据着耐磨材料的主体，包括耐磨铸铁和耐磨铸钢两大部分。
我国每年要消耗磨机衬板约20万吨，破碎机衬板约20万吨，因此降低衬板材料的损耗具有十分重要的经济意义。先后经历了高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁、高铬铸铁到奥氏体高锰钢和各种通过淬火回火工艺冶炼的中低合金钢等几种材质的发展阶段。目前各行业所用的衬板材质主要有高锰钢、多元低合金钢、铬系白口铸铁等几种单一金属材料，不能抵抗磨料的压入和划动，在使用过程中表面产生大量的切削磨损和塑变低周疲劳，抗磨料磨损性能较差，并且韧性差，容易剥落和断裂。
因此，发明一种磨损性能好且韧性好的纳米氧化铝补强耐磨衬板对金属材料制备技术领域具有积极意义。
发明内容
本发明主要解决的技术问题，针对目前各行业所用的衬板材质主要有高锰钢、多元低合金钢、铬系白口铸铁等几种单一金属材料，高温时硬度降低不能抵抗磨料的压入和划动，在使用过程中表面产生大量的切削磨损和塑变低周疲劳，抗磨料磨损性能较差，并且韧性差，容易剥落和断裂，提供了一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温，保温烧结，取出刚玉坩埚，用水淬冷处理，得到稀土陶瓷块；
（2）将稀土陶瓷块放入研钵中研磨3～4h，过筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨8～10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制氢氧化钠溶液，加热得到碱液，用碱液清洗钢板10～15min后，再用去离子水冲洗钢板3～4次得到基底板；
（3）按重量份数计，将1～2份镍粉、10～12份锰铁、30～33份铬铁、20～21份钼铁、30～35份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份聚乙烯醇水溶液，球磨，得到金属陶瓷浆料；
（4）用硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；
（5）将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温，干燥，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，高速分散，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，得到浸涂板；
（6）将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空，加热升温，保温处理，继续升温，保温烧结，取出后油淬，再回火加热，保温时间，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
步骤（1）所述的加热升温为1450～1500℃，保温烧结时间为2～3h，水淬冷温度为20～25℃，淬冷处理时间为20～25min。
步骤（2）所述的研磨后所过筛规格为400目，氢氧化钠溶液的质量分数为20%，碱液加热升温为60～70℃。
步骤（3）所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为20%，球磨转速为700～800r/min，球磨时间为6～7h。
步骤（4）所述的硫酸溶液的质量分数为20%，氢氧化钠溶液的质量分数为20%。步骤（5）所述的加热升温为80～90℃，干燥时间为20～24h，高速分散转速为3000～4000r/min，高速分散时间为20～25min，浸入复合镀液中时间为1～2h，控制涂层厚度为2～4mm。
步骤（6）所述的对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为40～50Pa，升温速率为4～5℃/min，加热升温为700～800℃，保温处理时间为2～3h，继续升温为1050～1100℃，保温烧结30～35min，回火加热温度为250～260℃，保温时间为2～3h。
本发明的有益效果是：
（1）本发明将氧化钡、氧化硼、氧化铝、氧化铈、氧化锆混合放入马弗炉中烧结熔融后淬冷处理得到稀土陶瓷块，经研磨得到陶瓷粉，将长条状钢板用丙酮和热碱液清洗，得到基底板，以镍粉和陶瓷粉为原料混合得到金属陶瓷粉料，添加聚乙烯醇水溶液，经过球磨得到金属陶瓷浆料，将纳米铝粉用硫酸清洗后与六水硫酸镍和氢氧化钠等物质混合得到化学镀溶液，将金属陶瓷浆料烘干得到金属陶瓷干粉，以化学镀溶液为分散剂分散金属陶瓷干粉，经高速分散机分散得到复合镀液，用复合镀液浸涂基底板得到浸涂板，并在氩气气氛的真空冶金烧结炉中高温烧结得到纳米氧化铝补强耐磨衬板，本发明中陶瓷粉成分中的氧化铈为稀土氧化物中活性最强的氧化物，它能加强复合镀液中陶瓷粉体与涂覆的基体铸件分子间的原子轨道交互作用，降低界面反应的活化能，促进界面反应的发生，使陶瓷粉体中含活性镍原子能与基体铸件中的金属形成金属键，提高了纳米氧化铝补强耐磨衬板与基体铸件之间的密着性，在高温条件下不易从基体铸件中剥落，同时提高耐磨衬板的耐高温性能，使磨料不易被压入和滑动；
（2）本发明中用复合镀液浸涂基底板时，复合镀液中水化氧化铝粒子吸附周围金属离子而带正电，基底板表面带负电，在静电吸引力的作用下水化氧化铝粒子不断地向基底板表面迁移，当其靠近基底板后，水化氧化铝粒子接触到基底板表面，并从基底板上得到电子，使水化氧化铝粒子周围金属离子分散开来，在基底板表面水化氧化铝粒子发生脱水聚合反应，生成氧化铝粒子，氧化铝粒子在基底板表面沉积，形成高密度的氧化金属膜，高密度超细粒径的氧化铝膜能减少耐磨衬板的阿克隆磨耗体积量，即耐磨耗性能增加，在陶瓷退火处理过程中，空气会对金属陶瓷进行预氧化作用，金属陶瓷表面可形成一层致密陶瓷晶粒，晶粒间界面能较高，因而可通过纳米氧化铝颗粒提高金属陶瓷粉和基底板的结合力，不易剥落并保持高致密度，不易产生磨损，从而提高耐磨衬板的耐磨性能，应用前景广阔。
具体实施方式
按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温至1450～1500℃，保温烧结2～3h，取出刚玉坩埚，用20～25℃的水淬冷处理20～25min，得到稀土陶瓷块；将稀土陶瓷块放入研钵中研磨3～4h，过400目筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨8～10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至60～70℃，得到碱液，用碱液清洗钢板10～15min后，再用去离子水冲洗钢板3～4次得到基底板；按重量份数计，将1～2份镍粉、10～12份锰铁、30～33份铬铁、20～21份钼铁、30～35份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以700～800r/min的转速球磨6～7h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至80～90℃，干燥20～24h，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3000～4000r/min的转速高速分散20～25min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中1～2h，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为2～4mm，得到浸涂板；将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为40～50Pa，以4～5℃/min的升温速率加热升温至700～800℃，保温处理2～3h，继续升温至1050～1100℃，保温烧结30～35min，取出后油淬，再回火加热到250～260℃，保温时间为2～3h，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
实例1
按重量份数计，将30份氧化钡、16份氧化硼、13份氧化铝、25份氧化铈和3份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温至1450℃，保温烧结2h，取出刚玉坩埚，用20℃的水淬冷处理20min，得到稀土陶瓷块；将稀土陶瓷块放入研钵中研磨3h，过400目筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨8min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至60℃，得到碱液，用碱液清洗钢板10min后，再用去离子水冲洗钢板3次得到基底板；按重量份数计，将1份镍粉、10份锰铁、30份铬铁、20份钼铁、30份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将70份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以700r/min的转速球磨6h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30份六水硫酸镍、20份水合肼、10份质量分数为20%氢氧化钠溶液、30份去离子水和20份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至80℃，干燥20h，得到金属陶瓷干粉，将70g金属陶瓷干粉分散于200mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3000r/min的转速高速分散20min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中1h，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为2mm，得到浸涂板；将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为40Pa，以4℃/min的升温速率加热升温至700℃，保温处理2h，继续升温至1050℃，保温烧结30min，取出后油淬，再回火加热到250℃，保温时间为2h，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
实例2
按重量份数计，将32份氧化钡、17份氧化硼、14份氧化铝、27份氧化铈和4份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温至1470℃，保温烧结2.5h，取出刚玉坩埚，用22℃的水淬冷处理22min，得到稀土陶瓷块；将稀土陶瓷块放入研钵中研磨3.5h，过400目筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨9min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至65℃，得到碱液，用碱液清洗钢板12min后，再用去离子水冲洗钢板3次得到基底板；按重量份数计，将1份镍粉、11份锰铁、32份铬铁、21份钼铁、32份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将75份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入65份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以750r/min的转速球磨6.5h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将32份六水硫酸镍、25份水合肼、12份质量分数为20%氢氧化钠溶液、35份去离子水和25份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至85℃，干燥22h，得到金属陶瓷干粉，将75g金属陶瓷干粉分散于210mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以3500r/min的转速高速分散22min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中1.5h，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为3mm，得到浸涂板；将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为45Pa，以4℃/min的升温速率加热升温至750℃，保温处理2.5h，继续升温至1070℃，保温烧结32min，取出后油淬，再回火加热到255℃，保温时间为2.5h，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
实例3
按重量份数计，将35份氧化钡、18份氧化硼、15份氧化铝、30份氧化铈和5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温至1500℃，保温烧结3h，取出刚玉坩埚，用25℃的水淬冷处理25min，得到稀土陶瓷块；将稀土陶瓷块放入研钵中研磨4h，过400目筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制质量分数为20%的氢氧化钠溶液，加热至70℃，得到碱液，用碱液清洗钢板15min后，再用去离子水冲洗钢板4次得到基底板；按重量份数计，将2份镍粉、12份锰铁、33份铬铁、21份钼铁、35份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入70份质量分数为20%的聚乙烯醇水溶液，以800r/min的转速球磨7h，得到金属陶瓷浆料；用质量分数为20%的硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将35份六水硫酸镍、30份水合肼、15份质量分数为20%氢氧化钠溶液、40份去离子水和25份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温至90℃，干燥24h，得到金属陶瓷干粉，将80g金属陶瓷干粉分散于220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，以4000r/min的转速高速分散25min，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中2h，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，控制涂层厚度为4mm，得到浸涂板；将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为50Pa，以5℃/min的升温速率加热升温至800℃，保温处理3h，继续升温至1100℃，保温烧结35min，取出后油淬，再回火加热到260℃，保温时间为3h，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
对比例
以苏州某公司生产的纳米氧化铝补强耐磨衬板作为对比例 对本发明制得的纳米氧化铝补强耐磨衬板和对比例中的纳米氧化铝补强耐磨衬板进行性能检测，检测结果如表1所示：
测试方法：
硬度测试采用硬度测试仪进行检测。
屈服强度测试按GB_T 27979-2011标准进行检测。
冲击韧性测试按GB/T 2650-2008标准进行检测。
断面率测试按GB/T 27979-2011标准进行检测。
使用寿命测试：将实例1～3和对比例中的耐磨衬板在使用环境下，测得表面出现划伤的时间即为使用寿命。
耐磨性测试：将实例1～3和对比例中的耐磨衬板在使用环境下一段时间后观察表面磨损情况。
耐高温性测试：将实例1～3和对比例中的耐磨衬板放置于1000℃的环境下，测得表面硬度。
表1耐磨衬板性能测定结果
根据上述中数据可知本发明的纳米氧化铝补强耐磨衬板机械性能好，具有较高耐磨性与硬度，又具有较高的韧性、抗拉强度、屈服强度、使用寿命更长，不易断裂，使用寿命达11000小时，耐磨性好，使用一段时间后无划伤无裂纹，在高温环境下硬度高，耐高温性能好，具有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
（1）按重量份数计，将30～35份氧化钡、16～18份氧化硼、13～15份氧化铝、25～30份氧化铈和3～5份氧化锆混合放入刚玉坩埚中，将刚玉坩埚移入马弗炉中，加热升温，保温烧结，取出刚玉坩埚，用水淬冷处理，得到稀土陶瓷块；
（2）将稀土陶瓷块放入研钵中研磨3～4h，过筛得到陶瓷粉，取合适的钢板铸件，用400目砂纸打磨8～10min，再用丙酮擦洗钢板表面，配制氢氧化钠溶液，加热得到碱液，用碱液清洗钢板10～15min后，再用去离子水冲洗钢板3～4次得到基底板；
（3）按重量份数计，将1～2份镍粉、10～12份锰铁、30～33份铬铁、20～21份钼铁、30～35份陶瓷粉混合得到金属陶瓷粉料，将70～80份金属陶瓷粉料置于行星球磨机中，向行星球磨机中倒入60～70份聚乙烯醇水溶液，球磨，得到金属陶瓷浆料；
（4）用硫酸溶液对纳米铝粉进行洗涤，再用去离子水对纳米铝粉进行二次清洗，按重量份数计，将30～35份六水硫酸镍、20～30份水合肼、10～15份氢氧化钠溶液、30～40份去离子水和20～25份纳米铝粉混合置于烧杯中，得到化学镀溶液；
（5）将金属陶瓷浆料置于烘箱中，加热升温，干燥，得到金属陶瓷干粉，将70～80g金属陶瓷干粉分散于200～220mL化学镀溶液后，置于高速分散机中，高速分散，得到复合镀液，将基底板浸入复合镀液中，将基底板取出后用复合镀液继续涂覆基底板表面，得到浸涂板；
（6）将浸涂板置于真空冶金烧结炉中，对真空冶金烧结炉抽真空，加热升温，保温处理，继续升温，保温烧结，取出后油淬，再回火加热，保温时间，自然冷却至室温后，得到纳米氧化铝补强耐磨衬板。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的加热升温为1450～1500℃，保温烧结时间为2～3h，水淬冷温度为20～25℃，淬冷处理时间为20～25min。
3.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的研磨后所过筛规格为400目，氢氧化钠溶液的质量分数为20%，碱液加热升温为60～70℃。
4.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为20%，球磨转速为700～800r/min，球磨时间为6～7h。
5.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的硫酸溶液的质量分数为20%，氢氧化钠溶液的质量分数为20%。
6.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的加热升温为80～90℃，干燥时间为20～24h，高速分散转速为3000～4000r/min，高速分散时间为20～25min，浸入复合镀液中时间为1～2h，控制涂层厚度为2～4mm。
7.根据权利要求1所述的一种纳米氧化铝补强耐磨衬板的制备方法，其特征在于：步骤（6）所述的对真空冶金烧结炉抽真空至真空度为40～50Pa，升温速率为4～5℃/min，加热升温为700～800℃，保温处理时间为2～3h，继续升温为1050～1100℃，保温烧结30～35min，回火加热温度为250～260℃，保温时间为2～3h。
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