CN109352800B - 一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法及装置，属于陶瓷颗粒增强金属基复合材料工业化生产的工程技术领域。本发明所述方法可以将陶瓷颗粒与粘结剂、添加剂混合，并通过模具填压，结合振动与加热固化连续化生产，使混料、喷料、填料、振动混合均匀、合模、加热干燥等一系列过程可以连续进行，本发明所述方法能够实现连续化制备蜂窝状多孔陶瓷预制体，降低生产过程中的人力成本，提升生产效率；同时，确保各工序、各环节影响产品质量的因素都处于受控状态，为生产高质量的蜂窝状陶瓷表层复合构件提供可靠设备保障。

Description

一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法及装置
技术领域
本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法及装置，属于陶瓷颗粒增强金属基复合材料工业化生产的工程技术领域。
背景技术
随着科技的进步和现代化工业技术的不断发展，各行业生产节奏不断提升，机械设备的运转速度也在逐步提高，而随之带来的机械零部件的磨损也不断加快，再加上随着优良矿产资源的不断开采，设备的使用工况日益恶化，诸如磨辊等大部分耐磨构件均需要在磨损、腐蚀、高温、冲击等复合工况下使用，传统的单一金属合金耐磨材料已不能满足生产的需要，逐渐成为制约工业技术进步的短板，陶瓷颗粒增强金属基耐磨表层复合材料成为了新的研究热点。
陶瓷颗粒预制体的制备是生产陶瓷颗粒增强复合材料及相关零部件的关键环节，且花费时间与工艺稳定性要求大大高于其它生产环节。其制备工序涉及：陶瓷颗粒与粘结剂、添加剂的配比及混合；混合物料的工装；预制体的硬化等处理过程。如采用手工方法制备预制体，生产效率低，不利于大规模工业化生产，且手工制备的工艺稳定性不高，将对复合材料及其零部件的质量控制带来不利影响。
蜂窝状陶瓷预制体的工业化制备是实现复合材料商业化应用的基础，实际构件的复合材料一次成型块体尺寸较大，而单个蜂窝状陶瓷预制体的制备具有硬化快、合模取模慢、尺寸小以及批量大等特点，因此拟将复合材料块体预制块分解成多块蜂窝状陶瓷预制体制备，同时采用机械化的蜂窝状陶瓷预制体制备技术成为必然。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法，以满足蜂窝状表层复合材料的产业化要求，具体包括以下步骤：
（1）将按配比称取的陶瓷颗粒、粘结剂、添加剂放入混料机1中混合均匀，混合后的糊状物放入料斗2中，利用输料泵3对糊状物进行加压，使糊状物从喷料管4喷射到蜂窝状模型的下模8中，通过机械臂5的移动带动喷料管4移动将下模8的空隙填满；利用下加热板9对下模8进行加热实现对物料的干燥，同时上加热板7升对上模6进行预热；
（2）利用带有振动装置11的平板小车10，对下模8进行振动，保证预制体的均匀性；将下模8移动至合模工位，合模装置12通过升降装置18向下移动上模6完成合模，并加压紧实糊状物；
（3）利用上加热板7、下加热板9对模具进行加热，使预制体中的水分和造孔剂充分挥发，脱模后获得蜂窝状陶瓷多孔预制体。
本发明的另一目的在于提供所述方法所用装置，包括混料机1、料斗2、输料泵3、喷料管4、机械臂5、上模6、上加热板7、下模8、下加热板9、平板电动小车10、振动装置11、合模装置12，支架13、承重底座14、承重底板15、升降装置18；混料机1固定在支架13上端，料斗2放置于混料机1正下方并定于支架13上，支架13固定在承重底座14上；输料泵3输入端与料斗2底部相连，输出端与喷料管4连接，喷料管4为塑胶软管搭在机械臂5的前端，并固定在机械臂5上，机械臂5的后端固定在支架13上，通过前后摆动机械臂5前端可带动喷料管4前后摆动，均匀布料；下模8位于喷料管4的正下方，置于下加热板9上，下加热板9固定振动装置11上，振动装置11位于平板电动小车10的承重底板15上；上模6固定在上加热板7的下方，上加热板7的两端固定在升降装置18上，升降装置18位于支架13的一侧。
优选的，本发明所述振动装置11包括震动弹簧16和震动电机17，震动电机17固定于承重底板15中心，震动弹簧16固定在承重底板15和下加热板9之间。
优选的，本发明所述上模6为凸模，下模8为凹模，模具为蜂窝状结构；所压制成型的蜂窝状陶瓷多孔预制体，其蜂窝状结构有利于复合材料金属液铸渗成形过程中，保证金属液的充分浸渗。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法可以降低人力成本、提升生产效率，同时可以确保各工序、各环节影响产品质量的因素都处于受控状态，为生产高质量的蜂窝状陶瓷表层复合构件提供可靠设备保障，实现陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体的标准化生产。
（2）由于设有独立的混料机，制得的陶瓷预制体均匀性好；同时该设备可以连续化生产，混料、喷料、填料、振动混合均匀、合模、加热干燥等一系列过程可以连续进行，而铸造制芯机在每次制得一批预制体后需要停止生产过程进行脱模，无法实现连续化生产，在实际工业生产当中生产效率不高。
附图说明
图1是蜂窝状陶瓷多孔预制体的工业化成型自动化设备示意图；
图2是蜂窝状陶瓷多孔预制体的成型模具示意图；
图3是蜂窝状多孔陶瓷预制体。
图中：1-混料机；2-料斗；3-输料泵；4-喷料管；5-机械臂；6-上模；7-上加热板；8-下模；9-下加热板；10-平板电动小车；11-振动装置；12-合模装置；13-支架；14-承重底座；15-承重底板；16-震动弹簧；17-震动电机；18-升降装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步向详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明实施例1~3所用装置如图1~2所示，包括混料机1、料斗2、输料泵3、喷料管4、机械臂5、上模6、上加热板7、下模8、下加热板9、平板电动小车10、振动装置11、合模装置12，支架13、承重底座14、承重底板15、升降装置18；混料机1固定在支架13上端，料斗2放置于混料机1正下方并定于支架13上，支架13固定在承重底座14上；输料泵3输入端与料斗2底部相连，输出端与喷料管4连接，喷料管4为塑胶软管搭在机械臂5的前端，并固定在机械臂5上，机械臂5的后端固定在支架13上，通过前后摆动机械臂5前端可带动喷料管4前后摆动，均匀布料；下模8位于喷料管4的正下方，置于下加热板9上，下加热板9固定振动装置11上，振动装置11位于平板电动小车10的承重底板15上；上模6固定在上加热板7的下方，上加热板7的两端固定在升降装置18上，升降装置18位于支架13的一侧；振动装置11包括震动弹簧16和震动电机17，震动电机17固定于承重底板15中心，震动弹簧16固定在承重底板15和下加热板9之间；所述上模6为凸模，下模8为凹模，模具为蜂窝状结构。
实施例1
（1）将25目的锆刚玉陶瓷颗粒与水玻璃和氧化铝粉末在混料机1中充分混合，三者的比例分别为90wt.%、8wt.%、2wt.%，混料时间为15min，混合后的糊状物放入料斗2中，利用输料泵3对糊状物进行加压，使糊状物从喷料管4喷射到蜂窝状模型的下模8中，通过机械臂5的移动带动喷料管4移动将下模8的空隙填满；利用下加热板9对下模8进行加热实现对物料的干燥，干燥条件为：将温度升高到500℃，保温2h，升温速度为80℃/h；同时上加热板7升温到500℃并保温60min，升温速度为100℃/h，对上模6进行预热。
（2）利用带有振动装置11的平板小车10，对下模8进行振动（2min），保证预制体的均匀性；将下模8移动至合模工位，合模装置12通过升降装置18向下移动上模6完成合模（合模压力为0.1MPa），并加压紧实糊状物；
（3）利用上加热板7、下加热板9对模具进行加热，加热温度为250℃，加热时间为30min，使预制体中的水分和造孔剂充分挥发，脱模后获得蜂窝状陶瓷多孔预制体（如图3所示）。
本实施例制备得到的陶瓷颗粒预制体强度可抵抗1000℃高温，陶瓷颗粒分布均匀，促进金属液流动，同时陶瓷颗粒与金属液润湿性好，具有较好的界面性能，陶瓷颗粒不容易从金属基体上脱落，制得的陶瓷颗粒预制体具有较高的硬度和良好的耐磨性。
将本实施例制得的陶瓷颗粒预制体用于制备增强金属基复合材料，将预制体放置在铸件所需增强表面型腔处，将金属液浇入预制体中，其中所述金属液为超高锰钢。陶瓷颗粒增强超高锰钢复合材料在保证了较高的韧性和加工硬化性能的同时增强了其表面的硬度和耐磨性。
实施例2
（1）将18目的氧化铝陶瓷颗粒与水玻璃和碳化钛粉末在混料机1中充分混合，三者的比例分别为92wt.%、5wt.%、3wt.%，混料时间为20min，混合后的糊状物放入料斗2中，利用输料泵3对糊状物进行加压，使糊状物从喷料管4喷射到蜂窝状模型的下模8中，通过机械臂5的移动带动喷料管4移动将下模8的空隙填满；利用下加热板9对下模8进行加热实现对物料的干燥，干燥条件为：将温度升高到600℃，保温2.5h，升温速度为90℃/h；同时上加热板升温到650℃并保温90min，升温速度为120℃/h，对上模进行预热。
（2）利用带有振动装置11的平板小车10，对下模8进行振动（32min），保证预制体的均匀性；将下模8移动至合模工位，合模装置12通过升降装置18向下移动上模6完成合模（合模压力为0.15MPa），并加压紧实糊状物；
（3）利用上加热板7、下加热板9对模具进行加热，加热温度为200℃，加热时间为40min，使预制体中的水分和造孔剂充分挥发，脱模后获得蜂窝状陶瓷多孔预制体（如图3所示）。
本实施例制备得到的陶瓷颗粒预制体强度可抵抗1000℃高温，陶瓷颗粒分布均匀，促进金属液流动，同时陶瓷颗粒与金属液润湿性好，具有较好的界面性能，陶瓷颗粒不容易从金属基体上脱落，制得的陶瓷颗粒预制体具有较高的硬度和良好的耐磨性。
将本实施例制得的陶瓷颗粒预制体用于制备增强金属基复合材料，将预制体放置在铸件所需增强表面型腔处，将金属液浇入预制体中，其中所述金属液为普通中碳钢。陶瓷颗粒增强普通中碳钢复合材料，在保证了碳钢一定可焊接性的同时增强了材料的硬度。
实施例3
（1）将40目的碳化硼陶瓷颗粒与水玻璃和氧化铝粉末在混料机1中充分混合，三者的比例分别为95wt.%、3wt.%、2wt.%，混料时间为25min，混合后的糊状物放入料斗2中，利用输料泵3对糊状物进行加压，使糊状物从喷料管4喷射到蜂窝状模型的下模8中，通过机械臂5的移动带动喷料管4移动将下模8的空隙填满；利用下加热板9对下模8进行加热实现对物料的干燥，干燥条件为：将温度升高到650℃，保温2h，升温速度为95℃/h；同时上加热板升温到700℃并保温90min，升温速度为110℃/h，对上模进行预热。
（2）利用带有振动装置11的平板小车10，对下模8进行振动（4min），保证预制体的均匀性；将下模8移动至合模工位，合模装置12通过升降装置18向下移动上模6完成合模（合模压力为0.1MPa），并加压紧实糊状物。
（3）利用上加热板7、下加热板9对模具进行加热，加热温度为220℃，加热时间为35min；使预制体中的水分和造孔剂充分挥发，脱模后获得蜂窝状陶瓷多孔预制体（如图3所示）。
本实施例制备得到的陶瓷颗粒预制体强度可抵抗1000℃高温，陶瓷颗粒分布均匀，促进金属液流动，同时陶瓷颗粒与金属液润湿性好，具有较好的界面性能，陶瓷颗粒不容易从金属基体上脱落，制得的陶瓷颗粒预制体具有较高的硬度和良好的耐磨性。
将本实施例制得的陶瓷颗粒预制体用于制备增强金属基复合材料，将预制体放置在铸件所需增强表面型腔处，将金属液浇入预制体中，其中所述金属液为铸铁。陶瓷颗粒增强铸铁复合材料，进一步提高了铸铁的硬度和耐磨性。

Claims (3)

1.一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料预制体成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将按配比称取的陶瓷颗粒、粘结剂、添加剂放入混料机（1）中混合均匀，混合后的糊状物放入料斗（2）中，利用输料泵（3）对糊状物进行加压，使糊状物从喷料管（4）喷射到蜂窝状模型的下模（8）中，通过机械臂（5）的移动带动喷料管（4）移动将下模（8）的空隙填满，利用下加热板（9）对下模（8）进行加热实现对物料的干燥，同时上加热板（7）对上模（6）进行预热；
（2）利用带有振动装置（11）的平板电动小车（10），对下模（8）进行振动，保证预制体的均匀性；将下模（8）移动至合模工位，合模装置（12）通过升降装置（18）向下移动上模（6）完成合模，并加压紧实糊状物；
（3）利用上加热板（7）、下加热板（9）对模具进行加热，使预制体中的水分和造孔剂充分挥发，脱模后获得蜂窝状陶瓷多孔预制体；
所述方法所用装置包括混料机（1）、料斗（2）、输料泵（3）、喷料管（4）、机械臂（5）、上模（6）、上加热板（7）、下模（8）、下加热板（9）、平板电动小车（10）、振动装置（11）、合模装置（12），支架（13）、承重底座（14）、承重底板（15）、升降装置（18）；混料机（1）固定在支架（13）上端，料斗（2）放置于混料机（1）正下方并定于支架（13）上，支架（13）固定在承重底座（14）上；输料泵（3）输入端与料斗（2）底部相连，输出端与喷料管（4）连接，喷料管（4）为塑胶软管搭在机械臂（5）的前端，并固定在机械臂（5）上，机械臂（5）的后端固定在支架（13）上，通过前后摆动机械臂（5）前端可带动喷料管（4）前后摆动，均匀布料；下模（8）位于喷料管（4）的正下方，置于下加热板（9）上，下加热板（9）固定振动装置（11）上，振动装置（11）位于平板电动小车（10）的承重底板（15）上；上模（6）固定在上加热板（7）的下方，上加热板（7）的两端固定在升降装置（18）上，升降装置（18）位于支架（13）的一侧。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：振动装置（11）包括震动弹簧（16）和震动电机（17），震动电机（17）固定于承重底板（15）中心，震动弹簧（16）固定在承重底板（15）和下加热板（9）之间。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于：上模（6）为凸模，下模（8）为凹模，模具为蜂窝状结构。
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