CN110480019A - 一种预成型复合耐磨材料及其制造工艺 - Google Patents

一种预成型复合耐磨材料及其制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种预成型复合耐磨材料及其制造工艺，属于耐磨材料技术领域。所述复合耐磨材料包括从内至外依次分布的基体、粘结层和钢结硬质合金体，所述钢结硬质合金体镶嵌在所述基体表面。本发明工艺制造的复合耐磨材料具有表面强度高，耐磨性能好，结合强度高的优点，与此同时，相对镶嵌铸造等铸造工艺，本发明直接一次性烧结成型，不需要铸造环节，节约成本，减少环境污染；相对于焊接等工艺，本发明结合强度高，属于冶金结合，避免了多次烧结，热处理，省时省力；相对于化学镀层、热浸镀等工艺，本发明工艺简便，劳动强度低，无污染。

Description

一种预成型复合耐磨材料及其制造工艺
技术领域
本发明实施例涉及耐磨材料技术领域，具体涉及一种预成型复合耐磨材料及其制造工艺，主要应用于冶金矿山等行业。
背景技术
在工业生产领域中，金属磨损是造成机械零件失效的主要原因之一，损失十分惊人。据我国冶金、煤炭、电力等行业的不完全统计，作业环境为泥沙、粉尘、矿石等介质的金属机件，每年被磨损金属材料的重量达三百万吨以上，损失高达几十亿元人民币。金属复合材料是将两种或两种以上金属材料通过复合技术制备的新型材料，由基体和工作层金属组成，工作层金属具有特殊的耐磨、耐热、耐腐蚀等使用性能，基体起支撑工作层的作用。
目前，金属复合材料的制造方法主要包括：
***复合法，即利用***作能源，在***的高速引爆和冲击作用下将不同金属大面积焊接在一起。
轧制复合法，即在轧机的轧制力作用下，使两种金属的待复合表面发生塑性变形，从而导致金属表层破裂，从破裂处露出的新鲜金属相互接触，在压力作用下使金属间形成冶金结合。
铸造复合法，即将基体金属进行表面预处理并预热到一定温度，然后将其浸入装满复层金属液的铸模型腔中，或是将基体金属放入铸模型腔中，然后向铸模型腔浇铸复层金属液，液态金属凝固冷却后形成复合材料。
离心铸造法，即将熔融的合金熔液浇入旋转的基体金属铸型中，在离心力的作用下，合金熔液附着于铸型内壁，快速冷却凝固后，与基体金属紧密结合在一起。
化学镀层法，即利用还原剂把电解质溶液中的金属离子化学还原在呈活性催化的工件表面沉积出能与基体表面牢固结合的涂镀层。
热浸镀，简称热镀，是把被镀件浸入到熔融的金属液体中使其表面形成金属镀层的一种工艺方法，具体是将被镀的钢铁材料浸入熔融的镀层金属中再取出冷却，使其表面形成金属镀层，它广泛用于低熔点金属锌、锡、铝、铅及其合金镀层的生产，主要以防蚀为目的，并有一定装饰作用。
铸造法，即将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型腔中，待其凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的成型方法。
其中，铸造法具有制造成本较低的优点，因此在制造金属复合材料得到很大的发展。目前，用铸造法制造金属复合材料已成为提高材料性能及实现材料各方面性能良好配合的主要途径之一，并得到日益广泛的研究和应用。
工业生产的迅速发展以及对材料不同部位性能的需要，使得在很多情况下需要使用双金属复合材料。例如，锤头是锤式破碎机主要易损配件，目前主要采用高锰钢材质制造，使用寿命很不理想。根据锤头的实际工作条件，锤头端部直接与物料相撞击，应具有较高的硬度和抗磨性。锤柄部分在锤头端部与物料相撞击时承受很大的弯曲应力，因此，锤柄部分应具有较高的强度。高铬铸铁是目前抗磨性较好的金属材料，使用寿命是高锰钢3倍以上。铸钢具有良好的塑韧性和强度，通过铸造法制造双金属复合材料既满足了锤头端部工作面硬度和抗磨性的要求，又满足了锤柄的强度要求，这种复合锤头不但使用寿命大幅的提高，较全部采用高锰钢制造的锤头生产成本也明显下降。
获得双金属复合材料的常用铸造法包括以下几种：
双液双金属法，即指两种液体金属在一定的浇注温度下，先后浇注到同一铸型中，获得具有两种材料特性的耐磨零件。
铸渗法，即利用浇注金属的凝固余热，使合金或陶瓷粉末在铸件表层形成具有特殊性能(如耐磨、耐蚀、耐热等)的铸渗层的过程。
镶铸法，即将事先准备好的(往往与浇注金属不同材料的)零件放入铸型中规定部位，浇注后零件被固定在铸件中的铸造方法。
其中，镶铸法既满足特殊部位的使用性能要求，又省略了装配工序，简化了制造工艺。我国用镶铸法制造耐磨件方面的研究和应用已取得一定的成绩，如制造的锤头、导卫、铲齿、鄂板、风扇磨、冲击板等用于生产，其耐磨性得到成倍地提高，取得较好的经济效益。
但目前广泛使用的双金属铸造或者镶嵌铸造等工艺存在的设备投资大、环境友好程度差、生产效率低、制造成本高等不足，有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明旨在立足于现有钢结硬质合金镶嵌铸造的基础上研发出一种所需设备简单，环境友好，生产效率高，产品成本低，适应范围广，应用前景更好的复合耐磨材料及其制造工艺，以解决现有双金属铸造或者镶嵌铸造等工艺存在的设备投资大、环境友好程度差、生产效率低、制造成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，本发明实施例提供了一种预成型复合耐磨材料，所述复合耐磨材料包括从内至外依次分布的基体、粘结层和钢结硬质合金体，所述钢结硬质合金体镶嵌在所述基体表面。
进一步地，所述基体的材质为Q235钢或45#钢。
进一步地，所述粘结层的原料按质量分数计包括钼粉3-5％、镍粉3-5％、高分子粘结剂2-8％、余量为铁粉，所述高分子粘结剂选自硅溶胶、聚氨酯或聚丙烯酸酯中的一种或多种的任意比混合物。
进一步地，所述钢结硬质合金体的原料按质量分数计包括碳化钛35-50％、钼粉2.5-5％、铬粉2.5-5％、抗氧化剂0.5％、余量为铁粉，所述抗氧化剂选自硬脂酸、油酸中的一种或两种的任意比混合物。
根据本发明实施例的第二方面，本发明实施例提供了一种预成型复合耐磨材料的制造工艺，包括以下步骤：
(1)根据需求确定复合耐磨材料中钢结硬质合金体尺寸和基体的配合尺寸，由于钢结硬质合金烧结属于液相烧结，必须合理设计基体的空槽位置和尺寸，以便烧结后的钢结硬质合金收缩变形量与基体的空槽尺寸互相配合，最终得到符合安装要求的产品；
(2)制作钢结硬质合金生坯；
(3)加工表面设置有空槽的基体，所述空槽的尺寸符合要求；
(4)在基体空槽表面涂抹粘结剂，晾干，然后将所述钢结硬质合金生坯置于基体空槽内；
(5)将形成的整体结构置于真空烧结炉内进行烧结；
(6)依次进行热处理、打磨、抛光、检验，最终得到合格产品。
进一步地，所述钢结硬质合金生坯的制作方法：
称取质量分数为35-50％的碳化钛、2.5-5％的钼粉、2.5-5％的铬粉、0.5％的抗氧化剂、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成，其中，所述抗氧化剂选自硬脂酸、油酸中的一种或两种的任意比混合物。
具体地，球磨：采用湿式球磨机，球料比4:1，以酒精为介质，然后再添加0.1％(以粉料的质量为基准，下同)的油酸、0.2％的硬脂酸，球磨24小时后取样检验碳、氧、镍、钼、锰含量。
干燥：球磨料浆真空静置2.5-3小时，抽去上清液(酒精回收)，真空干燥，干燥温度65℃，干燥2.5小时，干燥完后过60目筛。
掺胶：使用掺胶机以每千克粉料加入80-140ml胶的比例掺入胶。
成型：使用模压机将掺好胶的粉末模压成型。
进一步地，所述粘结剂的制作方法：
称取质量分数为3-5％的钼粉、3-5％的镍粉、2-8％的高分子粘结剂、余量为铁粉，混匀即可，其中，所述高分子粘结剂选自硅溶胶、聚氨酯或聚丙烯酸酯中的一种或多种的任意比混合物。
进一步地，步骤(5)中，所述真空烧结炉内的真空度控制在30-50Pa，各个时间阶段的升温分配如下：在100分钟内从0℃升温至300℃，300℃保温30分钟，经40分钟从300℃升温至400℃，400℃保温30分钟，经30分钟从400℃升温至500℃，500℃保温30分钟，经40分钟从500℃升温至550℃，550℃保温30分钟，经100分钟从550℃升温至800℃，800℃保温20分钟，经120分钟从800℃升温至1250℃，1250℃保温20分钟，经100分钟从1250℃升温至1400℃，1400℃保留30分钟。
针对目前广泛使用的双金属铸造或者镶嵌铸造等工艺存在的设备投资大、环境友好程度差等不足，本发明特别提出预成型复合材料的思路，将钢结硬质合金的真空烧结与合金和基体的复合纳入共同的生产体系，主要特点如下：
1、按照钢结硬质合金的传统生产工艺，经配料计算、球磨、干燥、成型等步骤生产得到生坯。
2、基体选择熔点高于钢结硬质合金烧结温度的Q235钢或45#钢，根据需求，并在基体上加工适合钢结硬质合金尺寸的空槽。
3、为了使钢结硬质合金与基体更好的融合在一起，在基体空槽表面涂抹一定量的粘结剂。
本发明实施例具有如下优点：
本发明工艺制造的复合耐磨材料具有表面强度高，耐磨性能好，结合强度高的优点，与此同时，相对镶嵌铸造等铸造工艺，本发明直接一次性烧结成型，不需要铸造环节，节约成本，减少环境污染；相对于焊接等工艺，本发明结合强度高，属于冶金结合，避免了多次烧结，热处理，省时省力；相对于化学镀层、热浸镀等工艺，本发明工艺简便，劳动强度低，无污染。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的预成型复合耐磨材料包括从内至外依次分布的基体、粘结层和钢结硬质合金体，钢结硬质合金体镶嵌在基体表面。
制造工艺包括以下步骤：
(1)生产设计
根据需求设计钢结硬质合金体尺寸和基体的配合尺寸。
(2)制作钢结硬质合金生坯
称取质量分数为35％的碳化钛、2.5％的钼粉、2.5％的铬粉、0.5％的硬脂酸、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成。
(3)基体加工
使用机械加工的方式，将45#钢加工成符合要求的尺寸的基体，严格按照计算的数据控制空槽尺寸，并着重对空槽表面进行磨平、除锈、清污处理。
(4)在基体空槽表面涂抹粘结剂，厚度1-2mm，晾干，然后将钢结硬质合金生坯置于基体空槽内；其中，粘结剂的制作方法：称取质量分数为3％的钼粉、4％的镍粉、5％的硅溶胶、余量为铁粉，混匀即可。
(5)真空烧结
将形成的整体结构置于真空烧结炉内进行烧结，真空烧结炉内的真空度控制在30-50Pa，各个时间阶段的升温分配如下：在100分钟内从0℃升温至300℃，300℃保温30分钟，经40分钟从300℃升温至400℃，400℃保温30分钟，经30分钟从400℃升温至500℃，500℃保温30分钟，经40分钟从500℃升温至550℃，550℃保温30分钟，经100分钟从550℃升温至800℃，800℃保温20分钟，经120分钟从800℃升温至1250℃，1250℃保温20分钟，经100分钟从1250℃升温至1400℃，1400℃保留30分钟，随炉冷却。
(6)成品后期处理及检验
首先进行目视检验检查钢结硬质合金与基体的结合情况，符合要求的产品依次进行热处理、打磨、抛光、检验，最终得到合格产品。
实施例2
本实施例的预成型复合耐磨材料与实施例1的制造工艺基本相同，两者的区别在于，钢结硬质合金生坯、基体材质、使用的粘结剂不同。
本实施例的钢结硬质合金生坯的制作方法：称取质量分数为40％的碳化钛、4％的钼粉、5％的铬粉、0.5％的硬脂酸、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成。
基体材质为Q235钢。
粘结剂的制作方法：称取质量分数为5％的钼粉、5％的镍粉、2％的硅溶胶、余量为铁粉，混匀即可。
实施例3
本实施例的预成型复合耐磨材料与实施例1的制造工艺基本相同，两者的区别在于，钢结硬质合金生坯、基体材质、使用的粘结剂不同。
本实施例的钢结硬质合金生坯的制作方法：称取质量分数为50％的碳化钛、3％的钼粉、4％的铬粉、0.5％的油酸、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成。
基体材质为Q235钢。
粘结剂的制作方法：称取质量分数为3％的钼粉、3％的镍粉、6％的聚氨酯、余量为铁粉，混匀即可。
实施例4
本实施例的预成型复合耐磨材料与实施例1的制造工艺基本相同，两者的区别在于，钢结硬质合金生坯以及使用的粘结剂不同。
本实施例的钢结硬质合金生坯的制作方法：称取质量分数为35％的碳化钛、3％的钼粉、3％的铬粉、0.5％的油酸、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成。
粘结剂的制作方法：称取质量分数为3％的钼粉、3％的镍粉、8％的聚丙烯酸酯、余量为铁粉，混匀即可。
实施例5
本实施例的预成型复合耐磨材料与实施例1的制造工艺基本相同，两者的区别在于，钢结硬质合金生坯以及使用的粘结剂不同。
本实施例的钢结硬质合金生坯的制作方法：称取质量分数为35％的碳化钛、5％的钼粉、3％的铬粉、0.5％的硬脂酸、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成。
粘结剂的制作方法：称取质量分数为5％的钼粉、4％的镍粉、5％的聚氨酯、余量为铁粉，混匀即可。
测试例
对实施例1-5制得的预成型复合耐磨材料的硬度、抗磨性、弯曲应力、结合强度进行测试。
测试方法：
1、将烧结后的试样使用线切割机床切割成方块10×10×10mm，采用HR-150B型洛氏硬度计测量硬度。
2、冲击磨料磨损实验在MLD-10型动载磨料磨损试验机上进行，该试验机可模拟各种冲击能量作用下的工况条件，以研究金属材料的抗冲击磨料耐磨性能。试验机主要工作参数如下：冲锤重量为100N，冲击功的可选取范围为0.5～5J/cm2。经过分析，选取的冲击功条件为l J/cm2、2J/cm2、3J/cm2和4J/cm2四种工况。上试样是通过线切割的方法制作的钢结硬质合金标准冲击试样，尺寸为10mm×10mm×30mm，试样表面经过1500目金刚石磨盘打磨抛光；下试样为试验机自带旋转中空圆柱体试样，材质为经840℃油淬处理的GCrl5，硬度范围为62～65HRC。尺寸为050mm×20mm，内径为30mm。磨料选用优质棕刚玉，粒度约16目。上、下试样以200次/min的频率相互发生有磨料条件下的冲击，总冲击磨粒磨损试验时间为60min。其中，每试验10min后将标准试样取下称重，测试试验前后试样质量减少量作为评价耐磨性的指标。称重前需用酒精对试样进行清洗，然后用电吹风机吹干，使用精度为0.1mg的电子天平进行试样称重。
3、将烧结后的试样使用线切割机床切割成长方块5×5×30mm，采用三点抗弯法在鑫光LDS-2.5A电子拉力试验机上测定硬质合金的抗弯强度。
4、采用专用结合试验夹具和电子万能试验机，对钢结硬质合金与钢焊接头进行结合强度测试。测试前须将焊接试样外圆车光滑，使焊缝与母材部分平齐以避免接头应力集中对测试结果产生不利影响，试样尺寸为测试时将编号后的焊接试样置于用专用剪切试验夹具中，在电子万能试验机上进行加压剪切强度测试，记录剪断所需的压力，再根据试件的截面积计算结合强度。
测试结果见表1。
表1
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种预成型复合耐磨材料，其特征在于，所述复合耐磨材料包括从内至外依次分布的基体、粘结层和钢结硬质合金体，所述钢结硬质合金体镶嵌在所述基体表面。
2.根据权利要求1所述的预成型复合耐磨材料，其特征在于，所述基体的材质为Q235钢或45#钢。
3.根据权利要求1所述的预成型复合耐磨材料，其特征在于，所述粘结层的原料按质量分数计包括钼粉3-5％、镍粉3-5％、高分子粘结剂2-8％、余量为铁粉，所述高分子粘结剂选自硅溶胶、聚氨酯或聚丙烯酸酯中的一种或多种的任意比混合物。
4.根据权利要求1所述的预成型复合耐磨材料，其特征在于，所述钢结硬质合金体的原料按质量分数计包括碳化钛35-50％、钼粉2.5-5％、铬粉2.5-5％、抗氧化剂0.5％、余量为铁粉，所述抗氧化剂选自硬脂酸、油酸中的一种或两种的任意比混合物。
5.一种预成型复合耐磨材料的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据需求确定复合耐磨材料中钢结硬质合金尺寸和基体的配合尺寸；
(2)制作钢结硬质合金生坯；
(3)加工表面设置有空槽的基体，所述空槽的尺寸符合要求；
(4)在基体空槽表面涂抹粘结剂，晾干，然后将所述钢结硬质合金生坯置于基体空槽内；
(5)将形成的整体结构置于真空烧结炉内进行烧结；
(6)依次进行热处理、打磨、抛光、检验，最终得到合格产品。
6.根据权利要求5所述的预成型复合耐磨材料的制造工艺，其特征在于，所述钢结硬质合金生坯的制作方法：
称取质量分数为35-50％的碳化钛、2.5-5％的钼粉、2.5-5％的铬粉、0.5％的抗氧化剂、余量为铁粉，依次经球磨、干燥、掺胶、制粒、成型制成，其中，所述抗氧化剂选自硬脂酸、油酸中的一种或两种的任意比混合物。
7.根据权利要求5所述的预成型复合耐磨材料的制造工艺，其特征在于，所述粘结剂的制作方法：
称取质量分数为3-5％的钼粉、3-5％的镍粉、2-8％的高分子粘结剂、余量为铁粉，混匀即可，其中，所述高分子粘结剂选自硅溶胶、聚氨酯或聚丙烯酸酯中的一种或多种的任意比混合物。
8.根据权利要求5所述的预成型复合耐磨材料的制造工艺，其特征在于，步骤(5)中，所述真空烧结炉内的真空度控制在30-50Pa，各个时间阶段的升温分配如下：在100分钟内从0℃升温至300℃，300℃保温30分钟，经40分钟从300℃升温至400℃，400℃保温30分钟，经30分钟从400℃升温至500℃，500℃保温30分钟，经40分钟从500℃升温至550℃，550℃保温30分钟，经100分钟从550℃升温至800℃，800℃保温20分钟，经120分钟从800℃升温至1250℃，1250℃保温20分钟，经100分钟从1250℃升温至1400℃，1400℃保留30分钟，随炉冷却。
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CN112893850A (zh) * 2021-01-19 2021-06-04 莱芜职业技术学院 高频熔覆钢结硬质合金复合布料器溜槽衬板的制造方法

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