CN115971454A - 陶瓷增强金属耐磨预制体及其复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及耐磨材料技术领域，更具体地涉及一种陶瓷增强金属耐磨预制体及其复合材料的制备方法。该陶瓷增强金属耐磨预制体的制备方法如下：步骤1，制备底部等间距开设有通孔的无盖盒状碳钢模具(1)；步骤2，从碳钢模具(1)的底部穿过通孔向上***螺栓(2)并固定螺栓(2)；步骤3，将陶瓷金属粉末混合以获得混合粉末；步骤4，将混合粉末置于碳钢模具(1)中并向混合粉末施加压力以获得混合粉末预制体；步骤5，卸除螺栓(2)以获得具有等间距通孔分布的混合粉末预制体；步骤6，对混合粉末预制体进行高频电磁感应加热；步骤7，将混合粉末预制体冷却至室温；步骤8，对混合粉末预制体进行打磨，以获得陶瓷增强金属耐磨预制体。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨材料技术领域，更具体地，本发明涉及一种陶瓷增强金属耐磨预制体及其复合材料的制备方法。
背景技术
水泥、电力、矿业以及煤矿工业等工况复杂的重工领域对耐磨材料及其机械零部件的抗磨损性能提出了很高要求。以磨煤机为例，在实际服役过程中，其不仅处于高温氧化、腐蚀、高冲击等恶劣的工况环境中，同时还受到硬质磨料的磨损，导致零部件因磨损而快速失效。剧烈磨损造成大量的金属流失，零部件因磨损而快速失效则需要消耗大量人力、物力频繁更换，造成生产停顿、成本增加，这对企业的生产效率和经济效益产生了极大的不利影响。
目前，国内主要通过高铬铸铁整体铸造成型及表面堆焊或整体堆焊等方法来生产制备磨煤机的耐磨零部件。现阶段磨辊耐磨材料以高铬铸铁和各类合金钢为代表，整体表现为硬度高、耐磨性好、韧性也有大幅度的提高，其硬度值一般均在HRC56以上，但是环境条件的苛刻使得单一合金材料逐渐难以满足服役要求。
基于上述现状，研究学者尝试将硬质陶瓷添加到合金刚基体内部，通过陶瓷的高硬度、高模量的特性进一步提高其整体的耐磨性能，在部分领域已经实现局部工程化应用，其耐磨性能得到了研究学者认可。业内代表企业如比利时马科托公司已将陶瓷增强金属复合材料制备的陶瓷磨辊应用于耐磨领域，但是陶瓷颗粒的加入使得材料整体的塑韧性变形能力得到削弱，复合材料整体的强韧性矛盾仍是该领域需重点攻克的方向。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种陶瓷增强金属耐磨预制体及其复合材料的制备方法，旨在制备一种陶瓷颗粒分布均匀、基体金属层均匀间隔、过渡的空间网格状陶瓷增强金属复合材料。实现陶瓷在金属基体中的三维空间均匀分布，金属层的存在起到对硬质磨料的缓冲作用，在提高复合材料的耐磨性能的同时保持优异的塑性，对于延长耐磨零部件的使用寿命至关重要，同样，对于我国的经济和社会发展同样具有重大意义。
本发明提供了一种陶瓷增强金属耐磨预制体的制备方法，其包括以下步骤：步骤1，制备底部等间距开设有通孔的无盖盒状碳钢模具；步骤2，从碳钢模具的底部穿过通孔向上***螺栓并固定螺栓；步骤3，将陶瓷金属粉末混合以获得混合粉末；步骤4，将混合粉末置于碳钢模具中并向混合粉末施加压力以获得混合粉末预制体；步骤5，卸除螺栓以获得具有等间距通孔分布的混合粉末预制体；步骤6，对混合粉末预制体进行高频电磁感应加热；步骤7，将混合粉末预制体冷却至室温；步骤8，对混合粉末预制体进行打磨，以获得陶瓷增强金属耐磨预制体。
优选地，该碳钢模具的通孔的直径为70mm。
优选地，该陶瓷金属粉末包括粒度为200-300目且纯度高于99％的Al、Fe2O3、ZrO2、Ni和SiO2粉末，其中Al和Fe2O3的质量之和占陶瓷金属粉末总质量的80-95％并且Al和Fe2O3的质量比为1：2.9，ZrO2、Ni和SiO2的质量之和占陶瓷金属粉末总质量的5-20％，并且ZrO2、Ni和SiO2的质量之比为1-10：0.5-3：2-12。
优选地，步骤3具体包括：按质量比将陶瓷金属粉末置于高能球磨机中以700r/min的转速球磨混合2-3小时，然后在干燥箱中干燥以获得混合粉末。
优选地，步骤4具体包括：将混合粉末置于碳钢模具中并向混合粉末施加20MPa的压力，使混合粉末的致密度达到80％-85％，以获得混合粉末预制体。
优选地，步骤6具体包括：利用高频感应加热炉，采用电流60-70A，电压220V对混合粉末预制体进行加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成复合材料，待完全反应后的2-3秒，反应产物处于触变状态时，对其施加40-50MPa的压力并保压1分钟。
优选地，步骤7具体包括：将混合粉末预制体埋入砂中并冷却至室温。
优选地，步骤8具体包括：采用喷砂技术对混合粉末预制体进行打磨，以获得陶瓷增强金属耐磨预制体。
本发明还提供了一种陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料的制备方法，其包括以下步骤：步骤1，向上述陶瓷增强金属耐磨预制体的等间距通孔中浇筑金属溶液；步骤2，自然冷却至室温，以获得陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料。
优选地，该金属溶液是铸铁溶液。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
(1)粉末冶金法在制备陶瓷增强金属复合材料时具备成分可调、陶瓷分布均匀的优点，但是难以制备更加适合于耐磨领域用的等间距金属柱体分布、陶瓷均匀分布的空间网格状陶瓷增强金属复合材料，本发明基于耐磨领域的实际需求，结合高频电磁感应加热辅助自蔓延热压成型与无压浸渗法的优势，可实现高质量陶瓷增强金属耐磨复合材料的连续成型制造。
(2)本发明提出制备的等间距金属柱体分布、陶瓷均匀分布的空间网格状陶瓷增强金属复合材料在结构上比单一、均匀的复合材料具备更为优异的耐磨性能及塑韧性，综合性能更加优异。
附图说明
图1是根据本发明的一个示例性实施方式所提供的碳钢模具的俯视图；
图2是根据本发明的一个示例性实施方式所提供的插有螺栓的碳钢模具的正视半剖面示意图。
图中：1是碳钢模具，2是螺栓。
具体实施方式
下文将参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。下述实施例中所用的原料、仪器等，如无特殊说明，均为市售购买产品。
实施例1：陶瓷增强金属耐磨预制体的制备
步骤1：制备底部等间距开设有直径为70mm的通孔的无盖盒状碳钢模具1。参考图1，图1是根据本发明的一个示例性实施方式所提供的碳钢模具1的俯视图。如图1所示，碳钢模具1为顶部开口的无盖盒状模具，其底部开设有等距分布的5×5个通孔，通孔用于与步骤2中的螺栓2相配合，便于后期陶瓷增强金属耐磨预制体的制备。
步骤2：从碳钢模具1的底部穿过通孔向上***螺栓2并固定螺栓2。参考图2，图2是根据本发明的一个示例性实施方式所提供的插有螺栓2的碳钢模具1的正视半剖面示意图。如图2所示，通过开设在碳钢模具1底部的每个通孔向上***螺栓2并固定，螺栓2将在后续步骤中移除，以便形成具有等间距通孔分布的结构。
步骤3：按质量比称取陶瓷金属粉末置于高能球磨机中以700r/min的转速球磨混合2-3小时，然后在干燥箱中干燥以获得混合粉末。该陶瓷金属粉末包括粒度为200-300目且纯度高于99％的Al、Fe2O3、ZrO2、Ni和SiO2粉末，其中Al和Fe2O3的质量之和占陶瓷金属粉末总质量的80-95％并且Al和Fe2O3的质量比为1：2.9，ZrO2、Ni和SiO2的质量之和占陶瓷金属粉末总质量的5-20％，并且ZrO2、Ni和SiO2的质量之比为1-10：0.5-3：2-12。
步骤4：将混合粉末置于碳钢模具1中并向混合粉末施加20MPa的压力，使混合粉末的致密度达到80％-85％，以获得混合粉末预制体。该步骤用于促使后续自蔓延烧结成型过程中的燃烧充分，同时促进后期金属溶液浇铸后无压浸渗过程的顺利进行。
步骤5：卸除螺栓2以获得具有等间距通孔分布的混合粉末预制体，在卸除过程中需保持混合粉末预制体的成型结构特征，不得出现混合粉末散开等现象。
步骤6：利用高频感应加热炉，采用电流60-70A，电压220V对混合粉末预制体进行加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成复合材料，待完全反应后的2-3秒，反应产物处于触变状态时，对其施加40-50MPa的压力并保压1分钟，提高其致密度和强度。采用高频感应加热炉可以快速均匀地加热和点燃混合粉末预制体网格中的粉体材料，实现高速、致密、均匀的陶瓷相分布。
步骤7：将混合粉末预制体埋入砂中冷却至室温，埋砂冷却用于降低预制体的冷却速度，避免应力集中而生成的微裂纹等缺陷。
步骤8：对混合粉末预制体进行喷砂打磨，以获得表面干净、无杂质、夹渣等缺陷存在的陶瓷增强金属耐磨预制体。
实施例2：陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料的制备
步骤1：向根据实施例1所制备的陶瓷增强金属耐磨预制体的等间距通孔中浇筑铸铁溶液。其目的如下：一方面，对自蔓延烧结成型后的陶瓷增强金属耐磨预制体内部存在的微小孔隙进行渗透；另一方面，相比于单一均匀的陶瓷增强金属复合材料，铸铁溶液冷凝后形成的等间距分布的柱状金属分布结构，可在耐磨服役过程中起到缓冲作用，同时发挥其耐磨特性和塑韧性。
步骤2：自然冷却至室温，以获得具有等间距金属柱体分布、陶瓷均匀分布的空间网格状陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料。
尽管本文中已经示出并描述了本发明的优选实施方案，但对于本领域技术人员显而易见的是这些实施方案仅以示例的方式提供。本领域技术人员在不脱离本发明的情况下将想到多种变化、改变和替代。应当理解本文中所述的本发明实施方案的各种替代方案可用于实施本发明。旨在通过权利要求限定本发明的范围，并由此涵盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同项。
Claims (10)
1.一种陶瓷增强金属耐磨预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备底部等间距开设有通孔的无盖盒状碳钢模具(1)；
步骤2，从所述碳钢模具(1)的底部穿过所述通孔向上***螺栓(2)并固定所述螺栓(2)；
步骤3，将陶瓷金属粉末混合以获得混合粉末；
步骤4，将所述混合粉末置于所述碳钢模具(1)中并向所述混合粉末施加压力以获得混合粉末预制体；
步骤5，卸除所述螺栓(2)以获得具有等间距通孔分布的所述混合粉末预制体；
步骤6，对所述混合粉末预制体进行高频电磁感应加热；
步骤7，将所述混合粉末预制体冷却至室温；以及
步骤8，对所述混合粉末预制体进行打磨，以获得所述陶瓷增强金属耐磨预制体。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述碳钢模具(1)的所述通孔的直径为70mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述陶瓷金属粉末包括粒度为200-300目且纯度高于99％的Al、Fe2O3、ZrO2、Ni和SiO2粉末，其中Al和Fe2O3的质量之和占所述陶瓷金属粉末总质量的80-95％并且Al和Fe2O3的质量比为1：2.9，ZrO2、Ni和SiO2的质量之和占所述陶瓷金属粉末总质量的5-20％，并且ZrO2、Ni和SiO2的质量之比为1-10：0.5-3：2-12。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
步骤3具体包括：按质量比将所述陶瓷金属粉末置于高能球磨机中以700r/min的转速球磨混合2-3小时，然后在干燥箱中干燥以获得所述混合粉末。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤4具体包括：将所述混合粉末置于所述碳钢模具(1)中并向所述混合粉末施加20MPa的压力，使所述混合粉末的致密度达到80％-85％，以获得所述混合粉末预制体。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤6具体包括：利用高频感应加热炉，采用电流60-70A，电压220V对所述混合粉末预制体进行加热和点燃，使其发生自蔓延反应生成复合材料，待完全反应后的2-3秒，反应产物处于触变状态时，对其施加40-50MPa的压力并保压1分钟。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤7具体包括：将所述混合粉末预制体埋入砂中并冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
步骤8具体包括：采用喷砂技术对所述混合粉末预制体进行打磨，以获得所述陶瓷增强金属耐磨预制体。
9.一种陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，向根据权利要求1-8中任一项所述的陶瓷增强金属耐磨预制体的等间距通孔中浇筑金属溶液；以及
步骤2，自然冷却至室温，以获得所述陶瓷增强金属耐磨预制体复合材料。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，
所述金属溶液是铸铁溶液。
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