專利名稱：陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件及其制造方法。特別適用于破碎機(jī)錘 頭，板錘，大型水泥磨輥及磨盤等。
背景技術(shù)：
在水泥、礦山、冶金、電站或各類類似工業(yè)中遇到的磨礦設(shè)備、破碎設(shè)備中使用的 易磨損部件。這些部件通常要求有很好的整體機(jī)械性能，希望這些部件不僅具有較高的耐 磨性，還要具有一定韌性，以便具有抗沖擊等機(jī)械強(qiáng)度和能夠?qū)ζ溥M(jìn)行機(jī)加工。眾所周知， 這些性能很難在同一材料中協(xié)調(diào)一致，為了解決這一矛盾，使用復(fù)合材料是較好的選擇。顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料在近年來得到了廣泛的研究和應(yīng)用，它采用在金屬基體中引入 具有高硬度高耐磨性的硬質(zhì)相的方法提高材料的耐磨性。如果材料整體復(fù)合，雖然耐磨性 得到提高，但是其可加工性不好、制造困難、質(zhì)量不穩(wěn)定，而且材料的韌性下降、成本大幅增 加。在實(shí)際服役過程中，特別是對(duì)一般的耐磨件，主要是在特定部位，如構(gòu)件表面，承受磨 損，當(dāng)這些部位被磨壞或尺寸被磨小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)零件的報(bào)廢。在很多實(shí)際場合下，并 不要求整體材料(整個(gè)零件)耐磨，只要提高材料局部(工作面)的耐磨性，就可大幅提高 零件的使用壽命。如反擊式破碎機(jī)板錘的磨損主要發(fā)生在棱面、錘式破碎機(jī)錘頭的磨損主 要發(fā)生在錘頭的端部，立式水泥磨的磨輥和磨盤的磨損主要發(fā)生在工作面上，其它承受沖 擊載荷的部分則需要非常好的韌性。為了提高耐磨件的工作面的耐磨性，目前的方法是采用鑄滲法(中國發(fā)明專利 CN101314145A)或自蔓延法(中國發(fā)明專利CN101214539A)在部件工作面上制備一層顆粒 增強(qiáng)復(fù)合材料或在局部制備一層顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。這樣具有高耐磨性的復(fù)合材料分布在 表層，即降低了成本又提高了部件的耐磨性，且部件報(bào)廢后復(fù)合層也已被磨掉，不會(huì)影響金 屬基體的回收再利用。雖然這是一個(gè)較好的解決方法，但是在以往的發(fā)明和研究中，仍然存在一些問題: ①使用的WC、SiC、Cr3C2等碳化物陶瓷或硬質(zhì)合金顆粒制備復(fù)合材料，雖然這些顆粒與高溫 鐵液潤濕性好，鑄滲較容易，但是陶瓷顆粒本身較貴，成本較高；②不論是鑄滲方法還是自 蔓延方法，在準(zhǔn)備顆粒時(shí)均要使用粘結(jié)劑，在鑄造時(shí)易引起發(fā)氣現(xiàn)象，影響鑄件質(zhì)量；③最 重要的是復(fù)合材料在耐磨件工作面呈整層分布，顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料是一種具有高硬度高耐 磨性的復(fù)合材料，但是其韌性下降，脆性增加，若復(fù)合材料整層覆蓋在耐磨件表層，在沖擊 工況下，硬而脆的復(fù)合材料可能會(huì)提前斷裂或剝落。很多發(fā)明專利也考慮到復(fù)合材料整層分布帶來的弊端，提出制備局部復(fù)合材料， 以克服表層復(fù)合材料不耐沖擊的缺點(diǎn)。中國發(fā)明專利(CN 1147373C)將顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料 制成局部增強(qiáng)，則可避免整塊復(fù)合增強(qiáng)的脆性，但使用范圍有限，只能針對(duì)軋鋼用導(dǎo)位板這 種產(chǎn)品；中國發(fā)明專利(CN 101412095A)采用低碳鋼薄鋼板包裹合金粉末及顆粒的方式來 控制復(fù)合材料的分布，但是薄鋼板并不能在高溫下熔化，留在鑄件中成為薄弱部分，而且操 作復(fù)雜。中國發(fā)明專利(CN 101585081A)采用粘結(jié)劑和適當(dāng)?shù)哪＞咧苽涑鲱A(yù)制體，然后進(jìn)行澆注，操作簡單，能夠批量生產(chǎn)，提供了較好的思路，但是使用粘結(jié)劑多少會(huì)影響鑄滲。為了降低耐磨件的成本，采用氧化物陶瓷顆粒代替昂貴的碳化物陶瓷或硬質(zhì)合金 顆粒也是研究熱點(diǎn)之一。氧化物陶瓷顆粒，如氧化鋁、氧化鋯、增韌氧化鋁等，其價(jià)格比碳化 物陶瓷顆粒便宜，硬度不比碳化物陶瓷或硬質(zhì)合金低，而且氧化物陶瓷顆粒有其自身的優(yōu) 點(diǎn)，例如更耐高溫，耐腐蝕等。但是利用氧化物陶瓷制備復(fù)合材料也存在難點(diǎn)氧化物陶瓷 與鐵不浸潤，金屬液難以滲透顆粒預(yù)制體，鑄滲深度有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐磨件工作面由復(fù)合材料和母體金屬共同組成，復(fù)合 材料與母體金屬結(jié)合良好，兩者成規(guī)律分布，相互配合，即提高了復(fù)合耐磨件的耐磨性，又 提高了其抗沖擊性能的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件及其制造方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是1)首先，將粒徑為8 60目的氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末用無水乙醇混合均勻得 混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為1 0.5 1.5，無水乙醇的加入量是 氧化物陶瓷顆粒的3 5% ；2)然后，將所述混合物填充于石墨模具中，在80°C烘干混合物得混合顆粒，然后 將模具連同混合顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1250 1350°C、真空度為0. IPa下燒結(jié) 30 60min，金屬粉末將陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在鑄型型腔的端面?zhèn)确湃攵鄩K厚度為 3-25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少IOmm ；4)熔煉金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公知澆鑄溫度1380 1420°C高30 50°C，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到厚度為5 30mm的金屬 母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件。所說的氧化物陶瓷顆粒為氧化鋁或氧化鋯。所說的金屬粉末采用粒徑為150 400目的與所澆鑄的母體金屬相同的高錳鋼、 合金鋼、高碳鉻鐵或鎳鉻低合金鑄鐵。所說的混合顆粒與模具間墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙。所說的石墨模具呈柱狀、長條狀、塊狀或蜂窩狀。所說的熔煉金屬母體材料是在中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行的。所說的金屬母體材料為制造耐磨件常用的高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵或鎳鉻低合 金鑄鐵。陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法制成的復(fù)合耐磨件，該復(fù)合耐磨件的母體材 料為高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵或鎳鉻低合金鑄鐵，端部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其 上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成，復(fù)合材料增強(qiáng)體硬度為HRC55 67，厚度為5 30mm。本發(fā)明著手解決制造復(fù)合耐磨件的缺點(diǎn)。第一，采用了氧化物陶瓷顆粒作為增強(qiáng) 顆粒；第二，解決了氧化物陶瓷滲透較難的問題，將陶瓷顆粒與金屬粉末共同燒結(jié)形成具有 一定強(qiáng)度的預(yù)制體，鑄造時(shí)澆入金屬液，在金屬液的熱量的作用下，預(yù)制體內(nèi)的金屬熔化成 液體形成鑄滲通路，使得金屬液更容易滲透陶瓷顆粒，形成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料，陶瓷顆粒與 金屬結(jié)合良好，如圖1所示；第三，為制備預(yù)制體特別設(shè)計(jì)了模具，模具由高純石墨制成，可重復(fù)利用，使得預(yù)制體的生產(chǎn)穩(wěn)定化，批量化，且操作方便；第四，由于采用了特殊的預(yù)制體 制備工藝，陶瓷顆粒不易被沖散，金屬液滲透預(yù)制體后在原位形成復(fù)合材料，耐磨件工作面 由復(fù)合材料和母體金屬共同組成，復(fù)合材料與母體金屬結(jié)合良好，兩者成規(guī)律分布，相互配 合，即提高了復(fù)合耐磨件的耐磨性，又提高了其抗沖擊性能。


圖1氧化鋁顆粒增強(qiáng)高鉻鑄鐵復(fù)合材料金相照片；圖2破碎機(jī)錘頭端面示意圖；圖3破碎機(jī)板錘端面示意圖；圖4磨輥端面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1 錘式破碎機(jī)錘頭1)首先，將粒徑為8 60目的氧化鋁陶瓷顆粒與粒徑為150 400目的高錳 鋼金屬粉末用無水乙醇混合均勻得混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為 1 0.8，無水乙醇的加入量是氧化物陶瓷顆粒的3% ；2)然后，將所述混合物填充于柱狀、長條狀或蜂窩狀石墨模具中，為了防止粘模， 混合顆粒與模具間墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙，在80°C烘干混合物得混合顆粒，然 后將模具連同混合顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1300°C、真空度為真空度為0. IPa下燒結(jié) 45min，金屬粉末將陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在錘式破碎機(jī)錘頭鑄型型腔的端面?zhèn)?放入多塊厚度為3 25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少IOmm ；4)頻感應(yīng)電爐中熔煉高錳鋼金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公知 澆鑄溫度(1380 1420°C)高30 50°C，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到厚 度為5 30mm的金屬母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件，該復(fù)合耐磨件的母體材料為高錳 鋼，端部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成，復(fù)合材料增強(qiáng)體硬度 為HRC 55 67，厚度為5 30mm。復(fù)合材料在錘頭端面呈柱狀(圖2a)、長條狀(圖2b)、 蜂窩狀(圖2c)規(guī)律分布。實(shí)施例2 錘式破碎機(jī)錘頭1)首先，將粒徑為8 60目的氧化鋯陶瓷顆粒與粒徑為150-400目的合金鋼 金屬粉末用無水乙醇混合均勻得混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為 1 0.5，無水乙醇的加入量是氧化物陶瓷顆粒的4% ；2)然后，將所述混合物填充于塊狀石墨模具中，為了防止粘模，混合顆粒與模具間 墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙，在80°C烘干混合物得混合顆粒，然后將模具連同混合 顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1280°C、真空度為真空度為0. IPa下燒結(jié)50min，金屬粉末將 陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在錘式破碎機(jī)錘頭鑄型型腔的端面?zhèn)?放入多塊厚度為3-25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少IOmm ；
4)頻感應(yīng)電爐中熔煉合金鋼金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公知 澆鑄溫度(1380 1420°C)高30 50°C，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到厚 度為5 30mm的金屬母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件，該復(fù)合耐磨件的母體材料為合金 鋼，端部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成(參見圖3)，復(fù)合材料 增強(qiáng)體硬度為HRC 55 67，厚度為5 30mm。實(shí)施例3 立式水泥磨磨輥1)首先，將粒徑為8 60目的氧化鋁陶瓷顆粒與粒徑為150 400目的高錳 鋼金屬粉末用無水乙醇混合均勻得混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為 1 1.5，無水乙醇的加入量是氧化物陶瓷顆粒的4.2% ；2)然后，將所述混合物填充于蜂窩狀石墨模具中，為了防止粘模，混合顆粒與模具 間墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙，在80°C烘干混合物得混合顆粒，然后將模具連同混 合顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1350°C、真空度為真空度為0. IPa下燒結(jié)30min，金屬粉末 將陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在立式水泥磨磨盤鑄型型腔的端面?zhèn)?放入多塊厚度為3-25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少IOmm ；4)頻感應(yīng)電爐中熔煉高錳鋼金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公知 澆鑄溫度(1380 1420°C)高30 50°C，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到厚 度為5 30mm的金屬母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件，該復(fù)合耐磨件的母體材料為高錳 鋼，端部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成，復(fù)合材料增強(qiáng)體硬度 為HRC 55 67，厚度為5 30mm。所得復(fù)合材料在立式水泥磨磨盤端面圖4。實(shí)施例4 立式水泥磨磨盤1)首先，將粒徑為8 60目的氧化鋁陶瓷顆粒與粒徑為150 400目的高碳鉻 鐵金屬粉末用無水乙醇混合均勻得混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為 1 1.3，無水乙醇的加入量是氧化物陶瓷顆粒的4.8% ；2)然后，將所述混合物填充于塊狀石墨模具中，為了防止粘模，混合顆粒與模具間 墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙，在80°C烘干混合物得混合顆粒，然后將模具連同混合 顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1250°C、真空度為0. IPa下燒結(jié)40min，金屬粉末將陶瓷顆粒 粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在立式水泥磨磨盤鑄型型腔的端面?zhèn)?放入多塊厚度為3 25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少IOmm ；4)頻感應(yīng)電爐中熔煉高鉻鑄鐵金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公 知澆鑄溫度(1380 1420°C )高30 50°C，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到 厚度為5 30mm的金屬母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件，該復(fù)合耐磨件的母體材料為高 碳鉻鐵，端部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成，復(fù)合材料增強(qiáng)體 硬度為HRC 55 67，厚度為5 30mm。
權(quán)利要求
一種陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于1)首先，將粒徑為8～60目的氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末用無水乙醇混合均勻得混合物，其中，氧化物陶瓷顆粒與金屬粉末的質(zhì)量比為1∶0.5～1.5，無水乙醇的加入量是氧化物陶瓷顆粒的3～5％；2)然后，將所述混合物填充于石墨模具中，在80℃烘干混合物得混合顆粒，然后將模具連同混合顆粒一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)在1250～1350℃、真空度為0.1Pa下燒結(jié)30～60min，金屬粉末將陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；3)冷卻后打開模具，取出燒結(jié)好的預(yù)制體，在鑄型型腔的端面?zhèn)确湃攵鄩K厚度為3 25mm的預(yù)制體，每塊預(yù)制體之間間隔至少10mm；4)熔煉金屬母體材料形成金屬液，金屬液的澆鑄溫度比公知澆鑄溫度1380～1420℃高30～50℃，然后金屬液出爐澆注進(jìn)入鑄型型腔底部得到厚度為5～30mm的金屬母體與復(fù)合材料共存的復(fù)合耐磨件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 氧化物陶瓷顆粒為氧化鋁或氧化鋯。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 金屬粉末采用粒徑為150 400目的與所澆鑄的母體金屬相同的高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵 或鎳鉻低合金鑄鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 混合顆粒與模具間墊一層厚度為0. 4 0. 6mm的石墨紙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 石墨模具呈柱狀、長條狀、塊狀或蜂窩狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 熔煉金屬母體材料是在中頻感應(yīng)電爐中進(jìn)行的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法，其特征在于所說的 金屬母體材料為制造耐磨件常用的高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵或鎳鉻低合金鑄鐵。
8.—種如權(quán)利要求1所述的陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件的制造方法制成的復(fù)合耐磨件， 其特征在于該復(fù)合耐磨件的母體材料為高錳鋼、合金鋼、高碳鉻鐵或鎳鉻低合金鑄鐵，端 部即工作面由母體金屬與規(guī)則分布其上復(fù)合材料增強(qiáng)體組成，復(fù)合材料增強(qiáng)體硬度為HRC 55 67，厚度為5 30mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件及其制造方法，將陶瓷顆粒與金屬粉混合均勻，填充于特定的模具中，將陶瓷顆粒和金屬粉連同模具一起放入真空燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)，金屬粉將陶瓷顆粒粘結(jié)在一起形成預(yù)制體；冷卻后打開模具，取出預(yù)制體放入鑄型型腔的端面?zhèn)?；采用中頻感應(yīng)電爐熔煉金屬母體材料形成金屬液，鑄造時(shí)澆入金屬液，在金屬液熱量的作用下，預(yù)制體內(nèi)的金屬粉熔化成液體形成鑄滲通路，使得金屬液更容易滲透陶瓷顆粒，在原位形成顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料；耐磨件的表層由母體金屬與復(fù)合材料共同組成，采用本方法制備的復(fù)合材料耐磨件既保證了耐磨件的耐磨損性能，又具有高的抗沖擊能力。
文檔編號(hào)C22C29/00GK101898238SQ201010235198
公開日2010年12月1日 申請(qǐng)日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者史芳杰, 尹宏飛, 李林, 李燁飛, 王娟, 邢建東, 鄭飛燕, 高義民 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué);廣州有色金屬研究院