一種活性元素?zé)Y(jié)zta顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，具體實(shí)施方法為：1）將多元活性元素粉末混合均勻后加入適量粘結(jié)劑與ZTA顆粒充分?jǐn)嚢?，使得活性元素粉末均勻包覆在顆粒表面，填入石墨模具加壓后烘干；2）燒結(jié)得到多孔預(yù)制塊；3）將預(yù)制塊固定在鑄型特定位置并澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合磨輥或磨盤。本發(fā)明中ZTA顆粒預(yù)制塊的形狀、尺寸可通過(guò)模具進(jìn)行控制，工藝簡(jiǎn)單，具有較高的生產(chǎn)效率、成品率和實(shí)用性。另外，界面處引入的活性元素可提高界面潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)相與基體交互分布的復(fù)合層結(jié)構(gòu)可保證磨輥及磨盤在高應(yīng)力作用下具有較長(zhǎng)的服役壽命。
【專利說(shuō)明】一種活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于耐磨材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種適用于立式磨機(jī)的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]立式磨機(jī)是廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水泥、化工等工業(yè)領(lǐng)域中的重要研磨設(shè)備,其原理為利用磨輥和磨盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和摩擦作用將物料碾磨成粉。在使用過(guò)程中磨輥、磨盤將受到物料的反作用力、磨削力、系統(tǒng)施加的壓力、摩擦阻力、沖擊力等綜合作用，因此磨輥、磨盤是設(shè)備中承受主要磨損并決定設(shè)備服役性能的關(guān)鍵部件之一，其選材和制備時(shí)均具有嚴(yán)格的要求。
[0003]陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中高硬度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性的陶瓷顆粒使其能夠抵御磨料的磨損。另一方面，金屬基體給予了復(fù)合材料的整體強(qiáng)韌性及對(duì)陶瓷顆粒的支持作用，并且可以通過(guò)陶瓷顆粒與金屬基體的不同組合來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料性能的改變以適用于各種工況條件，如高溫、高沖擊、腐蝕環(huán)境等，因此其具有廣泛應(yīng)用于嚴(yán)苛磨損工況中的潛力。尤其是表層復(fù)合耐磨材料，在保證足夠耐磨性的同時(shí)可節(jié)約原料、降低成本。傳統(tǒng)的表層復(fù)合耐磨材料為整層復(fù)合，復(fù)合層內(nèi)高比例的陶瓷顆粒使材料表面脆性很大，并且復(fù)合層與基體間的結(jié)合面在強(qiáng)沖擊、高應(yīng)力的工況下容易開(kāi)裂使得復(fù)合層剝落，縮短耐磨件的使用壽命，甚至造成重大安全事故。
[0004]在制備陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料時(shí)增強(qiáng)顆粒的選擇也是至關(guān)重要的。常用的碳化鎢與鐵液潤(rùn)濕性很好，其界面處能夠形成牢固的冶金結(jié)合。但碳化鎢與鋼鐵的熱匹配性很差，在鑄造過(guò)程中極易產(chǎn)生熱裂紋，并且鎢元素儲(chǔ)量較少、價(jià)格昂貴。另一常用的增強(qiáng)顆粒氧化鋁價(jià)格較低，與鋼鐵的熱匹配性較好，但其高脆性使得顆粒在磨損時(shí)容易斷裂，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的耐磨性。
[0005]氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷由于其中氧化鋯獨(dú)特的增韌作用，可替代常用的陶瓷作為復(fù)合材料的增強(qiáng)顆粒。但ZTA具有與氧化鋁同樣的問(wèn)題，即與鐵液潤(rùn)濕性差，制備高性能復(fù)合材料的難度很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服以上技術(shù)問(wèn)題，提出了一種活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法。
[0007]本發(fā)明的復(fù)合磨輥及磨盤制備方法，包括以下步驟:
[0008]I)首先，將活性金屬元素粉末與無(wú)水乙醇濕混得到混合粉末，其中活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物；
[0009]2)其次，將混合粉末與10-20目的ZTA顆粒及粘結(jié)劑攪拌混合，填入石墨模具加壓后烘干；[0010]3)將模具及其中的混合物放入爐中燒結(jié)，升溫速度為5-10°C /min,自室溫升溫到950-1100°C保溫1-2小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻至900°C時(shí)隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過(guò)粉末燒結(jié)產(chǎn)物相互連接，形成多孔預(yù)制塊；
[0011]4)將多個(gè)多孔預(yù)制塊固定在鑄型的端面?zhèn)燃茨ポ伝蚰ケP的工作面，其間距為15-30_，采用鑄滲工藝澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合磨輥或磨盤。
[0012]所述的濕混采用球磨或混料筒混料。
[0013]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75-85% ；
[0014]所述的粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度20-30%的硼砂溶液，其加入量為每IOOg混合物中加入3_5mL ；
[0015]所述的烘干溫度為70°C。
[0016]所述的多孔預(yù)制塊孔隙率為40?50%。
[0017]所述的鋼鐵基體材料為制造磨輥、磨盤常用的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵或鎳系合金鑄鐵。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢(shì)和效果包括:
[0019]本發(fā)明中使用的ZTA顆?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)其中氧化鋁與氧化鋯的比例來(lái)改變ZTA的熱膨脹系數(shù)、硬度和韌性以匹配不同的金屬基體和工況條件。本發(fā)明中在復(fù)合界面處引入的活性元素可避免ZTA和鐵基體直接接觸，大大提高界面結(jié)合強(qiáng)度。另外，混料時(shí)加入的硼砂溶液在起到粘結(jié)作用的同時(shí)，也是有效的鑄滲劑，能夠提高鑄滲層深度，減少鑄造缺陷。
[0020]本發(fā)明可通過(guò)模具控制預(yù)制塊的形狀、尺寸，適用于不同尺寸、種類磨輥及磨盤的制備。因此，ZTA顆粒多孔預(yù)制塊的燒結(jié)工藝簡(jiǎn)單，磨輥、磨盤的鑄造工藝可根據(jù)鑄件尺寸、形狀及不同金屬液的流動(dòng)性選擇普通鑄滲或負(fù)壓鑄滲，以達(dá)到較高的生產(chǎn)效率和成品率。
[0021]本發(fā)明制備得到的復(fù)合磨輥及磨盤的復(fù)合層中ZTA顆粒增強(qiáng)相與金屬基體交互分布，例如蜂巢狀的增強(qiáng)相，在復(fù)合層中還具有釘扎效應(yīng)，增加了顆粒與基體的結(jié)合面積進(jìn)而提高復(fù)合層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。此外，復(fù)合層中金屬基體由于硬度較低、磨損程度大而逐漸凹陷，主要是周圍的增強(qiáng)體承受磨損力，可以防止基體被進(jìn)一步磨損，即“宏觀陰影效應(yīng)”。同時(shí)增強(qiáng)體中的ZTA顆粒也會(huì)突出于其周圍的金屬?gòu)亩钟p，產(chǎn)生“微觀陰影效應(yīng)”。此結(jié)構(gòu)的耐磨件由于“雙陰影效應(yīng)”而具有較高的耐磨性和較長(zhǎng)的使用壽命。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1:錘體式磨輥
[0024]I)將活性金屬元素粉末Ni與10-20目的ZTA顆粒及粘結(jié)劑攪拌混合，填入石墨模具加壓后烘干；
[0025]其中，混合粉末與ZTA顆粒組成的混合物中ZTA顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75% ；
[0026]粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度20%的硼砂溶液，其加入量為每IOOg混合物中加入3mL ；
[0027]2)將模具及其中的混合物放入爐中燒結(jié)，升溫速度為5°C /min,自室溫升溫到950°C保溫1-2小時(shí)，隨后以4°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻至900°C時(shí)隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過(guò)粉末燒結(jié)產(chǎn)物相互連接，形成孔隙率為40?50%的條狀多孔預(yù)制塊；
[0028]3)將多個(gè)多孔預(yù)制塊固定在鑄型的端面?zhèn)燃茨ポ伒墓ぷ髅妫溟g距為15mm，采用鑄滲工藝澆注高鉻鑄鐵金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合磨輥。復(fù)合層中球墨鑄鐵基體與ZTA顆粒條狀增強(qiáng)體交替分布。
[0029]實(shí)施例2:輪胎式磨輥
[0030]I)將活性金屬元素粉末Cr與10-20目的ZTA顆粒及粘結(jié)劑攪拌混合，使得活性元素粉末均勻包覆在ZTA顆粒表面，填入石墨模具加壓后烘干；
[0031 ] 其中，混合粉末與ZTA顆粒組成的混合物中ZTA顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85% ；
[0032]粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度23%的硼砂溶液，其加入量為每IOOg混合物中加入4mL ；
[0033]2)將模具及其中的混合物放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為8°C /min,自室溫升溫到1050°C保溫1-2小時(shí)，隨后以6V Mn進(jìn)行冷卻，冷卻至900°C時(shí)隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過(guò)粉末燒結(jié)產(chǎn)物相互連接，形成孔隙率為40?50%的條狀多孔預(yù)制塊；
[0034]3)將多個(gè)多孔預(yù)制塊固定在鑄型的端面?zhèn)燃茨ポ伝蚰ケP的工作面，其間距為25mm,米用鑄滲工藝燒注低合金鋼金屬液,冷卻脫模后得到復(fù)合磨棍。復(fù)合層中低合金鋼基體與ZTA顆粒條狀增強(qiáng)體交替分布。
[0035]實(shí)施例3:磨盤
[0036]I)首先，將活性金屬元素粉末N1、Cr與無(wú)水乙醇采用球磨濕混得到混合粉末；
[0037]2)其次，將混合粉末與10-20目的ZTA顆粒及粘結(jié)劑攪拌混合，使得活性元素粉末均勻包覆在ZTA顆粒表面，填入石墨模具加壓后烘干；
[0038]其中，混合粉末與ZTA顆粒組成的混合物中ZTA顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80% ；
[0039]粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度25%的硼砂溶液，其加入量為每IOOg混合物中加入5mL ；
[0040]3)將模具及其中的混合物放入真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，升溫速度為10°C /min,自室溫升溫到1000°C保溫1-2小時(shí)，隨后以5°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻至900°C時(shí)隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過(guò)粉末燒結(jié)產(chǎn)物相互連接，形成孔隙率為40?50%的蜂巢狀預(yù)制塊；
[0041]4)將多個(gè)多孔預(yù)制塊固定在鑄型的端面?zhèn)燃茨ケP的工作面，其間距為30mm，采用鑄滲工藝澆注高錳合金鋼金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合磨盤。復(fù)合層呈蜂巢狀結(jié)構(gòu)，高錳鋼基體與ZTA顆粒增強(qiáng)體交替分布。最后將多個(gè)復(fù)合塊拼裝成為磨盤。
【權(quán)利要求】
1.一種活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于: 1)首先，將活性金屬元素粉末與無(wú)水乙醇濕混得到混合粉末，其中活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物； 2)其次，將混合粉末與10-20目的ZTA顆粒及粘結(jié)劑攪拌混合，填入石墨模具加壓后烘干; 3)將模具及其中的混合物放入爐中燒結(jié)，升溫速度為5-10°C/min,自室溫升溫到950-1100°C保溫1-2小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行冷卻，冷卻至900°C時(shí)隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過(guò)粉末燒結(jié)產(chǎn)物相互連接，形成多孔預(yù)制塊； 4)將多個(gè)多孔預(yù)制塊固定在鑄型的端面?zhèn)燃茨ポ伝蚰ケP的工作面，其間距為15-30mm，采用鑄滲工藝澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合磨輥或磨盤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于:所述的濕混采用球磨或混料筒混料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于:所述的混合物中ZTA顆粒所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75-85%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于:所述的粘結(jié)劑為質(zhì)量濃度20-30%的硼砂溶液，其加入量為每IOOg混合物中加入3-5mL。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的烘干溫度為70°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于:所述的多孔預(yù)制塊孔隙率為40?50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活性元素?zé)Y(jié)ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合磨輥及磨盤的制備方法，其特征在于:所述的鋼鐵基體材料為制造磨輥、磨盤常用的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵或鎳系合金鑄鐵。
【文檔編號(hào)】B22D23/04GK103769563SQ201410030019
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】湯姝莉, 李燁飛, 高義民, 邢建東, 鄭開(kāi)宏, 孫良 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué), 廣州有色金屬研究院