一種漿料涂掛表面活化zta顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，具體實(shí)施方法為：1）將多元活性元素粉末混合均勻后放入液體粘結(jié)劑中分散均勻形成漿料；2）使?jié){料涂掛于ZTA顆粒表面后，填入石墨模具施壓燒結(jié)得到多孔預(yù)制塊；3）將預(yù)制塊固定于鑄型特定位置并澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合耐磨件。本發(fā)明中引入的活性元素可提高界面潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度，漿料涂掛的方法有助于活性元素在顆粒表面的均勻化。預(yù)制塊的形狀、尺寸可通過(guò)模具進(jìn)行控制，適用于不同種類耐磨件的制備。復(fù)合層中交互分布的增強(qiáng)相和基體可保證耐磨件在高應(yīng)力作用下具有高耐磨性和較長(zhǎng)的使用壽命，極大提高了經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說(shuō)明】一種漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于耐磨復(fù)合材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料兼具了兩相的特性，其中高強(qiáng)度、高硬度的陶瓷顆粒能夠抵御磨損作用，而金屬基體則給予了陶瓷顆粒支撐作用，并保證復(fù)合耐磨件整體具有較高的強(qiáng)韌性。另外，不同的陶瓷/金屬組合使得耐磨件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，可大大提高耐磨件的韌性并降低成本。傳統(tǒng)的整層表面復(fù)合耐磨件在強(qiáng)沖擊、高應(yīng)力下復(fù)合層容易剝落，縮短耐磨件的使用壽命，甚至造成重大安全事故。
[0003]陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中增強(qiáng)顆粒的性能是決定其耐磨性的重要因素之一。常用的增強(qiáng)陶瓷為碳化物、氧化物等。其中WC與鐵液潤(rùn)濕性好，復(fù)合界面處可形成牢固的冶金結(jié)合，但其與鋼鐵的線脹系數(shù)差異很大，使得其抗熱震性很差，復(fù)合界面處極易因熱應(yīng)力而生成裂紋，并且WC價(jià)格昂貴，帶來(lái)很高的生產(chǎn)成本。另一常用的增強(qiáng)陶瓷Al2O3的價(jià)格較低，與鋼鐵的熱匹配性較好，但Al2O3的很高的本征脆性使得顆粒在應(yīng)力作用下容易折斷，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的耐磨性，并且Al2O3與鋼鐵的潤(rùn)濕性很差，制備高性能復(fù)合耐磨件的難度較大。
[0004]現(xiàn)有的制備方法中，先采用燒結(jié)法制備多孔陶瓷顆粒預(yù)制塊，接著利用鑄滲工藝是制備表面復(fù)合材料的一種有效方法。其中在預(yù)制塊制備時(shí)，金屬粉末作為陶瓷顆粒的粘結(jié)劑與其機(jī)械攪拌混合，填入一定形狀的模具壓制后進(jìn)行燒結(jié)，但粉末在顆粒表面很難均勻分布，會(huì)大大降低預(yù)制塊的強(qiáng)度且不利于之后金屬液的鑄滲和整個(gè)復(fù)合層性能的均一性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于克服以上技術(shù)問(wèn)題，提出了一種保證耐磨件在高應(yīng)力作用下具有高耐磨性和較長(zhǎng)的使用壽命的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的制備方法包括以下步驟:
[0007]I)首先，將多元活性金屬元素粉末與無(wú)水乙醇濕混得到混合粉末，其中多元活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物；
[0008]2)將上述混合粉末放入液體粘結(jié)劑中，利用恒溫磁力攪拌器使粉末均勻分散形成漿料，漿料中活性元素粉末的含量為100-500g/L ；
[0009]3)將10-20目的ZTA顆粒放入篩網(wǎng)中，并浸入漿料中保持10_30s后拿出放置10-60min，重復(fù)浸入涂掛10?20次，漿料涂掛在ZTA顆粒表面；[0010]4)將涂掛后的ZTA顆粒填入石墨模具施壓后放入爐中燒結(jié)，自室溫以5-10°C /min的升溫速度升溫至液體粘結(jié)劑的分解溫度時(shí)保溫20-30min，接著繼續(xù)升溫至950-1100°C燒結(jié)溫度后保溫1-2小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行降溫，冷卻至900°C后隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成多孔預(yù)制塊；
[0011]5)將多孔預(yù)制塊按15_30mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)?，采用鑄滲工藝澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合耐磨件。
[0012]所述的濕混采用球磨或混料筒混料。
[0013]所述的液體粘結(jié)劑為羥丙基甲基纖維素、聚乙二醇、丙二醇甲醚醋酸酯、硼砂溶液、磷酸鋁或磷酸-氧化銅。
[0014]所述的恒溫磁力攪拌形成漿料的溫度為150_400°C。
[0015]所述的多孔預(yù)制塊的孔隙率為50?70%。
[0016]所述的金屬液為制造耐磨件的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵、鎳系合金鑄鐵或球墨鑄鐵。
[0017]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:
[0018]本發(fā)明中使用的ZTA (氧化鋯增韌氧化鋁)陶瓷具有高硬度、高耐磨性，且因其中氧化鋯獨(dú)特的增韌作用而具有高韌性，并可通過(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，可替代常用陶瓷作為增強(qiáng)顆粒，具有巨大的應(yīng)用潛力。但ZTA與金屬較差的潤(rùn)濕性是一個(gè)需要解決的難題。
[0019]本發(fā)明中利用N1、Ti活性元素粉末將ZTA表面進(jìn)行活化，使用漿料涂掛的方法可保證活性元素粉末均勻地把ZTA顆粒完全包裹覆蓋，在高溫下形成完整的燒結(jié)殼層，給予預(yù)制塊較高的強(qiáng)度，并在之后的鑄滲過(guò)程中存在于復(fù)合界面處以避免ZTA與鋼鐵基體的直接接觸?；钚栽嘏cZTA及基體相互擴(kuò)散，形成冶金結(jié)合，可大大提高界面潤(rùn)濕性和結(jié)合強(qiáng)度，是改善陶瓷/金屬?gòu)?fù)合界面性能的有效措施。
[0020]本發(fā)明中多孔預(yù)制塊的形狀、尺寸可通過(guò)模具進(jìn)行控制，適用于不同種類耐磨件的制備。制備得到的耐磨件復(fù)合層中ZTA顆粒增強(qiáng)相與鋼鐵基體交互分布，具有釘扎效應(yīng)，復(fù)合層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。此外，復(fù)合層中硬度相對(duì)較低的金屬基體逐漸被磨損而凹陷，導(dǎo)致身邊的增強(qiáng)體承受主要磨損，以防止基體被進(jìn)一步磨損，即“宏觀陰影效應(yīng)”。同時(shí)在增強(qiáng)體中亦包含ZTA顆粒和滲入預(yù)制塊孔隙中的金屬兩相，其中ZTA顆粒也會(huì)突出于周圍的金屬?gòu)亩钟p，即“微觀陰影效應(yīng)”。因此本發(fā)明中的復(fù)合耐磨件由于上述的“雙陰影效應(yīng)”而具有高耐磨性和較長(zhǎng)的使用壽命，極大提高了經(jīng)濟(jì)效益。
【具體實(shí)施方式】
[0021]實(shí)施例1:磨輥
[0022]I)首先，將多元活性金屬元素粉末Ni和Cr的混合物與無(wú)水乙醇采用球磨混料得到混合粉末；
[0023]2)將上述混合粉末放入液體粘結(jié)劑羥丙基甲基纖維素中，在300°C恒溫磁力攪拌使粉末均勻分散形成漿料，漿料中活性元素粉末的含量為300g/L ；
[0024]3)將10-20目的ZTA顆粒放入篩網(wǎng)中，并浸入漿料中保持10_30s后拿出放置10-60min，重復(fù)浸入涂掛10?20次，漿料涂掛在ZTA顆粒表面；[0025]4)將涂掛后的ZTA顆粒填入石墨模具施壓后放入爐中燒結(jié)，自室溫以5°C /min的升溫速度升溫至液體粘結(jié)劑的分解溫度時(shí)保溫20-30min，接著繼續(xù)升溫至980°C燒結(jié)溫度后保溫1-2小時(shí)，隨后以4°C /min進(jìn)行降溫，冷卻至900°C后隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成孔隙率為50?70%的多孔預(yù)制塊；
[0026]5)將多孔預(yù)制塊按15mm的間距固定在輪胎式磨輥模具的端面?zhèn)龋捎秘?fù)壓鑄滲工藝澆注球墨鑄鐵冷卻脫模后得到復(fù)合磨輥。
[0027]實(shí)施例2:破碎機(jī)錘頭
[0028]I)將活性金屬元素粉末Ni放入液體粘結(jié)劑硼砂溶液中，在400°C恒溫磁力攪拌使粉末均勻分散形成漿料，漿料中活性元素粉末的含量為500g/L ；
[0029]2)將10-20目的ZTA顆粒放入篩網(wǎng)中，并浸入漿料中保持10_30s后拿出放置10-60min，重復(fù)浸入涂掛10?20次，漿料涂掛在ZTA顆粒表面；
[0030]3)將涂掛后的ZTA顆粒填入石墨模具施壓后放入爐中燒結(jié)，自室溫以10°C /min的升溫速度升溫至液體粘結(jié)劑的分解溫度時(shí)保溫20-30min，接著繼續(xù)升溫至1020°C燒結(jié)溫度后保溫1-2小時(shí)，隨后以6°C /min進(jìn)行降溫，冷卻至900°C后隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成孔隙率為50?70%的多孔預(yù)制塊；
[0031]4)將多孔預(yù)制塊按30mm的間距固定在破碎機(jī)錘頭模具的端面?zhèn)?，采用離心鑄滲工藝澆注高錳合金鋼，冷卻脫模后得到復(fù)合耐磨件。
[0032]實(shí)施例3:破碎機(jī)板錘
[0033]I)將活性金屬元素粉末Cr放入液體粘結(jié)劑磷酸鋁溶液中，在200°C恒溫磁力攪拌使粉末均勻分散形成漿料，漿料中活性元素粉末的含量為100g/L ；
[0034]2)將10-20目的ZTA顆粒放入篩網(wǎng)中，并浸入漿料中保持10_30s后拿出放置10-60min，重復(fù)浸入涂掛10?20次，漿料涂掛在ZTA顆粒表面；
[0035]3)將涂掛后的ZTA顆粒填入石墨模具施壓后放入爐中燒結(jié)，自室溫以9°C /min的升溫速度升溫至液體粘結(jié)劑的分解溫度時(shí)保溫20-30min，接著繼續(xù)升溫至950°C燒結(jié)溫度后保溫1-2小時(shí)，隨后以5°C /min進(jìn)行降溫，冷卻至900°C后隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成孔隙率為50?70%的多孔預(yù)制塊；
[0036]4)將多個(gè)預(yù)制塊固定在碎機(jī)板錘模具的端面?zhèn)?。制備厚度較薄的板錘時(shí)可放入呈細(xì)長(zhǎng)條狀的一排預(yù)制體；制備較厚大的板錘時(shí)可放入多排預(yù)制體，各個(gè)預(yù)制體之間相距25_，采用普通鑄滲工藝澆注高鉻鑄鐵，冷卻脫模后得到復(fù)合耐磨件。
【權(quán)利要求】
1.一種漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，其特征在于: 1)首先，將多元活性金屬元素粉末與無(wú)水乙醇濕混得到混合粉末，其中多元活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物； 2)將上述混合粉末放入液體粘結(jié)劑中，利用恒溫磁力攪拌器使粉末均勻分散形成漿料，漿料中活性元素粉末的含量為100-500g/L ； 3)將10-20目的ZTA顆粒放入篩網(wǎng)中，并浸入漿料中保持10-30s后拿出放置10-60min,重復(fù)浸入涂掛10?20次，漿料涂掛在ZTA顆粒表面； 4)將涂掛后的ZTA顆粒填入石墨模具施壓后放入爐中燒結(jié)，自室溫以5-10°C/min的升溫速度升溫至液體粘結(jié)劑的分解溫度時(shí)保溫20-30min，接著繼續(xù)升溫至950-1100°C燒結(jié)溫度后保溫1-2小時(shí)，隨后以4-6°C /min進(jìn)行降溫，冷卻至900°C后隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成多孔預(yù)制塊； 5)將多孔預(yù)制塊按15-30mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)?，采用鑄滲工藝澆注金屬液，冷卻脫模后得到復(fù)合耐磨件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，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所述的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，其特征在于:所述的液體粘結(jié)劑為羥丙基甲基纖維素、聚乙二醇、丙二醇甲醚醋酸酯、硼砂溶液、磷酸鋁或磷酸-氧化銅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，其特征在于:所述的恒溫磁力攪拌形成漿料的溫度為150-400°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，其特征在于:所述的多孔預(yù)制塊的孔隙率為50?70%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的漿料涂掛表面活化ZTA顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合耐磨件的制備方法，其特征在于:所述的金屬液為制造耐磨件的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵、鎳系合金鑄鐵或球墨鑄鐵。
【文檔編號(hào)】B22F7/04GK103785841SQ201410029318
【公開(kāi)日】2014年5月14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