一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件及其制作方法與流程

本發明涉及一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件及其制作方法，屬于耐磨復合材料技術領域。

背景技術：

耐磨材料可有效改善工件的耐磨性能，應用廣泛，主要可以分為高錳鋼系、高鉻鑄鐵系、耐磨合金鋼系等，適用于不同的工況條件。由于生產的需要，許多設備需要在高溫、高壓、高速等惡劣工況條件下長期運轉，因此對設備表面強度、耐磨性等提出了更高的要求。然而，傳統單一材質的耐磨材料，在經過材料成分調整、熱處理工藝改性、冶金質量控制等多種措施處理后，其潛力已經充分挖掘出來，要想進一步顯著提升耐磨性能已經不大可能。

耐磨復合材料是耐磨材料發展的必然趨勢，其基本原理是：選擇具有合適強韌性的基體，再在基體中設置高耐磨骨料，最終得到具有優異耐磨性和韌性的復合材料。高硬度陶瓷顆粒是一種理想的高耐磨骨料，具有廣闊的應用前景。研究人員對鑄造碳化鎢、氧化鋁、碳化硅、碳化硼、氮化硼、ZTA等多種陶瓷顆粒進行了研究，取得了一定的成果，部分成果已經應用于生產實踐，但是在技術成熟度、生產穩定性、實際使用效果、工藝難度、生產成本等方面還存在缺陷，限制了它們在耐磨復合材料領域的廣泛應用。

公開號為CN 1236822A的中國專利公開了一種鐵或鋼基復合材料的生產工藝方法，該方法將SiC、Al₂O₃、TiB₂等與熔融的鐵合金熔合，制成中間復合體，再將中間復合體粉碎，然后采用懸浮鑄造的方法加入到熔融的鐵或鋼基體中，使中間復合體與基體金屬材料緊密結合，得到顆粒增強鐵或鋼基復合材料。該方法制備的復合材料中的耐磨顆粒在鑄件內分布不均勻，易積聚在上表面或阻滯在轉角處，與金屬液潤濕性差。

公開號為CN 101112718A的中國專利公開了一種陶瓷顆粒增強鐵基復合材料及其制備方法，該方法通過在砂型表面直接放置WC顆粒來實現鑄滲效果，得到陶瓷顆粒增強鐵基復合材料。該方法存在鑄滲厚度有限、顆粒易跑位、只能針對鑄型下表面、復合材料表面鑄造質量差等缺點。

公開號為CN 102233422A的中國專利公開了一種復合材料導衛板及其制備工藝，該工藝將粘結劑、合金粉末和陶瓷顆粒混合，攪拌均勻后鋪設到導衛板鑄型中，澆鑄基材金屬得到復合材料導衛板。該方法制備的復合材料易出現氣孔、夾渣等鑄造缺陷，顆粒易跑位。

公開號為CN 103736559A的中國專利公開了一種用于立磨機磨盤的金屬基陶瓷增強體及其制備方法，該方法先將剛玉和鐵粉燒結成一體的金屬基陶瓷增強體，再將2.5～3.5mm的剛玉顆粒與鐵粉混合均勻后將混合物料送入燒結窯在一定溫度下進行燒制，至鐵粉完全熔化為止，然后將燒好的混合物料置入事先制好的模具中，冷卻后脫模制得預制體。該方法存在熔化的鐵液對剛玉的潤濕性差、增強體強度低、鑄滲效果差、剛玉韌性差等缺點。

公開號為CN 101898238A的中國專利公開了一種陶瓷顆粒增強復合耐磨件及其制造方法，該方法將陶瓷顆粒與金屬粉混合均勻填充于模具中，將陶瓷顆粒和金屬粉連同模具一起放入真空燒結爐內進行燒結，金屬粉將陶瓷顆粒粘結在一起形成預制體。該方法存在占用大量模具、烘干后金屬粉易掉落分層、制備效率低等缺點。

綜上所述，高硬度陶瓷顆粒直接作為骨料用于鑄件時，往往存在很多問題，最終得到的復合耐磨件性能不佳。若將高硬度陶瓷顆粒、連接材料、粘結劑等混合，制作成具有特定形狀、結構和尺寸的耐磨嵌件，鑄造時預先將其放置在砂型的相應位置，再澆注金屬液將其緊密包裹，即可得到耐磨性能優異的復合鑄件。

本發明公開了一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件及其制作方法，該制作方法效率高，塑形穩定，鑄滲效果好，制作得到的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件抗高溫潰散性好，與金屬液的潤濕性好，耐磨性能優異。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件及其制作方法。

本發明所采取的技術方案是：

一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件的制作方法，包括以下步驟：

1)根據鑄件形狀確定嵌件的形狀、結構和尺寸，采用鋁合金制作壓制嵌件用模具；

2)對氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒進行除油清洗，再進行化學鍍鎳，清洗，烘干；

3)將氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液混合均勻，得到嵌件用模料；

4)將模料填入步驟1）的模具型腔中，采用震壓式脫箱造型機將模料震實壓緊，脫模，得到料坯；

5)將料坯放入熱風爐，充分干燥；

6)將干燥過的料坯放入真空燒結爐，進行真空燒結，再冷卻出爐，得到陶瓷顆粒增強耐磨嵌件。

步驟1）所述的嵌件為具有多個通孔的長方體、扇形體、圓柱體、棱柱體中的一種。

所述的嵌件的外形尺寸為（30～500）mm×（30～500）mm×（3～150）mm。

所述的通孔的形狀為圓形、梅花形、正六邊形中的一種，孔徑為5～40mm。

步驟2）所述的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒中氧化鋯的含量為20wt%～30wt%，顆粒粒徑為1～5mm。

步驟3）所述的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液的質量比為100：（45～60）：（1.5～3）：（0.3～0.5）：（6～10）。

步驟4）所述的震壓式脫箱造型機的振動頻率為20～30Hz，壓力為0.2MPa～0.5MPa。

步驟5）中干燥溫度為60～90℃，干燥時間為4～6h。

步驟6）所述的真空燒結爐內的初始真空度為0.1Pa～1Pa，燒結溫度為1300～1390℃，燒結時間為30～60min。

本發明的有益效果是：

1）本發明采用的是氧化鋯含量為20wt%～30wt%的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒，其常溫下的抗折強度和斷裂韌性比氧化鋁、碳化硅等陶瓷顆粒更高，耐磨性能優異，與金屬液的潤濕性好，其成本比碳化鎢顆粒低，與金屬的熱膨脹性能更匹配，使用過程中不易剝落；

2）本發明采用奧氏體不銹鋼粉作為連接材料，可顯著改善耐磨嵌件的潤濕性和抗高溫潰散性；

3）本發明采用磷酸鋁作為粘結劑，中溫燒結階段的粘結強度高，高溫燒結階段無有害物質殘留，不會對鑄滲性能造成影響，也不會導致鑄造缺陷；

4）本發明采用木薯粉來優化填充塑形性能；

5）本發明采用震壓式脫箱造型的方式來制作嵌件坯，效率高，塑形穩定，強度合適，均勻性好，便于造型時定位和固定。

附圖說明

圖1為實施例1的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件的斷面圖。

圖2為實施例2的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件的斷面圖。

圖3為實施例3的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件的斷面圖。

附圖標注說明：1、耐磨嵌件本體；2、通孔。

具體實施方式

一種陶瓷顆粒增強耐磨嵌件的制作方法，包括以下步驟：

1)根據鑄件形狀確定嵌件的形狀、結構和尺寸，采用鋁合金制作壓制嵌件用模具；

2)對氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒進行除油清洗，再進行化學鍍鎳，清洗，烘干；

3)將氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液混合均勻，得到嵌件用模料；

4)將模料填入步驟1）的模具型腔中，采用震壓式脫箱造型機將模料震實壓緊，脫模，得到料坯；

5)將料坯放入熱風爐，充分干燥；

6)將干燥過的料坯放入真空燒結爐，進行真空燒結，再冷卻出爐，得到陶瓷顆粒增強耐磨嵌件。

優選的，步驟1）所述的嵌件為具有多個通孔的長方體、扇形體、圓柱體、棱柱體中的一種。

優選的，所述的嵌件的外形尺寸為（30～500）mm×（30～500）mm×（3～150）mm。

優選的，所述的通孔的形狀為圓形、梅花形、正六邊形中的一種，孔徑為5～40mm。

優選的，步驟2）所述的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒中氧化鋯的含量為20wt%～30wt%，顆粒粒徑為1～5mm。

優選的，步驟3）所述的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液的質量比為100：（45～60）：（1.5～3）：（0.3～0.5）：（6～10）。

優選的，步驟4）所述的震壓式脫箱造型機的振動頻率為20～30Hz，壓力為0.2MPa～0.5MPa。

優選的，步驟5）中干燥溫度為60～90℃，干燥時間為4～6h。

優選的，步驟6）所述的真空燒結爐內的初始真空度為0.1Pa～1Pa，燒結溫度為1300～1390℃，燒結時間為30～60min。

采用本發明的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件制作復合耐磨鑄件包括以下步驟：

1)采用水玻璃砂或樹脂砂造型，根據鑄件形狀和使用部位確定陶瓷嵌件的埋放位置，預留鎖緊桿穿過的孔，采用消失模鑄造時，將嵌件先埋入泡沫模的相應位置；

2)將耐磨嵌件放入砂型的型腔中，采用不銹鋼鋼芯將耐磨嵌件固定在離型腔表面2～10mm處，采用螺桿連接嵌件內預埋的螺帽，拉緊固定嵌件；

3)熔煉所需材質的金屬液，澆入埋設了耐磨嵌件的型腔內，澆注溫度比通常的澆溫高40～50℃，冷卻后得到鑄滲良好的復合耐磨鑄件。

下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步的解釋和說明。

實施例1：用于高鉻鑄鐵板錘的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件

1）陶瓷嵌件的形狀為長方體，斷面尺寸為250mm×95mm（斷面如圖1所示），厚度為100mm，通孔為圓形，孔徑為15mm，通孔錯開均勻分布，通孔中心距為35mm；

2）采用鋁合金制作模具，通孔芯棒固定在模具底板上，芯棒的拔模斜度為3°，再采用鋁合金制作尺寸為250mm×95mm×100mm且對角可拆除的箱框，再將箱框與模具組合裝配好，置于震壓式脫箱造型機的工作臺上，沿嵌件寬度中心線設置2個支撐與鎖緊位置，預置M6帶蓋不銹鋼螺母作為鎖緊裝置；

3）選擇氧化鋯含量為25wt%的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒，顆粒粒徑為2～3mm，形狀為不規則多角形，將陶瓷顆粒除油清洗，然后化學鍍鎳后清洗烘干；

4）將氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、304鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液按質量比100:50:2:0.4:8加入攪拌機進行攪拌，使金屬粉末及各種輔料均勻包裹在陶瓷顆粒表面，同時避免陶瓷顆粒破碎；

5）根據嵌件尺寸確定所需模料，將定量模料均勻填入模具型腔中，采用震壓式脫箱造型機將模料震實壓緊，振動頻率為25Hz，壓力為0.3MPa，在震擊下將料坯頂箱脫模，將料坯連同箱框放置在耐用周轉承受墊板上，料坯與墊板之間墊0.3mm厚的石墨紙，拆除箱框；

6）將料坯連同石墨紙和墊板一起進熱風爐風干，70℃干燥5h；

7）將烘干的料坯連同石墨紙和墊板一起放入真空燒結爐，進行燒結，初始真空度為0.2Pa，燒結溫度為1350℃，燒結40min后關閉熱源，隨爐冷卻到200℃出爐，得到用于高鉻鑄鐵板錘的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件。

實施例2：用于高鉻鑄鐵磨輥輥套的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件

1）陶瓷嵌件的形狀為弧面扇形體，展開后的尺寸為500mm×300mm（斷面如圖2所示），厚度為80mm，通孔為正六邊形，正六邊形的邊長20mm，通孔錯開均勻分布，通孔中心距為50mm；

2）采用鋁合金制作模具，通孔芯棒為可單獨抽取的活動式，通過模具底部的芯座定位，芯棒的拔模斜度為3°，再采用鋁合金制作尺寸為500mm×300mm×80mm且對角可拆除的箱框，再將箱框與模具組合裝配好，置于震壓式脫箱造型機的工作臺上，沿嵌件寬度中心線設置2個支撐與鎖緊位置，預置M8帶蓋不銹鋼螺母作為鎖緊裝置；

3）選擇氧化鋯含量為30wt%的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒，顆粒粒徑為3～5mm，形狀為不規則多角形，將陶瓷顆粒除油清洗，然后化學鍍鎳后清洗烘干；

4）將氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、316鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液按質量比100:60:3:0.5:10加入攪拌機進行攪拌，使金屬粉末及各種輔料均勻包裹在陶瓷顆粒表面，同時避免陶瓷顆粒破碎；

5）根據嵌件尺寸確定所需模料，將定量模料均勻填入模具型腔中，采用震壓式脫箱造型機將模料震實壓緊，振動頻率為30Hz，壓力為0.5MPa，在震擊下將料坯頂箱脫模，將料坯連同箱框放置在耐用周轉承受墊板上，料坯與墊板之間墊0.4mm厚的石墨紙，拆除箱框；

6）將料坯連同石墨紙和墊板一起放進熱風爐風干，90℃干燥4h；

7）將烘干的料坯連同石墨紙和墊板一起放入真空燒結爐，進行燒結，初始真空度為0.5Pa，燒結溫度為1390℃，燒結30min后關閉熱源，隨爐冷卻到300℃出爐，得到用于高鉻鑄鐵磨輥輥套的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件。

實施例3：用于高錳鋼磁性襯板的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件

1）陶瓷嵌件的形狀為長方形薄片，尺寸為80mm×40mm（斷面如圖3所示），厚度為4mm，沿寬度中心線設置2個定位通孔，通孔為圓形，孔徑為5mm；

2）采用鋁合金制作模具，通孔芯棒固定在模板，芯棒的拔模斜度為5°，再采用鋁合金制作尺寸為80mm×40mm×4mm且對角可拆除的箱框，箱框與模具組合裝配好，置于震壓式脫箱造型機的工作臺上；

3）選擇氧化鋯含量為20wt%的氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒，顆粒粒徑為1～3mm，形狀為不規則多角形，將陶瓷顆粒除油清洗，然后化學鍍鎳后清洗烘干；

4）將氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷顆粒、304鉻鎳奧氏體不銹鋼粉、硼砂、木薯粉和磷酸鋁溶液按質量比100:45:1.5:0.3:6加入攪拌機進行攪拌，使金屬粉末及各種輔料均勻包裹在陶瓷顆粒表面，同時避免陶瓷顆粒破碎；

5）根據嵌件尺寸確定所需模料，將定量模料均勻填入模具型腔中，采用震壓式脫箱造型機將模料震實壓緊，振動頻率為20Hz，壓力為0.2MPa，在震擊下將料坯頂箱脫模，將料坯連同箱框放置在耐用周轉承受墊板上，料坯與墊板之間墊0.2mm厚的石墨紙，拆除箱框；

6）將料坯連同石墨紙和墊板一起進熱風爐風干，60℃干燥6h；

7）將烘干的料坯連同石墨紙和墊板一起放入真空燒結爐，進行燒結，初始真空度為1Pa，燒結溫度為1300℃，燒結60min后關閉熱源，隨爐冷卻到250℃出爐，得到用于高錳鋼磁性襯板的陶瓷顆粒增強耐磨嵌件。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。