一種多晶剛玉復相材料的生產工藝的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，具體步驟為通過鑄造飛灰、不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉形成微晶核、采用特殊的天然鋁礬土熔煉形成剛玉晶相、添加金屬材料進行熔煉預處理以及材料的熔鑄。本發明可以制備不同脆韌性的多晶剛玉復合材料，具有顯著高硬度高韌性特點和卓越的摩擦學性能，在耐磨、抗沖擊材料領域有重要的應用。
【專利說明】
—種多晶剛玉復相材料的生產工藝
技術領域
[0001]本發明屬于陶瓷-金屬復合材料領域，特別是涉及一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，包括形成微晶核和剛玉主晶相，熔煉預處理以及材料的熔鑄。
【背景技術】
[0002]隨著現代材料制造業等領域的快速發展，礬土資源和質量越來越受關注，特別是優質礬土資源面臨枯竭的狀況，使得熔煉剛玉材料的原料面臨困境。發展新型的高功能高硬度高韌性的耐磨材料，替代以消耗礬土資源和能源的白剛玉和棕剛玉品種，成為材料研究的潛在趨勢。一些功能與結構一體化的新型材料，如拓撲點陣材料、laves結構材料等，因其顯著的高硬度和卓越的韌性以及摩擦學性能而吸引了國外諸多學者的研究。它們要求的理論組成與中國廢棄的低質量礬土資源的成分組成相近，均由A1203、S12, Fe2O3和T12形成的高硬高硬相，達到剛玉的硬度和磨削性能。目前尚未有直接生產方法的報道。
【發明內容】
[0003]本發明針對優質礬土資源面臨枯竭、使得熔煉剛玉材料的原料面臨困境的狀況，以及冶煉能耗成本高等問題，提出一種具有高功能、高硬度、高韌性的耐磨材料微晶增強多晶剛玉復相材料。
[0004]本發明實現上述目的所采用的技術方案是:
[0005]一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，有如下步驟組成:
[0006](I)、微晶核熔體的準備
[0007]a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.5?1.8: I?1.5: 0.3?0.5的比例混合，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻；
[0008]b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780?1960°C，熔煉條件下按原料總質量的I?5%添加氮化釩合金，熔煉3?5h ;
[0009]C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用；
[0010](2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700?2300°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的I?5%添加氮化釩合金，熔煉3?5h，形成剛玉主晶相熔體；
[0011](3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的15?45%，調節溫度到1550?1850°C，充分混均后，保溫50min以上；
[0012](4)、熔鑄，將上述步驟⑶中混合熔體控制結晶I?12小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。
[0013]作為上述技術方案的改進，所述步驟(I)可同時加入原料總質量的1.5?9%的鋁鉻渣。
[0014]進一步的，所述的微晶核熔體是拓撲密堆相，剛玉主晶相熔體是剛玉以及其他少量鋁鐵氧系高硬相。
[0015]進一步的，所述熔鑄方式為常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造以及負壓-電磁場鑄造的任意一種。
[0016]本發明的有益效果是:本發明提供了一種具有laves相的高硬度和高韌性結構的多晶剛玉復合材料，這類材料是在微晶基體的結構上，形成大量的laves相，起到增強剛玉主晶相的功能。使用鑄造飛灰和回收微粉、鈦合金粉的回收原料和天然低擋鋁礬土，屬于循環經濟模式。高含量的鋁、鈮、釩、鈦、氮合金材料引入熔鑄工藝環節，實現微晶晶核的發育和再形核，并誘導剛玉主晶相在微晶基體組織中發育完整，同時起到晶粒細化、晶界強化和彌散強化的作用，大大提高了材料的的韌性和硬度。多晶剛玉復合材料兼具陶瓷耐高溫耐磨損耐腐蝕特性和金屬材料強韌性，可以把金屬材料的優良韌性和剛玉的硬度結合起來，使其具有良好的磨削和摩擦性能，能夠長期承受很大的靜載荷和周期載荷，在航空、航天和交通材料領域具有很好的應用前景，特別在磨削和耐磨材料領域具有非常重要的應用價值。
【附圖說明】
[0017]圖1為多晶剛玉復合材料的生產工藝流程圖
【具體實施方式】
[0018]實施例1
[0019]一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，有如下步驟組成:
[0020](I)、微晶核熔體的準備
[0021]a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.5: I: 0.3的比例混合，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻；
[0022]b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780°C，熔煉條件下按原料總質量的I %添加含有氮化釩合金，熔煉5h，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為1850°C或1960°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0023]C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用；
[0024](2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的I %添加氮化釩合金，熔煉5h，形成剛玉主晶相熔體，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為2000°C或2300°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0025](3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的15%，調節溫度到1550°C或1650°C，充分混均后，保溫50min以上；
[0026](4)、熔鑄，將上述步驟(3)中混合熔體控制結晶5小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行常溫熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。
[0027]實施例2
[0028]一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，有如下步驟組成:
[0029](I)、微晶核熔體的準備
[0030]a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.5: I: 0.3的比例混合，同時加入原料總質量的1.5%的鋁鉻渣，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻；
[0031]b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780°C，熔煉條件下按原料總質量的I %添加含有氮化釩合金，熔煉5h，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為1850°C或1960°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0032]C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用；
[0033](2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的I %添加氮化釩合金，熔煉5h，形成剛玉主晶相熔體，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為2000°C或2300°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0034](3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的15%，調節溫度到1550°C或1650°C，充分混均后，保溫50min以上；
[0035](4)、熔鑄，將上述步驟(3)中混合熔體控制結晶5小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行負壓熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。
[0036]實施例3
[0037]—種多晶剛玉復相材料的生產工藝，有如下步驟組成:
[0038](I)、微晶核熔體的準備
[0039]a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.8: 1.5: 0.5的比例混合，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻；
[0040]b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780°C，熔煉條件下按原料總質量的5%添加含有氮化釩合金，熔煉5h，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為1850°C或1960°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0041]C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用；
[0042](2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的5%添加氮化釩合金，熔煉5h，形成剛玉主晶相熔體，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為2000°C或2300°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0043](3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的45%，調節溫度到1650°C或1750°C，充分混均后，保溫50min以上；
[0044](4)、熔鑄，將上述步驟(3)中混合熔體控制結晶8小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行差壓熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。
[0045]實施例4
[0046]—種多晶剛玉復相材料的生產工藝，有如下步驟組成:
[0047](I)、微晶核熔體的準備
[0048]a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.8: 1.5: 0.5的比例混合，同時加入原料總質量的9%的鋁鉻渣，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻；
[0049]b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780°C，熔煉條件下按原料總質量的5%添加含有氮化釩合金，熔煉5h，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為1850°C或1960°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0050]C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用；
[0051](2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的5%添加氮化釩合金，熔煉5h，形成剛玉主晶相熔體，當然上述熔煉溫度和時間可也以作適應調整，例如將熔煉溫度調整為2000°C或2300°C，時間為3小時或4小時亦可以；
[0052](3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的45%，調節溫度到1650°C或1750°C，充分混均后，保溫50min以上；
[0053](4)、熔鑄，將上述步驟(3)中混合熔體控制結晶8小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行重力-電磁場熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。
【主權項】
1.一種多晶剛玉復相材料的生產工藝，其特征在于，有如下步驟組成: (1)、微晶核熔體的準備 a、原料混合，將主要成分為氧化鋁的鑄造飛灰、含有Cr元素的不銹鋼鑄造回收微粉和鈦合金熔煉飛濺回收的鈦合金粉，按照1.5?1.8: I?1.5: 0.3?0.5的比例混合，在機械混粉機中攪拌30min使其均勻； b、熔煉，將步驟a中混合均勻的原料轉移至立式微晶熔煉爐中熔煉，控制溫度1780?1960°C，熔煉條件下按原料總質量的I?5%添加氮化釩合金，熔煉3?5h ; C、微晶核熔體的形成，將步驟b中熔體傾倒進冷凝容器，快速降溫至1500°C，形成微晶核熔體，熔體在半固態狀態下備用； (2)、剛玉主晶相熔體的準備，將天然高鋁礬土加入大型熔煉爐，在1700?2300°C熔煉熔融，熔煉條件下按原料總質量的1-5%添加氮化釩合金，熔煉3?5h，形成剛玉主晶相熔體； (3)熔體混合處理，將步驟(I)中形成的微晶核熔體加入含有剛玉主晶相熔體的大型熔煉爐，加入比例占整個熔體體積的15?45%，調節溫度到1550?1850°C，充分混均后，保溫50min以上； (4)、熔鑄，將上述步驟(3)中混合熔體控制結晶I?12小時，澆鑄到帶有冷卻裝置的金屬模具中進行熔鑄，冷卻后得到多晶剛玉復相材料。2.根據權利要求1所述多晶剛玉復相材料的生產工藝，其特征在于:所述步驟(I)中a可同時加入原料總質量的1.5?9%的鋁鉻渣。3.根據權利要求1或2所述多晶剛玉復相材料的生產工藝，其特征在于:所述的微晶核熔體是拓撲密堆相，剛玉主晶相熔體是剛玉以及其他少量鋁鐵氧系高硬相。4.根據權利要求1或2所述多晶剛玉復相材料的生產工藝，其特征在于:所述熔鑄方式為常壓鑄造，負壓鑄造，差壓鑄造，重力-電磁場鑄造以及負壓-電磁場鑄造的任意一種。
【文檔編號】C22C1/10GK105886824SQ201410536175
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年10月13日
【發明人】呂鳳鳴, 鞏瀟然, 劉海松
【申請人】鄭州燁達高新材料有限公司