一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟：將陶瓷顆?；蚪?jīng)表面預(yù)處理的陶瓷顆粒與自熔性合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物；將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2～10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為50-70MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150℃干燥箱中干燥2小時(shí)；將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐溫度為1000～1300℃、真空度為0.1～1.0Pa下燒結(jié)30～90min，冷卻出爐后得金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料。本發(fā)明因復(fù)合材料壓制而成，燒結(jié)后的復(fù)合材料致密度更高，復(fù)合在耐磨件表面后，耐磨壽命更長(zhǎng)；混合物中無粘結(jié)劑，燒結(jié)后復(fù)合材料中不會(huì)產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷。
【專利說明】一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及耐磨損金屬基復(fù)合材料，具體是陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基耐磨復(fù)合材料及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技水平和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對(duì)材料的耐磨性要求越來越高，電力、水泥、礦山、冶金、煤炭等行業(yè)設(shè)備的易損件要受到煤礦、砂石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量的金屬。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，能源的1/3?1/2消耗與摩擦和磨損有關(guān)。對(duì)材料來說，約80%的零件失效是由摩擦引起的，其中磨料磨損而失效的約占50%。我國(guó)用于磨料磨損工況的耐磨件，每年消耗200多萬噸。由此，研制一種能在磨損工況下，具有較長(zhǎng)使用壽命的耐磨復(fù)合材料顯得越來越重要。
[0003]在工業(yè)生產(chǎn)中的許多領(lǐng)域都存在惡劣的工作環(huán)境，要求工作部件同時(shí)具備耐磨耐熱或耐磨耐蝕綜合性能，因此具有單一性能的材料已不能滿足工況的需求。復(fù)合材料由于是將兩種或兩種以上具有不同性能的材料，通過物理或化學(xué)的方法將他們有機(jī)結(jié)合在一起，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，因此材料具有優(yōu)異的綜合性能。多年來，對(duì)顆粒增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料的工藝研究一直是復(fù)合材料研究的重大課題之一，也取得了一些成果。中國(guó)發(fā)明專利(CN101898239A)介紹了一種復(fù)合耐磨材料陶瓷顆粒增強(qiáng)體的制備方法，該增強(qiáng)體是由WC陶瓷顆粒在真空高溫環(huán)境中燒結(jié)而成，通過設(shè)計(jì)不同形狀尺寸的模具制成所要求的各種形狀的預(yù)制體，將預(yù)制體排列在鑄型端面，然后采用負(fù)壓澆鑄方法澆鑄金屬后，金屬液滲入預(yù)制體陶瓷顆粒增強(qiáng)體形成復(fù)合材料。該工藝方法存在碳化鎢價(jià)格昂貴、陶瓷顆粒只適合碳化鎢等缺陷，難以廣泛應(yīng)用。中國(guó)發(fā)明專利(101112718B)介紹了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料及其制備方法，該工藝特征是將金屬陶瓷顆粒放置在鑄型內(nèi)，再向鑄型內(nèi)澆注鋼液或鑄鐵液，靜態(tài)冷卻后制備得到陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。該工藝中高溫鐵液難以控制，WC-Co價(jià)格昂貴，制備的耐磨件因密度差異僅表面存在碳化鎢顆粒，耐磨層薄，使用受到一定限制。中國(guó)發(fā)明專利(CN101898238B)介紹了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)復(fù)合耐磨件及其制造方法，該方法是將陶瓷顆粒和金屬粉混合后填充于石墨模具中，然后連同模具一起放入真空爐中燒結(jié)，金屬粉將陶瓷顆粒粘結(jié)成預(yù)制體，然后再將預(yù)制體澆鑄在耐磨件的表面。該工藝制備的預(yù)制體存在孔隙度大，耐磨壽命短等缺陷。中國(guó)發(fā)明專利(CN102513522A)介紹了一種陶瓷顆粒增強(qiáng)鋼鐵基網(wǎng)格狀復(fù)合材料的制備方法，該方法是通過粉末燒結(jié)將硬質(zhì)陶瓷顆粒和合金粉的混合物燒結(jié)成條狀塊，將條狀塊拼接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或者網(wǎng)狀立體骨架結(jié)構(gòu)，采用砂型或消失模鑄造熔煉基材金屬材料，將其澆注入型腔中，溫室冷卻凝固得到所需復(fù)合材料。該工藝存在以下缺陷:對(duì)于球面或其他不規(guī)則形狀的耐磨面，條狀塊難以實(shí)現(xiàn)；條狀快不利于大中型耐磨件制備；澆鑄后條狀塊粘結(jié)處無金屬材料，留有縫隙，存在使用隱患。中國(guó)發(fā)明專利(CN1080221)介紹了一種制備顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合材料的鑄造方法，其工藝步驟是將制備好的消失模放入鑄型中，這樣在消失模和鑄型間就形成空隙。將空隙填滿硬質(zhì)顆粒，合箱抽真空澆注，從而在表面形成含硬質(zhì)顆粒的耐磨材料。該方法工藝復(fù)雜，不能很好的將消失模負(fù)壓鑄造工藝的優(yōu)點(diǎn)利用起來，生產(chǎn)效率低，且復(fù)合層厚度低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種陶瓷復(fù)合層致密度更高、陶瓷顆粒分布更均勻、耐磨性能良好的金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料及其制備方法。采用該方法制備的復(fù)合材料在充分發(fā)揮硬質(zhì)相高耐磨性的同時(shí)，也保留了基材金屬的良好韌性，從而達(dá)到最佳性能匹配，能制成多種結(jié)構(gòu)形狀的產(chǎn)品。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)將粒徑為6?50目的陶瓷顆?；蚪?jīng)表面預(yù)處理的陶瓷顆粒與自熔性合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中陶瓷顆粒與自熔性合金粉末的體積比為1:19?1:1，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的1%?6% ；
(2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?1mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為50-70MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐溫度為1000?1300°C、真空度為0.1?
1.0Pa下燒結(jié)30?90min，冷卻出爐后得金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料。
[0006]作為優(yōu)選，所述陶瓷顆粒為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷中的一種。
[0007]作為優(yōu)選，所述普鋼墊片表面放置一層0.2^0.5_厚的石墨紙。
[0008]作為優(yōu)選，所述自熔性合金粉末為鐵基、鎳基或鈷基等合金粉末。
[0009]該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料中的金屬基體硬度為HRC54?60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
[0010]所述的模具可以根據(jù)不同設(shè)備所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。
[0011]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
第一，因復(fù)合材料壓制而成，燒結(jié)后的復(fù)合材料致密度更高，復(fù)合在耐磨件表面后，耐磨壽命更長(zhǎng)；
第二，該工藝適用范圍更廣，可根據(jù)工況選擇不同陶瓷顆粒，相比單一使用碳化鎢，可大大節(jié)約成本；
第三，陶瓷顆粒分布更均勻，復(fù)合材料可根據(jù)不同耐磨件要求設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)；
第四，混合物中無粘結(jié)劑，燒結(jié)后復(fù)合材料中不會(huì)產(chǎn)生夾渣、氣孔等缺陷；
第五，該工藝適合制備較厚大的復(fù)合材料預(yù)制體，容易成型，脫模方便。
[0012]此外，由于自熔性合金材料在低溫下容易形成液態(tài)相，且流動(dòng)性良好，所以液態(tài)金屬合金相與陶瓷相的包覆性效果很好，兩相結(jié)合面無任何縫隙、裂紋等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的HP型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料主視圖。
[0014]圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的HP型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料側(cè)視圖。
[0015]圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的HP型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料主視圖。
[0016]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的HP型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料側(cè)視圖。
[0017]圖5為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MPS型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料主視圖。
[0018]圖6為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MPS型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料側(cè)視圖。
[0019]圖7為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MPS型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料主視圖。
[0020]圖8為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的MPS型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料側(cè)視圖。
[0021]圖9為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的復(fù)合耐磨板用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例1
如圖1和圖2所示一種HP型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟:
(1)將粒徑為6?50目的氧化鋁陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鋁陶瓷與鐵基合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中，氧化鋁陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鋁陶瓷與鐵基合金粉末的體積比為1:1，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的2% ；
(2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為50MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐最高溫度為1050°C、真空度為
0.2^0.4Pa下燒結(jié)60min，冷卻出爐后得HP型磨輥用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料；
(4)該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
[0023]實(shí)施例2
如圖3和圖4所示的另一種HP型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料，其制備方法包括如下步驟:
(1)將粒徑為6?50目的碳化鎢陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的碳化鎢陶瓷與鎳基合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中，碳化鎢陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的碳化鎢陶瓷與鎳基合金粉末的體積比為1: 19，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的3% ；
(2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為70MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐最高溫度為1000°C、真空度為
0.2^0.4Pa下燒結(jié)70min，冷卻出爐后得HP型磨盤用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料；
(4)該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
[0024]實(shí)施例3
如圖5和圖6所示的一種MPS型磨輥用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
(I)將粒徑為6?50目的氧化鋯陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鋯陶瓷與鐵基合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中，氧化鋯陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鋯陶瓷與鐵基合金粉末的體積比為1:10，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的1%; (2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為60MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐最高溫度為1100°C、真空度為
0.2^0.4Pa下燒結(jié)90min，冷卻出爐后得MPS型磨輥用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料；
(4)該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
[0025]實(shí)施例4
如圖7和圖8所示的另一種MPS型磨盤用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)將粒徑為6?50目的氮化鈦陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氮化鈦陶瓷與鈷基合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中，氮化鈦陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氮化鈦陶瓷與鈷基合金粉末的體積比為1:15,聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的5% ；
(2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為50MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐最高溫度為1300°C、真空度為
0.2^0.4Pa下燒結(jié)30min，冷卻出爐后得MPS型磨輥用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料；
(4)該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
[0026]實(shí)施例5
如圖9所示的一種復(fù)合耐磨板用金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:
(1)將粒徑為6?50目的氧化鉻陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鉻陶瓷與鐵基合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中，氧化鉻陶瓷或經(jīng)表面預(yù)處理的氧化鉻陶瓷與鐵基合金粉末的體積比為1:4，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的6% ；
(2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?10mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為70MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)；
(3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐最高溫度為1250°C、真空度為
0.2^0.4Pa下燒結(jié)50min，冷卻出爐后得復(fù)合耐磨板用金屬/陶瓷耐磨復(fù)合材料；
(4)該復(fù)合材料與進(jìn)爐前的素坯結(jié)構(gòu)一致，金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mm。
【權(quán)利要求】
1.一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)將粒徑為6?50目的陶瓷顆粒或經(jīng)表面預(yù)處理的陶瓷顆粒與自熔性合金粉末用聚乙烯醇混合均勻得混合物，其中陶瓷顆粒與自熔性合金粉末的體積比為1:19?1:1，聚乙烯醇的加入量是陶瓷質(zhì)量的1%?6% ； (2)將上述混合物填充于壓機(jī)模具型腔內(nèi)，型腔底部預(yù)先放置2?1mm普鋼墊片，混合物所受壓機(jī)壓強(qiáng)為50-70MPa，成型脫模后，素坯連同墊片一并放入150°C干燥箱中干燥2小時(shí)； (3)將干燥后的素坯連同墊片一并放入真空爐溫度為1000?1300°C、真空度為0.1?1.0Pa下燒結(jié)30?90min，冷卻出爐后得金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述陶瓷顆粒為氧化物陶瓷、氮化物陶瓷或碳化物陶瓷中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述普鋼墊片表面放置一層0.2^0.5mm厚的石墨紙。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述自熔性合金粉末為鐵基、鎳基或鈷基等合金粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料的制備方法，其特征在于:所述金屬陶瓷耐磨復(fù)合材料中的金屬基體硬度為Η%5Γ60，陶瓷顆粒硬度為HRC68?81，厚度為6?60mmo
【文檔編號(hào)】B22F3/16GK104139185SQ201410419393
【公開日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2014年8月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月25日
【發(fā)明者】錢兵, 孫書剛 申請(qǐng)人:南通高欣耐磨科技股份有限公司