一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法

摘要

本发明公开了一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法，其制作方法包括以下步骤：1）根据铸件形状确定嵌件的形状、结构和尺寸，采用铝合金制作压制嵌件用模具；2）氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒的除油、化学镀镍和清洗干燥；3）嵌件用模料的制备；4）将模料填入步骤1）的模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，脱模，得到料坯；5）将料坯放入热风炉，充分干燥；6）将干燥过的料坯放入真空烧结炉，进行真空烧结，再冷却出炉，得到陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。本发明的制作方法效率高，塑形稳定，铸渗效果好，制作的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件抗高温溃散性好，与金属液的润湿性好，耐磨性能优异。

权利要求

1.一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）根据铸件形状确定嵌件的形状、结构和尺寸，采用铝合金制作压制嵌件用模具；

2）对氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒进行除油清洗，再进行化学镀镍，清洗，烘干；

3）将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液混合均匀，得到嵌件用模料；

4）将模料填入步骤1）的模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，脱模，得到料坯；

5）将料坯放入热风炉，充分干燥；

6）将干燥过的料坯放入真空烧结炉，进行真空烧结，再冷却出炉，得到陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤1）所述的嵌件为具有多个通孔的长方体。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述的嵌件的外形尺寸为（30～500）mm×（30～500）mm×（3～150）mm。

4.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于：所述的通孔的形状为圆形、梅花形中的一种，孔径为5～40mm。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤2）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒中氧化锆的含量为20wt%～30wt%，颗粒粒径为1～5mm。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤3）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液的质量比为100：（45～60）：（1.5～

3）：（0.3～0.5）：（6～10）。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤4）所述的震压式脱箱造型机的振动频率为20～30Hz，压力为0.2MPa～0.5MPa。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤5）中干燥温度为60～90℃，干燥时间为4～6h。

9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：步骤6）所述的真空烧结炉内的初始真空度为0.1Pa～1Pa，烧结温度为1300～1390℃，烧结时间为30～60min。

10.权利要求1～9中任意一项所述的方法制作的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

说明书

一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法，属于耐磨复合材料技术领域。

背景技术

[0002] 耐磨材料可有效改善工件的耐磨性能，应用广泛，主要可以分为高锰钢系、高铬铸铁系、耐磨合金钢系等，适用于不同的工况条件。由于生产的需要，许多设备需要在高温、高压、高速等恶劣工况条件下长期运转，因此对设备表面强度、耐磨性等提出了更高的要求。然而，传统单一材质的耐磨材料，在经过材料成分调整、热处理工艺改性、冶金质量控制等多种措施处理后，其潜力已经充分挖掘出来，要想进一步显著提升耐磨性能已经不大可能。

[0003] 耐磨复合材料是耐磨材料发展的必然趋势，其基本原理是：选择具有合适强韧性的基体，再在基体中设置高耐磨骨料，最终得到具有优异耐磨性和韧性的复合材料。高硬度陶瓷颗粒是一种理想的高耐磨骨料，具有广阔的应用前景。研究人员对铸造碳化钨、氧化铝、碳化硅、碳化硼、氮化硼、ZTA等多种陶瓷颗粒进行了研究，取得了一定的成果，部分成果已经应用于生产实践，但是在技术成熟度、生产稳定性、实际使用效果、工艺难度、生产成本等方面还存在缺陷，限制了它们在耐磨复合材料领域的广泛应用。

[0004] 公开号为CN 1236822A的中国专利公开了一种铁或钢基复合材料的生产工艺方法，该方法将SiC、Al2O3、TiB2等与熔融的铁合金熔合，制成中间复合体，再将中间复合体粉碎，然后采用悬浮铸造的方法加入到熔融的铁或钢基体中，使中间复合体与基体金属材料紧密结合，得到颗粒增强铁或钢基复合材料。该方法制备的复合材料中的耐磨颗粒在铸件内分布不均匀，易积聚在上表面或阻滞在转角处，与金属液润湿性差。

[0005] 公开号为CN 101112718A的中国专利公开了一种陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，该方法通过在砂型表面直接放置WC颗粒来实现铸渗效果，得到陶瓷颗粒增强铁基复合材料。该方法存在铸渗厚度有限、颗粒易跑位、只能针对铸型下表面、复合材料表面铸造质量差等缺点。

[0006] 公开号为CN 102233422A的中国专利公开了一种复合材料导卫板及其制备工艺，该工艺将粘结剂、合金粉末和陶瓷颗粒混合，搅拌均匀后铺设到导卫板铸型中，浇铸基材金属得到复合材料导卫板。该方法制备的复合材料易出现气孔、夹渣等铸造缺陷，颗粒易跑位。

[0007] 公开号为CN 103736559A的中国专利公开了一种用于立磨机磨盘的金属基陶瓷增强体及其制备方法，该方法先将刚玉和铁粉烧结成一体的金属基陶瓷增强体，再将2.5～3.5mm的刚玉颗粒与铁粉混合均匀后将混合物料送入烧结窑在一定温度下进行烧制，至铁粉完全熔化为止，然后将烧好的混合物料置入事先制好的模具中，冷却后脱模制得预制体。
该方法存在熔化的铁液对刚玉的润湿性差、增强体强度低、铸渗效果差、刚玉韧性差等缺点。

[0008] 公开号为CN 101898238A的中国专利公开了一种陶瓷颗粒增强复合耐磨件及其制造方法，该方法将陶瓷颗粒与金属粉混合均匀填充于模具中，将陶瓷颗粒和金属粉连同模具一起放入真空烧结炉内进行烧结，金属粉将陶瓷颗粒粘结在一起形成预制体。该方法存在占用大量模具、烘干后金属粉易掉落分层、制备效率低等缺点。

[0009] 综上所述，高硬度陶瓷颗粒直接作为骨料用于铸件时，往往存在很多问题，最终得到的复合耐磨件性能不佳。若将高硬度陶瓷颗粒、连接材料、粘结剂等混合，制作成具有特定形状、结构和尺寸的耐磨嵌件，铸造时预先将其放置在砂型的相应位置，再浇注金属液将其紧密包裹，即可得到耐磨性能优异的复合铸件。

[0010] 本发明公开了一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法，该制作方法效率高，塑形稳定，铸渗效果好，制作得到的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件抗高温溃散性好，与金属液的润湿性好，耐磨性能优异。

发明内容

[0011] 本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件及其制作方法。

[0012] 本发明所采取的技术方案是：

[0013] 一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的制作方法，包括以下步骤：

[0014] 1)根据铸件形状确定嵌件的形状、结构和尺寸，采用铝合金制作压制嵌件用模具；

[0015] 2)对氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒进行除油清洗，再进行化学镀镍，清洗，烘干；

[0016] 3)将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液混合均匀，得到嵌件用模料；

[0017] 4)将模料填入步骤1）的模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，脱模，得到料坯；

[0018] 5)将料坯放入热风炉，充分干燥；

[0019] 6)将干燥过的料坯放入真空烧结炉，进行真空烧结，再冷却出炉，得到陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

[0020] 步骤1）所述的嵌件为具有多个通孔的长方体、扇形体、圆柱体、棱柱体中的一种。

[0021] 所述的嵌件的外形尺寸为（30～500）mm×（30～500）mm×（3～150）mm。

[0022] 所述的通孔的形状为圆形、梅花形、正六边形中的一种，孔径为5～40mm。

[0023] 步骤2）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒中氧化锆的含量为20wt%～30wt%，颗粒粒径为1～5mm。

[0024] 步骤3）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液的质量比为100：（45～60）：（1.5～3）：（0.3～0.5）：（6～10）。

[0025] 步骤4）所述的震压式脱箱造型机的振动频率为20～30Hz，压力为0.2MPa～0.5MPa。

[0026] 步骤5）中干燥温度为60～90℃，干燥时间为4～6h。

[0027] 步骤6）所述的真空烧结炉内的初始真空度为0.1Pa～1Pa，烧结温度为1300～1390℃，烧结时间为30～60min。

[0028] 本发明的有益效果是：

[0029] 1）本发明采用的是氧化锆含量为20wt%～30wt%的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒，其常温下的抗折强度和断裂韧性比氧化铝、碳化硅等陶瓷颗粒更高，耐磨性能优异，与金属液的润湿性好，其成本比碳化钨颗粒低，与金属的热膨胀性能更匹配，使用过程中不易剥落；

[0030] 2）本发明采用奥氏体不锈钢粉作为连接材料，可显著改善耐磨嵌件的润湿性和抗高温溃散性；

[0031] 3）本发明采用磷酸铝作为粘结剂，中温烧结阶段的粘结强度高，高温烧结阶段无有害物质残留，不会对铸渗性能造成影响，也不会导致铸造缺陷；

[0032] 4）本发明采用木薯粉来优化填充塑形性能；

[0033] 5）本发明采用震压式脱箱造型的方式来制作嵌件坯，效率高，塑形稳定，强度合适，均匀性好，便于造型时定位和固定。

附图说明

[0034] 图1为实施例1的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的断面图。

[0035] 图2为实施例2的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的断面图。

[0036] 图3为实施例3的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的断面图。

[0037] 附图标注说明：1、耐磨嵌件本体；2、通孔。

具体实施方式

[0038] 一种陶瓷颗粒增强耐磨嵌件的制作方法，包括以下步骤：

[0039] 1)根据铸件形状确定嵌件的形状、结构和尺寸，采用铝合金制作压制嵌件用模具；

[0040] 2)对氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒进行除油清洗，再进行化学镀镍，清洗，烘干；

[0041] 3)将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液混合均匀，得到嵌件用模料；

[0042] 4)将模料填入步骤1）的模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，脱模，得到料坯；

[0043] 5)将料坯放入热风炉，充分干燥；

[0044] 6)将干燥过的料坯放入真空烧结炉，进行真空烧结，再冷却出炉，得到陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

[0045] 优选的，步骤1）所述的嵌件为具有多个通孔的长方体、扇形体、圆柱体、棱柱体中的一种。

[0046] 优选的，所述的嵌件的外形尺寸为（30～500）mm×（30～500）mm×（3～150）mm。

[0047] 优选的，所述的通孔的形状为圆形、梅花形、正六边形中的一种，孔径为5～40mm。

[0048] 优选的，步骤2）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒中氧化锆的含量为20wt%～30wt%，颗粒粒径为1～5mm。

[0049] 优选的，步骤3）所述的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液的质量比为100：（45～60）：（1.5～3）：（0.3～0.5）：（6～10）。

[0050] 优选的，步骤4）所述的震压式脱箱造型机的振动频率为20～30Hz，压力为0.2MPa～0.5MPa。

[0051] 优选的，步骤5）中干燥温度为60～90℃，干燥时间为4～6h。

[0052] 优选的，步骤6）所述的真空烧结炉内的初始真空度为0.1Pa～1Pa，烧结温度为1300～1390℃，烧结时间为30～60min。

[0053] 采用本发明的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件制作复合耐磨铸件包括以下步骤：

[0054] 1)采用水玻璃砂或树脂砂造型，根据铸件形状和使用部位确定陶瓷嵌件的埋放位置，预留锁紧杆穿过的孔，采用消失模铸造时，将嵌件先埋入泡沫模的相应位置；

[0055] 2)将耐磨嵌件放入砂型的型腔中，采用不锈钢钢芯将耐磨嵌件固定在离型腔表面2～10mm处，采用螺杆连接嵌件内预埋的螺帽，拉紧固定嵌件；

[0056] 3)熔炼所需材质的金属液，浇入埋设了耐磨嵌件的型腔内，浇注温度比通常的浇温高40～50℃，冷却后得到铸渗良好的复合耐磨铸件。

[0057] 下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的解释和说明。

[0058] 实施例1：用于高铬铸铁板锤的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件

[0059] 1）陶瓷嵌件的形状为长方体，断面尺寸为250mm×95mm（断面如图1所示），厚度为100mm，通孔为圆形，孔径为15mm，通孔错开均匀分布，通孔中心距为35mm；

[0060] 2）采用铝合金制作模具，通孔芯棒固定在模具底板上，芯棒的拔模斜度为3°，再采用铝合金制作尺寸为250mm×95mm×100mm且对角可拆除的箱框，再将箱框与模具组合装配好，置于震压式脱箱造型机的工作台上，沿嵌件宽度中心线设置2个支撑与锁紧位置，预置M6带盖不锈钢螺母作为锁紧装置；

[0061] 3）选择氧化锆含量为25wt%的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒，颗粒粒径为2～3mm，形状为不规则多角形，将陶瓷颗粒除油清洗，然后化学镀镍后清洗烘干；

[0062] 4）将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、304铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液按质量比100:50:2:0.4:8加入搅拌机进行搅拌，使金属粉末及各种辅料均匀包裹在陶瓷颗粒表面，同时避免陶瓷颗粒破碎；

[0063] 5）根据嵌件尺寸确定所需模料，将定量模料均匀填入模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，振动频率为25Hz，压力为0.3MPa，在震击下将料坯顶箱脱模，将料坯连同箱框放置在耐用周转承受垫板上，料坯与垫板之间垫0.3mm厚的石墨纸，拆除箱框；

[0064] 6）将料坯连同石墨纸和垫板一起进热风炉风干，70℃干燥5h；

[0065] 7）将烘干的料坯连同石墨纸和垫板一起放入真空烧结炉，进行烧结，初始真空度为0.2Pa，烧结温度为1350℃，烧结40min后关闭热源，随炉冷却到200℃出炉，得到用于高铬铸铁板锤的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

[0066] 实施例2：用于高铬铸铁磨辊辊套的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件

[0067] 1）陶瓷嵌件的形状为弧面扇形体，展开后的尺寸为500mm×300mm（断面如图2所示），厚度为80mm，通孔为正六边形，正六边形的边长20mm，通孔错开均匀分布，通孔中心距为50mm；

[0068] 2）采用铝合金制作模具，通孔芯棒为可单独抽取的活动式，通过模具底部的芯座定位，芯棒的拔模斜度为3°，再采用铝合金制作尺寸为500mm×300mm×80mm且对角可拆除的箱框，再将箱框与模具组合装配好，置于震压式脱箱造型机的工作台上，沿嵌件宽度中心线设置2个支撑与锁紧位置，预置M8带盖不锈钢螺母作为锁紧装置；

[0069] 3）选择氧化锆含量为30wt%的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒，颗粒粒径为3～5mm，形状为不规则多角形，将陶瓷颗粒除油清洗，然后化学镀镍后清洗烘干；

[0070] 4）将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、316铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液按质量比100:60:3:0.5:10加入搅拌机进行搅拌，使金属粉末及各种辅料均匀包裹在陶瓷颗粒表面，同时避免陶瓷颗粒破碎；

[0071] 5）根据嵌件尺寸确定所需模料，将定量模料均匀填入模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，振动频率为30Hz，压力为0.5MPa，在震击下将料坯顶箱脱模，将料坯连同箱框放置在耐用周转承受垫板上，料坯与垫板之间垫0.4mm厚的石墨纸，拆除箱框；

[0072] 6）将料坯连同石墨纸和垫板一起放进热风炉风干，90℃干燥4h；

[0073] 7）将烘干的料坯连同石墨纸和垫板一起放入真空烧结炉，进行烧结，初始真空度为0.5Pa，烧结温度为1390℃，烧结30min后关闭热源，随炉冷却到300℃出炉，得到用于高铬铸铁磨辊辊套的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

[0074] 实施例3：用于高锰钢磁性衬板的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件

[0075] 1）陶瓷嵌件的形状为长方形薄片，尺寸为80mm×40mm（断面如图3所示），厚度为4mm，沿宽度中心线设置2个定位通孔，通孔为圆形，孔径为5mm；

[0076] 2）采用铝合金制作模具，通孔芯棒固定在模板，芯棒的拔模斜度为5°，再采用铝合金制作尺寸为80mm×40mm×4mm且对角可拆除的箱框，箱框与模具组合装配好，置于震压式脱箱造型机的工作台上；

[0077] 3）选择氧化锆含量为20wt%的氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒，颗粒粒径为1～3mm，形状为不规则多角形，将陶瓷颗粒除油清洗，然后化学镀镍后清洗烘干；

[0078] 4）将氧化锆增韧氧化铝陶瓷颗粒、304铬镍奥氏体不锈钢粉、硼砂、木薯粉和磷酸铝溶液按质量比100:45:1.5:0.3:6加入搅拌机进行搅拌，使金属粉末及各种辅料均匀包裹在陶瓷颗粒表面，同时避免陶瓷颗粒破碎；

[0079] 5）根据嵌件尺寸确定所需模料，将定量模料均匀填入模具型腔中，采用震压式脱箱造型机将模料震实压紧，振动频率为20Hz，压力为0.2MPa，在震击下将料坯顶箱脱模，将料坯连同箱框放置在耐用周转承受垫板上，料坯与垫板之间垫0.2mm厚的石墨纸，拆除箱框；

[0080] 6）将料坯连同石墨纸和垫板一起进热风炉风干，60℃干燥6h；

[0081] 7）将烘干的料坯连同石墨纸和垫板一起放入真空烧结炉，进行烧结，初始真空度为1Pa，烧结温度为1300℃，烧结60min后关闭热源，随炉冷却到250℃出炉，得到用于高锰钢磁性衬板的陶瓷颗粒增强耐磨嵌件。

[0082] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。