一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法与流程

本发明涉及一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术：

随着工业化进程的不断推进，在水泥、矿山、冶金等各种行业中，对磨球的需求量越来越大，传统的钢铁耐磨材料所制备的磨球由于表面与心部耐磨性相差较大，磨球在磨损过程中直径减少不均衡，从而导致研磨料粒度相差较大，研磨料产量下降。为了保证球磨的质量和产量，提高磨球表面的耐磨性，减少磨球磨损率迫在眉睫。陶瓷金属基复合材料兼具陶瓷颗粒高模量、高比强度、高耐磨性和高热稳定性的特点，以及金属材料良好的韧性、抗冲击能力，生产工艺简单、成本低廉而成为制备耐磨件的理想材料。目前最经济有效的方式是通过无压铸渗制备复合材料耐磨件，然而此工艺所制备的金属基陶瓷复合材料仍存在一定的缺陷，其主要问题是陶瓷颗粒预制体制备工艺复杂、难以制备出空间结构复杂的预制体、颗粒结合强度低、颗粒与基体结合效果差。

中国发明专利cn105013574a公开了一种高硬度复合耐磨球制备方法。其步骤是首先用废钢、合金钢熔炼浇铸获得半球状合金块，然后将陶瓷颗粒与粘结剂的混料压制在合金半球体表面，获得半球状表面耐磨材料，两块表面耐磨块拼装便可得到整体磨球。此方法制备的耐磨磨球表面硬度高，但在磨球工作过程中，表面耐磨层容易脱落，影响研磨料质量与产量。中国发明专利cn104073709a公开了一种高铬铸铁碳化物复合耐磨求及其制备方法：其方法是将陶瓷颗粒按照配比均匀混合放入浇包中，然后浇入高铬铸铁金属液获得复合材料耐磨磨球。此方法工艺简单，但陶瓷颗粒在金属液浇铸过程中分布不均匀，偏聚严重。并且此方法获得复合材料磨球心部韧性差，磨球容易开裂破碎。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，即将三维数字建模与激光选区熔覆技术相结合，制备出强度高、孔隙率高的球状陶瓷颗粒预制体，使用该预制体通过无压浸渗工艺获得陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，包覆在颗粒表面的活性金属提高了金属液与陶瓷颗粒的润湿性与复合效果。本发明的工艺流程简单，可快速制备出表面硬度高、耐磨性好而芯部韧性好的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球。

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件绘制空心球状预制体的三维数字模型，将该三维数字模型沿z轴离散化分层处理得到二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将活性金属粉与有机溶剂混合均匀并进行球磨得到混合粉a，将所得混合粉a与陶瓷颗粒混合均匀得到混料b；

（3）将步骤（2）所得混料b在料床上平铺，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体进行保温，然后浇铸金属液得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球。

所述步骤（1）的球状陶瓷预制体的直径为50~200mm，壁厚为(0.1~0.5)r，r为空心球状预制体半径；空心球状预制体具有均匀分布的蜂窝孔；设置蜂窝孔，便于金属液浇铸灌入球状预制体的芯体内；

所述空心球状预制体的外径需要比所设计的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球直径小2~6mm；

所述步骤（2）混料b中陶瓷颗粒的体积分数为20~80%；

所述步骤（2）活性金属粉的粒径为200~600目；陶瓷颗粒为球形，粒度为50~400目；

所述活性金属粉为ni、cr、ti、fe、cu或si的一种或任意比多种，陶瓷颗粒为氧化物、碳化物或氮化物陶瓷颗粒的一种或任意比多种；

所述有机溶剂为无水乙醇、甲醇或醋酸乙酯；

所述步骤（4）中保温温度为400~1000℃，保温时间为0.5~2h；

所述步骤（4）中金属液为高铬铸铁金属液、高锰钢金属液或低合金耐磨钢金属液。

本发明的有益效果是：

(1)本发明将三维数字建模与选区激光熔覆技术相结合，可以制备出具有任意直径及壁厚的球状陶瓷颗粒预制体，简化了空心球状陶瓷颗粒预制体的生产工艺；

(2)本发明制备的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的增强颗粒体积分数容易控制、颗粒与金属结合性能好，增强颗粒在基体中分布均匀；

(3)本发明制备的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球表面具有高硬度、高耐磨性，芯部具有很好的韧性，磨球使用寿命延长，产品质量好、可实现规模化生产。

附图说明

图1是本发明的陶瓷颗粒/金属复合材料耐磨磨球截面结构示意图；

图2是实例1所制备的锆刚玉颗粒/65mn复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图；

图3是实例2所制备的wc颗粒/cr26复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图；

图4是实例3所制备的锆刚玉颗粒/cr26复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图；

图5是实例4所制备的al2o3颗粒/mn13复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1：本实施例设计制备直径为50mm的锆刚玉颗粒/65mn钢复合材料耐磨磨球；

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件（cad软件）绘制具有均匀分布蜂窝孔的空心球状预制体的三维数字模型，其中空心球状预制体的内径为23mm、外径为48mm，壁厚为12.5mm（壁厚相当于0.5r，r为空心球状预制体半径），将该三维数字模型沿z轴离散化分层处理，将空心球状预制体模型分成240个厚度为0.2mm的层状模型的二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将粒径为600目的活性金属粉（活性金属粉为ti、ni、fe粉的混合物，其中ti、ni、fe粉的质量比为5:3:2）与有机溶剂（有机溶剂为无水乙醇）混合均匀并进行球磨2h得到混合粉a，将所得混合粉a与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为粒径为400目的球形锆刚玉陶瓷颗粒）混合均匀得到混料b，其中混料b中混合粉a与陶瓷颗粒的体积比为1:4，即混料b中陶瓷颗粒所占的体积分数为80%；

（3）将步骤（2）所得混料b在料床上平铺0.2mm厚，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体置于600℃条件下保温2h，然后将保温处理后的球状陶瓷颗粒预制体固定在型腔中，浇铸金属液（金属液为65mn钢液）得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，其中热处理为920℃正火、870℃油淬、300℃两次回火处理；

本实施例所制备的锆刚玉颗粒/65mn复合材料耐磨磨球的截面结构示意图如图1所示，耐磨磨球的芯部浇铸金属液（65mn钢液），具有较好的韧性，表层复合材料均匀分布着陶瓷颗粒，提高磨球的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的锆刚玉颗粒/65mn复合材料耐磨磨球的表层复合材料组织图如图2所示，陶瓷颗粒与基体结合良好，且颗粒在基体中分布均匀，陶瓷颗粒均匀分布在磨球表面，同时磨球表面可以实现均匀磨损；磨球寿命提高了2.5倍，相同工作时间内与相同直径的同类金属磨球相比，磨料产量提高1.5倍；其性能测试结果见表1。

实施例2：本实施例设计制备直径150mm的wc颗粒/cr26复合材料耐磨磨球

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件（cad软件）绘制具有均匀分布蜂窝孔的空心球状预制体的三维数字模型，其中空心球状预制体的内径为108.5mm、外径为146mm，壁厚为18.75mm（壁厚相当于0.25r，r为空心球状预制体半径），将该三维数字模型沿z轴离散化分层处理，将空心球状预制体模型分成365个厚度为0.4mm的层状模型的二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将粒径为400目的活性金属粉（活性金属粉为mo、cr、ti、fe粉的混合物，其中mo、cr、ti、fe粉的质量比为1:1:2:6）与有机溶剂（有机溶剂为醋酸乙酯）混合均匀并进行球磨1.5h得到混合粉a，将所得混合粉a与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为粒径为300目的球形wc陶瓷颗粒）混合均匀得到混料b，其中混料b中混合粉a与陶瓷颗粒的体积比为2:3，即混料b中陶瓷颗粒所占的体积分数为60%；

（3）将步骤（2）所得混料b在料床上平铺0.4mm厚，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体置于700℃条件下保温0.5h，然后将保温处理后的球状陶瓷颗粒预制体固定在型腔中，浇铸金属液（金属液为cr26铁液）得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，其中热处理为以60℃/h的速率升温加热陶瓷/金属复合材料至600℃并保温2h，然后再以50℃/h的速率升温加热陶瓷/金属复合材料至980℃并保温1h，空气中自然冷却；

本实施例所制备的wc颗粒/cr26表面复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图如图3所示，陶瓷颗粒与基体结合良好，且颗粒在基体中分布均匀，陶瓷颗粒均匀分布在磨球表面，同时磨球表面可以实现均匀磨损；磨球寿命提高了3.7倍，相同工作时间内与相同直径的同类金属磨球相比，磨料产量提高1.8倍；其性能测试结果见表1。

实施例3：本实施例设计制备直径200mm的锆刚玉颗粒/cr26复合材料耐磨磨球

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件（cad软件）绘制具有均匀分布蜂窝孔的空心球状预制体的三维数字模型，其中空心球状预制体的内径为144mm、外径为194mm，壁厚为25mm（壁厚相当于0.25r，r为空心球状预制体半径），将该三维数字模型沿z轴离散化分层处理，将空心球状预制体模型分成485个厚度为0.4mm的层状模型的二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将粒径为300目的活性金属粉（活性金属粉为al、ti、fe粉的混合物，其中al、ti、fe粉的质量比为2:3:5）与有机溶剂（有机溶剂为甲醇）混合均匀并进行球磨1h得到混合粉a，将所得混合粉a与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为粒径为50目的球形锆刚玉陶瓷颗粒）混合均匀得到混料b，其中混料b中混合粉a与陶瓷颗粒的体积比为3:2，即混料b中陶瓷颗粒所占的体积分数为40%；

（3）将步骤（2）所得混料b在料床上平铺0.4mm厚，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体置于400℃条件下保温1.5h，然后将保温处理后的球状陶瓷颗粒预制体固定在型腔中，浇铸金属液（金属液为cr26铁液）得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，其中热处理为以60℃/h的速率升温加热陶瓷/金属复合材料至600℃并保温2h，然后再以50℃/h的速率升温加热陶瓷/金属复合材料至980℃并保温1h，空气中自然冷却；

本实施例所制备的锆刚玉颗粒/cr26表面复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图如图4所示，陶瓷颗粒与基体结合良好，且颗粒在基体中分布均匀，陶瓷颗粒均匀分布在磨球表面，同时磨球表面可以实现均匀磨损；磨球寿命提高了4.6倍，相同工作时间内与相同直径的同类金属磨球相比，磨料产量提高1.9倍；其性能测试结果见表1。

实施例4：本实施例设计制备直径为90mm的al2o3颗粒/mn13复合材料耐磨磨球

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件（cad软件）绘制具有均匀分布蜂窝孔的空心球状预制体的三维数字模型，其中空心球状预制体的内径为77mm、外径为86mm，壁厚为4.5mm（壁厚相当于0.1r，r为空心球状预制体半径），将该三维数字模型沿z轴离散化分层处理，将空心球状预制体模型分成430个厚度为0.2mm的层状模型的二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将粒径为200目的还原fe粉与有机溶剂（有机溶剂为无水乙醇）混合均匀并进行球磨0.5h得到混合粉a，将所得混合粉a与陶瓷颗粒（陶瓷颗粒为粒径为200目的球形al2o3陶瓷颗粒）混合均匀得到混料b，其中混料b中混合粉a与陶瓷颗粒的体积比为4:1，即混料b中陶瓷颗粒所占的体积分数为20%；

（3）将步骤（2）所得混料b在料床上平铺0.2mm厚，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体置于1000℃条件下保温0.5h，然后将保温处理后的球状陶瓷颗粒预制体固定在型腔中，浇铸金属液（金属液为mn13钢液）得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，其中热处理为5℃/min升温到700℃保温0.5h，然后2℃/min升温到1050℃保温2h水淬；

本实施例所制备的al2o3颗粒/mn13复合材料耐磨磨球表层复合材料组织图如图5所示，陶瓷颗粒与基体结合良好，且颗粒在基体中分布均匀，陶瓷颗粒均匀分布在磨球表面，同时磨球表面可以实现均匀磨损；磨球寿命提高了2.9倍，相同工作时间内与相同直径的同类金属磨球相比，磨料产量提高1.4倍；其性能测试结果见表1；

表1复合材料磨球性能测试结果