专利名称：高炉料罐用功能梯度复合材料内衬及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种功能梯度复合材料内衬及其制备方法，特别是涉及一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬及其制备方法。
背景技术：
炼钢厂的高炉料罐是炼钢设备的重要组成部分。由于装料过程中，铁矿石等原料的冲击，料罐磨损非常严重。目前普遍采用耐磨铸铁作为内衬，尽管如此，连续工作时间仅半年，增加了炼钢成本。碳化硅、刚玉等陶瓷耐磨性好，然而脆性大，不能满足强冲击条件的需要。迫切需要研制新型低成本、耐磨、耐冲击的高炉料罐材料。
中国专利CN98123920.X(
公开日为2000年7月12日)公开了一种利用激光辅助自蔓延在金属表面形成陶瓷涂层的方法，该方法特征包括按化学计量配比取两种或两种以上能进行SHS反应的反应物粉料，加入0～40％的添加物，混合均匀后涂覆于金属表面；在激光能量密度为1.5×103~5.0×103J/cm2的辅助作用下，产生自蔓延反应形成陶瓷涂层，该方法优点是直接在金属表面形成带有过渡层的陶瓷涂层，降低原料成本；使用的激光能量密度仅是单一激光法1/5×1/3，节省能源2~3倍以上；易于控制，烧损和溅射现象小。该方法缺点是制备的陶瓷涂层脆性大，可以承受无冲击条件下的磨损，不能承受冲击条件下磨损。
陶瓷和铝复合制备的SiC/Al复合材料既具有铝的韧性又具有陶瓷的耐磨性，复合材料中存在的高残余应力使其具有高的耐磨损性。
中国专利CN98113687.7(
公开日为1999年4月7日)公开了一种铝基复合材料无压渗透铸造方法，该方法是将高硬度陶瓷颗粒或晶须与氧化铁混合粘接成多孔填料层，放入耐热容器，再将成分为硅5-20％、钙0.1-0.8％、镁0.1-1％的铝合金料置入，在加热炉中升温，渗透速度10-20mm/小时，完成后冷凝可得陶瓷相含量40-60％的复合材料。该方法优点是可在渗透完成后再添加适量铝合金和锶，通过机械搅拌搅散已渗透部分，获得陶瓷相均匀分布、含量为5-30％的铝基复合材料，该方法缺点是陶瓷含量少，耐磨性低。
中国专利CN01140427.2(
公开日为2003年6月11日)公开了一种颗粒增强铝基复合材料及其制造方法，该方法是将增强体粉术与微量活性金属元素加入到球磨筒中进行高能球磨后，再加入铝基合金粉末进行变速高能球磨，最后，再加入微量液态表面活性剂在15～80℃范围内球磨，球磨结束后制得的复合粉术经热压成形获得坯锭，坯锭经过挤压、轧制、模锻等热加工后得到产品，该方法优点是复合材料易切削、质量稳定，该方法缺点是热压成形导致成本提高。
中国专利CN200510011102.4(
公开日为2005年7月27日)公开了一种制备高体积分数碳化硅颗粒增强铝基复合材料零件方法，该方法是将SiC粉末与多聚合物组元石蜡基粘结剂混合成均匀的喂料，喂料经制粒后在注射成形机上注射成形，所得SiC预成形坯经过溶剂和热脱脂后在1000～1150℃温度下预烧结，最后通过无压熔渗方法在1100～1200℃温度下、N2气氛中将Al合金熔液渗透到SiC骨架中，从而获得具有高体积分数的SiCp/Al复合材料零件，该方法优点是可直接制备出具有复杂形状的SiCp/Al复合材料零部件，同时，SiC体积分数高、复合材料组织均匀、致密度高，可实现批量生产SiCp/Al复合材料零件，生产成本低，该方法的缺点是不能获得梯度复合材料。
研究表明，把SiC/Al复合材料板中陶瓷颗粒的体积含量沿其厚度变化，制备成功能梯度复合材料，使复合材料板的正面具有类似于陶瓷的性质，发挥其耐磨损特性，复合材料板的背面，具有铝合金的性质，提高韧性，就可以很大程度地降低由于陶瓷与铝合金材料波阻抗失配和弹性模量失配所造成的应力集中等问题，并可能使复合材料经受长期冲击。复合材料板的正面陶瓷含量高，耐温性好，能够经受料罐中热的铁矿石冲击。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种耐磨性好、抗冲击力强、成本低的高炉料罐用功能梯度复合材料内衬，该内衬由SiC和Al复合而成，承受铁矿石冲击的正面碳化硅含量高达70％-85％.背面为铝合金，内衬中间碳化硅含量梯度变化。
本发明要解决的另一个技术问题是提供一种上述高炉料罐用功能梯度复合材料内衬的制备方法，该方法特征在于先通过模压制备具有不同气孔率的碳化硅预制体，再通过高温处理对碳化硅表面改性，然后将不同气孔率的碳化硅预制体依据气孔率大小顺序依次放置于无压渗透模具中，再通过无压渗透的方法渗入铝合金即可得到复合材料内衬。
一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬的制备方法，其特征在于包括下述顺序的步骤1.采用模压法制备尺寸相同、气孔率不同的碳化硅预制板，气孔率范围50～85％，厚度范围5～20mm，碳化硅粉料粒度小于100μm；
2.碳化硅板在大气气氛中高温处理，温度范围1000～1500℃，处理时间2～5小时；3.高温处理完后，预制体被加工成截面尺寸一致的矩形预制体；4.碳化硅板按照气孔率大小叠层放置于氮化硅模具中，同时将铝合金放置于模具中。装好后放入气氛炉中，通入氮气，加热至1000～1200℃，保温1～4小时，然后降温至室温，脱模后即得到内衬毛坯；5.毛坯表面打磨即得到高炉料罐用功能梯度复合材料内衬。
本发明的优点在于(1)具有优良的耐磨损性能；(2)具有优良的抗冲击性能；(3)背板为铝合金，能减缓铁矿石的冲击，避免铁矿石和焦炭粉碎；(4)成型简单成本低；(5)可以调整碳化硅预制体的层数以获得其他性能满足不同高炉料罐的需要；(6)由于该复合材料具有优良的抗冲击性能，因此该复合材料还可被用于坦克装甲等其他抗冲击领域。
四
图1为无压渗透法制备高炉料罐壁悬挂内衬用氮化硅模具示意图。
图2为高炉料罐壁悬挂内衬形状示意图。
图3为无压渗透法制备高炉料罐漏斗处内衬用氮化硅模具示意图。
图4为高炉料罐漏斗处内衬形状示意图。
五具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1高炉料罐壁悬挂内衬及其制备选用粒度为74μm碳化硅粉料100g，50μm碳化硅粉料60g，20μm碳化硅粉料30g，混匀造粒后装入100mm模具模压，施加100MPa压力，脱模后进行高温处理，处理温度1500℃，保温时间2小时。高温处理完后，预制块厚度约为18mm，将预制板进行切割，得到表面尺寸为60mm×70mm的矩形预制块。再将预制块平放入截面尺寸为65mm×75mm的图1所示的模具中。将铝合金放在预制体上，然后放入气氛炉中，通入氮气，加热至1150℃，保温2小时，然后降温至室温，脱模后即得到内衬毛坯。通过机械加工，将毛坯正面表面的铝层磨掉，再将边沿的铝层磨掉，保持预制体的初始长度和宽度，即得到高炉料罐壁悬挂内衬。
实施例2高炉料罐漏斗处内衬选用粒度为74μm碳化硅粉料360g，造粒后分成三等份分别装入150mm模具模压，第一份施加100MPa压力，脱模后再施加250MPa进行冷等静压，得到第一块预制板，第二份施加100MPa压力脱模后得到第二块预制板，第三份施加50MPa压力，脱模后得到第三块预制板。将三块预制板同时进行高温处理，处理温度1300℃，保温时间4小时。高温处理完后，将三块预制板进行切割，得到三块表面尺寸为100mm×l00mm的方形预制块。先将第三块预制块放入截面尺寸为105mm×l05mm的图3所示的模具中，然后放入第二块，最后放入第一块。将铝合金放在预制体上，然后放入气氛炉中，通入氮气，加热至1100℃，保温4小时，然后降温至室温，脱模后即得到内衬毛坯。通过机械加工，将毛坯正面表面的铝层磨掉，再将边沿的铝层磨掉，保持预制体的初始长度和宽度，即得到高炉料罐漏斗处内衬。
权利要求
1.一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬，其特征在于，由正面为碳化硅和背面为铝合金复合而成的其碳化硅的含量从正面的表层至里层呈梯度变化的，且承受铁矿石冲击的正面碳化硅含量高迖70％-85％的内衬。
2.一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬的制备方法，其特征在于，先通过模压制备具有不同气孔率的碳化硅预制体，再通过高温处理对碳化硅表面改性，然后将不同气孔率的碳化硅预制体依据气孔率大小顺序依次放置于无压渗透模具中，再通过无压渗透的方法渗入铝合金即可得到复合材料内衬。
3.根据权利要求2所述的高炉料罐用功能梯度复合材料内衬的制备方法，其特征在于，包括下述顺序的步骤(1)采用模压法制备尺寸相同、气孔率不同的碳化硅预制板，气孔率范围50～85％，厚度范围5～20mm，碳化硅粉料粒度小于100μm；(2)碳化硅板在大气气氛中高温处理，温度范围1000～1500℃，处理时间2～5小时；(3)高温处理完后，预制体被加工成截面尺寸一致的矩形预制体；(4)碳化硅板按照气孔率大小叠层放置于氮化硅模具中，同时将铝合金放置于模具中。装好后放入气氛炉中，通入氮气，加热至1000～1200℃，保温1～4小时，然后降温至室温，脱模后即得到内衬毛坯。
全文摘要
一种高炉料罐用功能梯度复合材料内衬及其制备方法。属功能梯度复合材料内衬及其制备方法，该内衬由SiC和Al复合而成，承受铁矿石冲击的正面碳化硅含量高达70％以上，背面为铝合金，内衬中间碳化硅含量梯度变化。内衬的制备方法是先通过模压制备具有不同气孔率的碳化硅预制体，再通过高温处理对碳化硅表面改性，然后将不同气孔率的碳化硅预制体依据气孔率大小顺序依次放置于无压渗透模具中，再通过无压渗透的方法渗入铝合金即可得到耐磨性好、韧性好、抗冲击力强的复合材料内衬。该复合材料还可被用于坦克装甲等其他抗冲击领域。
文档编号C22C45/00GK1789434SQ200510022650
公开日2006年6月21日 申请日期2005年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者陈照峰, 邵小欧 申请人:南京航空航天大学