反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法与流程

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法。

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，对衬板的需求量越来越大，传统的钢铁耐磨材料所制备的衬板由于耐磨性差或韧性差，衬板在工作过程中磨损严重，降低了物料的破碎效果和物料产量。为了提高衬板的破碎效果和使用寿命，提高衬板的耐磨性迫在眉睫。陶瓷颗粒增强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与金属液润湿性差，浸渗复合困难或复合效果差。

中国发明专利cn103769562a公开了一种活性元素烧结zta颗粒增强钢铁基复合材料衬板制备方法。其步骤是首先将活性金属粉末混合均匀后与zta陶瓷颗粒、粘结剂混合后填入模具中进行烧结，脱模，然后将其固定在型腔中进行浇铸得到复合材料衬板，此方法预制体制备工艺复杂，生产成本高，难以大规模工业化生产。本发明中，直接将陶瓷颗粒与陶瓷微粉混合均匀加入粘结剂搅拌即可填充模具，脱模浇铸，简化了预制体制备工艺，降低了生产成本。中国发明专利cn1748910a公开了一种碳化钨颗粒增强金属基复合材料制备方法，其方法是将衬板模具安装在离心机转盘上，启动离心机浇铸金属液，碳化钨颗粒随流加入，离心结束冷却脱模后即可得到复合材料衬板，此方法制备的衬板中，颗粒分布不均匀，碳化钨颗粒价格昂贵，离心工艺复杂，生产成本高，难以工业化生产。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

、反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法，包括以下步骤：

(1)基体金属液的配制：基体金属液包括以下重量百分比的化学成分：c：0.6％-0.7％，cr：1.5％-6.5％，mn：0.9％-1.2％，mo：0.2％-0.5％，ni：0.2％-0.5％，si：0.15％-0.3％，s≦0.04％,p≦0.04％,余量为fe；按照以上配方，添加金属及其他无机材料，高温条件下，融化成基体金属液a；

(2)陶瓷颗粒预制体的制备：将陶瓷微粉均匀混合后，加入无水乙醇，所述无水乙醇占陶瓷微粉的质量分数为5％-10％，进行球磨2-4h，得到球磨微粉b；称取陶瓷颗粒，并与球磨微粉b均匀混合，加入粘结剂，搅拌均匀后，填入模具中，烘干脱模后得到蜂窝状的陶瓷颗粒预制体c；

(3)复合衬板的成型：将陶瓷颗粒预制体c固定在模具型腔的工作面上，浇铸基体金属液a，冷却脱模，在进行热处理工艺，得到成品复合衬板。

优选地，所述步骤(2)中，陶瓷微粉具体为tio2、al2o3、zro2、cao、wc、tic、tib2、si3n4、bn、tin、aln中的2种或2种以上混合而成，其粒度为1000-1500目。

优选地，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒具体为zta、al2o3、wc、tic、sic、b4c、tib2中的一种或任意几种混合而成，其粒度为12-150目。

优选地，所述陶瓷颗粒为两种或两种以上时，所有种类的所述陶瓷颗粒的粒度相同。

优选地，所述步骤(2)中，球磨微粉b的重量为陶瓷颗粒的重量的2％-8％。

优选地，所述步骤(3)中，热处理工艺包括以下步骤：将复合衬板以5-8℃/min的升温速率升温至780℃-840℃，保温30min后将衬板交替放入淬火油和空气中，进行油淬和空淬交替过程。

优选地，所述油淬的时间为10-20min，所述空淬的时间为40-50min，空淬及油淬过程依次交替进行，直至衬板冷却至室温。

优选地，所述步骤(2)中，陶瓷颗粒预制体c的蜂窝孔具体为任意形状。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中包覆在陶瓷颗粒表面的陶瓷微粉与金属液反应，促进了金属液对陶瓷颗粒预制体的浸渗，提高了陶瓷颗粒与金属液的复合效果，提高了衬板的使用寿命；

2.本发明将球磨后的陶瓷微粉与陶瓷颗粒混合，添加粘结剂直接制备出蜂窝状预制体，简化了陶瓷预制体制备工艺，适宜工业化生产；

3.本发明制备基体金属耐磨性好，韧性好，在中低冲击力工况下具有较高的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的实例1所制备的16目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面图；

图2是本发明的实例1所制备的16目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨衬板复合层的组织图；

图3是本发明的实例2所制备的60目al2o3颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面图；

图4是本发明的实例2所制备的60目al2o3颗粒/钢基复合材料耐磨衬板复合层的组织图；

图5是本发明的实例3所制备的90目wc颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面图；

图6是本发明的实例3所制备的90目wc颗粒/钢基复合材料耐磨衬板复合层的组织图。

图7是本发明的实例4所制备的150目b4c颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面图；

图8是本发明的实例4所制备的150目b4c颗粒/钢基复合材料耐磨衬板复合层的组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法，具体步骤如下：

(1)将tio2、al2o3按1:1均匀混合后加入其质量分数5％的无水乙醇进行球磨2h，将16目锆刚玉陶瓷颗粒与其质量分数6％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入六边形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到正六边形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；

(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：c：0.6％-0.7％，cr：1.5％-3.0％，mn：0.9％-1.2％，mo：0.2％-0.5％，ni：0.2％-0.5％，si：0.15％-0.3％，s≦0.04％,p≦0.04％,余量为fe；

(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸步骤(2)所述的成分金属液，冷却脱模得到复合材料衬板；

(4)将所得复合材料衬板以5℃/min的升温至780℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为40min空淬与20min油淬依次交替进行，直至衬板冷却至室温。

本实施例制备了16目锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨衬板。本实施例所制备的锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面如图1所示，耐磨衬板的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着锆刚玉颗粒，提高衬板的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的锆刚玉颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的表层复合材料组织图如图2所示，锆刚玉颗粒与基体结合良好，且在基体中分布均匀，分布在衬板工作面表面，衬板表面可以实现均匀磨损；衬板寿命提高了4.5倍，相同工作时间内与其他材料金属衬板相比，磨料产量提高4.5倍；其性能测试结果见表1。

实施例2：

反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法，具体步骤如下：

(1)将cao、wc、tic、tib2按1:2:1:1均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨13h，将60目al2o3颗粒与其质量分数6％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；

(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：c：0.6％-0.7％，cr：1.5％-3.0％，mn：0.9％-1.2％，mo：0.2％-0.5％，ni：0.2％-0.5％，si：0.15％-0.3％，s≦0.04％,p≦0.04％,余量为fe；

(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分金属液，冷却脱模得到复合材料衬板；

(4)将所得复合材料衬板以6℃/min的升温至800℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为45min空淬与15min油淬依次交替进行，直至衬板冷却至室温。

本实施例制备了60目al2o3颗粒/钢基复合材料耐磨衬板。本实施例所制备的al2o3颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面如图3所示，耐磨衬板的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着al2o3颗粒，提高衬板的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的al2o3/钢基复合材料耐磨衬板的表层复合材料组织图如图4所示，al2o3颗粒与基体结合良好，且al2o3颗粒在基体中分布均匀，分布在衬板工作面表面，衬板表面可以实现均匀磨损；衬板寿命提高了4倍，相同工作时间内与其他材料金属衬板相比，磨料产量提高3.5倍；其性能测试结果见表1。

实施例3：

反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法，具体步骤如下：

(1)将tio2、cao、wc、tin、aln按1:2:1:1:2均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨3.5h，将90目wc瓷颗粒与其质量分数3％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；

(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：c：0.6％-0.7％，cr：1.5％-3.0％，mn：0.9％-1.2％，mo：0.2％-0.5％，ni：0.2％-0.5％，si：0.15％-0.3％，s≦0.04％,p≦0.04％,余量为fe；

(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分的金属液，冷却脱模得到复合材料衬板；

(4)将所得复合材料衬板以7℃/min的升温至830℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为50min空淬与20min油淬依次交替进行，直至衬板冷却至室温。

本实施例设计制备90目wc颗粒/钢基复合材料耐磨衬板。本实施例所制备的wc颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面如图5所示，耐磨衬板的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着wc颗粒，提高衬板的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的wc/钢基复合材料耐磨衬板的表层复合材料组织图如图6所示，wc颗粒与基体结合良好，且wc颗粒在基体中分布均匀，分布在衬板工作面表面，衬板表面可以实现均匀磨损；衬板寿命提高了5倍，相同工作时间内与其他材料金属衬板相比，磨料产量提高4倍；其性能测试结果见表1。

实施例4：

反应诱导浸渗陶瓷增强钢基复合材料衬板的制备方法，具体步骤如下：

(1)将cao、wc、tib2、si3n4、tin、aln按1:2:1:1:2:1均匀混合后加入其质量分数8％的无水乙醇进行球磨4h，将150目b4c颗粒与其质量分数3％的球磨微粉均匀混合并加入颗粒质量分数4％的粘结剂，搅拌均匀后将其填入圆形蜂窝孔模具中，烘干脱模后得到圆形蜂窝孔陶瓷颗粒预制体；

(2)配制化学成分及含量如下合金进行熔炼：c：0.6％-0.7％，cr：1.5％-3.0％，mn：0.9％-1.2％，mo：0.2％-0.5％，ni：0.2％-0.5％，si：0.15％-0.3％，s≦0.04％,p≦0.04％,余量为fe；

(3)将步骤(1)所得预制体固定在型腔工作面附近位置，浇铸(2)所述成分金属液，冷却脱模得到复合材料衬板；

(4)将所得复合材料衬板以8℃/min的升温至840℃，保温30min后进行淬火，淬火方式为50min空淬与20min油淬依次交替进行，直至衬板冷却至室温。

本实施例制备了150目b4c颗粒/钢基复合材料耐磨衬板。本实施例所制备的b4c颗粒/钢基复合材料耐磨衬板的工作面如图7所示，耐磨衬板的基体金属具有较好的韧性，可承受一定的冲击力，表层复合材料均匀分布着b4c颗粒，提高衬板的耐磨性能，延长使用寿命；本实施例所制备的b4c/钢基复合材料耐磨衬板的表层复合材料组织图如图8所示，b4c颗粒与基体结合良好且在基体中分布均匀，分布在衬板工作面表面，衬板表面可以实现均匀磨损；衬板寿命提高了5倍，相同工作时间内与其他材料金属衬板相比，磨料产量提高4倍；其性能测试结果见表1。

表1复合材料衬板性能测试结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。