一种高锰钢基高耐磨低形变复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种高锰钢基高耐磨低形变复合材料及其制备方法，属于新型材料的开发设计技术领域。

背景技术：

随着我国冶金工业的发展，应用于矿山、冶金、水泥等行业的球磨机向大型化发展，类似于半自磨机衬板、轧臼壁等部件，为了防止发生断裂失效，造成停机或者安全事故，通常采用韧性极佳高锰钢来制造。但高锰钢由于自身强度不足，在使用过程中国的塑性变形，导致零部件整体发生弯曲，拉动固定在设备上的安装螺栓，引起设备承受应力作用，引起设备寿命降低，甚至是设备破坏。如在直径8米以上的半自磨机，由于其筒体衬板承受着矿料和磨球的巨大冲击，衬板极易发生变形，有时甚至能够撑得筒体变形，甚至产生裂纹，在形变应力的作用下可导致安装螺栓被剪断飞出，造成重大安全隐患。

目前，已开发了新型的低合金钢贝/马复相钢，来替代高锰钢在以上所述工况中的应用。此类材料钢铁材料，大都在中碳钢的基础上通过添加Cr、Mo、V、Zr等合金元素，通过严格的热处理工艺，获得贝/马复相组织。低合金贝/马复相钢对内部晶体结构要求高，热处理工艺复杂，且热处理温度区间小，在实际生产过程中会因温度控制有偏差导致组织结构粗大、不均匀或者得不到相应组织，导致成品率低，并且合金元素的加入会大大提高衬板的生产成本，以致目前铬钼合金钢衬板的应用受限。在使用寿命方面，对于直径8米磨机的筒体衬板，新型的低合金钢贝/马复相钢与高锰钢相比使用寿命的提升也很有限，但在安装检修方面，由于塑性变形量小，大大降低了安装检修难度。

中国发明专利CN102051557A所公布的是一种高铬铸铁-高锰钢复合衬板，在高铬铸铁内镶嵌有低碳高锰钢丝网，虽然内部的高锰钢能起到一定的增强韧性和抗冲击作用，但是按照高铬铸铁的制造工艺进行浇铸，会影响内部高锰钢的实际组织和力学性能，并且高铬铸铁和高锰钢之间的界面可能容易造成裂纹扩展，从而导致铸件失效。中国发明专利CN104646121A所公布的一种耐磨衬板，包括衬板固定面和衬板工作面，衬板工作面的表面设有陶瓷层，其衬板工作面全部覆盖在固定面上，由于工作面大而薄，具有较大的脆性，在实际工况中受到磨球的局部冲击时，会很容易发生变形而碎裂，导致衬板无法继续使用。

因此，开发一种能够具有良好的韧性，防止发生断裂、开裂等突发失效方式，还能够保持足够的刚性，防止材料过度变形，且能够具有优异耐磨性能的材料具有极为重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高锰钢基高耐磨低形变复合材料，该材料在高冲击条件下具有高抗磨和低变的优异性性能，该复合材料采用高锰钢做为基材，在高锰钢基材中预置多个非连续柱状多孔陶瓷颗粒，柱状多孔陶瓷颗粒预制体贯穿整个高锰钢衬板，其磨损面与高锰钢衬板垂直。通过预制体对高锰钢基体的宏观钉扎效应抑制高锰钢在服役时的变形，同时蜂窝状陶瓷颗粒也能增强高锰钢在加工硬化前的耐磨性，使高锰钢基高耐磨低形变复合材料具有更好的耐磨性和形状稳定性。

本发明的另一目的在于提供所述高锰钢基高耐磨低形变复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将陶瓷颗粒、造孔剂、粘结剂、活化剂根据铸件大小和实际工况根据实际工况和工件尺寸按相应比例混合均匀得到混合粉末；

（2）在非连续柱状结构模具中预先铺置铁丝网，通过铁丝网固定相互独立的柱状多孔陶瓷颗粒；将混合粉末置入模具中，压制成非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体；预制体直径、高度、预制体间距在不同的使用工况下进行调整；

（3）将装配好的预制体放到型腔中固定好后采用砂型铸造方式浇注高锰钢，冷却后进行水韧处理，实现该复合材料的成形。

优选的，本发明所述柱状多孔陶瓷颗粒预制体形状为圆柱或六棱柱。

优选的，本发明所述陶瓷颗粒为碳化钨、碳化硅、碳化硼、碳化钛、硼化钛、氮化硅、氧化铝、氧化锆、锆刚玉的一种或多种按任意比混合，陶瓷颗粒的粒径为0.1~5mm。

优选的，所述造孔剂为聚乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、碳酰二胺的一中或几种，总量按照预制体总体积的5-30%进行添加；粘结剂为PVA（聚乙烯醇）、PAM（聚丙烯酰胺）或酚醛树脂，总量按照陶瓷颗粒总质量的5-10%进行添加；活化剂成分为高碳铬铁粉末、Fe基自熔性合金粉末、Ti2O粉末中的一种或几种，按照陶瓷颗粒总质量的2-7%进行添加。

本发明的有益效果：

（1）本发明所述方法结构设计简单，制备过程不需要复杂的机器设备，生产工艺简单，能快速实现产业化；采用复合材料技术，并通过非连续结构设计，通过工艺和结构优化的结合，制备出高冲击条件下高锰钢基高抗磨低形变复合材料；将高锰钢与陶瓷颗粒结合起来，既能充分发挥高锰钢高韧性，不易断裂的优势，又能利用陶瓷颗粒的高硬度提高高锰钢基体的耐磨性，并在高冲击下减小高锰钢基的塑性变形。

（2）本发明所述方法通过整体结构的设计，将柱状多孔陶瓷颗粒贯穿整个高锰钢基，对高锰钢基产生宏观钉扎效果，达到缓解应力，限制基体的运动，从而减少高锰钢在冲击条件下的变形量的作用；同时柱状陶瓷颗粒采用非连续排布，能减少陶瓷颗粒的使用成本，提高复合结构的稳定性，还在“阴影效应”的作用下提高表面耐磨性，并给予高锰钢基体充分的加工硬化，使高锰钢基体也能提高耐磨性。

（3）本发明有效的发挥高锰钢耐磨性好，工艺成熟，价格便宜的优势，通过棒状多孔陶瓷颗粒的宏观钉扎，阻碍高锰钢的塑性变形，减小高锰钢基体的变形量，使高锰钢衬板具有更长的服役时间；棒状多孔陶瓷颗粒呈蜂窝状排布，利用其“阴影效应”有效弱化基体的磨损，提高磨损性能。

附图说明

图1 本发明所述复合材料结构示意图；

图2本发明所述非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体结构示意图；

图3 实施例1复合材料衬板的结构示意图；

图4 实施例2复合材料衬板的结构示意图；

图5 实施例3复合材料锤头的结构示意图。

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

一种高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料衬板（如图3所示），该复合材料衬板包括高锰钢基体和圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体；圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体成分为陶瓷颗粒、粘结剂、活化剂及造孔剂，各含量分别为90wt%WC，5wt%PVB，5wt%高碳铬铁粉，10v%聚乙烯。

本实施例所述高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料衬板的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将90wt%WC，5wt%PVB，5wt%高碳铬铁粉，20v%聚乙烯混合均匀。

（2）在非连续柱状结构模具中预先铺置铁丝网，将混合均匀的陶瓷颗粒置入模具中，压制成非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体，其中圆柱直径为15mm，圆柱间距为8mm，圆柱高度为衬板厚度；

（3）将装配好的预制体放到型腔中固定好后进行浇铸，其浇铸温度为1560℃，待铸件冷却后进行水韧处理，实现该复合材料的成形。

实施例2

一种高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料衬板（如图4所示），该复合材料衬板包括高锰钢基体和圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体。圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体成分为陶瓷颗粒、粘结剂、活化剂及造孔剂，各含量分别为92wt%氧化铝，5wt%PVA，3wt%Ti2O，25v%聚苯乙烯。

本实施例所述高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料衬板的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将92wt%氧化铝，5wt%PVA，3wt%Ti2O，25v%聚苯乙烯混合均匀。

（2）在非连续柱状结构模具中预先铺置铁丝网，将混合均匀的陶瓷颗粒置入模具中，压制成非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体，其中圆柱直径为17mm，圆柱间距为9mm，圆柱高度为衬板厚度。

（3）将装配好的预制体放到型腔中固定好后进行浇铸，其浇铸温度为1580℃，待铸件冷却后进行水韧处理，实现该复合材料的成形。

实施例3

一种高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料锤头（如图5所示），该复合材料衬板包括高锰钢基体和圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体。圆柱状多孔陶瓷颗粒预制体成分为陶瓷颗粒、粘结剂、活化剂及造孔剂，各含量分别为92wt%WC，5wt%水玻璃，3wt%Ti2O，10v%聚乙烯醇。

本实施例所述高抗磨低变形高锰钢基高耐磨低形变复合材料衬板的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）将92wt%WC，5wt%水玻璃，3wt%Ti2O，10v%聚乙烯醇混合均匀。

（2）在非连续柱状结构模具中预先铺置铁丝网，将混合均匀的陶瓷颗粒置入模具中，压制成非连续柱状多孔陶瓷颗粒预制体，其中圆柱直径为5mm，圆柱间距为4.5mm，圆柱高度为锤头磨损面厚度。

（3）将装配好的预制体放到型腔中固定好后进行浇铸，其浇铸温度为1540℃，待铸件冷却后进行水韧处理，实现该复合材料的成形。