一种复合材料耐磨捣镐及其制备方法与流程

本发明涉及一种复合材料耐磨捣镐及其制备方法，属于零部件制备技术领域。

背景技术

目前，国内各工务段大型养路机械所使用捣镐主要为镐掌堆焊耐磨合金的低合金铸造捣镐，也有少量整体铸造的热处理强化镐。奥地利plasser&theurer公司研发的硬质合金捣镐，采用表面固定硬质合金零件的方法大大提高了耐磨损性能，其结构是在镐掌工作平面（正面）和工作斜面（背面）全部覆盖硬质合金零件。这种结构虽然提高了捣镐的寿命，但是由于在整个工作平面和工作斜面均包覆了硬质合金，不仅加工及装配工作量大，而且大量使用的硬质合金零件增加了捣镐的生产制造成本。

cn202658484u公开了一种耐磨捣镐，该捣镐是采用中碳高合金高强度材料并经过锻造成型、调质处理的镐杆与采用高碳高合金耐磨材料并经锻造成型、淬火处理的镐掌焊接在一起。该捣镐虽然不会出现耐磨合金片的掉落导致失效。但是镐掌的硬度为hrc40～55，整体耐磨性不高，捣固里程为20～35公里，寿命不长。而且工艺复杂，不适合工业化生产。cn101704092a公开了一种耐磨捣镐，该捣镐采用双金属液-液复合铸造的方法制得，是将低铬普通钢在1660～1680℃浇铸到捣镐模具当中，冷却至1500～1550℃，再将高铬钼镍钨合金溶液在1560～1580℃倒入，冷却后得到双金属液-液复合捣镐。虽然捣镐的镐身与镐掌产生的冶金结合，但是温度不好控制，会影响两种金属的结合，最后影响使用寿命。cn104874770a公开了一种复合材料捣镐及其制备方法，是利用陶瓷颗粒先做成预制体，再浇入金属液挤压成型，然后通过焊接成型。这种复合材料是均质陶瓷复合材料，在实际工作的情况当中，在无冲击的工况下，可以起到很好的耐磨效果。但是在高冲击的捣镐工况下陶瓷颗粒容易脱落，容易引起失效。并且通过挤压铸造成型，陶瓷颗粒分布不均，在底部的陶瓷受到较大压力，陶瓷容易聚在一起，影响金属液包裹住陶瓷，裂纹容易在此处萌发，产生断裂失效。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种复合材料耐磨捣镐及其制备方法，所述镐掌内部结构由复合材料小球按照空间点阵规则排列而成，镐身与镐掌为同种金属基体，通过直接铸造一体成型。

一种复合材料耐磨捣镐的制备方法，包括以下步骤：

（1）将陶瓷颗粒与金属微粉放入球磨机中球磨10～30min，然后加入粘结剂继续球磨5～10min，制得浆料；将浆料倒入模具中，加热到600～850℃，保温1~2h，冷却，制成单层预制体，单层预制体中复合材料小球呈平面点阵排列；

（2）按照镐掌的形状，将多个单层预制体中间放上金属网层层堆垛排列，并用粘结剂粘结，在400～600℃烧结0.5-2.5h，制得立体预制体，立体预制体中复合材料小球呈空间点阵排列；

（3）将立体预制体固定在镐身与镐掌一体化的铸型型腔的捣镐型腔中，立体预制体与捣镐型腔底部及侧面均相距1～2mm，再将金属基体液浇注满整个型腔，使金属基体液浸润到复合材料小球中，冷却即得复合材料耐磨捣镐。

步骤（1）中所述的模具包括多个呈平面点阵排列的球状空腔，模具可分为上下两部分，上下两部分之间设有金属网（如图1所示）。优选地，所述模具为金属材质，如：低合金调质模具钢（6g、6f2、6f3）、中铬热作模具钢（h11、h12、h13）等。

优选地，陶瓷为al2o3、wc、tic、zro2、sio2、tio2、sic、tin、zta中的一种或几种任意比例混合物，陶瓷颗粒的直径为20～200μm。

优选地，金属微粉为粒径为20～200μm的铁粉、铬粉、钛粉、镍粉中的一种或几种任意比例混合物。

优选地，陶瓷颗粒与金属微粉的质量比为5:1-10:1。

优选地，粘结剂为硅溶胶、水玻璃、偏磷酸铝、磷酸二氢铝中的一种或几种按任意比例混合的混合物。

优选地，步骤（1）中粘结剂的加入量为陶瓷颗粒质量的4～10%。

优选地，步骤（2）中粘结剂的加入量为复合材料小球质量的5～8%。

优选地，单层预制体中复合材料小球的直径为3～5mm，相邻复合材料小球的距离为1～2mm。

优选地，金属基体的材质为铸钢或者铸铁。

本发明的有益效果：

（1）陶瓷颗粒的维氏硬度至少在1500hv以上，高的可达1900hv以上，是钎焊硬质合金硬度hrc66～68的2倍以上，耐磨性更高；

（2）镐掌采用的是具有高硬度的陶瓷颗粒增强金属基复合材料，所以镐掌具有高硬度高耐磨的特性，并且采用空间点阵的排列方式，具有空间的结构，复合材料小球外部包裹着纯金属，可以有效的避免像均匀陶瓷复合材料在高冲击的工况下，陶瓷颗粒的脱落与裂纹直接穿透陶瓷颗粒，引起失效，降低使用寿命的问题。另一方面，复合材料小球的内部加入了活化微粉，改善了陶瓷与金属的润湿性，使复合材料小球内部的金属与陶瓷产生反应浸渗，能够完全浸润，不会出现浸润问题。这种复合材料小球内部是微米级陶瓷，每个复合材料小球又是毫米级的，这样就能保证在高冲击时，不仅陶瓷颗粒能够增加耐磨性，而且毫米级复合材料小球四周包裹的金属又能大大提高韧性，非常适合捣镐的工作环境；

（3）金属基体能够完全浸润陶瓷颗粒，所以整个镐掌都是陶瓷耐磨材料，比均匀陶瓷复合材料的耐磨层厚度20mm，一般堆焊层厚度5mm，使用寿命大大提高；

（4）采用常压浸渗的方法制备捣镐，镐身与镐掌通过整体铸造成型，复合材料的的金属基体与镐身的材料都是铸铁或者铸钢，不会出现像常用捣镐焊接成型工艺，容易在焊接接口处的断裂。同时工艺比较简单，适合批量生产。

附图说明

图1为制备单层预制体模具的结构示意图；

图2为立体预制体的结构示意图；

图3为捣镐的正面剖视图；

图4为捣镐的侧面剖视图；

图中：1-镐身，2-镐掌，3-金属基体，4-复合材料小球，5-陶瓷颗粒，6-金属微粉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1

一种复合材料耐磨捣镐的制备方法，包括以下步骤：

（1）将粒径为20μm的wc陶瓷颗粒与粒径为20μm的钛粉，按质量比为5:1放入球磨机中球磨10min，然后加入粘结剂水玻璃，粘结剂的加入量为陶瓷颗粒质量的4%，继续球磨5min，制得浆料；将浆料倒入模具中（所述模具包括多个呈平面点阵排列的球状空腔，模具可分为上下两部分，上下两部分之间设有金属网（如图1所示），为6g低合金调质模具钢材质），放在加热炉中，加热到600℃，保温2h，冷却，制成单层预制体，单层预制体中复合材料小球呈平面点阵排列，复合材料小球的直径为3mm，相邻复合材料小球的距离为1mm；

（2）按照镐掌的形状，将多个单层预制体中间放上金属网层层堆垛排列，并用粘结剂水玻璃粘结，粘结剂的加入量为复合材料小球质量的5%，放入加热炉中，在600℃烧结0.5h，制得立体预制体，立体预制体中复合材料小球呈空间点阵排列（如图2所示）；

（3）将立体预制体用钉子固定在镐身与镐掌一体化的铸型型腔的捣镐型腔中，立体预制体与捣镐型腔底部及侧面均相距1mm，将高铬铸铁在中频熔炼炉中加热到1600℃熔化后，浇注满整个型腔，使高铬铸铁液浸润到复合材料小球中，冷却即得复合材料耐磨捣镐。

如图3、4所示，制得的复合材料耐磨捣镐包括镐身1和镐掌2，镐身1和镐掌2一体成型；其中，镐掌2包括金属基体3和由复合材料小球4按空间点阵排列组成的立体预制体，复合材料小球4内部及外部均被金属基体3浸润包覆；所述复合材料小球4的材质包括陶瓷颗粒5和金属微粉6。

将制得的复合材料耐磨捣镐做冲击磨损实验，采用mld-10型动载荷磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道渣，用ar2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前必须清洗和烘干，并采取4次称重取其平均值，然后计算出体积磨损量，用相同的试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。该复合材料捣镐的体积磨损量为0.01202cm³/h，磨损率比均匀陶瓷增强复合材料捣镐减少了30.13%。耐磨性比普通捣镐提高了4倍以上。捣固里程为98公里。工作效率比09-32连续式捣固车提高63%。

实施例2

一种复合材料耐磨捣镐的制备方法，包括以下步骤：

（1）将粒径为100μm的al2o3和tic陶瓷颗粒的混合物与粒径为100μm的铁粉与铬粉的混合物，按质量比为8:1放入球磨机中球磨20min，然后加入硅溶胶和偏磷酸铝的混合物作为粘结剂，粘结剂的加入量为陶瓷颗粒质量的6%，继续球磨8min，制得浆料；将浆料倒入模具中（所述模具包括多个呈平面点阵排列的球状空腔，模具可分为上下两部分，上下两部分之间设有金属网（如图1所示），为6f3低合金调质模具钢材质），放在加热炉中，加热到700℃，保温1.5h，冷却，制成单层预制体，单层预制体中复合材料小球呈平面点阵排列，复合材料小球的直径为4mm，相邻复合材料小球的距离为1.5mm；

（2）按照镐掌的形状，将多个单层预制体中间放上金属网层层堆垛排列，并用粘结剂（硅溶胶和偏磷酸铝的混合物）粘结，粘结剂的加入量为复合材料小球质量的6%，放入加热炉中，在500℃烧结1.5h，制得立体预制体，立体预制体中复合材料小球呈空间点阵排列（如图2所示）；

（3）将立体预制体固定在镐身与镐掌一体化的铸型型腔的捣镐型腔中，立体预制体与捣镐型腔底部及侧面均相距1.5mm，将高锰钢在中频熔炼炉中加热到1600℃熔化后，浇注满整个型腔，使高锰钢液浸润到复合材料小球中，冷却即得复合材料耐磨捣镐。

制得的复合材料耐磨捣镐与实施例1基本相同，不同之处仅在于具体的结构参数。

将制备好的复合材料捣镐做冲击磨损实验，采用mld-10型动载荷磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道渣，用ar2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前必须清洗和烘干，并采取4次称重取其平均值，然后计算出体积磨损量，用相同的试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。该复合材料捣镐的体积磨损量为0.01102cm³/h，磨损率比均匀陶瓷增强复合材料捣镐减少了35.32%。耐磨性比普通捣镐提高了4倍以上。捣固里程为101公里。工作效率比09-32连续式捣固车提高68%。

实施例3

一种复合材料耐磨捣镐的制备方法，包括以下步骤：

（1）将粒径为200μm的zro2、sio2、tio2、sic、tin、zta等陶瓷颗粒的混合物与粒径为200μm的铁粉、铬粉、钛粉和镍粉的混合物，按质量比为10:1放入球磨机中球磨30min，然后加入硅溶胶、水玻璃、偏磷酸铝和磷酸二氢铝的混合物作为粘结剂，粘结剂的加入量为陶瓷颗粒质量的10%，继续球磨10min，制得浆料；将浆料倒入模具中（所述模具包括多个呈平面点阵排列的球状空腔，模具可分为上下两部分，上下两部分之间设有金属网（如图1所示），为h11中铬热作模具钢材质），放在加热炉中，加热到850℃，保温1h，冷却，制成单层预制体，单层预制体中复合材料小球呈平面点阵排列，复合材料小球的直径为5mm，相邻复合材料小球的距离为2mm；

（2）按照镐掌的形状，将多个单层预制体中间放上金属网层层堆垛排列，并用粘结剂（硅溶胶、水玻璃、偏磷酸铝和磷酸二氢铝的混合物）粘结，粘结剂的加入量为复合材料小球质量的8%，放入加热炉中，在400℃烧结2.5h，制得立体预制体，立体预制体中复合材料小球呈空间点阵排列（如图2所示）；

（3）将立体预制体固定在镐身与镐掌一体化的铸型型腔的捣镐型腔中，立体预制体与捣镐型腔底部及侧面均相距2mm，将40cr钢在中频熔炼炉中加热到1550℃熔化后，浇注满整个型腔，使40cr钢液浸润到复合材料小球中，冷却即得复合材料耐磨捣镐。

制得的复合材料耐磨捣镐与实施例1基本相同，不同之处仅在于具体的结构参数。

将制得的复合材料捣镐做冲击磨损实验，采用mld-10型动载荷磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道渣，用ar2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前必须清洗和烘干，并采取4次称重取其平均值，然后计算出体积磨损量，用相同的试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。该复合材料捣镐的体积磨损量为0.01217cm³/h，磨损率比均匀陶瓷增强复合材料捣镐减少了31.24%。耐磨性比普通捣镐提高了4倍以上。捣固里程为95公里。工作效率比09-32连续式捣固车提高58%。

实施例4

一种复合材料耐磨捣镐的制备方法，包括以下步骤：

（1）将粒径为80μm的tio2陶瓷颗粒、sic陶瓷颗粒与粒径为100μm的钛粉按4:3:1的质量比放入球磨机中球磨25min，然后加入硅溶胶作为粘结剂，粘结剂的加入量为tio2陶瓷颗粒与sic陶瓷颗粒质量之和的8%，继续球磨10min，制得浆料；将浆料倒入模具中（所述模具包括多个呈平面点阵排列的球状空腔，模具可分为上下两部分，上下两部分之间设有金属网（如图1所示），为h13中铬热作模具钢材质），放在加热炉中，加热到750℃，保温2h，冷却，制成单层预制体，单层预制体中复合材料小球呈平面点阵排列，复合材料小球的直径为3mm，相邻复合材料小球的距离为1.2mm；

（2）按照镐掌的形状，将多个单层预制体中间放上金属网层层堆垛排列，并用粘结剂硅溶胶粘结，粘结剂的加入量为复合材料小球质量的5%，放在入加热炉中，在550℃烧结1h，制得立体预制体，立体预制体中复合材料小球呈空间点阵排列（如图2所示）；

（3）将立体预制体固定在镐身与镐掌一体化的铸型型腔的捣镐型腔中，立体预制体与捣镐型腔底部及侧面均相距1mm，将u71mn钢在中频熔炼炉中加热到1600℃熔化后，浇注满整个型腔，使u71mn钢液浸润到复合材料小球中，冷却即得复合材料耐磨捣镐。

制得的复合材料耐磨捣镐与实施例1基本相同，不同之处仅在于具体的结构参数。

将制备好的复合材料捣镐做冲击磨损实验，采用mld-10型动载荷磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道渣，用ar2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前必须清洗和烘干，并采取4次称重取其平均值，然后计算出体积磨损量，用相同的试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。该复合材料捣镐的体积磨损量为0.01247cm³/h,磨损率比均匀陶瓷增强复合材料捣镐减少了34.78%。耐磨性比普通u71mn捣镐提高了5倍以上。捣固里程为104公里。工作效率比09-32连续式捣固车提高73%。