一种陶瓷增强坯体及其设计方法和应用

本发明涉及耐磨钢铁基复合材料领域，具体而言，涉及一种陶瓷增强坯体及其设计方法和应用。

背景技术：

1、传统高锰钢、高铬铸铁以及耐磨合金钢等耐磨钢铁材料一直是矿山、冶金、电力、基建等领域不可或缺的基础性关键材料，主要用于破碎、研磨，掘进等设备的磨辊、板锤、锤头、磨球、铲齿等易磨损零部件。随着各个领域逐渐向节能降耗的产业模式调整，由于传统耐磨钢铁材料一直存在的耐磨性与强韧性难以完美匹配的问题，始终制约了其应用发展。

2、相比之下，具有陶瓷颗粒的钢铁基复合材料因其耐磨性与强韧性可兼容的优势，使其成为替代传统耐磨钢铁材料的首选。公开号为cn116422879a的中国专利《一种高耐磨金属陶瓷复合磨辊的制备方法》首先通过压力铸渗技术制备金属陶瓷耐磨块，再将金属陶瓷耐磨块固定到型腔内部，最终获得了耐磨性能良好的金属陶瓷复合磨辊。公开号为cn114682755a的中国专利《一种耐磨镶嵌块增强钢铁基复合材料、制备方法及应用》通过对陶瓷颗粒表面改性、成型、以及真空烧结等步骤获得预制体，并经过两步复合技术以及后期热处理技术，获得具有抗磨性能的复合铸件。

3、虽然，具有陶瓷颗粒的钢铁基复合材料在一定程度上使其耐磨性能较自身基体材料均有一定的提升，但相关耐磨构件的服役寿命仍未满足理想的设计要求。目前，制备陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料主要存在以下两个问题：一、由于陶瓷颗粒与钢铁材料间的热物性差异，难以完全避免陶瓷预制体中熔体浸渗不足的问题；二、通过减少预制体中陶瓷颗粒的体积分数进而提高熔体在的浸渗能力，但复合材料的耐磨强化效果受限。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体及其设计方法和应用，通过该设计方法可以有针对性地设计符合对应构件使用场合和耐磨要求的陶瓷增强坯体，从而可以有效强化多种不同的耐磨钢铁构件。

2、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体的设计方法，包括以下步骤：

4、根据耐磨构件的形状及耐磨需求对应设计不同形状和结构的陶瓷增强坯体模具；

5、通过表面改性粉体对zta陶瓷颗粒进行包覆处理；

6、在粘结剂的作用下对包覆后的zta陶瓷颗粒通过模具压制成型并进行固化处理，即得陶瓷增强坯体；陶瓷增强坯体中分布有用于浸渗钢铁熔体的连通孔道；孔道为通孔和/或盲孔，根据耐磨构件类型连通孔道的形状分别设计为：

7、用于板锤、锤头铲齿或斗齿的陶瓷增强坯体，其连通孔道横截面为圆形；

8、用于磨辊或圆锥件的陶瓷增强坯体，其连通孔道横截面为多边形。

9、经过强度测试确定最匹配待增强的耐磨构件需求的陶瓷增强坯体设计方案。

10、进一步地，表面改性粉体材料为高锰钢、高铬铸铁或合金钢中的任一种合金粉体材料。

11、进一步地，合金粉体材料的粒径为50～100μm。

12、优选地，合金粉体材料的粒径为80～100μm。

13、进一步地，用于板锤、锤头铲齿或斗齿的陶瓷增强坯体，其连通孔道设计为圆柱状孔道、圆锥状孔道或圆台状孔道中的至少一种。

14、进一步地，用于磨辊或圆锥件的陶瓷增强坯体，其连通孔道设计为棱柱状孔道、棱锥状孔道或棱台状孔道中的至少一种。

15、进一步地，陶瓷增强坯体的强度大于或等于50mpa。

16、第二方面，本发明还提供采用上述任一实施方式的设计方法设计而成的耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体。

17、第三方面，本发明还提供一种耐磨构件，包括主体和复合区；复合区包括如上述任一实施方式的耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体以及浸渗于陶瓷增强坯体的连通孔道内的钢铁基体，复合区中陶瓷颗粒体积分数较大的一端设于耐磨构件的易磨损区域内，而复合区中陶瓷颗粒体积分数较小的一端朝向耐磨构件内部非易磨损区域。

18、进一步地，陶瓷增强坯体的表面改性材料与钢铁基体的材料相同。

19、进一步地，连通孔道包括通孔和盲孔，盲孔开口方向面向耐磨构件内部非易磨损区域。

20、第三方面，本发明还提供了一种耐磨构件，其包括主体和复合区；复合区包括上述的耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体以及浸渗于陶瓷增强坯体的连通孔道内的钢铁基体，复合区中的zta陶瓷颗粒所占体积分数为30～50％；复合区中陶瓷颗粒体积分数较大的一端设于耐磨构件的易磨损区域内，而复合区中陶瓷颗粒体积分数较小的一端朝向耐磨构件内部非易磨损区域。陶瓷增强坯体由于孔道的存在，坯体各部位的陶瓷颗粒体积分数并不相同，将陶瓷颗粒体积分数较大的一端设于耐磨构件的易磨损区域，可以有效提高易磨损区域的耐磨性能。

21、进一步地，耐磨构件为板锤、锤头铲齿或斗齿中的任一种，陶瓷增强坯体上的孔道横截面为圆形。具有横截面为圆形的孔道的陶瓷增强坯体可以有效缓解坯体的应力集中，更适用于板锤、锤头铲齿或斗齿等服役于动态高冲击载荷磨损工况下的钢铁构件。

22、优选地，孔道为圆柱状孔道、圆锥状孔道或圆台状孔道中的至少一种。

23、进一步地，耐磨构件为磨辊或圆锥件，陶瓷增强坯体上的孔道横截面为多边形。具有横截面为多边形的孔道的陶瓷增强坯体更适用于磨辊、圆锥等服役于动态低冲击或近静态载荷磨损工矿条件下的钢铁构件。

24、优选地，孔道为棱柱状孔道、棱锥状孔道或棱台状孔道中的至少一种。

25、优选地，陶瓷增强坯体的表面改性材料与钢铁基体的材料相同。

26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体的设计方法，可以根据耐磨构件不同服役条件下的耐磨性要求，选择合适的原料和配比，并有针对性地对陶瓷增强坯体的外形、孔道形状、孔径大小等参数进行调整，以达到更优的耐磨性能。通过该设计方法得到的陶瓷增强坯体在实际应用中可以有效提高构件的耐磨性能，根据使用场景将陶瓷增强坯体设置于耐磨构件中合适位置还可以进一步提升构件的耐磨效果。

技术特征：

1.一种耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述表面改性粉体为高锰钢、高铬铸铁或合金钢中的任一种合金粉体材料。

3.根据权利要求2所述的设计方法，其特征在于，所述合金粉体材料的粒径为50～100μm；

4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，用于板锤、锤头铲齿或斗齿的陶瓷增强坯体，其连通孔道设计为圆柱状孔道、圆锥状孔道或圆台状孔道中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，用于磨辊或圆锥件的陶瓷增强坯体，其连通孔道设计为棱柱状孔道、棱锥状孔道或棱台状孔道中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述陶瓷增强坯体的强度大于或等于50mpa。

7.一种耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体，其特征在于，采用如权利要求1～6任一项所述的设计方法设计而成。

8.一种耐磨构件，其特征在于，包括主体和复合区；所述复合区包括如权利要求7所述的耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体以及浸渗于陶瓷增强坯体的连通孔道内的钢铁基体，所述复合区中的zta陶瓷颗粒所占体积分数为30～50％；所述复合区中陶瓷颗粒体积分数较大的一端设于所述耐磨构件的易磨损区域内，而复合区中陶瓷颗粒体积分数较小的一端朝向所述耐磨构件内部非易磨损区域。

9.根据权利要求8所述的耐磨构件，其特征在于，所述陶瓷增强坯体的表面改性材料与所述钢铁基体的材料相同。

10.根据权利要求8所述的耐磨构件，其特征在于，所述连通孔道包括通孔和盲孔，盲孔开口方向面向所述耐磨构件内部非易磨损区域。

技术总结
本发明涉及一种耐磨钢铁材料陶瓷增强坯体及其设计方法和应用，设计方法包括以下步骤：根据耐磨构件的耐磨需求设计不同形状和结构的陶瓷增强坯体模具；通过表面改性粉体对ZTA陶瓷颗粒进行包覆处理；在粘结剂的作用下对包覆后的ZTA陶瓷颗粒通过模具压制成型并进行固化处理，即得陶瓷增强坯体；陶瓷增强坯体中分布有用于浸渗钢铁熔体的连通孔道；孔道为通孔和/或盲孔，陶瓷增强坯体中的ZTA陶瓷颗粒体积分数为30～50％；根据耐磨构件类维连通孔道的形状分别设计为：用于板锤、锤头铲齿或斗齿的陶瓷增强坯体，其连通孔道横截面为圆形；用于磨辊或圆锥件的陶瓷增强坯体，其连通孔道横截面为多边形。

技术研发人员：王帅,郑开宏,王娟,郑志斌,林颖菲,龙骏
受保护的技术使用者：广东省科学院新材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10