一种复合材料捣镐及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合材料捣镐及其制备方法，属于零部件制备技术领域。
【背景技术】
[0002]铁路养路机械在线路的建设与维护作业中发挥着重要作用，其中捣固车主要用于捣固铁路道床石碴，而捣镐则是捣固车中最重要的零件，同时也是养路机械中更换零部件最为频繁的部件之一。在铁道线路保养作业中，捣镐的使用量大，不仅要承受冲击载荷的作用，而且还要抵抑磨料磨损和冲击磨损。捣镐的失效主要表现为镐掌的磨损和镐身的断裂，而陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有优异的耐磨性和抗冲击性能，同时成本低廉，工艺简单，广泛用于耐磨零部件的制备，因此，陶瓷颗粒增强金属基复合材料应用于镐掌，可大大延长其使用寿命。
[0003]中国专利CN103194720A公开了一种耐磨捣镐，该捣镐通过等离子体表面处理来提高其耐磨性，具体处理方法是将捣镐置入反应室内，密封，抽真空，通入氩气和氮气，施加方形负脉冲电压电离混合气体，形成含氮高温等离子体，完成捣镐的表面改性，获得一层具有耐磨性表面层。但是，该发明得到的表面耐磨层很薄，短期内就可将该耐磨层全部磨损，捣镐工作7?8公里后，镐掌就会发生严重的磨损(磨损量达到镐掌高度的20% )，而且其制备工艺复杂，生产效率低，成本高，经济效益低，不适合工业生产。
[0004]中国专利CN203188068U涉及了一种耐磨捣镐，该捣镐的镐身和镐掌通过焊接连接为一体，其中，镐掌下部梯形部分表面焊接有硬质合金片，镐掌内部横向与镐身垂直嵌入有硬质合金柱，镐掌底部有凹槽，硬质合金头通过和其焊接为一体的矩形体嵌入焊接在凹槽内，得到具有硬质合金的捣镐。虽然该捣镐具有高的表面硬度，能达到HRC66?68左右，但是在钎焊硬质合金时，硬质合金与镐掌属于异种材料，两者之间的线膨胀系数相差很大，焊缝周围应力难以消除，容易产生裂纹，在磨损和冲击的工况下硬质合金很容易脱落，一般使用20公里左右，要补焊一次，捣固里程为50?60公里，寿命短，并且补焊会增加工人的劳动量，降低捣镐车的工作效率；捣镐所用的硬质合金一般价格在3000?4000元人民币，整个捣镐的价格为8000?10000元人民币，成本高，经济效益低。
[0005]中国专利CN202658484U公开了一种耐磨捣镐，该捣镐是通过采用中碳高合金高强度材料并经锻造成型、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的。该捣镐虽然不存在由于合金片掉落而提前失效的问题，但是镐掌硬度为HRC 40?55，整体耐磨性不高，捣固里程为20?35公里，寿命短；制备工艺复杂，不利于大批量生产；每只捣镐的价格在1000元人民币左右，成本高，经济效益低。
[0006]中国专利CN101704092A公开了一种耐磨捣镐，该捣镐采用双金属液_液复合浇铸方法制备而成，将温度为1660?1680°C的低铬普通钢液浇铸倒入捣镐模具中，冷却至1500?1550°C后，再浇入温度为1560?1580°C的高铬钼镍钨合金溶液，冷却成型即得双金属液-液复合捣镐。虽然该捣镐的镐身和镐掌形成了冶金结合，但是浇铸过程中温度不好控制，先浇入的金属液温度过高或者过低，都会影响两种金属的结合；先浇铸到铸型型腔的金属液上表面会有杂质，当与后浇铸的金属液接触时，在结合面上会形成缺陷；当捣镐工作时会在缺陷处产生裂纹，导致断裂。硬度为HRC68，一般捣固里程在30?40公里左右，并且失效后不能修复，成本高。
【发明内容】
[0007]针对上述存在的问题及不足，本发明的目的在于提供一种复合材料捣镐，包括镐身和镐掌，所述复合材料捣镐的镐掌四周表面上包裹了一层陶瓷颗粒增强金属基复合材料层，镐身为金属基体，通过焊接和镐掌连接在一起。
[0008]本发明所述陶瓷颗粒为WC、Cr3C2, TaC, TiC, NbC、W2C、Al2O3' ZrO2、S12、SiC、B4C, Si3N4, TiN、TiB2, T12中的一种或几种按任意比例混合得到的混合物，其颗粒粒径为106?380 μ mD
[0009]本发明所述陶瓷颗粒增强金属基复合材料层的厚度为5?20_，陶瓷颗粒增强金属基复合材料层层中陶瓷颗粒的体积分数为20%?80%。
[0010]本发明所述复合材料捣镐的镐身和镐掌的金属基体材质均为铸钢或者铸铁。
[0011]本发明的另一目的在于提供一种复合材料捣镐的制备方法，具体包括以下步骤:
(1)将陶瓷颗粒与粘接剂置于球磨罐中混合均匀后填充到预制体模具中，在150°c?600°C焙烧60?240min煅烧后得到预制体，其中，粘接剂的质量为陶瓷颗粒质量分数的2%?10% ；
(2)将预制体放入保温套筒中预热到300°C?1000°C后保温60?120min，预制体出炉后迅速置于挤压模具中，浇注金属液保温20s?60s后，施加30?10MPa的压力，使得金属液在外加压力的作用下浸渗到颗粒之间的间隙中得到金属基复合材料镐掌；
(3)将镇身镇掌焊接在一起得到复合材料捣I咼。
[0012]本发明步骤(I)所述粘接剂为磷酸铝溶液、磷酸二氢铝溶液、偏磷酸铝溶液、硼酸溶液、水玻璃溶液、聚乙烯醇溶液一种或几种按任意比例混合得到的混合物。
[0013]本发明步骤(I)所述烧结为真空烧结或者是4、队保护气体保护下烧结。
[0014]所述复合材料捣镐的镐身和镐掌的金属基体材质均为铸钢或者铸铁。
[0015]本发明的有益效果为:
(I)所述复合材料捣镐的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和镐身采用的是具有强韧性的铸钢或者铸铁，采用焊接将两者连接在一起；首先，镐掌是陶瓷颗粒增强金属基复合材料，具有陶瓷颗粒的高硬度，同时采用挤压铸造一体成型，不会出现钎焊硬质合金一样脱落的情况；陶瓷颗粒与基体金属之间润湿性好，能形成良好的界面结合，并且结合面上没有缺陷，不会像双金属液-液复合浇铸方法一样在界面上产生缺陷裂纹，引起捣镐断裂；复合材料的基体金属与镐身的材料一样都是铸钢或者是铸铁，焊接时结合强度高，同时又具有铸钢或者是铸铁的强韧性，不易断裂。
[0016](2)所述复合材料捣镐的镐掌耐磨层的厚度能达到20mm，是一般堆焊层厚度(5mm)的4倍，使用寿命大大延长。
[0017](3)所述复合材料捣镐是通过压力铸造方法制备，基体组织致密，无缩松、缩孔等缺陷，在冲击载荷下不易断裂，综合机械性能比普通铸造好，工艺简单，适合工业化生产。
[0018](4)所述复合材料捣镐中的陶瓷颗粒硬度高，耐磨性好，适用于受磨损和冲击的工况条件，陶瓷颗粒的维氏硬度可达1900HV，相当于钎焊硬质合金硬度(HRC66?68)的2倍多；价格上比堆焊捣镐(800?1000元人民币)还要低，为600?900元人民币；镐固里程可达70?80公里，并且中途不需要从捣固车上撤下来补焊，工作效率比09-32连续式捣固车提高30%?50%。
【附图说明】
[0019]图1是本发明复合材料捣镐结构示意图；
图2是本发明复合材料捣镐A处局部示意图；
图3是本发明复合材料捣镐预制体的流程图；
图4是本发明复合材料捣镐挤压铸造成型过程示意图。
[0020]图中:1_镇身；2_镇掌；3_颗粒增强金属基复合材料层；4-销孔；5_螺纹孔；6-挤压铸造基体；7_陶瓷颗粒；8_预制体模具；9_预制体；10_挤压铸造模具；11_基体金属液。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和具体实施例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。
[0022]实施例1
如图1至4所示，该复合材料捣镐包括镐身I和镐掌2，所述镐掌3四周表面上包裹了一层陶瓷颗粒增强金属基复合材料层3，陶瓷颗粒增强金属基复合材料层3的厚度为10_，其中陶瓷颗粒为WC，颗粒粒径为150 μ m，在陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒所占体积分数为50%，剩余的基体与镐身的材料一样，都为高铬铸铁。
[0023]本实施例所述的复合材料捣镐的制备方法，如图3、4所示，其具体步骤如下:
(I)将粒径为150 μ m的WC颗粒与水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液的混合溶液(混合溶液的含量为陶瓷颗粒质量分数的3%，混合溶液中水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液的质量比为1:1)装入球磨罐内，在球磨机上均匀混合120min，然后将混合均匀的颗粒填充到预制体模具8中，在250°C真空焙烧120min，随炉冷却，得到具有一定强度的预制体9。
[0024](2)将预制体9放入保温套筒中预热到400°C，并且保温60min，出炉后迅速置于挤压模具10中，浇注高铬铸铁金属液11，把压头迅速放到金属液的上面保温40s，然后施加30MPa的压力，使高铬铸铁金属液浸渗到WC陶瓷颗粒间隙中，得到WC颗粒增强的高铬铸铁基复合材料镐掌，如图2所示。
[0025](3)用砂型铸造浇铸出高铬铸铁镐身，然后和镐掌用lCrl3焊条焊在一起。
[0026]用本实施例制备得到的复合材料捣镐来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场的一级道碴，用AR2140型电子天平对磨损前后的试样称重，称重前试样必须清洗和烘干，并采用3次称重取其平均值计算磨损失重，用相同试验参数上试样的平均失重评定材料的耐磨性。结果表明，该复合材料捣镐在Ih内失重为0.034g，耐磨性比普通高铬铸铁捣镐耐磨性提高了 3.5倍左右；用HR-150型洛氏硬度计测量其硬度；结果表明，洛氏硬度为HRC82 (比硬质合金的HRC68提高了 20%);由此可见，该复合材料捣镐表面具有良好的耐磨耐冲击性，内部有好的塑性；镐固里程为75公里；工作效率比09-32连续式捣固车提高40%。
[0027]实施例2
如图1至4所示，该复合材料捣镐的镐掌四周表面上包裹了一层陶瓷颗粒增强金属基复合材料，复合层的厚度为15mm，其中陶瓷颗粒为匕(:，颗粒粒径为380 μ m，在陶瓷颗粒增强金属基复合材料中陶瓷颗粒所占体积分数为55 %，剩余的基体与镐身的材料一样，都为40Cro
[0028]本实施例所述的复合材料捣镐的制备方法，如图3、4所示，其具体步骤如下:
(I)将粒径为380 μπι的B4C颗粒与磷酸铝溶液(含量为陶瓷颗粒质量分数的4% )装入球磨罐内，在球磨机上均勾混合60min，然后将混合均勾的颗粒填充到预制体模具8中，在H2保护气体中300°C焙烧120min，随炉冷却，得到具有一定强度的预制体9。
[0029](2)将预制体9放入保温套筒中预热到700°C，并且保温80min，出炉后迅速置于挤压模具10中，浇注40Cr金属液11，把压头迅速放到金属液的上面保温50s，然后施加50MPa的压力，使40Cr金属液浸渗到B4C陶瓷颗粒间隙中，得到B4C颗粒增强的40Cr基复合材料镐掌，如图2所示。
[0030](3)用砂型铸造浇铸出40Cr镐身，然后和镐掌用lCrl3焊条焊在一起。
[0031]用本实施例制备得到的复合材料捣镐来做冲击磨料磨损试验，采用MLD-10型动载磨料磨损试验机，磨粒为线路现场