一種活性元素燒結zta顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，將活性元素粉末混合均勻，加入適量粘結劑與ZTA顆粒攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后烘干；燒結得到蜂巢狀預制塊；將蜂巢狀預制塊固定在鑄型預留位置并澆注金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。本發(fā)明中ZTA顆粒預制塊的燒結工藝簡單，其形狀、尺寸可通過模具進行控制，同時復合錘頭的鑄滲工藝具有較高的生產效率、成品率和普適性。另外，界面處引入的活性元素可提高界面結合強度，具有釘扎效應的復合層結構賦予復合錘頭較好的抗沖擊性。
【專利說明】一種活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于破碎設備材料制備領域，具體涉及一種適用于錘式破碎機的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法。
【背景技術】
[0002]錘式破碎機廣泛應用于冶金、礦山等工業(yè)領域，其錘頭是承受主要磨損及沖擊作用的關鍵零部件。目前常用的錘頭材料包括高鉻鑄鐵、合金鋼及高錳鋼等傳統(tǒng)鋼鐵材料，但隨著破碎加工要求的不斷提升，單一材料的錘頭已很難在嚴苛工況下展現良好的服役性能，這促使了新型耐磨材料的開發(fā)及錘頭結構設計的優(yōu)化。
[0003]陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料結合了其中兩相的特點，可通過不同陶瓷、鋼鐵的組合及增強顆粒在基體中的局部復合來實現部件的多性能化，具有廣泛應用于嚴苛磨損工況中的潛力。尤其是陶瓷顆粒僅在工作部位的表層分布的表層復合耐磨件，在保證具有足夠耐磨性的同時可大大減少原料使用量進而降低成本。常用的表層復合耐磨件為整層復合的形式，復合層內高比例的陶瓷顆粒使耐磨件表面脆性很大，再加上復合層與基體間的結合面在強沖擊、高應力的工況下容易開裂使得復合層剝落，縮短耐磨件的使用壽命，甚至造成重大的安全事故，因此需要對復合層進行韌化并改進其復合方式。
[0004]在制備陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料時常用的陶瓷顆粒為碳化物、氧化物、氮化物三類，如碳化鎢與氧化鋁。碳化鎢與鐵液潤濕性很好，其界面處能夠形成牢固的冶金結合。但碳化鎢與鋼鐵的熱脹系數差別較大，其界面處極易產生熱裂紋，并且碳化鎢資源日趨緊張、價格昂貴。而氧化鋁雖然其價格較低，與鋼鐵的熱匹配性較好，但其脆性很大，受到較高沖擊時容易斷裂。近年來，國內外學者在高韌性陶瓷的研發(fā)方面做了很多工作，發(fā)現氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷中的氧化鋯由于其獨特的相變過程可大大提高陶瓷的韌性，并且其價格也遠低于碳化鎢，因此可替代傳統(tǒng)的陶瓷顆粒作為復合材料的增強相。但ZTA陶瓷具有與氧化鋁同樣的問題，即與鐵液潤濕性差，制備高性能復合材料的難度較大。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明目的在于克服以上技術問題，提出了一種燒結工藝簡單，其形狀、尺寸可通過模具進行控制，同時復合錘頭的鑄滲工藝具有較高的生產效率、成品率和普適性，且能夠提高潤濕性和界面結合強度，具有釘扎效應的復合層結構賦予復合錘頭較好的抗沖擊性的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的制備方法包括以下步驟:
[0007]I)首先，將活性金屬元素粉末與無水乙醇濕混得到混合粉末；
[0008]其中，活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物；
[0009]2)其次，將上述混合粉末與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔铮缓笤僭诨旌衔镏屑尤胝辰Y劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后烘干；[0010]3)將模具放入爐中燒結，自室溫以5-10°C /min的升溫速度升溫至950_1100°C燒結1-2小時，隨后以4-6°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊；
[0011]4)將多個蜂巢狀預制塊以15_30mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘?，然后采用鑄滲工藝澆注鋼鐵基體材料金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。
[0012]所述的濕混采用球磨或混料筒混料。
[0013]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為70-80%。
[0014]所述的粘結劑為質量濃度20-30%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入3_5mL。
[0015]所述的烘干溫度為70°C。
[0016]所述的蜂巢狀預制塊孔隙率為40?50%。
[0017]所述的鋼鐵基體材料為制造錘頭常用的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵或鎳系合金鑄鐵。
[0018]與現有技術相比，本發(fā)明具有的優(yōu)勢和效果包括:
[0019]本發(fā)明中ZTA顆粒表面包覆的活性元素粉末，燒結時會與ZTA之間形成冶金結合，連接ZTA顆粒。最終在澆鑄時，活性元素粉末與鐵液之間的高固溶度及預制塊中足夠的孔隙也可保證其具有優(yōu)良的鑄滲效果。因此，本發(fā)明中將活性元素引入ZTA顆粒與鐵基體界面處的方法能夠得到界面結合強度較高、抗沖擊性較好的耐磨復合錘頭。
[0020]另外，添加少量的硼砂溶液作為粘結劑，不僅可以使得活性元素粉末較好的粘附于陶瓷顆粒表面，在后期的鑄滲過程中還可起到鑄滲劑的作用，因此優(yōu)于其他樹脂、聚乙烯醇等會帶來殘?zhí)亢碗s質的常用粘結劑。
[0021]本發(fā)明中ZTA顆粒燒結后形成的塊體為蜂巢狀結構，使得圓柱狀的金屬基體可在復合層中產生釘扎效應，提高了復合層與基體的結合強度，可大大降低耐磨件失效的幾率。此外，由于復合層中較軟的金屬基體在磨損時逐漸凹陷，蜂巢狀增強體和其中的ZTA顆粒則突出于基體并承受主要磨損，起到保護作用。因此，蜂巢狀結構的表面復合材料具有較高的耐磨性和抗沖擊性，使用壽命得到了延長，并可節(jié)省增強顆粒的用量，降低成本。
[0022]另外，澆注金屬液時可根據不同情況選擇負壓鑄滲工藝、離心鑄滲工藝等鑄滲方法，加入的粘結劑也可作為有效的鑄滲劑，起到增加鑄滲深度，減少鑄造缺陷的作用?？偟膩碚f，本發(fā)明中ZTA顆粒預制塊的工藝簡單，其形狀、尺寸可通過模具進行控制，同時復合錘頭的鑄滲工藝具有較高的生產效率、成品率和普適性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明實施例1制備的復合錘頭示意圖，其中圖1a為復合錘頭整體示意圖，圖1b為復合錘頭打擊面復合層。其中，1-ZTA顆粒增強體；2-金屬基體。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0025]實施例1:
[0026]I)首先，將活性金屬元素粉末Ni和Cr與無水乙醇采用球磨或混料筒混料得到混合粉末；[0027]2)其次，將上述混合粉末與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔?，然后再在混合物中加入粘結劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后在70°C烘干；
[0028]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為75%，粘結劑為質量濃度20%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入3mL ；
[0029]3)將模具放入爐中燒結，自室溫以5°C /min的升溫速度升溫至950°C燒結2小時，隨后以4°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊，其孔隙率為40% ；
[0030]4)將多個蜂巢狀預制塊以15_的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘?，然后采用鑄滲工藝澆注高錳合金鋼金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。冷卻脫模后得到復合錘頭(圖la)。錘頭打擊面處的復合層呈蜂巢狀結構，高錳鋼基體與ZTA顆粒增強體交替分布(圖1b)其中1-ZTA顆粒增強體；2_金屬基體。
[0031]實施例2:
[0032]I)將活性金屬元素粉末Ni與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔铮缓笤僭诨旌衔镏屑尤胝辰Y劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后在70°C烘干；
[0033]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為78%，粘結劑為質量濃度24%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入5mL ；
[0034]2)將模具放入真空燒結爐中燒結，自室溫以6°C /min的升溫速度升溫至1050°C燒結I小時，隨后以6°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊，其孔隙率為48% ；
[0035]3)將多個蜂巢狀預制塊以25mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘妫缓蟛捎描T滲工藝澆注低合金鋼金屬液，澆注溫度為1450-1550°C，冷卻脫模后得到復合錘頭。
[0036]實施例3:
[0037]I)將活性金屬元素粉末Cr與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔?，然后再在混合物中加入粘結劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后在70°C烘干；
[0038]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為70%，粘結劑為質量濃度25%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入5mL ；
[0039]2)將模具放入真空燒結爐中燒結，自室溫以9°C /min的升溫速度升溫至1020°C燒結1.5小時，隨后以4°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊，其孔隙率為43% ；
[0040]3)將多個蜂巢狀預制塊以30mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘妫缓蟛捎描T滲工藝澆注鉻系合金鑄鐵金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。
[0041]實施例4:
[0042]I)首先，將活性金屬元素粉末Ni和Cr與無水乙醇采用球磨或混料筒混料得到混合粉末；
[0043]2)其次，將上述混合粉末與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔?，然后再在混合物中加入粘結劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后在70°C烘干；
[0044]所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為80%，粘結劑為質量濃度30%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入3mL ；[0045]3)將模具放入真空燒結爐中燒結，自室溫以10°C /min的升溫速度升溫至1100°C燒結I小時，隨后以6°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊，其孔隙率為50% ；
[0046]4)將多個蜂巢狀預制塊以15_的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘?，然后采用鑄滲工藝澆注鎳系合金鑄鐵金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。
【權利要求】
1.一種活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于: O首先，將活性金屬元素粉末與無水乙醇濕混得到混合粉末； 其中，活性金屬元素粉末為N1、Cr中的一種或其混合物； 2)其次，將上述混合粉末與10-20目的ZTA顆?；旌系没旌衔?，然后再在混合物中加入粘結劑攪拌混合，填入蜂巢狀模具壓制后烘干； 3)將模具放入爐中燒結，自室溫以5-10°C/min的升溫速度升溫至950-1100°C燒結1_2小時，隨后以4-6°C /min進行冷卻，冷卻至900°C時隨爐冷卻，ZTA顆粒相互連接形成蜂巢狀預制塊； 4)將多個蜂巢狀預制塊以15-30mm的間距固定在鑄型的端面?zhèn)燃垂ぷ髅婊虼驌裘?，然后采用鑄滲工藝澆注鋼鐵基體材料金屬液，冷卻脫模后得到復合錘頭。
2.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的濕混采用球磨或混料筒混料。
3.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為70-80%。
4.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的粘結劑為質量濃度20-30%的硼砂溶液，按每IOOg混合物中加入3-5mL。
5.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的烘干溫度為70°C。
6.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的蜂巢狀預制塊孔隙率為40?50%。
7.根據權利要求1所述的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合錘頭的制備方法，其特征在于:所述的鋼鐵基體材料為制造錘頭常用的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵或鎳系合金鑄鐵。
【文檔編號】B22D23/04GK103769562SQ201410029952
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權日:2014年1月22日
【發(fā)明者】湯姝莉, 李燁飛, 高義民, 邢建東, 鄭開宏, 孫良 申請人:西安交通大學, 廣州有色金屬研究院