一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法

2023-08-10 04:06:01

專利名稱：一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法
技術領域：
本發明屬於金屬基複合材料技術領域，特別涉及一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法。
背景技術：
現代工業的發展對材料的耐磨性能要求越來越高，冶金、礦山、建材、電力、化工、 煤炭和農業等部門分別要用到礦山機械、工程機械、農業機械和各種破碎粉磨機械，這些機械設備的易損件要受到砂石、礦石、土壤等各種物料和研磨體的磨損，每年要消耗大量金屬。根據不完全統計，能源的1/3 1/2消耗與摩擦和磨損有關。對材料來說，約80%的零件失效是由磨損引起的，其中因磨料磨損而失效的約佔50%，據統計我國用於磨料磨損工況的耐磨鐵鐵件，每年要消耗200多萬噸。由此，開發研製出一種能在磨損工況下，具有較長使用壽命的新材質顯得極為重要。在工業中的許多領域存在惡劣的工作環境，要求工作零部件同時具備耐磨耐熱或耐磨耐蝕綜合性能，因此具有單一性能的材料已不能滿足工況的需求。複合材料由於是將兩種或以上具有不同特性的材料，通過物理或化學的方法將它們有機結合在一起，發揮各自優勢，因此材料具有優異的綜合性能。近幾年來，對複合材料製備工藝的研究做了大量的工作，開發了多種工藝。這些工藝方法用於製造有色金屬複合材料時，由於有色金屬大多數熔點低，與很多增強顆粒間浸潤性好，因此取得了很好的效果。如SiC增強鋁合金複合材料製造活塞，使用壽命大幅度提高。然而對黑色金屬而言，由於熔點高，相互之間冶金反應複雜，因此如何方便地使增強顆粒加入黑色金屬液中，一直是一道難題，這嚴重影響顆粒增強鐵鐵基複合材料的產業化進程。多年來，對顆粒增強鐵鐵基複合材料的工藝研究一直是複合材料研究的重大課題之一，也取得了一些成果。專利(公開號1080221)介紹了一種製備顆粒增強耐磨複合材料的鑄造方法，其工藝步驟是先做好鑄型，同時製備尺寸為負偏差的消失模，再將消失模放入鑄型中，這樣在消失模和鑄型間就形成空隙。將空隙填滿硬質顆粒，合箱抽真空澆注，從而在表面形成含硬質顆粒的耐磨材料。該方法工序複雜，不能很好的將消失模負壓鑄造工藝的優點利用起來，生產效率低，且複合層厚度和質量難以保證。 CN1383945A公開了一種顆粒增強複合材料的製備方法，它的工序步驟是先做好泡沫塑料模，在鑄件需要製作複合材料的部位，將模製作成兩部分粘結，其中之一制有溝槽，然後將混制好的增強顆粒填滿溝槽，再將模的兩部分粘結起來，上塗料烘乾造型，最後抽真空澆注。這種方法製備較複雜，不適合實際生產的需要。CN101053898A介紹了一種製備顆粒增強金屬基表面複合材料的真空實型鑄滲方法，這種方法是將增強顆粒製備成與複合材料所需耐磨表面形狀相適應的預製塊，將其固定在需要合金化的泡沫材料模樣表面，然後按鑄造工藝造型並澆注。公布了一種局部複合材料及其製造方法，其是將陶瓷顆粒、 有機粘結劑與普碳鋼基、耐熱鋼基或鎳基粉末混勻，壓製成所需形狀的預製塊，置於需強化的鑄件的鑄型局部，澆注金屬即可。上述兩種發明與本發明類似，其中最大的區別在於上述兩種方法做出的複合材料並不耐熱疲勞，在激冷激熱數次後，其複合層會出現致命性裂紋， 從而減少其使用壽命；CN101422814A公開了一種局部複合耐磨材料的製備方法，它是選用高合金粉芯管絲，根據工件表面的形狀，裁剪、卷制或疊加製成相似結構；按照鑄造工藝造型，將製作好的高合金粉芯管絲預埋入砂型型腔中，冶煉基材金屬材料澆注，從而得到所需複合材料。這種方法的缺點在於易形成夾渣缺陷，用於實際生產時工藝可控性較差，不適合大規模工業化生產。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，製備能滿足各種磨損、激冷激熱等複雜工況下使用的高性能複合材料。本發明通過下列技術方案實現一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，經過下列各步驟
(1)將鎳基自熔合金粉末與硬質陶瓷顆粒混合均勻，加入粘結劑，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為5 25% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為2 4% ；
(2)採用常規砂型鑄造或消失模鑄造，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒是碳化矽、碳化鎢、氮化矽、氮化鈦中的一種或任意幾種；當硬質陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時，各種硬質陶瓷顆粒的粒度相同。所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒的粒徑為-40 +80目。所述步驟(1)的鎳基自熔合金粉末是Ni25A、Ni25B、Ν 35Α, Ni45A、Ni55A、Ni60B、 Ni60CuMo、Ni60CuMoW、Ni65、Ni25WC35、Ni6025WC、Ni6035WC 或 Ni6040WC。所述步驟(1)的鎳基自熔合金粉末的粒徑為-150 +200目。所述步驟(1)的粘結劑是聚乙烯醇(PVA)或水玻璃。所述步驟(2)中的砂型鑄造，是將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求製作的砂型型腔中，再進行澆注。所述砂型採用樹脂砂或水玻璃砂製成，按鑄造工藝製作澆冒口。所述步驟(2)中的消失模鑄造，是根據耐磨件的形狀結構使用切割或發泡的方法製成可氣化的泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再進行澆注。所述消失模的泡沫模型採用聚苯乙烯(EPS)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成。所述步驟(2)中的基材金屬材料是普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。和現有技術相比，本發明具有以下有益效果
1、由於碳化矽、碳化鎢、氮化矽、氮化鈦等陶瓷顆粒具有很高的硬度，一般是傳統金屬耐磨材料硬度的8 10倍，因此複合到導衛板表面後，能夠成為良好的抗磨硬質相，以抵制物料在導衛板表面運動時對導衛板的切削和鑿削，提高導衛板的使用壽命，比普通導衛板提高3 5倍。2、由於鎳基自熔合金粉末高溫性能較好，加入適量體積分數的粉末後，可以改善
4複合材料導板複合層中基體的組織，使其耐熱疲勞性能顯著提高，還可以對陶瓷顆粒提供良好的支撐作用，避免了複合材料複合層在使用時發生陶瓷顆粒脫落的現象。3、複合層厚度可根據實際工況條件需要，在2 6mm範圍內進行自由設計，實現對需要在激冷激熱工況下使用的耐磨件的生產成本進行控制，獲得很高的性價比。4、本發明的複合製備工藝可控性強，操作簡便，成品率高，整體性能高，生產質量穩定，耐熱疲勞的層狀複合耐磨層與基材金屬層形成良好的冶金結合，能廣泛應用於礦山、 電力、冶金、煤炭、建材等耐熱疲勞及耐磨領域，便於工業化大規模生產。


圖1是實施例1錘頭製備過程的澆注示意圖2是實施例1所得複合材料錘頭的剖視結構示意圖； 圖3是實施例1所得複合材料錘頭熱循環前的金相組織圖； 圖4是實施例1所得複合材料錘頭熱循環60次的金相組織圖； 圖5是圖2中A區域的局部放大圖。圖中1為預製塊，2為造型用砂，3為型腔，4為基材金屬，5為複合層。
具體實施例方式下面通過實施例並結合附圖對本發明作進一步詳細說明。實施例1
(1)將粒徑為150目的Ni6025WC粉末與粒徑為-40 +60目的碳化鎢顆粒混合均勻， 加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊(如圖1中標號1)，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為15% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為m ；
(2)採用常規消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用切割的方法採用聚苯乙烯(EPS) 製成的可氣化的錘頭泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉合金鋼Crl5高鉻鋼至澆注溫度1580°C後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中， 室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭(如圖2)。從製成的錘頭上切割出熱震試樣，熱震前試樣的金相組織如圖3所示，然後將試樣進行60次熱循環，同一位置處的金相組織如圖4所示。表明材料在激冷激熱條件下，仍沒有產生影響其性能的致命裂紋。實施例2
(1)將粒徑為180目的Ni25A粉末與粒徑為40目的碳化矽和碳化鎢顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為10%;粘結劑佔預製塊的體積分數為愧；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用樹脂砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉高碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度1580°C後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。實施例3(1)將粒徑為200目的Ni25B粉末與粒徑為60目的碳化矽和碳化鎢顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為15%;粘結劑佔預製塊的體積分數為愧；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用水玻璃砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉高碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、 基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。實施例4
(1)將粒徑為-160目的Ni35A粉末與粒徑為-60 +80目的碳化鎢顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為20%;粘結劑佔預製塊的體積分數為3% ；
(2)採用消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用發泡的方法採用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)製成的可氣化的泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉合金鋼Crl5高鉻鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。實施例5
(1)將粒徑為-150 +170目的Ni45A粉末與粒徑為80目的碳化鎢、氮化矽和氮化鈦顆粒混合均勻，加入水玻璃，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為 25% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為4% ；
(2)採用常規消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用發泡的方法採用聚苯乙烯(EPS) 製成的可氣化的泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉合金鋼Crl5高鉻鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。實施例6
(1)將粒徑為180目的Ni55A粉末與粒徑為40目的氮化鈦顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為5%;粘結劑佔預製塊的體積分數為2、；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用樹脂砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉合金鋼Crl5高鉻鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、 基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。實施例7
(1)將粒徑為200目的Ni60B粉末與粒徑為60目的碳化矽和碳化鎢顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為15%;粘結劑佔預製塊的體積分數為愧；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用水玻璃砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉40Cr低合金鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。實施例8
(1)將粒徑為-160目的Ni60CuMo粉末與粒徑為-60 +80目的碳化鎢顆粒混合均勻， 加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為22% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為3% ；
(2)採用消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用發泡的方法採用聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)製成的可氣化的泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉40Cr低合金鋼至澆注溫度1580°C後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。實施例9
(1)將粒徑為-150 +170目的Ni60CuMoW粉末與粒徑為80目的碳化鎢、氮化矽和氮化鈦顆粒混合均勻，加入水玻璃，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為25% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為4% ；
(2)採用常規消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用發泡的方法採用聚苯乙烯(EPS) 製成的可氣化的導衛板泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉高錳鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料導衛板。實施例10
(1)將粒徑為180目的Ni65粉末與粒徑為40目的氮化鈦顆粒混合均勻，加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為5%;粘結劑佔預製塊的體積分數為2、；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用樹脂砂製成的導衛板砂型型腔中，再熔煉高錳鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中， 室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料導衛板。實施例11
(1)將粒徑為200目的Ni25WC35粉末與粒徑為60目的碳化矽和碳化鎢顆粒混合均勻， 加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為15% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為愧；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用水玻璃砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉高碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、 基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。實施例12
(1)將粒徑為-150 +170目的Ni6035WC粉末與粒徑為80目的碳化鎢、氮化矽和氮化鈦顆粒混合均勻，加入水玻璃，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為25% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為4% ；
(2)採用常規消失模鑄造，根據耐磨件的形狀結構使用發泡的方法採用聚苯乙烯(EPS) 製成的可氣化的導衛板泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再熔煉高碳鋼(普通碳鋼)至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料導衛板。
實施例13
(1)將粒徑為200目的Ni6040WC粉末與粒徑為60目的碳化矽和碳化鎢顆粒混合均勻， 加入聚乙烯醇(PVA)，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為15% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為愧；
(2)採用常規砂型鑄造，將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求採用水玻璃砂製成的錘頭砂型型腔中，再熔煉40Cr低合金鋼至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料錘頭。
權利要求
1.一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於經過下列各步驟(1)將鎳基自熔合金粉末與硬質陶瓷顆粒混合均勻，加入粘結劑，製成預製塊，其中，鎳基自熔合金粉末佔預製塊的體積分數為5 25% ；粘結劑佔預製塊的體積分數為2 4% ；(2)採用常規砂型鑄造或消失模鑄造，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度後，將其澆注入放有步驟(1)所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。
2.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒是碳化矽、碳化鎢、氮化矽、氮化鈦中的一種或任意幾種；當硬質陶瓷顆粒是兩種或兩種以上時，各種硬質陶瓷顆粒的粒度相同。
3.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)的硬質陶瓷顆粒的粒徑為-40 +80目。
4.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)的鎳基自熔合金粉末是Ni25A、Ni25B、Ni35A、Ni45A、Ni55A、Ni60B、 Ni60CuMo、Ni60CuMoW、Ni65、Ni25WC35、Ni6025WC、Ni6035WC 或 Ni6040WC。
5.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)的鎳基自熔合金粉末的粒徑為-150 +200目。
6.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(1)的粘結劑是聚乙烯醇或水玻璃。
7.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中的砂型鑄造，是將預製塊預埋入按照鑄造工藝要求製作的砂型型腔中，再進行澆注。
8.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中的消失模鑄造，是根據耐磨件的形狀結構使用切割或發泡的方法製成可氣化的泡沫模型，將預製塊塗覆在耐磨件承受熱循環及磨損的表面，再進行澆注。
9.根據權利要求1所述的耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，其特徵在於所述步驟(2)中的基材金屬材料是普通碳鋼、合金鋼或高錳鋼。
全文摘要
本發明提供一種耐熱疲勞的耐磨層狀顆粒增強複合材料的製備方法，通過將鎳基自熔合金粉末與硬質陶瓷顆粒混合均勻，加入粘結劑，製成預製塊，然後採用常規砂型鑄造或消失模鑄造，再熔煉基材金屬材料至澆注溫度後，將其澆注入放有所得預製塊的型腔中，室溫冷卻凝固，經清砂處理，即得到由耐熱疲勞的層狀複合耐磨層、冶金過渡層、基材金屬層組成的耐磨層狀顆粒增強複合材料。本發明的複合製備工藝可控性強，操作簡便，成品率高，整體性能高，生產質量穩定，耐熱疲勞的層狀複合耐磨層與基材金屬層形成良好的冶金結合，能廣泛應用於礦山、電力、冶金、煤炭、建材等耐熱疲勞及耐磨領域，便於工業化大規模生產。
文檔編號B22D19/08GK102513520SQ20111044514
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月28日 優先權日2011年12月28日
發明者周榮, 山泉, 岑啟宏, 李祖來, 蔣業華, 隋育棟 申請人:昆明理工大學