[發明專利]一種活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合磨輥及磨盤的制備方法

有效

• 申請號: 201410030019.0
• 申請日: 2014-01-22
• 公開（公告）號: CN103769563A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 湯姝莉;李燁飛;高義民;邢建東;鄭開宏;孫良
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;廣州有色金屬研究院
• 主分類號: B22D23/04
• 分類號: B22D23/04;B22F1/00;C22C29/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 蔡和平

技術領域

本發明屬于耐磨材料制備領域，具體涉及一種適用于立式磨機的活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合磨輥及磨盤的制備方法。

背景技術

立式磨機是廣泛應用于冶金、礦山、水泥、化工等工業領域中的重要研磨設備，其原理為利用磨輥和磨盤的相對運動和摩擦作用將物料碾磨成粉。在使用過程中磨輥、磨盤將受到物料的反作用力、磨削力、系統施加的壓力、摩擦阻力、沖擊力等綜合作用，因此磨輥、磨盤是設備中承受主要磨損并決定設備服役性能的關鍵部件之一，其選材和制備時均具有嚴格的要求。

陶瓷顆粒增強金屬基復合材料中高硬度、強度及穩定性的陶瓷顆粒使其能夠抵御磨料的磨損。另一方面，金屬基體給予了復合材料的整體強韌性及對陶瓷顆粒的支持作用，并且可以通過陶瓷顆粒與金屬基體的不同組合來實現復合材料性能的改變以適用于各種工況條件，如高溫、高沖擊、腐蝕環境等，因此其具有廣泛應用于嚴苛磨損工況中的潛力。尤其是表層復合耐磨材料，在保證足夠耐磨性的同時可節約原料、降低成本。傳統的表層復合耐磨材料為整層復合，復合層內高比例的陶瓷顆粒使材料表面脆性很大，并且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，甚至造成重大安全事故。

在制備陶瓷顆粒增強金屬基復合材料時增強顆粒的選擇也是至關重要的。常用的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匹配性很差，在鑄造過程中極易產生熱裂紋，并且鎢元素儲量較少、價格昂貴。另一常用的增強顆粒氧化鋁價格較低，與鋼鐵的熱匹配性較好，但其高脆性使得顆粒在磨損時容易斷裂，嚴重影響復合材料的耐磨性。

氧化鋯增韌氧化鋁（ZTA）陶瓷由于其中氧化鋯獨特的增韌作用，可替代常用的陶瓷作為復合材料的增強顆粒。但ZTA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很大。

發明內容

本發明目的在于克服以上技術問題，提出了一種活性元素燒結ZTA顆粒增強鋼鐵基復合磨輥及磨盤的制備方法。

本發明的復合磨輥及磨盤制備方法，包括以下步驟：

1）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Ni、Cr中的一種或其混合物；

2）其次，將混合粉末與10-20目的ZTA顆粒及粘結劑攪拌混合，填入石墨模具加壓后烘干；

3）將模具及其中的混合物放入爐中燒結，升溫速度為5-10℃/min，自室溫升溫到950-1100℃保溫1-2小時，隨后以4-6℃/min進行冷卻，冷卻至900℃時隨爐冷卻，ZTA顆粒間通過粉末燒結產物相互連接，形成多孔預制塊；

4）將多個多孔預制塊固定在鑄型的端面側即磨輥或磨盤的工作面，其間距為15-30mm，采用鑄滲工藝澆注金屬液，冷卻脫模后得到復合磨輥或磨盤。

所述的濕混采用球磨或混料筒混料。

所述的混合物中ZTA顆粒所占的質量分數為75-85%；

所述的粘結劑為質量濃度20-30%的硼砂溶液，其加入量為每100g混合物中加入3-5mL；

所述的烘干溫度為70℃。

所述的多孔預制塊孔隙率為40～50%。

所述的鋼鐵基體材料為制造磨輥、磨盤常用的高錳合金鋼、低合金鋼、鉻系合金鑄鐵或鎳系合金鑄鐵。

與現有技術相比，本發明具有的優勢和效果包括：

本發明中使用的ZTA顆?？赏ㄟ^調節其中氧化鋁與氧化鋯的比例來改變ZTA的熱膨脹系數、硬度和韌性以匹配不同的金屬基體和工況條件。本發明中在復合界面處引入的活性元素可避免ZTA和鐵基體直接接觸，大大提高界面結合強度。另外，混料時加入的硼砂溶液在起到粘結作用的同時，也是有效的鑄滲劑，能夠提高鑄滲層深度，減少鑄造缺陷。

本發明可通過模具控制預制塊的形狀、尺寸，適用于不同尺寸、種類磨輥及磨盤的制備。因此，ZTA顆粒多孔預制塊的燒結工藝簡單，磨輥、磨盤的鑄造工藝可根據鑄件尺寸、形狀及不同金屬液的流動性選擇普通鑄滲或負壓鑄滲，以達到較高的生產效率和成品率。