合金钢镶铸锆刚玉陶瓷复合材料的制造方法

摘要

本发明公开了一种合金钢镶铸锆刚玉陶瓷形成复合材料的制造方法，旨在提供一种不大幅度提高产品的使用寿命的复合耐磨材料制造方法；其制备方法：1）预制镶铸锆刚玉陶瓷块；2）加工锆刚玉陶瓷镶铸块的保护壳；3）涂料配制和涂料涂敷；4）制作固定锆刚玉陶瓷镶铸块的钢板；5）浇铸钢板；6）熔化合金钢，将合金液体浇入铸型，液体通过铸型内的空腔和固定锆刚玉陶瓷镶铸块的钢板上的孔，对铸型进行充型，合金钢液体将锆刚玉陶瓷镶铸块包围，钒铁涂料中的钒原子在钢的液体中扩散，凝固后形成内部含有锆刚玉陶瓷的铸件，且在锆刚玉陶瓷与合金钢的界面区域产生碳化钒颗粒；属于机械材料制备技术领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料的制造方法，具体地说，是合金钢镶铸锆刚玉陶瓷复合材料的制造方法；属于机械材料制造技术领域。

背景技术

在矿山用来采矿的机械因为磨损消耗量巨大，每年仅磨料磨损消耗的金属耐磨材料达到300多万吨。经济损失在1000亿元以上。主要原因是多数工作部件采用金属制造，而在矿山面对的工作对象是硬度较高的非金属，前者的硬度比较后者低得多，许多矿区用于矿石破碎的破碎机的锤头质量仅用几天就需要更换，导致成本增加停工损失。复杂的工作对象和恶劣的工况条件，要求加工部件的材料应该在硬度方面与之对应甚至高于工作对象，单一的金属合金材料已经难以适应，特别是工作部件的打击面应该采用硬度高的陶瓷材料，而在位于非工作面的材料则不需要高硬度，只要硬度适中和较高的韧性即可。

作者康乐等人在《热加工工艺》2010年12期刊登的“新型金属-陶瓷耐磨材料的应用研究”论文指出：通过机械加工方法将氧化铝陶瓷片嵌入金属基体中，磨损实验结果，金属-陶瓷复合材料与高铬合金白口铸铁材料相比，耐磨性提高了3倍以上。该复合材料在某电厂的输煤管上与普通铸钢衬板进行对比试验。普通铸钢衬板运转1440h已基本失效，而金属-陶瓷复合衬板至少可运转7200 h。金属陶瓷复合衬板具有耐磨性高、稳定性好等优点，但复合技术属于机械加工范畴，效率低，难以大批量生产。邓刚等人在2004年第八期《机械工程材料》刊登的“离心铸造铁基梯度功能复合材料” 论文指出：利用离心力场中强化相质点与液态金属熔体之间的密度差异引起的质点偏析现象，制备出强化相成梯度分布的功能材料，复合材料表层和基体硬度分别达到63-65HRC和50-55HRC；用WC颗粒和Fe-C合金液同步浇注，可获得表层为18～25mm的复合材料，WC颗粒体积分数约70%；但是离心铸造法只能生产环状的铸件，不能用形态复杂的铸件的指定部位进行硬化。

发明内容

本发明的目的就是提供一种产品硬度高，使用寿命长的合金钢镶铸锆刚玉陶瓷复合材料的制造方法。

本发明的技术方案是这样的：一种锆刚玉陶瓷球-低合金钢复合材料的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：1）预制镶铸锆刚玉陶瓷块

将氧化锆粉、氧化铝粉和硬脂酸充分混合后填充到模具内，填充过程中分层加入不锈钢纤维，压制成型，经过烧结制成锆刚玉陶瓷镶铸块；

其中，氧化锆粉、氧化铝粉、不锈钢纤维和硬脂酸按重量比为2-4︰6-8︰0.5︰0.05；

2）加工锆刚玉陶瓷镶铸块的保护壳

将锆刚玉陶瓷镶铸块套在锆刚玉陶瓷镶铸块上；

3）涂料配制和涂料涂敷

将牌号FeV50的钒铁经过破碎、球磨制成钒铁粉。将钒铁粉、水玻璃粘结剂、水混合后充分搅拌制成涂料，将套有钢管的锆刚玉陶瓷镶铸块浸在涂料中，取出干燥；

其中：钒铁粉、水玻璃粘结剂、水重量比为9-11︰1︰1；

4）制作固定锆刚玉陶瓷镶铸块的钢板

根据锆刚玉陶瓷镶铸块保护钢管的尺寸，在钢板上冲孔，孔的数量多于需要安装的锆刚玉陶瓷镶铸块的数量，两块冲过孔的钢板将锆刚玉陶瓷镶铸块固定，其他剩下的孔用作浇注金属的通道；

5）安装钢板

将安装有锆刚玉陶瓷镶铸块的两块钢板，放在铸型对应的位置，用铁钉将钢板固定在铸型内；

6）熔化合金钢，将合金液体浇入铸型，液体通过铸型内的空腔和固定锆刚玉陶瓷镶铸块的钢板上的孔，对铸型进行充型，合金钢液体将锆刚玉陶瓷镶铸块包围，钒铁涂料中的钒原子在钢的液体中扩散，凝固后形成内部含有锆刚玉陶瓷的铸件，且在锆刚玉陶瓷与合金钢的界面区域产生碳化钒颗粒。

上述的合金钢镶铸锆刚玉陶瓷形成复合材料的制造方法，所述的合金钢硬度200HB；所述的锆刚玉陶瓷硬度2400HV。

与现有技术相比，本发明的复合耐磨材料，将高硬度锆刚玉陶瓷用作硬化材料，用合金钢作为产品的基体材料，在产品内部按照需要分布着块状的锆刚玉镶嵌体，锆刚玉陶瓷和金属基体共同构成耐磨复合材料，二者配合各自发挥其作用避免了单一金属功能不全面的问题，按相同体积计算，锆刚玉陶瓷块的成本比合金钢的成本稍有增加，因此可以在产品成本增加量允许的条件下，大幅度提高产品的使用寿命，为生产企业带来经济效益。该材料采用铸造工艺制造而成。锆刚玉陶瓷分布在产品需要承受磨损的区域。陶瓷体距离产品表面8-10mm，在8-10mm区域的材料为合金，而合金钢的硬度仅仅200HB，锆刚玉陶瓷硬度达到2400HV，HB硬度与HV硬度相比约1：1，锆刚玉陶瓷硬度是合金钢的10倍左右。当材料用于制造机械耐磨部件时，铸件表面的8-10mm的合金层被磨损后，硬度极高的锆刚玉陶瓷和碳化钒颗粒将发挥抵抗物料磨损的功能，提高了部件的使用寿命。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的描述，但其不代表为本发明的唯一实施方式。

本发明的合金钢镶铸锆刚玉陶瓷复合材料的制造方法，首先制作一个金属模具，用于压制锆刚玉陶瓷镶铸块；配置制作锆刚玉陶瓷镶铸块的粉料，包括氧化锆粉、氧化铝粉、不锈钢纤维和硬脂酸，其中氧化锆粉、氧化铝粉的粒度为≦50μm，不锈钢纤维直径﹤0.2mm，氧化铝粉是锆刚玉陶瓷镶铸块的主要材料，氧化锆粉起到对氧化铝组织的第一增韧作用，不锈钢纤维用作第二增韧作用，硬脂酸用作材料压力成型时的润滑剂；将氧化锆粉、氧化铝粉和硬脂酸混合均匀，分次加入金属模具中，每次中间，将不锈钢纤维逐层水平放入模具内的材料中间，材料按定量加完后，压力机对模具中的物料进行压制，压力值≧50兆帕。

将陶瓷坯体置入烧结炉内，按照10℃/min的升温速率，将炉温升至1350℃，保温4h,随炉冷却至室温出炉。

将内尺寸与锆刚玉陶瓷镶铸块外尺寸相对应的钢管进行切割，其长度与锆刚玉陶瓷镶铸块的长度一致，将切割好的钢管套在锆刚玉陶瓷镶铸块上，钢管与陶瓷块形成紧配合，防止运输过程中二者脱开，涂敷钒铁涂料、干燥。

制造用于装配锆刚玉陶瓷镶铸块的支撑架，该支撑架采用两个经过冲孔的钢板而成，钢板中的孔与内套有陶瓷块的钢管外部尺寸一致，将锆刚玉陶瓷镶铸块装在两块钢板的孔中，陶瓷块被固定，然后在用铁钉将钢板固定在砂型内，陶瓷镶铸块距离铸型型壁8-10mm。

熔化合金，合金牌号是Mn13。钢液熔化温度1550℃-1600℃，钢液浇注温度1500℃。

将浇注冷却形成后的铸件置入热处理炉中，加热至1050℃，保温4h，升温至1100℃以上，快速放入冷水中进行水韧处理，以消除金属基体晶粒界面上的碳化物，增强材料的韧性。

本发明的梯度耐磨材料，是在合金钢的基体上根据需要在某一部位或多个部位镶铸锆刚玉陶瓷块，其他部位仍然为合金组织，陶瓷块具有高的 硬度，合金组织具有较好的韧性，二者配合各自发挥其作用避免了单一金属功能不全面的问题，按相同体积计算，锆刚玉陶瓷块的成本比合金钢的成本稍有增加，因此可以在产品成本增加量允许的条件下，大幅度提高产品的使用寿命，为生产企业带来经济效益。

本发明与单一合金钢的成本和耐磨性能比较见表一。

表一

锆刚玉陶瓷的密度为3.9g/cm3，同样的体积，重量仅是合金钢的1/2，锆刚玉陶瓷-合金钢复合材料的原材料成本为：

6000元×90%+25000元×10%÷2=6650元/吨

单一合金钢材料成本为6000元/吨，本发明为6650元/吨，仅仅增加了10.8%；使用寿命从原来的7天变为21天，增加了两倍，本发明用来替代原来的单一合金钢产品，将具有明显的经济效益。