一种金属陶瓷组合物及其制备方法、一种金属陶瓷和一种雷蒙磨

摘要

本发明提供了一种金属陶瓷组合物，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，所述金属陶瓷组合物中含有以下组分：碳化硅，粒径为0.5-2μm，40-60wt％；电熔莫来石，2-10wt％；钨粉，10-20wt％；铁粉，1-5wt％；铬粉，0.5-6wt％；氧化锰，2-8wt％；石蜡和煤焦油，8-15wt％。采用本发明的金属陶瓷组合物制备得到的金属陶瓷，既具有陶瓷的高硬度和耐磨性，又具有合金的韧性。另外，本发明的金属陶瓷组合物中钼粉用量少，成本较低。

说明书

技术领域

本发明属于金属陶瓷材料领域，尤其涉及一种金属陶瓷组合物及其制备方法、一种金属陶瓷和一种雷蒙磨。

背景技术

雷蒙磨一般用于研磨制备超细粉体材料，在矿业、化工、建材和冶金等非金属矿产品加工上得到广泛应用。磨辊和磨环是雷蒙磨上的主要消耗备件。高锰钢因其强韧性良好，并具有优良形变硬化能力，所以长期用作制造磨辊和磨环的材料。但高锰钢材料制造的磨辊、磨环用于研磨高硬度材料时，存在使用寿命短、备件更换频繁、消耗量大的缺点，导致雷蒙磨的系统不能稳定运行，严重影响了研磨产品的品质和产率。

传统的陶瓷材料具有较高强度，但抗冲击性和韧性较差，在碰撞过程中很容易破碎，而传统的金属合金材料虽然具有良好的柔韧性，但强度不够，与硬度较大的材料摩擦时，极易磨损，消耗大。因此，CN100484661C中公开了一种含碳化硅、铁、碳、铬的钼基金属陶瓷材料，该金属陶瓷材料中：SiC 21wt％，Fe 13wt％，Mo 60wt％，C 0.4wt％，Al 0.6wt％，Cr 5wt％；该金属陶瓷的制备方法包括将碳化硅、铁、钼、碳、铬粉碎至粒径小于0.5μm，模压成型，最后经过无氧烧结得到。该金属陶瓷以钼粉为主，成本较高且陶瓷的耐磨性较差；另外，该金属陶瓷中采用了碳粉作为原材料，碳粉烧结过程中局部反应不完全，会降低产品的韧性。

发明内容

本发明解决了现有技术中存在的金属陶瓷成本高、耐磨性和韧性差的技术问题。

本发明提供了一种金属陶瓷组合物，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，所述金属陶瓷组合物中含有以下组分：

碳化硅，粒径为0.5-2μm     40-60wt％，

电熔莫来石                 2-10wt％，

钨粉                       10-20wt％，

铁粉                       1-5wt％，

铬粉                       0.5-6wt％，

氧化锰                     2-8wt％，

石蜡和煤焦油               8-15wt％。

本发明提供了所述金属陶瓷组合物的制备方法，包括将碳化硅、电熔莫来石、钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰按比例混合均匀，再加入石蜡和煤焦油，混合均匀即可得到所述金属陶瓷组合物。

本发明还提供了一种金属陶瓷，所述金属陶瓷的制备方法包括以下步骤：

1)将本发明提供的金属陶瓷组合物压模得到生坯，烘烤；

2)将烘烤后的生坯进行无氧条件下等静压烧结，烧结压力为100-400MPa，烧结温度为900-2000℃。

本发明最后提供了一种雷蒙磨，包括磨辊和与磨环，磨辊外表面具有外陶瓷衬，磨环内表面具有内陶瓷衬，磨辊的外陶瓷衬滚动碾压在磨环的内陶瓷衬的表面；其中，所述外陶瓷衬和/或内陶瓷衬为本发明提供的金属陶瓷。

本发明提供的金属陶瓷组合物及金属陶瓷，与现有技术中的各种金属陶瓷相比，具有以下优点：

1)以碳化硅、电熔莫来石为陶瓷相，以金属钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰为合金相，陶瓷相和合金相烧结反应形成固溶体，从而使金属陶瓷既具备陶瓷的高硬度和耐磨性，又具备合金的良好韧性；

2)金属陶瓷组合物中以粒径为0.5-2μm的碳化硅为主体材料，通过碳化硅的微纳米效应，能有效提高金属陶瓷的硬度、耐磨性和韧性；且碳化硅成本较低，原料易得，因此本发明的金属陶瓷组合物的成本得到大大降低。

具体实施方式

本发明提供了一种金属陶瓷组合物，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，所述金属陶瓷组合物中含有以下组分：

碳化硅，粒径为0.5-2μm     40-60wt％，

电熔莫来石                 2-10wt％，

钨粉                       10-20wt％，

铁粉                       1-5wt％，

铬粉                       0.5-6wt％，

氧化锰                     2-8wt％，

硼砂                       0.5-6wt％，

石蜡和煤焦油               8-15wt％。

优选情况下，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，各组分的含量为：

碳化硅，粒径为0.5-2μm     45-55wt％，

电熔莫来石                 4-8wt％，

钨粉                       13-20wt％，

铁粉                       2-4wt％，

铬粉                       3-4wt％，

氧化锰                     3-5wt％，

石蜡和煤焦油               9-12wt％。

本发明的金属陶瓷组合物中，碳化硅、电熔莫来石作为主体成分，形成陶瓷相，使金属陶瓷具备很高的硬度和耐磨性。金属钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰形成合金相，使金属陶瓷具备较好的韧性，其中金属钨一方面能改善材料的韧性，另一方面与石蜡和煤焦油中含有的碳发生反应生成六方碳化钨晶体，提高金属陶瓷的耐磨性能；铁粉有助于提高金属陶瓷的韧性；氧化锰与铬反应，并均匀连续分布，提高金属陶瓷的韧性。另外，氧化锰还能提高合金相的结合力，提高金属陶瓷的抗压强度和韧性。

本发明的发明人意外发现，采用粒径为0.5-2μm的碳化硅能有效提高金属陶瓷的硬度、耐磨度和韧性。发明人认为，碳化硅的粒径在本发明限定的范围之内，通过碳化硅颗粒之间的微纳米效应，颗粒的比表面积较大，金属陶瓷具有较高的硬度和耐磨性；另外，固相反应时，增大了反应界面、减少扩散距离使反应更充分，能有效抑制大颗粒结晶的生成，金属陶瓷的韧性更高。

莫来石为本领域技术人员公知的由铝硅酸盐组成的矿物，化学式为Al_4+2xSi_2-2xO_10-x。天然莫来石非常少、成本很高，本发明的金属陶瓷组合物中采用成本低廉的电熔莫来石。电熔莫来石中，铝、硅的晶型完整，杂质含量低于1wt％，，烧结形成的陶瓷相中各组分均匀分布，具有较好的硬度和耐磨性。优选情况下，本发明的电熔莫来石中，氧化铝、氧化硅的质量比为2-4∶1，更优选为2.5-3∶1。本发明中，电熔莫来石也可直接采用商购产品，例如淄博福星陶瓷色釉料公司的M70骨料级莫来石和/或巩义市金石赖材有限公司的高纯莫来石。

优选情况下，电熔莫来石、钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰、硼砂的粒径均为0.5-2μm。

作为本发明的优选实施方式，本发明的金属陶瓷组合物中还可以含有氧化钇。氧化钇一方面能增强金属陶瓷中各组分之间的结合力，另一方面能有效降低金属陶瓷的烧结温度。本发明中，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，氧化钇的含量为0.5-3wt％，优选为1-3wt％。

优选情况下，本发明的金属陶瓷组合物中还含有硼砂。硼砂能够增强金属陶瓷中陶瓷相与合金相各组分之间的结合力，并形成坚硬的硼化物，从而进一步提高金属陶瓷的硬度。本发明中，以金属陶瓷组合物的总质量为基准，氧化钇的含量为0.5-6wt％，优选为1-3wt％。

本发明中，所述碳化硅、钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰、硼砂均可直接采用商购产品，球磨至所需粒径即可。

根据本发明，所述金属陶瓷组合物中还含有8-12wt％的石蜡和煤焦油。所述石蜡和煤焦油主要用作无机粉体的粘结剂，另外高温烧结时能作为碳源提供碳原子，与金属陶瓷组合物中的无机粉体发生反应形成碳化物。本发明的发明人通过大量实验发现，石蜡和煤焦油的粘度和碳含量合适，一方面保证金属陶瓷组合物中各粉体能够粘接成型，另一方面，能保证在金属陶瓷中形成稳定的碳化物，保证金属陶瓷的良好韧性。相比现有技术中直接采用碳粉作为碳源，本发明中采用石蜡和煤焦油作为碳源，石蜡和煤焦油与金属陶瓷组合物中各粉体能更容易充分接触，反应更彻底，得到的金属陶瓷的各种性能也更加优异。优选情况下，石蜡和煤焦油的质量比为1∶2-4；更优选为1∶1.5-3。本发明中，所述石蜡和煤焦油也可直接采用商购产品。

本发明中，所述金属陶瓷组合物的制备方法，包括将碳化硅、电熔莫来石、钨粉、铁粉、铬粉、氧化锰、硼砂按比例混合均匀，再加入石蜡和煤焦油，混合均匀即可得到所述金属陶瓷组合物。

本发明提供了一种金属陶瓷，所述金属陶瓷的制备方法包括以下步骤：

1)将金属陶瓷组合物压模得到生坯，烘烤；

2)将烘烤后的生坯进行无氧条件下等静压烧结，烧结压力为100-400MPa，烧结温度为900-2000℃。

本发明中，金属陶瓷组合物为膏状物，将膏状物压模制得生坯，然后转入烘箱中进行烘烤。烘烤的温度为200-350℃，烘烤时升温速率为10℃/min。

无氧条件下，将烘烤后的生坯转入等压机中，进行等静压烧结。等静压烧结为本领域技术人员所公知，包括将待烧样品放入等压机包套中，按照一定的加热曲线进行热等静压烧结。等压机的包套材料可以为玻璃。

本发明中，所述生坯的烧结在无氧条件下进行，防止氧气进入与金属陶瓷组合物中的粉体参加反应生成氧化物杂质。优选情况下，等静压烧结的压力传递介质为氮气或惰性气体气氛。

本发明中，等静压烧结的条件包括：烧结压力为100-400MPa，烧结温度为900-2000℃。优选情况下，先在900-1050℃下烧结0.5-2h，然后1650-2000℃烧结3-5h。

根据本发明，等静压烧结完成后，自然冷却至室温，即可得到本发明的金属陶瓷。所述金属陶瓷，一方面具有陶瓷的高硬度和耐磨性，另一方面具有合金材料的韧性。因此，本发明的合金陶瓷可广泛应用于各个领域。

本发明提供了一种雷蒙磨，包括磨辊和与磨环，磨辊外表面具有外陶瓷衬，磨环内表面具有内陶瓷衬，磨辊的外陶瓷衬滚动碾压在磨环的内陶瓷衬的表面；所述外陶瓷衬和/或内陶瓷衬为本发明提供的金属陶瓷。所述雷蒙磨的结构为本领域技术人员所公知，本发明中不作赘述。

以下结合实施例对本发明作进一步说明。实施例即对比例中所用原料均由商购得到。

实施例1

(1)将无机粉体料按表1所示的比例混合均匀，转入搅拌球磨机中研磨2h，无机粉体料粒径为0.5-2μm；再加入石蜡和煤焦油(质量比为1∶3)，混合均匀调制成膏状物，得到本实施例的金属陶瓷组合物S1。

(2)将金属陶瓷组合物S1进行压模制成生坯，然后放入烘箱中进行烘烤，升温曲线为：从室温加热到300℃，加温速度为10℃/min。

(3)将烘烤完成后的生坯放入等压机的包套中，无氧条件下进行热等静压烧结；其中，压力传递介质为氮气，包套材料为玻璃，烧结压力为150MPa；烧结温度条件：加热温度设定为950℃，保温时间为1h；然后加热到1700℃，保温3h。等静压烧结完成后，自然冷却至室温，得到本实施例的金属陶瓷，记为S11。

实施例2

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的金属陶瓷组合物和金属陶瓷，不同之处在于：

步骤(1)中，各原料配比如表1中所示；

步骤(2)中，升温曲线为：从室温加热到350℃，加温速度为10℃/min；

步骤(3)中，烧结条件包括：压力传递介质为氦气，包套材料为玻璃，烧结压力为250MPa；烧结温度条件：加热温度设定为900℃，保温时间为1.5h；然后加热到1850℃，保温4h。

通过上述步骤，得到本实施例的金属陶瓷，记为S22。

实施例3

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的金属陶瓷组合物和金属陶瓷，不同之处在于：

步骤(1)中，各原料配比如表1中所示；

步骤(2)中，升温曲线为：从室温加热到250℃，加温速度为10℃/min；

步骤(3)中，烧结条件包括：压力传递介质为氦气，包套材料为玻璃，烧结压力为200MPa；烧结温度条件：加热温度设定为950℃，保温时间为1h；然后加热到2000℃，保温3h。

通过上述步骤，得到本实施例的金属陶瓷，记为S33。

实施例4-6

采用与实施例1相同的步骤制备本实施例的金属陶瓷组合物和金属陶瓷，不同之处在于：

步骤(1)中，各原料配比分别如表1中所示。

通过上述步骤，得到本实施例的金属陶瓷，记为S44-S66。

表1

对比例1

采用CN100484661C中公开的实施例1的步骤制备本对比例的金属陶瓷，记为DS11。

性能测试：

将实施例1-6以及对比例1制备的金属陶瓷样品S11-S66和DS11分别进行如下性能测试：

1、韧性测试

采用CMT-5105微机控制电子万能试验机(MTS公司)，根据GB/T14452-1993公开的方法，三点弯曲方式对金属陶瓷样品的矩形横截面施加弯曲力，直至断裂，记录此时的压力值。重复测试步骤5次，取平均值。测试结果如表2所示。

2、耐磨性测试

(1)硬度测试：

采用HVS-10Z数字式维氏硬度计(上海精密)，根据GB 4340-84和GBT4340.1-2009金属材料维氏硬度试验第1部分公开的内容对金属陶瓷样品进行硬度测试，并记录测试数据。重复测试步骤5次，取平均值。测试结果如表2所示。

(2)密度测试：

本实验通过排水法测定样品密度，采用沙多利斯电子天平BS323S，BS210S，根据GB 3850-1983公开的方法测试各金属陶瓷样品的密度，测试结果如表2所示。

表2

  性能 韧性(MPa)  硬度(HV)  密度(g/cm3)  S11 550  2850  7.8  S22 653  3100  8.8  S33 587  3220  7.4  S44 590  2755  8.3  S55 540  2510  7.6  S66 542  2480  7.6  DS11 883  1980  6.5

由上表2的测试结果可以看出，实施例1-6制备的金属陶瓷具有较好的韧性，断裂时所需压力明显小于对比例1的金属陶瓷；另外，实施例1-6制备的金属陶瓷的硬度和密度高于对比例1的金属陶瓷，说明本发明的金属陶瓷具有良好的耐磨性。综上所述，采用本发明提供的金属陶瓷组合物制备得到金属陶瓷，既具有陶瓷的高硬度和耐磨性，又具有合金的良好韧性，明显优于现有技术中公开的金属陶瓷的各种性能。另外，本发明的金属陶瓷组合物中钼粉用量少，成本较低。