[发明专利]一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，属于复合材料技术领域。

背景技术

随着工业化进程的不断推进，在水泥、矿山、冶金等各种行业中，对磨球的需求量越来越大，传统的钢铁耐磨材料所制备的磨球由于表面与心部耐磨性相差较大，磨球在磨损过程中直径减少不均衡，从而导致研磨料粒度相差较大，研磨料产量下降。为了保证球磨的质量和产量，提高磨球表面的耐磨性，减少磨球磨损率迫在眉睫。陶瓷金属基复合材料兼具陶瓷颗粒高模量、高比强度、高耐磨性和高热稳定性的特点，以及金属材料良好的韧性、抗冲击能力，生产工艺简单、成本低廉而成为制备耐磨件的理想材料。目前最经济有效的方式是通过无压铸渗制备复合材料耐磨件，然而此工艺所制备的金属基陶瓷复合材料仍存在一定的缺陷，其主要问题是陶瓷颗粒预制体制备工艺复杂、难以制备出空间结构复杂的预制体、颗粒结合强度低、颗粒与基体结合效果差。

中国发明专利CN105013574 A公开了一种高硬度复合耐磨球制备方法。其步骤是首先用废钢、合金钢熔炼浇铸获得半球状合金块，然后将陶瓷颗粒与粘结剂的混料压制在合金半球体表面，获得半球状表面耐磨材料，两块表面耐磨块拼装便可得到整体磨球。此方法制备的耐磨磨球表面硬度高，但在磨球工作过程中，表面耐磨层容易脱落，影响研磨料质量与产量。中国发明专利CN104073709 A公开了一种高铬铸铁碳化物复合耐磨求及其制备方法：其方法是将陶瓷颗粒按照配比均匀混合放入浇包中，然后浇入高铬铸铁金属液获得复合材料耐磨磨球。此方法工艺简单，但陶瓷颗粒在金属液浇铸过程中分布不均匀，偏聚严重。并且此方法获得复合材料磨球心部韧性差，磨球容易开裂破碎。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，即将三维数字建模与激光选区熔覆技术相结合，制备出强度高、孔隙率高的球状陶瓷颗粒预制体，使用该预制体通过无压浸渗工艺获得陶瓷/金属复合材料耐磨磨球，包覆在颗粒表面的活性金属提高了金属液与陶瓷颗粒的润湿性与复合效果。本发明的工艺流程简单，可快速制备出表面硬度高、耐磨性好而芯部韧性好的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球。

一种陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的制备方法，具体步骤如下：

（1）采用三维建模软件绘制空心球状预制体的三维数字模型，将该三维数字模型沿Z轴离散化分层处理得到二维分层数据信息并将二维分层数据信息导入数控系统生成空心球状预制体激光扫描路径；

（2）将活性金属粉与有机溶剂混合均匀并进行球磨得到混合粉A，将所得混合粉A与陶瓷颗粒混合均匀得到混料B；

（3）将步骤（2）所得混料B在料床上平铺，然后按照步骤（1）的空心球状预制体激光扫描路径进行逐层选区激光熔覆，得到空心球状陶瓷颗粒预制体；

（4）将步骤（3）所得球状陶瓷颗粒预制体进行保温，然后浇铸金属液得到陶瓷/金属复合材料；

（5）将步骤（4）中所得陶瓷/金属复合材料进行热处理及精加工得到陶瓷/金属复合材料耐磨磨球。

所述步骤（1）的球状陶瓷预制体的直径为50~200mm，壁厚为(0.1~0.5)R，R为空心球状预制体半径；空心球状预制体具有均匀分布的蜂窝孔；设置蜂窝孔，便于金属液浇铸灌入球状预制体的芯体内；

所述空心球状预制体的外径需要比所设计的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球直径小2~6mm；

所述步骤（2）混料B中陶瓷颗粒的体积分数为20~80%；

所述步骤（2）活性金属粉的粒径为200~600目；陶瓷颗粒为球形，粒度为50~400目；

所述活性金属粉为Ni、Cr、Ti、Fe、Cu或Si的一种或任意比多种，陶瓷颗粒为氧化物、碳化物或氮化物陶瓷颗粒的一种或任意比多种；

所述有机溶剂为无水乙醇、甲醇或醋酸乙酯；

所述步骤（4）中保温温度为400~1000℃，保温时间为0.5~2h；

所述步骤（4）中金属液为高铬铸铁金属液、高锰钢金属液或低合金耐磨钢金属液。

本发明的有益效果是：

(1) 本发明将三维数字建模与选区激光熔覆技术相结合，可以制备出具有任意直径及壁厚的球状陶瓷颗粒预制体，简化了空心球状陶瓷颗粒预制体的生产工艺；

(2) 本发明制备的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球的增强颗粒体积分数容易控制、颗粒与金属结合性能好，增强颗粒在基体中分布均匀；

(3) 本发明制备的陶瓷/金属复合材料耐磨磨球表面具有高硬度、高耐磨性，芯部具有很好的韧性，磨球使用寿命延长，产品质量好、可实现规模化生产。