一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN202311807688.X | 申请日 | 2023-12-26 | 公开(公告)号 | CN117802389A | 公开(公告)日 | 2024-04-02 |
| 申请人 | 山东晨钟机械股份有限公司; | 发明人 | 赵平; 李泽芝; 牛江廷; 王泽刚; 巩泽龙; 王瑞; 杨长磊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及造纸制浆设备领域，提供了一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷 复合材料 及其制备方法，所述金属基陶瓷复合材料的增强相为陶瓷颗粒预制件，金属基体为弥散强化型 马 氏体 合金 钢 。本发明通过在陶瓷颗粒预制件中二次浇注金属 支撑 相制备得到金属基陶瓷型制浆磨盘，该磨盘结合了陶瓷高硬度、高 耐磨性 的优点与金属基体高韧性、高耐蚀性的优势，提高了磨盘的耐磨性、耐蚀性与使用寿命。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基陶瓷复合材料的增强相为陶瓷颗粒预制件，金属基体为弥散强化型马氏体合金钢；其中，所述增强相中的陶瓷颗粒选用氧化锆增韧氧化铝(ZTA)耐磨陶瓷颗粒，且所述陶瓷颗粒的粒度为1～3mm； |
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| 说明书全文 | 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料及其制备方法技术领域[0001] 本发明属于造纸制浆设备领域，尤其涉及一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料及其制备方法。 背景技术[0002] 在造纸行业中，打浆这一环节是最重要的，造纸业内有“三分造纸、七分打浆”的说法。制浆磨盘是打浆设备的关键零部件，各种纤维原料、各种制浆方式都需经过磨浆处理，都需要相应的磨盘，其使用范围贯穿于制浆生产线的始终，制浆磨盘的使用寿命影响整个造纸生产线运行状态、生产效率、产品质量和企业利润。 [0003] 目前国内造纸打浆用的磨浆机在规格型号、技术装配、操作运行等方面与国外进口同类设备差距很小，但是打浆用磨浆机的工作元件——制浆磨盘的使用寿命及材料性能与国外的差距非常大，最关键的因素就是造纸磨浆机用材料的耐磨、耐蚀性较低。 [0004] 传统的制浆磨盘材料多选取高铬铸铁、不锈钢等，其材料的耐磨性能、使用寿命与国外材料相比不具备优势。金属基陶瓷复合材料是将力学性能优异的陶瓷颗粒与金属材料复合，将陶瓷材料高硬度、高耐磨性与金属材料优良的韧性相结合，能够充分提高材料的耐磨性与韧性。目前，在造纸制浆装备领域鲜有应用金属基陶瓷复合材料作为磨盘材料，金属基陶瓷复合材料综合了两种以上材料的优势，可满足造纸行业中制浆磨盘的工作需求。但现有金属基陶瓷复合材料金属基体大多为铸铁，其性能与铸钢相差较大。 [0005] 因此，研发一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料，使造纸制浆磨盘使用寿命达到国际先进水平，对提升国内造纸制浆设备领域的技术进步具有重要意义。 发明内容[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料及其制备方法，用以解决现行技术中用于造纸制浆磨盘的材料耐磨性、耐蚀性差，硬度偏低，制浆磨盘总体寿命较低等问题。 [0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： [0010] 所述金属基体的成分及质量百分比为：C：0.4％～0.6％，Cr：15％～17％，Ni：0.8％～1.5％，Si：0.6％～1％，Mn：0.5％～0.9％，Mo：0.35％～0.75％，V：0.1％～0.3％，W：0.04％～0.09％，Nb：0.01％～0.03％，S：≤0.02％，P：≤0.035％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。 [0011] 本发明的第二个技术目的是提供如上所述的用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤： [0012] (1)将复合材料金属基体原料加热熔炼得到铁水； [0013] (2)将陶瓷颗粒预制件固定到浇注模具中； [0014] (3)将步骤(1)所得铁水经过多次扒渣处理后倒入模具中进行浇注得铸件； [0016] 可选地，所述陶瓷颗粒预制件的制备方法包括如下步骤： [0018] 2)将陶瓷颗粒与粘结剂等加入模具中于1000～1050℃进行固化处理，得到陶瓷颗粒预制件。 [0020] 需要说明的是，铁水出炉前取铁水制成光谱试样，淬水激冷后用光谱仪测定成分，根据测试结果合理调整铁水化学成分。 [0021] 可选地，所述陶瓷预制件之间间隙控制在5～15mm，与模具间隙控制在10～20mm。 [0022] 可选地，步骤(3)中，在浇注前分批次加入KB‑2型除渣剂进行扒渣，然后往铁水中加入重稀土变质剂与1～2cm的铝粒进行脱氧处理。 [0025] 可选地，所述热处理步骤为：退火处理温度为1000～1050℃，保温时间为1～2h；退火冷却至室温之后，重新加热至1000～1050℃进行油淬，最后在300～400℃进行回火处理，保温时间为3～5h。 [0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： [0027] 1)本发明将金属基陶瓷复合材料应用到造纸制浆磨盘中，充分发挥了陶瓷颗粒高硬度、高耐磨性的优势，并结合金属基体高韧性、高耐蚀性的优点，提高了造纸制浆磨盘的使用寿命。 [0028] 2)本发明所述金属基体中C元素含量为0.4％～0.6％、Cr元素含量为15％～17％，提高了金属基体组织中微米级或亚微米级颗粒状碳化物的数量，提高了金属基体的耐磨、耐蚀性能；通过调整V、W、Nb等元素的配比，使得金属基体中碳化物均匀的弥散分布，同时起到细化晶粒的作用。 [0029] 3)本发明通过优化铸造工艺，采取了覆膜砂铸造工艺，并合理控制陶瓷颗粒预制件之间的间隙与在模具中的位置，铁水倒入模具后利用专业砂型密封胶将上下模具壳体粘连起来，在壳体上用钢板压实，使铁水能够完全渗透、包覆陶瓷颗粒预制件，使得陶瓷颗粒预制件与金属基体结合紧密。同时，在浇口处安装氧化锆型过滤器，减少了金属基体中的杂质及钢渣等夹杂物。 [0030] 4)本发明通过采取机加工的方式加工磨盘，使磨盘齿条间距均匀，可加工不同尺寸的磨盘，满足不同场景下对磨盘的使用需求。 [0031] 5)本发明对浇注完冷却之后的铸件采取热处理工艺，降低了铸造过程中陶瓷颗粒与金属基体之间产生的应力，减少了铸件开裂倾向；稳定了磨盘尺寸，避免磨盘出现变形；细化、稳定了金属基体中的晶体组织。 附图说明 [0032] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。 [0033] 图1是本发明中金属基陶瓷复合材料型造纸制浆磨盘的齿部横截面图片。 [0034] 图2是本发明中金属基陶瓷复合材料型造纸制浆磨盘金属基体的SEM图片。 具体实施方式[0035] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0036] 在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。本申请实施例中性能指标测试，除非特别说明，采用本领域常规试验方法。应理解，本申请中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本申请公开的内容。 [0037] 除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本申请中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。 [0038] 为了更好的说明本申请内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本申请的主旨。 [0039] 在不冲突的前提下，本申请实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本申请实施例公开的内容。 [0040] 本发明公开了一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法。 [0041] 为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。 [0042] 实施例1： [0043] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的陶瓷颗粒预制件的制备方法，包括如下步骤： [0044] (1)对所用ZTA陶瓷颗粒进行颗粒粒度筛选，利用球磨机打磨陶瓷颗粒棱角等预处理，最后得到粒度为1～3mm、外形圆润的陶瓷颗粒。 [0045] (2)将陶瓷颗粒与粘结剂等加入模具中进行固化处理，控制固化温度为1000℃，得到陶瓷颗粒预制件。 [0046] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤： [0047] (1)将复合材料金属基体原料废钢、生铁、回炉料、铬铁、镍板、钼铁、钒铁等依次加入中频炉中加热熔炼得到铁水； [0048] (2)将陶瓷颗粒预制件固定到浇注模具中，利用专业砂型密封胶将上下模具壳体粘连起来，在壳体上用钢板压实；同时在浇口处安装氧化锆型过滤器； [0049] (3)出炉前铁水经过多次扒渣处理后，取部分铁水制成光谱试样，淬水激冷后利用光谱仪测定成分；浇注前往预热好的浇注包内加入稀土变质剂与长度为1～2cm的铝粒，最后将铁水倒入模具中进行凝固成型； [0050] (4)对浇注得到的铸件毛坯进行机加工，加工得到金属基陶瓷复合材料铸件； [0051] (5)对得到的金属基陶瓷复合材料铸件进行热处理，退火处理温度为1000℃，保温时间为1h；待退火冷却至室温之后，重新加热至1000℃，将铸件进行油淬，在300℃进行回火处理，保温时间为3h。 [0052] 金属基陶瓷复合材料造纸制浆磨盘性能检验： [0053] 在室温下利用GNR S3 MiniLab300型电火花直读光谱仪对造纸制浆磨盘的金属基体进行化学成分分析检测，所述造纸制浆磨盘的金属基体的化学成分的质量百分比为：C：0.5％，Cr：16.8％，Ni：1.3％，Si：0.7％，Mn：0.8％，Mo：0.5％，V：0.13％，W：0.06％，Nb： 0.02％，S：≤0.012％，P：≤0.025％，以及余量的Fe和不可避免的杂质； [0054] 金属基复合材料型造纸制浆磨盘金属基体的硬度为48.3HRC，金相组织中颗粒状碳化物体积分数为37.5％，金属基体的晶粒尺寸等级为8级。 [0055] 本实施例所得用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料宏观形貌与金属基体显微组织图如图1、图2所示，由图1可知，本实施例所得用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料，陶瓷颗粒预制件与金属基体结合紧密，金属基体充分渗透并包覆陶瓷颗粒预制件；由图2可知，微米级或亚微米级颗粒状碳化物在金属基体表面均匀的弥散分布，碳化物尺寸均匀，且数量较多，极大提高了金属基体的耐磨性能。 [0056] 实施例2： [0057] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的陶瓷颗粒预制件的制备方法，包括如下步骤： [0058] (1)对所用ZTA陶瓷颗粒进行颗粒粒度筛选，利用球磨机打磨陶瓷颗粒棱角等预处理，最后得到粒度为1～3mm、外形圆润的陶瓷颗粒。 [0059] (2)将陶瓷颗粒与粘结剂等加入模具中进行固化处理，控制固化温度为1000℃，得到陶瓷颗粒预制件。 [0060] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤： [0061] (1)将复合材料金属基体原料废钢、生铁、回炉料、铬铁、镍板、钼铁、钒铁等依次加入中频炉中加热熔炼得到铁水； [0062] (2)将陶瓷颗粒预制件固定到浇注模具中，利用专业砂型密封胶将上下模具壳体粘连起来，在壳体上用钢板压实；同时，在浇口处安装氧化锆型过滤器； [0063] (3)出炉前铁水经过多次扒渣处理后，取部分铁水制成光谱试样，淬水激冷后利用光谱仪测定成分；浇注前往预热好的浇注包内加入稀土变质剂与长度为1～2cm的铝粒，最后将铁水倒入模具中进行凝固成型； [0064] (4)对浇注得到的铸件毛坯进行机加工，加工得到金属基陶瓷复合材料铸件； [0065] (5)对得到的金属基陶瓷复合材料铸件进行热处理。退火处理温度为1025℃，保温时间为2h；退火冷却至室温之后，重新加热至1025℃，将铸件进行油淬，在350℃进行回火处理，保温时间为4h。 [0066] 金属基陶瓷复合材料造纸制浆磨盘性能检验： [0067] 在室温下利用GNR S3 MiniLab300型电火花直读光谱仪对造纸制浆磨盘的金属基体进行化学成分分析检测，所述造纸制浆磨盘的金属基体的化学成分的质量百分比为：C：0.52％，Cr：16.9％，Ni：1.24％，Si：0.81％，Mn：0.86％，Mo：0.49％，V：0.12％，W：0.06％，Nb：0.021％，S：≤0.005％，P：≤0.017％，以及余量的Fe和不可避免的杂质； [0068] 金属基复合材料型造纸制浆磨盘金属基体的硬度为41HRC，金相组织中颗粒状碳化物体积分数为35.8％，金属基体的晶粒尺寸等级为8级。 [0069] 实施例3： [0070] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的陶瓷颗粒预制件的制备方法，包括如下步骤： [0071] (1)对所用ZTA陶瓷颗粒进行颗粒粒度筛选，利用球磨机打磨陶瓷颗粒棱角等预处理，最后得到粒度为1～3mm、外形圆润的陶瓷颗粒。 [0072] (2)将陶瓷颗粒与粘结剂等加入模具中进行固化处理，控制固化温度为1000℃，得到陶瓷颗粒预制件。 [0073] 一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤： [0074] (1)将复合材料金属基体原料废钢、生铁、回炉料、铬铁、镍板、钼铁、钒铁等依次加入中频炉中加热熔炼得到铁水； [0075] (2)将陶瓷颗粒预制件固定到浇注模具中，利用专业砂型密封胶将上下模具壳体粘连起来，在壳体上用钢板压实；同时在浇口处安装氧化锆型过滤器； [0076] (3)出炉前铁水经过多次扒渣处理后，取部分铁水制成光谱试样，淬水激冷后利用光谱仪测定成分；浇注前往预热好的浇注包内加入稀土变质剂与长度为1～2cm的铝粒，最后将铁水倒入模具中进行凝固成型； [0077] (4)对浇注得到的铸件毛坯进行机加工，加工得到金属基陶瓷复合材料铸件； [0078] (5)对最后得到的金属基陶瓷复合材料铸件进行热处理。退火处理温度为1050℃，保温时间为2h；待退火冷却至室温之后，重新加热至1050℃，将铸件进行油淬，在400℃进行回火处理，保温时间为5h。 [0079] 金属基陶瓷复合材料造纸制浆磨盘性能检验： [0080] 在室温下利用GNR S3 MiniLab300型电火花直读光谱仪对造纸制浆磨盘的金属基体进行化学成分分析检测，所述造纸制浆磨盘的金属基体的化学成分的质量百分比为：C：0.51％，Cr：16.3％，Ni：1.33％，Si：0.76％，Mn：0.88％，Mo：0.52％，V：0.12％，W：0.06％，Nb：0.017％，S：≤0.013％，P：≤0.021％，以及余量的Fe和不可避免的杂质； [0081] 金属基复合材料型造纸制浆磨盘金属基体的硬度为52HRC，金相组织中颗粒状碳化物体积分数为39％，金属基体的晶粒尺寸等级为8级。 [0082] 为了进一步证明本发明的有益效果以更好地理解本发明，通过以下对比例进一步阐明本发明公开的技术特点，但不可理解为对本发明的限定。对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的其他不含创造性工作的改进，也视为落在本发明的保护范围内。 [0083] 对比例1 [0084] 本对比例提供了一种用于造纸制浆磨盘的金属基陶瓷复合材料的制备方法，除所述金属基体元素配比做出改变外，其余制备方法与实施例1相同。具体地，所述造纸制浆磨盘的金属基体的化学成分的质量百分比为：C：0.27％，Cr：12.8％，Ni：1.21％，Si：0.88％，Mn：0.81％，Mo：0.54％，V：0.13％，W：0.07％，Nb：0.025％，S：≤0.005％，P：≤0.017％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。 [0085] 与实施例1对比可知，调整金属基体元素配比之后，实施例1所制备的金属基陶瓷复合材料金属基体硬度、晶粒尺寸要优于对比例1，且微米级或亚微米级的颗粒状碳化物数量较多，能够更好的满足制浆磨盘的使用要求。 [0086] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。 |
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