一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件及其加工工艺
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体的，涉及一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件及其加工工艺。
背景技术
随着现代工业的不断发展，传统的钢铁材料已经难以满足材料在耐磨等领域的需求，在现有技术中，金属基陶瓷复合材料兼具陶瓷的硬度、耐磨性质以及金属的韧性，解决了传统钢铁材料中高硬度与高韧性相互矛盾的问题，在很多技术领域都有着广泛的使用；
金属基陶瓷复合材料是由具有良好韧性的金属材料以及具有良好硬度的陶瓷材料组成的复合材料，但是在现有技术中，由于金属材料与陶瓷材料的分散效果较差，导致金属基陶瓷复合材料所制备的铸件出现局部位置强度不足的情况，从而影响铸件的质量，为了解决上述问题，本发明提供了以下技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件及其加工工艺。
本发明需要解决的技术问题为：
现有技术中的金属基陶瓷复合材料是由具有良好韧性的金属材料以及具有良好硬度的陶瓷材料组成的复合材料，但是由于金属基材料与陶瓷材料之间的结合效果较差，并且传统的搅拌分散效果较差，同样会影响金属基陶瓷复合材料所制成的铸件的质量。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件，由金属基陶瓷复合材料加工制备而成；
所述金属基耐磨复合材料由改性陶瓷材料与金属基材料混合制备而成，其中改性陶瓷材料的体积比为20％-80％；
所述改性陶瓷材料的制备方法为：
S1、将陶瓷颗粒加入乙醇水溶液中，超声震荡5-20min，超声处理结束后用乙醇水溶液冲洗，清洗后的陶瓷颗粒烘干干燥待用；
S2、将上一步骤处理后的陶瓷颗粒加入粗化液中，在20-25℃的温度下浸泡处理4-6min，完成后采用乙醇水溶液冲洗陶瓷颗粒，冲洗完成后将陶瓷颗粒烘干加入活化液中，在45-50℃的温度下活化处理10-13min；
S3、配制浓度为0.5-1.4g/L的氧化石墨烯乙醇分散液，将上一步骤处理后的陶瓷颗粒加入氧化石墨烯的乙醇分散液中，超声混合后过滤，将固相混合物在惰性气体气氛中，550-650℃温度下焙烧处理1-2.5h，自然冷却至常温后，研磨分散，得到改性陶瓷材料。
作为本发明的进一步方案，所述金属基材料为钢铁、铝合金、钛合金、锌合金、铜合金或镁合金，金属基材料的粒径为0.1-3mm。
作为本发明的进一步方案，所述改性陶瓷材料由陶瓷材料改性制备而成，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒中的一种或至少两种以任意比混合而成，所述陶瓷颗粒的粒径为0.1-3mm。
作为本发明的进一步方案，所述活化液为氯化铅盐酸水溶液，其中氯化铅的浓度为0.125g/L，盐酸的体积浓度为4％。
作为本发明的进一步方案，所述乙醇水溶液的体积浓度为20％-80％。
一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件的加工工艺，包括如下步骤：
将改性陶瓷材料加热至200-600℃，并将加热后的改性陶瓷材料保温转移至混合注模装置的进料仓中；
将金属基材料加热熔融后通过金属基料管向金属基进料管中输入金属基材料与粘结剂，并通过注模反应筒将改性陶瓷材料与金属基材料均匀混合；
通过注模反应筒将完成混合的物料注入模具中，使混合后的物料在模具中成型，然后将成型后的预制块毛坯放入烘箱中烘烤烧结，形成高强度陶瓷预制块；
将预制块固定在造型型腔的预定位置(以便形成陶瓷耐磨层抵抗磨损)，合箱等待浇注，最后将熔炼后高温铁水注入型腔中，此时的浇注铁水温度一定要高，以使陶瓷预制块与金属铁水充分熔合，从而形成陶瓷金属一体的高硬度且陶瓷颗粒不会脱落的陶瓷耐磨层，从而得到陶瓷耐磨铸件。
作为本发明的进一步方案，所述混合注模装置包括支撑平台，与支撑平台通过光滑连接杆固定连接的底部安装板，底部安装板上设置有驱动组件与注模仓组件，所述注模仓组件连接有进料仓；
所述注模仓组件包括注模反应筒，注模反应筒的外壁与底部安装板滑动连接，注模反应筒的侧壁上通过固定连接套固定连接有两个空气压缩机；
所述注模仓组件还包括电机安装台，电机安装台固定连接有空气压缩机，所述电机安装台上设置有轴承座，轴承座上固定安装有动力电机，动力电机的轴伸固定连接有搅拌杆的一端，轴承座转动套接在搅拌杆上；
所述注模反应筒的一端设置有机械密封结构，机械密封结构套接在搅拌杆上，所述搅拌杆处于注模反应筒内部的部分的一端上固定设置有搅拌叶，所述搅拌杆处于注模反应筒内部的部分的侧壁上设置有两个螺旋叶片，两个螺旋叶片包括处于上方的逆时针向下的螺旋叶片以及处于下方的顺时针向下的螺旋叶片，动力电机驱动搅拌杆顺时针转动，且逆时针向下的螺旋叶片的宽度大于顺时针向下的螺旋叶片的宽度；
所述注模反应筒的底部设置有电磁阀，所述注模反应筒的上侧壁内壁上固定安装有止回件，止回件与注模反应筒的内侧壁之间留有气孔，止回件与注模反应筒之间所成空间通过主管与一个空气压缩机连接，所述主管通过支管连接有抽真空设备，支管上设置有阀门，所述主管连接空气压缩机的一端至与支管的连接点之间设置有阀门；
所述固定连接套的一侧上设置有进料口，所述注模反应筒对应进料口设置有贯穿注模反应筒侧壁的孔，所述进料孔通过进料管与进料仓连接，所述进料管内转动设置有螺旋送料杆，螺旋送料杆的一端固定连接有电机的轴伸；
所述进料管的侧壁还连接有金属基进料管，金属基进料管分别连接有金属基料管与高压输气管。
作为本发明的进一步方案，空气压缩机的侧壁上固定安装有滑杆滑套与气缸连接套。
作为本发明的进一步方案，所述驱动组件包括固定安装在底部安装板上的限位滑杆以及位置调节气缸，所述滑杆滑套滑动套接在限位滑杆上，所述位置调节气缸的气缸轴固定连接有气缸连接套，通过位置调节气缸能够驱动注模仓组件在竖直方向上移动。
作为本发明的进一步方案，混合注模装置的工作方法为：
将改性陶瓷材料加入进料仓中，通过进料管内的螺旋送料杆将进料仓内的改性陶瓷材料传输进入注模反应筒中，同时通过金属基料管向金属基进料管中输入金属基材料，同时通过一个空气压缩机向注模反应筒内输入压缩氮气，使金属基材料射入注模反应筒内；
改性陶瓷材料与金属基材料在进入注模反应筒内之后，通过搅拌杆底部的搅拌叶对混合物料进行搅拌，动力电机驱动搅拌杆顺时针转动，搅拌杆在顺时针转动时，首先通过底部的搅拌叶对注模反应筒内的混合物料进行搅拌，同时位于下方的螺旋叶片会将混合物料由下向上输送，而位于上方的螺旋叶片又将移动至上方的混合物料返送至下方，使物料在注模反应筒内充分混合；
在混合过程中通过支管所连接抽真空装置对注模反应筒内进行抽真空，及时将注模反应筒内的气体抽出以稳定注模反应筒内气压，在完成混合后通过一个空气压缩机向注模反应筒内注入压缩氮气，提升注模反应筒内气压；
通过位置调节气缸降低注模仓组件的高度，使注模反应筒的底部与模具的进料一端接合，打开电磁阀，使注模反应筒内的物料进入模具内。
本发明的有益效果：
1、本发明在制备改性陶瓷材料时，以陶瓷颗粒作为基础，首先对其进行清洗、粗化与活化，提升陶瓷颗粒的表面粗糙度与活性，然后通过将其与氧化石墨烯乙醇分散液混合制备得到表面包覆有氧化石墨烯的陶瓷颗粒，将该陶瓷颗粒在惰性气体环境中高温焙烧，部分氧化石墨烯在焙烧过程中产生的高温乙醇蒸汽会还原部分氧化石墨烯，使其成为还原氧化石墨烯，提升陶瓷颗粒与金属基材料的混合效果；
2、本发明所述混合注模装置在工作时，首先将高温加热后的改性陶瓷材料加入进料仓中，通过进料管内的螺旋送料杆将进料仓内的改性陶瓷材料传输进入注模反应筒中，同时通过金属基料管向金属基进料管中输入金属基材料，同时通过一个空气压缩机向注模反应筒内输入压缩氮气，使金属基材料射入注模反应筒内，这种结构能够使熔融态的金属彻底的从金属基进料管中排出，避免进料管内金属冷却残留，影响后续的进料，避免了金属基进料管的频繁维护；改性陶瓷材料与金属基材料在进入注模反应筒内之后，通过搅拌杆底部的搅拌叶对混合物料进行搅拌，同时动力电机驱动搅拌杆顺时针转动，搅拌杆在顺时针转动时，首先通过底部的搅拌叶对注模反应筒内的混合物料进行搅拌，同时位于下方的螺旋叶片会将混合物料由下向上输送，而位于上方的螺旋叶片又将移动至上方的混合物料返送至下方，从而使物料在注模反应筒内充分混合，相较于传统的搅拌方式，能够使物料更加均匀的混合；在混合过程中通过支管所连接抽真空装置对注模反应筒内进行抽真空，及时将注模反应筒内的气体抽出以稳定注模反应筒内气压，避免混合物料中存有大量气泡，在完成物料的混合后，通过位置调节气缸降低注模仓组件的高度，使注模反应筒的底部与模具的进料一端接合，并通过一个空气压缩机向注模反应筒内注入压缩氮气，提升注模反应筒内气压，打开电磁阀，使注模反应筒内的物料进入模具内，整个过程能够充分的对金属基材料与改性陶瓷材料进行充分的混合，提升成型铸件的质量。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
图1为混合注模装置的结构示意图；
图2为混合注模装置的局部结构示意图；
图3为混合注模装置的局部结构示意图；
图4为混合注模装置另一角度的局部结构示意图；
图5为注模仓组件的结构示意图；
图6为注模仓组件的局部结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件，由金属基陶瓷复合材料加工制备而成；
所述金属基耐磨复合材料由改性陶瓷材料与金属基材料加工制备而成，其中改性陶瓷材料的体积比为20％-80％；
所述金属基材料为钢铁、铝合金、钛合金、锌合金、铜合金或镁合金，金属基材料的粒径为0.1-3mm；
所述改性陶瓷材料由陶瓷材料改性制备而成，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒中的一种或至少两种以任意比混合而成，所述陶瓷颗粒的粒径为0.1-3mm；
所述改性陶瓷材料的制备方法为：
S1、将陶瓷颗粒加入乙醇水溶液中，超声震荡5-20mi，超声处理结束后用乙醇水溶液冲洗，完成对陶瓷颗粒的清洗，清洗后的陶瓷颗粒烘干干燥待用；
S2、将上一步骤处理后的陶瓷颗粒加入粗化液中，在20-25℃的温度下浸泡处理4-6min，完成后采用乙醇水溶液冲洗陶瓷颗粒，冲洗完成后将陶瓷颗粒烘干加入活化液中，在45-50℃的温度下活化处理10-13min；
S3、配制浓度为0.5-1.4g/L的氧化石墨烯乙醇分散液，将上一步骤处理后的陶瓷颗粒加入氧化石墨烯的乙醇分散液中，超声混合后过滤，将固相混合物在惰性气体气氛中，550-650℃温度下焙烧处理1-2.5h，自然冷却至常温后，研磨分散，得到改性陶瓷材料。
所述活化液为氯化铅盐酸水溶液，其中氯化铅的浓度为0.125g/L，盐酸的体积浓度为4％；
上述金属基陶瓷复合材料的耐磨铸件的加工工艺为：
将改性陶瓷材料加热至200-600℃，并将加热后的改性陶瓷材料保温转移至混合注模装置的进料仓中；
将金属基材料加热熔融后通过金属基料管向金属基进料管中输入金属基材料与粘结剂，并通过注模反应筒将改性陶瓷材料与金属基材料均匀混合；
通过注模反应筒将完成混合的物料注入模具中，使混合后的物料在模具中成型，然后将成型后的预制块毛坯放入烘箱中烘烤烧结，形成高强度陶瓷预制块；
将预制块固定在造型型腔的预定位置(以便形成陶瓷耐磨层抵抗磨损)，合箱等待浇注，最后将熔炼后高温铁水注入型腔中，此时的浇注铁水温度一定要高，以使陶瓷预制块与金属铁水充分熔合，从而形成陶瓷金属一体的高硬度且陶瓷颗粒不会脱落的陶瓷耐磨层，从而得到陶瓷耐磨铸件。
上述加工步骤均在惰性气体环境中进行；
所述混合注模装置包括支撑平台1，与支撑平台1通过光滑连接杆11固定连接的底部安装板2，底部安装板2上设置有驱动组件与注模仓组件，所述注模仓组件连接有进料仓3；
所述注模仓组件包括注模反应筒23，注模反应筒23的外壁与底部安装板2 滑动连接，注模反应筒23的侧壁上通过固定连接套24固定连接有两个空气压缩机25，空气压缩机25的侧壁上固定安装有滑杆滑套26与气缸连接套27；
所述驱动组件包括固定安装在底部安装板2上的限位滑杆22以及位置调节气缸21，所述滑杆滑套26滑动套接在限位滑杆22上，所述位置调节气缸21的气缸轴固定连接有气缸连接套27，通过位置调节气缸21能够驱动注模仓组件在竖直方向上移动；
所述注模仓组件还包括电机安装台4，电机安装台4固定连接有空气压缩机 25，所述电机安装台4上设置有轴承座41，轴承座41上固定安装有动力电机5，动力电机5的轴伸固定连接有搅拌杆51的一端，轴承座41转动套接在搅拌杆 51上；
所述注模反应筒23的一端设置有机械密封结构29，机械密封结构29套接在搅拌杆51上，所述搅拌杆51处于注模反应筒23内部的部分的一端上固定设置有搅拌叶52，所述搅拌杆51处于注模反应筒23内部的部分的侧壁上设置有两个螺旋叶片，包括处于上方的逆时针向下的螺旋叶片以及处于下方的顺时针向下的螺旋叶片，动力电机驱动搅拌杆51顺时针转动，且逆时针向下的螺旋叶片的宽度大于顺时针向下的螺旋叶片的宽度，因此搅拌杆51在顺时针转动时，首先通过底部的搅拌叶52对注模反应筒23内的混合物料进行搅拌，同时位于下方的螺旋叶片会将混合物料由下向上输送，而位于上方的螺旋叶片又将移动至上方的混合物料返送至下方，且通过设置上下两个螺旋叶片的宽度差，能够避免混合物料大量向上方溅射；
所述注模反应筒23的底部设置有电磁阀28，所述注模反应筒23的上侧壁内壁上固定安装有止回件6，止回件6与注模反应筒23的内侧壁之间留有气孔 61，止回件6与注模反应筒23之间所成空间通过主管63与一个空气压缩机25 连接，所述主管63通过支管62连接有抽真空设备，支管62上设置有阀门，所述主管63连接空气压缩机25的一端至与支管62的连接点之间设置有阀门；
所述固定连接套24的一侧上设置有进料口241，所述注模反应筒23对应进料口241设置有贯穿注模反应筒23侧壁的孔，所述进料孔241通过进料管31 与进料仓3连接，所述进料管31内转动设置有螺旋送料杆，螺旋送料杆的一端固定连接有电机的轴伸，通过电机驱动螺旋送料杆转动，使进料仓3内的物料均匀进入注模反应筒23内；
所述进料管31的侧壁还连接有金属基进料管32，金属基进料管32分别连接有金属基料管与高压输气管，这种结构能够使熔融态的金属彻底的从金属基进料管中排出，避免进料管内金属冷却残留，影响后续的进料，避免了金属基进料管的频繁维护；改性陶瓷材料与金属基材料在进入注模反应筒内之后；
通过上述混合注模装置的工作方法为：
将改性陶瓷材料加入进料仓3中，通过进料管31内的螺旋送料杆将进料仓 3内的改性陶瓷材料传输进入注模反应筒23中，同时通过金属基料管向金属基进料管32中输入金属基材料，同时通过一个空气压缩机25向注模反应筒23内输入压缩氮气，使金属基材料射入注模反应筒23内；
改性陶瓷材料与金属基材料在进入注模反应筒23内之后，通过搅拌杆51 底部的搅拌叶52对混合物料进行搅拌，同时动力电机驱动搅拌杆51顺时针转动，搅拌杆51在顺时针转动时，首先通过底部的搅拌叶52对注模反应筒23内的混合物料进行搅拌，同时位于下方的螺旋叶片会将混合物料由下向上输送，而位于上方的螺旋叶片又将移动至上方的混合物料返送至下方，从而使物料在注模反应筒23内充分混合；
在混合过程中通过支管62所连接抽真空装置对注模反应筒23内进行抽真空，及时将注模反应筒23内的气体抽出以稳定注模反应筒23内气压，在完成混合后通过一个空气压缩机25向注模反应筒23内注入压缩氮气，提升注模反应筒23内气压；
通过位置调节气缸21降低注模仓组件的高度，使注模反应筒23的底部与模具的进料一端接合，打开电磁阀28，使注模反应筒23内的物料进入模具内。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
