一種復(fù)合材料搗鎬及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料搗鎬及其制備方法，屬于零部件制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵路養(yǎng)路機械在線路的建設(shè)與維護作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，其中搗固車主要用于搗固鐵路道床石碴，而搗鎬則是搗固車中最重要的零件，同時也是養(yǎng)路機械中更換零部件最為頻繁的部件之一。在鐵道線路保養(yǎng)作業(yè)中，搗鎬的使用量大，不僅要承受沖擊載荷的作用，而且還要抵抑磨料磨損和沖擊磨損。搗鎬的失效主要表現(xiàn)為鎬掌的磨損和鎬身的斷裂，而陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐磨性和抗沖擊性能，同時成本低廉，工藝簡單，廣泛用于耐磨零部件的制備，因此，陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料應(yīng)用于鎬掌，可大大延長其使用壽命。
[0003]中國專利CN103194720A公開了一種耐磨搗鎬，該搗鎬通過等離子體表面處理來提高其耐磨性，具體處理方法是將搗鎬置入反應(yīng)室內(nèi)，密封，抽真空，通入氬氣和氮氣，施加方形負(fù)脈沖電壓電離混合氣體，形成含氮高溫等離子體，完成搗鎬的表面改性，獲得一層具有耐磨性表面層。但是，該發(fā)明得到的表面耐磨層很薄，短期內(nèi)就可將該耐磨層全部磨損，搗鎬工作7?8公里后，鎬掌就會發(fā)生嚴(yán)重的磨損(磨損量達(dá)到鎬掌高度的20% )，而且其制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，成本高，經(jīng)濟效益低，不適合工業(yè)生產(chǎn)。
[0004]中國專利CN203188068U涉及了一種耐磨搗鎬，該搗鎬的鎬身和鎬掌通過焊接連接為一體，其中，鎬掌下部梯形部分表面焊接有硬質(zhì)合金片，鎬掌內(nèi)部橫向與鎬身垂直嵌入有硬質(zhì)合金柱，鎬掌底部有凹槽，硬質(zhì)合金頭通過和其焊接為一體的矩形體嵌入焊接在凹槽內(nèi)，得到具有硬質(zhì)合金的搗鎬。雖然該搗鎬具有高的表面硬度，能達(dá)到HRC66?68左右，但是在釬焊硬質(zhì)合金時，硬質(zhì)合金與鎬掌屬于異種材料，兩者之間的線膨脹系數(shù)相差很大，焊縫周圍應(yīng)力難以消除，容易產(chǎn)生裂紋，在磨損和沖擊的工況下硬質(zhì)合金很容易脫落，一般使用20公里左右，要補焊一次，搗固里程為50?60公里，壽命短，并且補焊會增加工人的勞動量，降低搗鎬車的工作效率；搗鎬所用的硬質(zhì)合金一般價格在3000?4000元人民幣，整個搗鎬的價格為8000?10000元人民幣，成本高，經(jīng)濟效益低。
[0005]中國專利CN202658484U公開了一種耐磨搗鎬，該搗鎬是通過采用中碳高合金高強度材料并經(jīng)鍛造成型、調(diào)質(zhì)處理的鎬桿與采用高碳高合金耐磨材料并經(jīng)鍛造成型、淬火處理的鎬掌焊接在一起的。該搗鎬雖然不存在由于合金片掉落而提前失效的問題，但是鎬掌硬度為HRC 40?55，整體耐磨性不高，搗固里程為20?35公里，壽命短；制備工藝復(fù)雜，不利于大批量生產(chǎn)；每只搗鎬的價格在1000元人民幣左右，成本高，經(jīng)濟效益低。
[0006]中國專利CN101704092A公開了一種耐磨搗鎬，該搗鎬采用雙金屬液_液復(fù)合澆鑄方法制備而成，將溫度為1660?1680°C的低鉻普通鋼液澆鑄倒入搗鎬模具中，冷卻至1500?1550°C后，再澆入溫度為1560?1580°C的高鉻鉬鎳鎢合金溶液，冷卻成型即得雙金屬液-液復(fù)合搗鎬。雖然該搗鎬的鎬身和鎬掌形成了冶金結(jié)合，但是澆鑄過程中溫度不好控制，先澆入的金屬液溫度過高或者過低，都會影響兩種金屬的結(jié)合；先澆鑄到鑄型型腔的金屬液上表面會有雜質(zhì)，當(dāng)與后澆鑄的金屬液接觸時，在結(jié)合面上會形成缺陷；當(dāng)搗鎬工作時會在缺陷處產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致斷裂。硬度為HRC68，一般搗固里程在30?40公里左右，并且失效后不能修復(fù)，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述存在的問題及不足，本發(fā)明的目的在于提供一種復(fù)合材料搗鎬，包括鎬身和鎬掌，所述復(fù)合材料搗鎬的鎬掌四周表面上包裹了一層陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料層，鎬身為金屬基體，通過焊接和鎬掌連接在一起。
[0008]本發(fā)明所述陶瓷顆粒為WC、Cr3C2, TaC, TiC, NbC、W2C、Al2O3' ZrO2、S12、SiC、B4C, Si3N4, TiN、TiB2, T12中的一種或幾種按任意比例混合得到的混合物，其顆粒粒徑為106?380 μ mD
[0009]本發(fā)明所述陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料層的厚度為5?20_，陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料層層中陶瓷顆粒的體積分?jǐn)?shù)為20%?80%。
[0010]本發(fā)明所述復(fù)合材料搗鎬的鎬身和鎬掌的金屬基體材質(zhì)均為鑄鋼或者鑄鐵。
[0011]本發(fā)明的另一目的在于提供一種復(fù)合材料搗鎬的制備方法，具體包括以下步驟:
(1)將陶瓷顆粒與粘接劑置于球磨罐中混合均勻后填充到預(yù)制體模具中，在150°c?600°C焙燒60?240min煅燒后得到預(yù)制體，其中，粘接劑的質(zhì)量為陶瓷顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的2%?10% ；
(2)將預(yù)制體放入保溫套筒中預(yù)熱到300°C?1000°C后保溫60?120min，預(yù)制體出爐后迅速置于擠壓模具中，澆注金屬液保溫20s?60s后，施加30?10MPa的壓力，使得金屬液在外加壓力的作用下浸滲到顆粒之間的間隙中得到金屬基復(fù)合材料鎬掌；
(3)將鎮(zhèn)身鎮(zhèn)掌焊接在一起得到復(fù)合材料搗I咼。
[0012]本發(fā)明步驟(I)所述粘接劑為磷酸鋁溶液、磷酸二氫鋁溶液、偏磷酸鋁溶液、硼酸溶液、水玻璃溶液、聚乙烯醇溶液一種或幾種按任意比例混合得到的混合物。
[0013]本發(fā)明步驟(I)所述燒結(jié)為真空燒結(jié)或者是4、隊保護氣體保護下燒結(jié)。
[0014]所述復(fù)合材料搗鎬的鎬身和鎬掌的金屬基體材質(zhì)均為鑄鋼或者鑄鐵。
[0015]本發(fā)明的有益效果為:
(I)所述復(fù)合材料搗鎬的鎬掌采用的是具有高硬度的陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料和鎬身采用的是具有強韌性的鑄鋼或者鑄鐵，采用焊接將兩者連接在一起；首先，鎬掌是陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料，具有陶瓷顆粒的高硬度，同時采用擠壓鑄造一體成型，不會出現(xiàn)釬焊硬質(zhì)合金一樣脫落的情況；陶瓷顆粒與基體金屬之間潤濕性好，能形成良好的界面結(jié)合，并且結(jié)合面上沒有缺陷，不會像雙金屬液-液復(fù)合澆鑄方法一樣在界面上產(chǎn)生缺陷裂紋，引起搗鎬斷裂；復(fù)合材料的基體金屬與鎬身的材料一樣都是鑄鋼或者是鑄鐵，焊接時結(jié)合強度高，同時又具有鑄鋼或者是鑄鐵的強韌性，不易斷裂。
[0016](2)所述復(fù)合材料搗鎬的鎬掌耐磨層的厚度能達(dá)到20mm，是一般堆焊層厚度(5mm)的4倍，使用壽命大大延長。
[0017](3)所述復(fù)合材料搗鎬是通過壓力鑄造方法制備，基體組織致密，無縮松、縮孔等缺陷，在沖擊載荷下不易斷裂，綜合機械性能比普通鑄造好，工藝簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。
[0018](4)所述復(fù)合材料搗鎬中的陶瓷顆粒硬度高，耐磨性好，適用于受磨損和沖擊的工況條件，陶瓷顆粒的維氏硬度可達(dá)1900HV，相當(dāng)于釬焊硬質(zhì)合金硬度(HRC66?68)的2倍多；價格上比堆焊搗鎬(800?1000元人民幣)還要低，為600?900元人民幣；鎬固里程可達(dá)70?80公里，并且中途不需要從搗固車上撤下來補焊，工作效率比09-32連續(xù)式搗固車提高30%?50%。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明復(fù)合材料搗鎬結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明復(fù)合材料搗鎬A處局部示意圖；
圖3是本發(fā)明復(fù)合材料搗鎬預(yù)制體的流程圖；
圖4是本發(fā)明復(fù)合材料搗鎬擠壓鑄造成型過程示意圖。
[0020]圖中:1_鎮(zhèn)身；2_鎮(zhèn)掌；3_顆粒增強金屬基復(fù)合材料層；4-銷孔；5_螺紋孔；6-擠壓鑄造基體；7_陶瓷顆粒；8_預(yù)制體模具；9_預(yù)制體；10_擠壓鑄造模具；11_基體金屬液。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于所述內(nèi)容。
[0022]實施例1
如圖1至4所示，該復(fù)合材料搗鎬包括鎬身I和鎬掌2，所述鎬掌3四周表面上包裹了一層陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料層3，陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料層3的厚度為10_，其中陶瓷顆粒為WC，顆粒粒徑為150 μ m，在陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料中陶瓷顆粒所占體積分?jǐn)?shù)為50%，剩余的基體與鎬身的材料一樣，都為高鉻鑄鐵。
[0023]本實施例所述的復(fù)合材料搗鎬的制備方法，如圖3、4所示，其具體步驟如下:
(I)將粒徑為150 μ m的WC顆粒與水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液的混合溶液(混合溶液的含量為陶瓷顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%，混合溶液中水玻璃溶液和聚乙烯醇溶液的質(zhì)量比為1:1)裝入球磨罐內(nèi)，在球磨機上均勻混合120min，然后將混合均勻的顆粒填充到預(yù)制體模具8中，在250°C真空焙燒120min，隨爐冷卻，得到具有一定強度的預(yù)制體9。
[0024](2)將預(yù)制體9放入保溫套筒中預(yù)熱到400°C，并且保溫60min，出爐后迅速置于擠壓模具10中，澆注高鉻鑄鐵金屬液11，把壓頭迅速放到金屬液的上面保溫40s，然后施加30MPa的壓力，使高鉻鑄鐵金屬液浸滲到WC陶瓷顆粒間隙中，得到WC顆粒增強的高鉻鑄鐵基復(fù)合材料鎬掌，如圖2所示。
[0025](3)用砂型鑄造澆鑄出高鉻鑄鐵鎬身，然后和鎬掌用lCrl3焊條焊在一起。
[0026]用本實施例制備得到的復(fù)合材料搗鎬來做沖擊磨料磨損試驗，采用MLD-10型動載磨料磨損試驗機，磨粒為線路現(xiàn)場的一級道碴，用AR2140型電子天平對磨損前后的試樣稱重，稱重前試樣必須清洗和烘干，并采用3次稱重取其平均值計算磨損失重，用相同試驗參數(shù)上試樣的平均失重評定材料的耐磨性。結(jié)果表明，該復(fù)合材料搗鎬在Ih內(nèi)失重為0.034g，耐磨性比普通高鉻鑄鐵搗鎬耐磨性提高了 3.5倍左右；用HR-150型洛氏硬度計測量其硬度；結(jié)果表明，洛氏硬度為HRC82 (比硬質(zhì)合金的HRC68提高了 20%);由此可見，該復(fù)合材料搗鎬表面具有良好的耐磨耐沖擊性，內(nèi)部有好的塑性；鎬固里程為75公里；工作效率比09-32連續(xù)式搗固車提高40%。
[0027]實施例2
如圖1至4所示，該復(fù)合材料搗鎬的鎬掌四周表面上包裹了一層陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料，復(fù)合層的厚度為15mm，其中陶瓷顆粒為匕(:，顆粒粒徑為380 μ m，在陶瓷顆粒增強金屬基復(fù)合材料中陶瓷顆粒所占體積分?jǐn)?shù)為55 %，剩余的基體與鎬身的材料一樣，都為40Cro
[0028]本實施例所述的復(fù)合材料搗鎬的制備方法，如圖3、4所示，其具體步驟如下:
(I)將粒徑為380 μπι的B4C顆粒與磷酸鋁溶液(含量為陶瓷顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4% )裝入球磨罐內(nèi)，在球磨機上均勾混合60min，然后將混合均勾的顆粒填充到預(yù)制體模具8中，在H2保護氣體中300°C焙燒120min，隨爐冷卻，得到具有一定強度的預(yù)制體9。
[0029](2)將預(yù)制體9放入保溫套筒中預(yù)熱到700°C，并且保溫80min，出爐后迅速置于擠壓模具10中，澆注40Cr金屬液11，把壓頭迅速放到金屬液的上面保溫50s，然后施加50MPa的壓力，使40Cr金屬液浸滲到B4C陶瓷顆粒間隙中，得到B4C顆粒增強的40Cr基復(fù)合材料鎬掌，如圖2所示。
[0030](3)用砂型鑄造澆鑄出40Cr鎬身，然后和鎬掌用lCrl3焊條焊在一起。
[0031]用本實施例制備得到的復(fù)合材料搗鎬來做沖擊磨料磨損試驗，采用MLD-10型動載磨料磨損試驗機，磨粒為線路現(xiàn)場