一种离心铸造复合材料滚刀的方法

1.本发明涉及一种离心铸造复合材料滚刀的方法，属于金属基复合材料技术领域。


背景技术：

2.盾构机即盾构隧道掘进机，是专业用于地下隧道开挖的大型工程机械。当前，我国社会和基础设施建设处于稳定发展的阶段，国家大规模基础设施建设仍会持续很长一段时间。在铁路、公路、大中型水电站、城市立体化、管线入地、地铁工程、越江隧道等的建设中，包含大量的隧道建设工程，这些基础建设工程需要大量盾构机。滚刀是盾构机开挖隧道的“牙齿”，是关键零部件。滚刀的工况条件非常复杂，不仅要承受巨大的扭矩和冲击，还承受硬质岩石的剧烈磨损，因此，滚刀的寿命很短，严重时盾构机每推进几米～十余米，就要停下更换滚刀，所以其寿命严重制约着隧道工程的掘进效率。同时，一个盾构机刀盘上的滚刀通常有20把以上，多的达到60余把，所以滚刀消耗量巨大。根据早期秦岭铁路隧道建设的费用统计，滚刀消耗费用占比高达 20%～30%，更换刀具及配套作业时间占据了掘进施工总时间的40%左右。因此，盾构机滚刀的寿命对隧道工程和基础建设行业提高效率，降低成本具有重大意义和巨大的经济价值。


技术实现要素：

3.针对镶嵌滚刀存在的硬质合金脆性大、与钢刀体焊接强度低等问题，本发明提供一种离心铸造复合材料滚刀的制方法备方，具体步骤如下：（1）将级陶瓷颗粒与金属粉、粘接剂、消泡剂进行球磨混合制成陶瓷浆料，采用离心喷雾干燥法制备出复合微球；复合微球中陶瓷颗粒的质量百分比为20~70%，金属粉的质量百分比为20~50%、粘接剂的质量百分比为3%~10%、消泡剂的质量百分比为0.2%~1%，陶瓷浆料的固含量为30％～70％；球磨为常规工艺过程。
4.（2）将步骤（1）得到的复合微球加入陶瓷颗粒与金属粉的混合粉末中进行裹粉，直至复合微球的包覆层达到一定厚度，随后将裹好粉的复合微球制成滚刀刀圈状预制体。
5.（3）熔炼金属液，将预制体固定到离心铸造模具中，浇注钢液，进行离心铸造使钢液浸渗到预制体中，制备得到复合材料滚刀刀圈。
6.优选的，本发明步骤（1）和（2）中的陶瓷颗粒为碳化钨、碳化钛、碳化硼、氮化钛中的一种或几种任意比例混合物，陶瓷颗粒的粒度为1～10μm。
7.优选的，本发明步骤（1）和（2）中的金属粉末为铁粉、钴粉、镍粉中的一种或几种任意比例所得混合物，粒径为1～10μm。
8.优选的，本发明所述复合微球的粒径为50~500微米。
9.优选的，本发明步骤（1）中离心喷雾干燥机的进风温度设定为180℃～280℃，雾化器频率为50hz～150 hz，离心喷雾干燥机的蠕动泵设定为10％～90％。
10.优选的，本发明步骤（2）中复合微球的包覆层厚度为5μm～50μm。
11.优选的，本发明步骤（2）中裹粉的具体步骤为：
（1）取复合微球，放入裹粉机的旋转器中，开启裹粉机，调节裹粉机旋转器的转速为50r/min～150 r/min，使旋转器中的复合微球缓慢转动，以便于复合微球自身在转动过程中可以充分的接触所需包裹的粉末。
12.（2）当复合微球达到上述状态后，向旋转器中加入适应粒径的混合粉末（混合粉末由碳化钛陶瓷颗粒与与金属粉末按照10∶1～2∶1的质量比混合制成），混合粉末的加入量为复合微球质量的1%～10%。
13.（3）在加入混合粉末之后，向旋转器中加入粘接剂，粘接剂的加入量为复合微球与混合粉末总质量的1%～10%；所述粘接剂为模数为1.5～3的水玻璃溶液或者质量百分比浓度为10%～40%的硅溶胶。
14.所述粘接剂以喷洒的方式加入，根据实际需求可以将粘结剂加水稀释后喷洒，粘结剂与水的体积比为1:1~1:5。
15.通过旋转器的转速、加入混合粉末的质量、以及加入的粘接剂的质量，调节这三个参数至最佳值即可实现复合微球的裹粉。
16.优选的，本发明步骤步骤（3）中离心铸造铸型转速为500r/min～1500r/min。
17.本发明的原理：本发明所述方法中利用陶瓷颗粒和复合微球这两种增强相获得滚刀刀圈所需的高硬度和高强度，还提出微球裹粉技术，利用微球裹粉技术可以调节复合微球之间的距离，球间基体对裂纹扩展的阻碍作用，从而达到韧性调控的目的。
18.本发明的有益效果为：（1）本发明采用离心喷雾干燥法制备陶瓷微球；该方法可以实现陶瓷微球从纳米级到毫米级的高效大量制备。
19.（2）本发明提出微球裹粉技术，通过裹粉技术可以调节复合微球之间的距离，实现复合材料韧性的调节；复合材料本身就具有较高的硬度和耐磨性，如果实现复合材料的韧性调节，就可以达到提高复合材料滚刀的使用寿命的有益效果。
20.（3）本发明采用离心铸造法制备复合材料滚刀，可实现一体化高效制备复合材料滚刀。
附图说明
21.图1为复合材料滚刀微观结构示意图。
具体实施方式
22.下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
23.实施例1一种离心铸造复合材料滚刀的方法，具体步骤如下：（1）将微米级碳化钛陶瓷颗粒和与铁粉、粘接剂、消泡剂、酒精等进行球磨混合制成陶瓷浆料，（复合微球中陶瓷颗粒的质量百分比为60%，金属粉的质量百分比为30%、粘接剂的质量百分比为9%、消泡剂的质量百分比为1%，其中陶瓷浆料的固含量为50％），采用离心喷雾干燥法制备出直径为500μm的复合微球，离心喷雾干燥机的参数设定为：进风温度设定为200℃、雾化器频率为100 hz、蠕动泵设定为50％。
24.（2）对复合微球进行裹粉：取复合微球，放入裹粉机的旋转器中，开启裹粉机，调节裹粉机旋转器的转速为50r/min～150 r/min，使旋转器中的复合微球缓慢转动；向旋转器中加入混合粉末，混合粉末由碳化钛陶瓷颗粒与铁粉按照5:1的质量比混合制成，混合粉末的加入量为复合微球质量的1%；在加入混合粉末之后，向旋转器中加入粘接剂，粘接剂的加入量为复合微球与混合粉末总质量的1%；直至复合微球的包覆层厚度达到50μm，随后将裹好粉的复合微球制成滚刀刀圈状预制体。
25.（3）熔炼金属液，将预制体固定到离心铸造模具中，浇注钢液，以铸型转速为1200r/min进行离心铸造使钢液浸渗到预制体中，最终制得复合材料滚刀刀圈，其硬度为67hrc，冲击韧性为18j/cm2。
26.实施例2一种离心铸造复合材料滚刀的方法，具体步骤如下：（1）将微米级碳化钛陶瓷颗粒和与铁粉、粘接剂、消泡剂、酒精等进行球磨混合制成陶瓷浆料，（复合微球中陶瓷颗粒的质量百分比为70%，金属粉的质量百分比为20%、粘接剂的质量百分比为9.8%、消泡剂的质量百分比为0.2%，陶瓷浆料的固含量为65％），采用离心喷雾干燥法制备出直径为300μm的复合微球，离心喷雾干燥机的参数设定为：进风温度设定为240℃、雾化器频率为50hz、蠕动泵设定为50％。
27.（2）对复合微球进行裹粉：取复合微球，放入裹粉机的旋转器中，开启裹粉机，调节裹粉机旋转器的转速为150 r/min，使旋转器中的复合微球缓慢转动；向旋转器中加入混合粉末，混合粉末由碳化钛陶瓷颗粒与铁粉按照10:1的质量比混合制成，混合粉末的加入量为复合微球质量的25%；在加入混合粉末之后，向旋转器中加入粘接剂，粘接剂的加入量为复合微球与混合粉末总质量的25%；直至复合微球的包覆层厚度达到25μm，随后将裹好粉的复合微球制成滚刀刀圈状预制体。
28.（3）熔炼金属液，将预制体固定到离心铸造模具中，浇注钢液，以铸型转速为1200r/min进行离心铸造使钢液浸渗到预制体中，最终制得复合材料滚刀刀圈，其硬度为68hrc，冲击韧性为17j/cm2。
29.实施例3一种离心铸造复合材料滚刀的方法，具体步骤如下：（1）将微米级碳化钛陶瓷颗粒和与铁粉、粘接剂、消泡剂、酒精等进行球磨混合制成陶瓷浆料，（复合微球中陶瓷颗粒的质量百分比为50%，金属粉的质量百分比为44%、粘接剂的质量百分比为6%、消泡剂的质量百分比为0.2%~1%，陶瓷浆料的固含量为50％），采用离心喷雾干燥法制备出直径为50μm的复合微球，离心喷雾干燥机的参数设定为：进风温度设定为200℃、雾化器频率为120 hz、蠕动泵设定为50％。
30.（2）对复合微球进行裹粉：取复合微球，放入裹粉机的旋转器中，开启裹粉机，调节裹粉机旋转器的转速为50r/min，使旋转器中的复合微球缓慢转动；向旋转器中加入混合粉末，混合粉末由碳化钛陶瓷颗粒与铁粉按照2:1的质量比混合制成，混合粉末的加入量为复合微球质量的10%；在加入混合粉末之后，向旋转器中加入粘接剂，粘接剂的加入量为复合微球与混合粉末总质量的7%；直至复合微球的包覆层厚度达到5μm，随后将裹好粉的复合微球制成滚刀刀圈状预制体。
31.（3）熔炼金属液，将预制体固定到离心铸造模具中，浇注钢液，以铸型转速为1200r/min进行离心铸造使钢液浸渗到预制体中，最终制得复合材料滚刀刀圈，其硬度为67hrc，冲击韧性为19j/cm2。
32.对比实施例一种离心铸造复合材料滚刀的方法，具体步骤如下：（1）将微米级碳化钛陶瓷颗粒和与金属粉、粘接剂、消泡剂、酒精等进行球磨混合制成陶瓷浆料，（其中碳化钛陶瓷颗粒与铁粉的质量比为2∶1，浆料固含量为50%）采用离心喷雾干燥法制备出直径为500μm的复合微球，其中陶瓷浆料的固含量为60％，离心喷雾干燥机的参数设定为：进风温度设定为240℃、雾化器频率为60 hz、蠕动泵设定为50％；（2）将复合微球与粘接剂进行均匀混合，粘接剂的加入量为复合微球总质量的5%将混合均匀的陶瓷微球填充到滚刀刀圈状预制体模具中，制成滚刀刀圈状预制体。
33.（3）熔炼金属液，将预制体固定到离心铸造模具中，浇注钢液，以铸型转速为1200r/min进行离心铸造使钢液浸渗到预制体中，最终制得复合材料滚刀刀圈，其硬度为67hrc，冲击韧性为10j/cm2。
34.通过对比可以看出通过裹粉来提高陶瓷微球之间的距离，可以达到提高复合材料韧性的效果。复合材料本身就具有较高的硬度和耐磨性，通过裹粉技术，在一定范围内调整复合微球之间的距离，可以实现复合材料韧性的调节，就可以达到提高复合材料滚刀的使用寿命的有益效果。