一种陶瓷高铬铸铁复合叶轮

技术领域

本发明涉及叶轮抗磨技术领域，尤其涉及一种陶瓷高铬铸铁复合叶轮。

背景技术

叶轮是挖泥船泥泵系统的核心组成部分，决定了挖泥船泥泵系统性能的高低。工作中，随着叶轮的高速旋转，泥浆、淤泥、底泥以及其他带有固体颗粒的液体被吸入泵内，通过叶轮旋转运动产生动能，借由叶片将动能转化为压力能，进而实现将泥浆按设计流速和扬程迅速而高效地输送到目标位置，叶轮质量的好坏对这一过程的可靠稳定实现非常重要。挖泥船泥泵叶轮通常用于输送颗粒含量高的液体，叶轮需要能够抵抗固体颗粒对其表面的磨损。因此，泥泵叶轮通常采用高铬铸铁耐磨材料制造，以抵抗砂石颗粒对叶轮的磨削效应。

叶轮在输送含有固体颗粒的液体时，颗粒通常会对叶片表面产生冲击和磨损；尤其是在高速旋转的情况下，固体颗粒对叶片的冲击力大，加剧了高铬铸铁叶轮叶片表面的磨损。叶轮叶片的耐磨性问题在泵的应用中产生了极大的不利影响，叶片的磨损和损坏，影响了泵的性能、寿命和可靠性。不耐磨的叶片会导致多重问题，包括磨损加剧、频繁的维护和更换、额外的运营成本，泥浆泵使用寿命变短和挖泥船生产效率降低，难以满足疏浚施工的需求。

为此，如何通过改进现有叶轮、以低成本的方式彻底解决上述技术问题，成为该领域的技术难题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种陶瓷高铬铸铁复合叶轮，该复合叶轮叶片面由高铬耐磨铸铁和金属陶瓷复合材料交错构成，能够彻底解决挖泥船用叶轮耐磨性差、使用寿命短的问题。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种陶瓷高铬铸铁复合叶轮，其特征在于，包括前盖、后盖和叶片，多个所述叶片对称布置在前盖、后盖之间，其中：所述叶片经过陶瓷颗粒定型工艺、高铬铸铁金属液浇注工艺制成。

优选的，所述前盖的上开设有中心孔，所述后盖的外侧设置有连轴孔，后盖的内侧设置有导流凸台。

优选的，所述叶片的数量为三个、四个、五个或六个，相邻叶片与前盖、后盖之间形成减缩腔，减缩腔的外端为扩口，减缩腔的内端为缩口，缩口的底部平滑连接导流凸台，缩口的顶部平滑连接中心孔。

优选的，所述陶瓷颗粒定型工艺包括如下操作流程：

1）将粒径为6-18目的陶瓷颗粒进行表面金属化预处理；

2）将预处理后的陶瓷颗粒与粘结剂、金属粉末混合均匀，得颗粒混合物，其中：粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的1%-9%，金属粉末的粒径为100-500目，金属粉末的加入量是颗粒混合物质量的1%-6%；

3）将颗粒混合物均匀装入陶瓷预制体模具中，并压紧加热，脱模后得蜂窝状或网格状的陶瓷预制体。

优选的，所述将粒径为6-18目的陶瓷颗粒进行表面金属化预处理包括如下操作：

将陶瓷颗粒表面通过化学镀或者磁控溅射的方法包覆一层厚度为0.05-0.2um的镍基或钛基低熔点合金材料。

优选的，所述陶瓷颗粒为氧化铝陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒、氧化锆陶瓷颗粒中的一种或任意几种的组合。

优选的，所述金属粉末为镍粉、铁粉、铝粉、钛粉中的一种或任意几种的组合。

优选的，所述蜂窝状或网格状的陶瓷预制体的厚度为10-30mm。

优选的，所述高铬铸铁金属液浇注工艺包括如下操作流程：

1）将蜂窝状或网格状的陶瓷预制体按照叶轮的轮廓曲线固定在叶轮铸型型腔中；

2）熔炼高铬铸铁耐磨合金材料以形成金属液，采用重力浇注方法向叶轮铸型型腔注入高铬铸铁金属液，浇注温度为1450-1500℃,高铬铸铁金属液铸渗进入预制体获得陶瓷颗粒局部增强高铬铸铁复合叶轮；

3）将成型的陶瓷颗粒局部增强复合叶轮进行硬化热处理，淬火温度为960-1020℃，回火温度为200-480℃。

优选的，所述高铬铸铁耐磨合金材料为BTMCr15、BTMCr20或BTMCr26。

本发明的一种陶瓷高铬铸铁复合叶轮具有以下有益效果：

1）该复合叶轮包括前盖、后盖和叶片，多个叶片对称布置在前盖、后盖之间，叶片的数量可以为三个、四个、五个或六个，相邻叶片与前盖、后盖之间形成减缩腔，减缩腔的外端为扩口，减缩腔的内端为缩口，缩口的底部平滑连接导流凸台，缩口的顶部平滑连接中心孔，该叶轮结构紧凑、便于生产。

2）该复合叶轮中陶瓷预制体被高铬铸铁液完全渗透包覆，陶瓷颗粒与基体界面结合良好，材料组织致密，无疏松、气孔缺陷，输送泥浆过程中陶瓷颗粒不会脱落。

3）该叶轮叶片面由高铬耐磨铸铁和金属陶瓷复合材料交错构成，陶瓷颗粒作为耐磨的强化相与高铬铸铁结合，两者复合的寿命提高2倍以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的顶部结构示意图；

图3是本发明的底部结构示意图；

图4是本发明的内部结构示意图；

图5是本发明的蜂窝状预制体示意图；

图6是本发明的蜂窝状预制体复合效果图；

图7是本发明的复合叶轮复合效果图。

其中，1-前盖、101-中心孔、2-后盖、201-连轴孔、202-导流凸台、3-叶片、301-减缩腔、302-扩口、301-缩口。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例一

如图1至图4所示，该陶瓷高铬铸铁复合叶轮，包括前盖1、后盖2和叶片3，多个所述叶片3对称布置在前盖1、后盖2之间，图中，叶片3经过陶瓷颗粒定型工艺、高铬铸铁金属液浇注工艺制成。

图中，前盖1的上开设有中心孔101，后盖2的外侧设置有连轴孔201，后盖2的内侧设置有导流凸台202。叶片3的数量为三个、四个、五个或六个，相邻叶片3与前盖1、后盖2之间形成减缩腔301，减缩腔301的外端为扩口302，减缩腔301的内端为缩口301，缩口301的底部平滑连接导流凸台202，缩口301的顶部平滑连接中心孔101。

该叶轮结构紧凑、便于生产，实际工作时，连轴孔201连接动力轴，扩口302为进水口，缩口301为出水口，通过减缩腔301实现增压。其中，导流凸台202和中心孔101用于引导水流方向。

实施例二

如图5至图7所示，该叶片3经过陶瓷颗粒定型工艺、高铬铸铁金属液浇注工艺制成，具体的，陶瓷颗粒定型工艺包括如下操作流程：

1）将粒径为6-18目的陶瓷颗粒进行表面金属化预处理，其中，将陶瓷颗粒表面通过化学镀或者磁控溅射的方法包覆一层厚度为0.05-0.2um的镍基或钛基低熔点合金材料。具体的，陶瓷颗粒为氧化铝陶瓷颗粒、碳化硅陶瓷颗粒、氮化硅陶瓷颗粒、氧化锆陶瓷颗粒中的一种或任意几种的组合。

2）将预处理后的陶瓷颗粒与粘结剂、金属粉末混合均匀，得颗粒混合物，其中：粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的1%-9%，金属粉末的粒径为100-500目，金属粉末的加入量是颗粒混合物质量的1%-6%，具体的，金属粉末为镍粉、铁粉、铝粉、钛粉中的一种或任意几种的组合。

具体的，粘结剂为硅酸钠、硅酸钾、酚醛树脂中的一种或任意几种的组合。

3）将颗粒混合物均匀装入陶瓷预制体模具中，并压紧加热，脱模后得蜂窝状或网格状的陶瓷预制体，蜂窝状或网格状的陶瓷预制体的厚度为10-30mm，陶瓷预制件形状随叶轮叶片曲率变化。

具体的，陶瓷预制体模具的材料为木材、石墨、泡沫中的一种。

优选的，高铬铸铁金属液浇注工艺包括如下操作流程：

1）将蜂窝状或网格状的陶瓷预制体按照叶轮的轮廓曲线固定在叶轮铸型型腔中；

2）熔炼高铬铸铁耐磨合金材料以形成金属液，采用重力浇注方法向叶轮铸型型腔注入高铬铸铁金属液，浇注温度为1450-1500℃,高铬铸铁金属液铸渗进入预制体获得陶瓷颗粒局部增强高铬铸铁复合叶轮；

3）将成型的陶瓷颗粒局部增强复合叶轮进行硬化热处理，淬火温度为960-1020℃，回火温度为200-480℃。

具体的，高铬铸铁耐磨合金材料为BTMCr15、BTMCr20或BTMCr26。

需要说明的是，叶片3可以整体采用陶瓷颗粒定型工艺、高铬铸铁金属液浇注工艺制成。叶片3也可以只在叶梢的表面采用陶瓷颗粒定型工艺、高铬铸铁金属液浇注工艺制成，其余部分采用现有金属液浇注工艺制成，该方法可以进一步降低制作成本，确保叶片3在冲击力最大、磨损力最大的末端采用该方法提升其使用寿命。

实施例三

本实施例中，陶瓷颗粒定型工艺和高铬铸铁金属液浇注工艺具体包括如下操作流程：

1）将粒径为6-18目的碳化硅陶瓷颗粒进行表面镀镍预合金化处理；

2）将预处理后的陶瓷颗粒与硅酸钠粘结剂按一定比例均匀混合，其中粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的8%；将上述混合物中加入一定比例铁合金粉末并混合均匀，得颗粒混合物，其中，铁合金金属粉末的粒径为100-500目，加入量是混合物质量的4%;

3）将上述颗粒混合物均匀装入蜂窝状陶瓷预制体模具，紧实后将陶瓷预制体加热烘干并脱模具，将脱模后的预制体整体再放入干燥箱中干燥；

4）将烘干的陶瓷预制体固定在叶轮铸型型腔中叶片表面后合箱；

5）熔炼高铬铸铁耐磨合金材料形成金属液，浇铸前对金属液进行成份检验；

6）采用重力浇注高铬铸铁金属液，浇注温度为1450℃~1480℃,高铬铸铁金属液铸渗进入预制体获得陶瓷颗粒局部增强高铬铸铁复合叶轮。

7）将上步成型的陶瓷颗粒局部增强复合叶轮进行硬化热处理，加热至1000℃,保温2小时后空冷，待叶轮冷却至300℃以下回火，回火温度为260℃，保温3小时。

实施例四

本实施例中，陶瓷颗粒定型工艺和高铬铸铁金属液浇注工艺具体包括如下操作流程：

1）将粒径为6-18目的碳化硅陶瓷颗粒进行表面镀钛预合金化处理；

2）将预处理后的陶瓷颗粒与硅酸钠粘结剂按一定比例均匀混合，其中粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的8%，将上述混合物中加入一定比例铁合金粉末并混合均匀，得颗粒混合物，其中，铝粉粉末的粒径为100-500目，加入量是混合物质量的4%;

3）将上述颗粒混合物均匀装入蜂窝状陶瓷预制体模具，紧实后将陶瓷预制体加热至60℃烘干并脱模具，将脱模后的预制体整体再放入干燥箱中180℃干燥24小时；

4）将烘干的陶瓷预制体固定在叶轮铸型型腔中叶片表面后合箱；

5）熔炼高铬铸铁耐磨合金材料形成金属液，浇铸前对金属液进行成份检验；

6）采用重力浇注高铬铸铁金属液，浇注温度为1460℃,高铬铸铁金属液铸渗进入预制体获得陶瓷颗粒局部增强高铬铸铁复合叶轮。

7）将上步成型的陶瓷颗粒局部增强复合叶轮进行硬化热处理，加热至1000℃,保温2小时后空冷，待叶轮冷却至300℃以下回火，回火温度为260℃，保温3小时。

实施例五

本实施例中，陶瓷颗粒定型工艺和高铬铸铁金属液浇注工艺具体包括如下操作流程：

1）将粒径为6-18目的Al

2）将预处理后的陶瓷颗粒与硅酸钾粘结剂按一定比例均匀混合，其中粘结剂的加入量是陶瓷颗粒质量的8%，将上述混合物中加入一定比例铁合金粉末并混合均匀，得颗粒混合物，其中，铜粉末的粒径为100-500目，加入量是混合物质量的4%;

3）将上述颗粒混合物均匀装入网格状陶瓷预制体模具，紧实后将陶瓷预制体加热至60℃烘干并脱模具，将脱模后的预制体整体再放入干燥箱中180℃干燥24小时；

4）将烘干的陶瓷预制体固定在叶轮铸型型腔中叶片表面后合箱；

5）熔炼高铬铸铁耐磨合金材料形成金属液，浇铸前对金属液进行成份检验；

6）采用重力浇注高铬铸铁金属液，浇注温度为1460℃,高铬铸铁金属液铸渗进入预制体获得陶瓷颗粒局部增强高铬铸铁复合叶轮。

7）将上步成型的陶瓷颗粒局部增强复合叶轮进行硬化热处理，加热至1000℃,保温2小时后空冷，待叶轮冷却至300℃以下回火，回火温度为260℃，保温3小时。

经测试本实施例的金属陶瓷复合叶轮的高铬铸铁基体硬度为58~63HRC,冲击强度为6.1J/cm²，本实施例的金属陶瓷复合叶轮寿命是现有高铬铸铁叶轮的2倍。

需要说明的是，该高铬铸铁材料添加了陶瓷颗粒作为增强相，叶轮工作面由高铬铸铁和陶瓷复合材料交错构成，呈蜂窝或网格状，形成阴影效应，具有双重耐磨性能，可有效提升高铬铸铁基体磨损特性，陶瓷高铬铸铁复合材料耐磨寿命是普通高铬铸铁的2倍以上，叶轮寿命有效提升至2倍以上。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。