CN101269411A - 多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多孔陶瓷/金属基复合材料制备技术领域，特别公开了一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法。具体是利用真空负压铸渗工艺制备多孔陶瓷/钢铁基复合材料，首先，制作多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型，在其表面涂刷真空负压铸造用涂料；其次，将多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型置入真空负压铸造砂箱内，周边填入干石英砂，进行微振动，使干石英砂与模型之间紧实接触；再次，使砂箱处于密封状态，抽真空、浇铸、保持真空负压；最后，冷却、打箱、清理，即得到多孔陶瓷/钢铁基复合材料。
Description
技术领域
本发明属于多孔陶瓷/金属基复合材料制备技术领域，特别涉及一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法。
背景技术
多孔陶瓷/金属基复合材料是耐磨、耐热、耐蚀工况中应用前景巨大的新型材料。目前，多孔陶瓷/金属基的复合制备工艺有两种：无压浸渗和压力(正压力)浸渗。无压浸渗的复合材料由于没有压力，材料的密度在一定程度上不是很理想，浸渗时间太长，陶瓷和金属界面容易析出新相，有些新相的产生对复合材料有害，如SiC和Al的界面产物AlC，就对复合材料不利；压力浸渗的优点是克服了多数预制体与金属体不浸润所造成的困难，保证了金属和预制体之间良好的连接，并消除了气孔、缩孔等铸造缺陷，既可以制造整体复合制件，也可以制造局部增强复合材料，但只能用于低熔点(700℃～800℃)的有色金属复合材料的制备；多孔陶瓷/钢铁基复合材料具有更广阔的应用前景，但钢、铁材料的熔点高(1500℃～1600℃)，因此，多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备采取正压力浸渗复合工艺时，因对设备(压头和容器)的要求较高(耐高温性能)，不能满足其复合技术要求，是该类复合材料制备的瓶颈，目前还没有类似的研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法，能够解决现有技术中，采取正压力浸渗复合工艺时，对压头和容器的耐高温性能要求较高的缺陷。
本发明另辟蹊径，利用真空负压铸渗工艺制备多孔陶瓷/钢铁基复合材料，具体技术方案包括以下步骤：
步骤一：根据所需多孔陶瓷/钢铁基复合材料造型，准备多孔陶瓷，制作相应的聚苯乙烯模型，所述聚苯乙烯模型包括浇冒装置，粘接多孔陶瓷和聚苯乙烯模型组成多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型，在其表面涂刷真空负压铸造用涂料；
步骤二：将多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型置入真空负压铸造砂箱内，周边填入干石英砂，然后将真空负压铸造砂箱置于振动台上进行微振动，使干石英砂与上述多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型之间紧实接触；
步骤三：熔炼合金钢或合金铁金属液至出炉温度；所述金属液出炉前，用塑料薄膜覆盖真空负压铸造砂箱表面，并用软泥封盖住塑料薄膜与砂箱边缘接触的部位，使砂箱处于密封状态，开始抽真空，真空负压为0.03～0.05MPa；然后用上述金属液进行浇铸，浇注后保持真空负压时间为5～20分钟；最后，冷却、打箱、清理，即得到多孔陶瓷/钢铁基复合材料。
所述真空负压铸造用涂料是质量百分比为：15％氧化铝粉、65％水、10％粘土、10％聚乙烯醇的混合液。
所述涂刷真空负压铸造用涂料为3～4次，且每涂刷涂料一次即烘干一次，涂料厚度为0.8～1.0mm。
由于本发明采用真空负压铸渗工艺制备多孔陶瓷/钢铁基复合材料，不仅具有上述正压力浸渗复合工艺的优点(无气孔、缩孔等铸造缺陷)，而且可以进行多孔陶瓷和高熔点(1500℃～1600℃)的钢、铁材料的复合，设备耐热性能要求不高；此外，由于材料失效总是从表层开始，制备表层具有一定厚度的复合材料既保证了整体材料的力学性能，又有利于复合铸渗，同时与钢铁复合时也解决了工程结构安装(如焊接等)问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
图1是多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型示意图；
图2是实施例1中多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型图；
图3是实施例2中多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型图；
其中：1.浇冒装置；2.聚苯乙烯模型；3.多孔陶瓷；4.真空负压阀门；5.负压铸造砂箱。
具体实施方式
参照图1，多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法采用真空负压铸渗技术，具体实施方式如下：
步骤一，根据所需多孔陶瓷/钢铁基复合材料造型，准备多孔陶瓷，制作相应的聚苯乙烯模型，所述聚苯乙烯模型包括浇冒装置，粘接多孔陶瓷和聚苯乙烯模型组成多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型，在其表面涂刷真空负压铸造用涂料。
具体为：聚苯乙烯模型即EPS模型，为长方体，含浇冒装置，浇冒装置也由聚苯乙烯材料制成，用胶带将多孔陶瓷粘接于EPS模型中间位置组成多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型，在模型所有表面涂刷真空负压铸造用涂料，涂料的主要成分(质量百分比)为：15％氧化铝粉、60％水、10％粘土、10％聚乙烯醇的混合液。涂料涂刷3～4次，且每涂刷涂料一次即烘干一次，保证涂料厚度为0.8～1.0mm。真空负压铸造用涂料制备方法为：15％氧化铝粉、65％水、10％粘土混合、搅拌30分钟后，加入10％聚乙烯醇再搅拌15分钟，静置并阴凉处存放，使用前先搅拌均匀。该涂料的作用和功能为：(1)防止铸件粘砂；(2)提高铸件表面光洁度；(3)加固砂型表面，防治冲砂；(4)保护并控制铸件的凝固过程。
步骤二：将多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型装在真空负压铸造砂箱内，周边填入干石英砂，干石英砂粒度为30～70目；然后将真空负压铸造砂箱置于振动台上进行微振动，使干石英砂与上述多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型之间紧实接触。
步骤三：熔炼合金钢金属液至出炉温度(1500℃～1600℃)。合金钢成分(质量百分数)为C：0.1～4.0％；Si：0.1～3.0％；Mn：0.1～20.0％；Cr：0.1～30.0％；Mo：0.1～3.0％；V：0.1～1.0％。
高温金属液出炉前30～45分钟，用塑料薄膜盖住装有模型的砂箱表面，并用软泥封盖住塑料薄膜与砂箱边缘接触的部位，以便使砂箱处于密封状态；开始浇注金属液前5～10分钟，启动真空负压系统，抽真空并保证铸型强度。根据砂箱或铸件大小决定负压真空度，具体为：砂箱体积1M3，真空真空负压值为0.03MPa；砂箱体积2M3，真空负压值为0.035MPa；砂箱体积3M3，真空负压值为0.04MPa；依此类推。如图1中铸件确定的真空负压值为0.03～0.05MPa。
上述工作准备好后，开始浇注高温金属液，浇注速度按照“开始慢-中间快-最后慢”的原则进行，最后还要对液态收缩后的冒口进行补浇金属液，以确保铸件凝固后无缩孔、缩松等缺陷；浇注结束后要求保持真空负压时间为5～20分钟。按照铸件壁厚确定保持真空负压时间，壁厚0.5～10mm时保持真空负压时间为5分钟；壁厚11～20mm时保持真空负压时间为10分钟；壁厚21～30mm时保持真空负压时间为15分钟；壁厚大于20mm时保持真空负压时间为15～20分钟。按照铸件壁估计冷却时间，一般为2小时，最后，打箱、清理，得到长方体形多孔陶瓷/钢铁基复合材料。
通过上述制备方法的得到的多孔陶瓷/钢铁基复合材料，性能优良。多孔陶瓷为网状开孔型，各孔间相互连通，高熔点金属液浇入模型时，首先是聚苯乙烯(EPS)材料气化并由真空负压系统排出，其次是金属液通过多孔陶瓷过程中，由于真空负压的吸力致使金属液渗入并贯穿整体多孔陶瓷，最后冷却凝固后安放多孔陶瓷的部位形成多孔陶瓷/钢铁基复合材料；一般无压铸渗或压力铸渗是在金属容器中利用压头压力将金属液渗入多孔陶瓷内，而一般金属容器和压头在保温和压力铸渗时难以与高熔点金属接触(金属容器和压头易被熔化和强度下降)，制备陶瓷/金属基复合材料有明显的局限性。在本发明制备方法中，由于复合材料制备是置于具有真空负压系统的干砂箱中，因此具有先进性和独创性。这种工艺可以制备不同部位、不同厚度的多孔陶瓷/金属基复合材料(如图1中模型中间某一部位，或底面或侧面)，而一般无压铸渗或压力铸渗只能制备整体多孔陶瓷/金属基复合材料，无法满足局部或表层复合材料制备的要求，具有明显的局限性；而且，本发明制备的多孔陶瓷/金属基复合材料，因铸件凝固快致使晶粒细化，组织致密，材料性能提高，同时模型表面涂料可保证铸件表面质量(无气孔夹杂、光洁度好等)。
实施例1：多孔SiC陶瓷/灰铁基复合材料(底面)的制备(参照图2)
(1)首先将50×40×10mm的多孔SiC陶瓷粘接在50×40×100mm尺寸的EPS(聚苯乙烯)模具的底部，周边用胶带粘接，同时粘接浇注装置；
(2)将(1)中制作的模型所有表面涂刷真空负压铸造用涂料3～4次，保证涂料厚度为0.8～1.0mm，且每涂刷涂料一次即烘干一次；
(3)将(2)工作中制作好的多孔陶瓷-EPS(聚苯乙烯)模型及其浇冒装置整体置于真空负压铸造砂箱中，填入干石英砂(粒度为30～70目)，并将砂箱置于振动台上进行微振动，目的是使干石英砂与整体模型之间紧实接触；
(4)用塑料薄膜盖住(3)中的砂箱表面，并用软泥封盖住塑料薄膜与砂箱边缘接触的部位，以便使砂箱内处于密封状态；
(5)采用电炉熔炼灰铸铁金属材料形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃～1550℃，浇注温度为1380℃～1400℃；
(6)开始浇注金属液前5～10分钟，启动真空负压系统，抽真空并保证铸型强度，真空负压值为0.03～0.04MPa；
(7)浇注高温金属液速度按照“开始慢-中间快-最后慢”的原则进行，最后对液态收缩后的冒口进行补浇金属液，以确保铸件凝固后无缩孔、缩松等缺陷；浇注结束后要求保持真空负压时间为5～20分钟；打箱、清理时间为1.5～2小时后进行。
实施例2：多孔SiC陶瓷/高铬铸铁基复合材料(侧面)的制备(参照图3)
(1)首先将50×40×10mm的多孔SiC陶瓷粘接在50×40×100mm尺寸的EPS(聚苯乙烯)模具的底侧面，周边用胶带粘接，同时粘接浇注装置；
(2)将(1)中制作的模型所有表面涂刷专用涂料3～4次，保证涂料厚度为0.8～1.0mm，且每涂刷涂料一次即烘干一次；
(3)将(2)工作中制作好的多孔陶瓷-EPS(聚苯乙烯)模型及其浇冒装置整体置于真空负压铸造砂箱中，填入干石英砂(粒度为30～70目)，并将模型砂箱置于振动台上进行微振动，目的是使干石英砂与整体模型之间紧实接触；
(4)用塑料薄膜盖住(3)中的砂箱表面，并用软泥封盖住塑料薄膜与砂箱边缘接触的部位，以便使砂箱处于密封状态；
(5)采用电炉熔炼高铬铸铁金属材料形成金属液，金属液的出炉温度为1500℃～1550℃，浇注温度为1430℃～1450℃；
(6)开始浇注金属液前5～10分钟，启动真空负压系统，抽真空并保证铸型强度，真空负压值为0.03～0.04MPa；
(7)浇注高温金属液速度按照“开始慢-中间快-最后慢”的原则进行，最后对液态收缩后的冒口进行补浇金属液，以确保铸件凝固后无缩孔、缩松等缺陷；浇注结束后要求保持真空负压时间为5～20分钟；打箱、清理时间为1.5～2小时后进行。
Claims (3)
1、一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：根据所需多孔陶瓷/钢铁基复合材料造型，准备多孔陶瓷，制作相应的聚苯乙烯模型，所述聚苯乙烯模型包括浇冒装置，粘接多孔陶瓷和聚苯乙烯模型组成多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型，在其表面涂刷真空负压铸造用涂料；
步骤二：将多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型置入真空负压铸造砂箱内，周边填入干石英砂，然后将真空负压铸造砂箱置于振动台上进行微振动，使干石英砂与上述多孔陶瓷/钢铁基复合材料模型之间紧实接触；
步骤三：熔炼合金钢或合金铁金属液至出炉温度；所述金属液出炉前，用塑料薄膜覆盖真空负压铸造砂箱表面，并用软泥封盖住塑料薄膜与砂箱边缘接触的部位，使砂箱处于密封状态，开始抽真空，真空负压为0.03～0.05MPa；然后用上述金属液进行浇铸，浇注后保持真空负压时间为5～20分钟；最后，冷却、打箱、清理，即得到多孔陶瓷/钢铁基复合材料。
2、根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空负压铸造用涂料是质量百分比为：15％氧化铝粉、65％水、10％粘土、10％聚乙烯醇的混合液。
3、根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法，其特征在于，所述涂刷真空负压铸造用涂料为3～4次，且每涂刷涂料一次即烘干一次，涂料厚度为0.8～1.0mm。
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