CN101912957A - 网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法 - Google Patents

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李林
王倩
王娟
乔冠军
郑开宏
卢天健
戚文军
顾珩
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Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
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Abstract

本发明公开了一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法。该复合材料包括陶瓷支架、金属基体，所述陶瓷支架包括单层、双层和多层结构，所述金属基体与陶瓷支架通过铸造工艺浇注为一体。其制备方法为：先制备SiC陶瓷支架；然后设计铸型，固定陶瓷支架，浇注金属熔体。本发明可克服陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷单元的不均匀性、制备工艺的复杂性以及服役过程中陶瓷单元的易脱落等问题，实现了陶瓷与金属之间的强冶金结合，制备的复合材料具有制造成本低、使用寿命长、可靠性好等优点，特别适用于摩擦、磨损等各种耐磨领域。

Description

网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及陶瓷增强金属基复合材料及制备方法，特别涉及一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法。
背景技术
关于金属基耐磨复合材料主要有制造成本、使用寿命等方面的考虑。陶瓷增强金属基复合材料中的陶瓷单元主要包括陶瓷颗粒、陶瓷纤维、多孔或网络陶瓷预制体等，对应的金属基复合材料分别称之为陶瓷颗粒增强金属基复合材料、陶瓷纤维增强金属基复合材料和多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料。针对陶瓷颗粒或纤维增强金属基复合材料的制备，为了提高陶瓷单元在复合材料的均匀性，其制备工艺更为复杂，制造成本也会显著增加，特别是在服役过程中陶瓷颗粒经常会出现易脱落的问题，从而大大降低使用寿命。而对于普通的多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料，由于多孔陶瓷预制体的制备主要采用有机泡沫浸渍工艺、发泡法、添加造孔剂工艺、和溶胶-凝胶工艺、自蔓延高温合成方法等，要么存在制备工艺成本高、工艺条件难控制，要么制备的陶瓷力学性能不高，从而也会导致制备的复合材料制备成本高或出现使用寿命不长等情况。
发明内容
本发明基于陶瓷-金属复合材料在制备成本、使用寿命等方面的性能考虑，另辟蹊径，其目的在于提供一种网络互穿型陶瓷-金属基复合材料及其制备方法，该材料可克服陶瓷增强金属基复合材料中陶瓷单元的不均匀性、制备工艺的复杂性以及服役过程中陶瓷单元的易脱落等问题，实现了陶瓷与金属之间的强冶金结合，所制备的复合材料具有成本低、使用寿命长、可靠性好等优点，特别适用于摩擦、磨损等各种耐磨领域。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料，其特征在于，包括金属基体，以及由横向筋和纵向筋构成的陶瓷支架，所述金属基体用铸造工艺包裹在陶瓷支架的横向筋和纵向筋周围，与陶瓷支架联结为一体。
上述方案中，所述陶瓷支架的材质为碳化硅陶瓷。所述金属基体的材质为铸钢或铸铁。所述陶瓷支架包含有单层、双层或三层以上横向筋。
前述网络互穿型陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)陶瓷支架的制备：先制备多孔碳支架，然后通过渗硅处理制备包括横向筋和纵向筋的SiC陶瓷支架；
(2)陶瓷-金属复合材料的制备：先根据陶瓷支架和复合材料的外形尺寸进行铸型设计，再将陶瓷支架固定于铸型内，然后将完全熔化的铸钢或铸铁熔体浇注于铸型内，最后冷却，脱模，取出。
本发明的陶瓷-金属复合材料与现有技术相比，其优点在于：
(1)工艺简单，制造成本低。采用三维SiC陶瓷支架的金属铸造复合技术，制备具有网络互穿型陶瓷-金属复合材料，与陶瓷颗粒或纤维增强金属基材料相比，可以简单地解决其陶瓷单元不均匀的难题，且制造成本低。
(2)可靠性好，使用寿命长。同样地，与陶瓷颗粒或纤维增强金属基复合材料相比，采用本发明技术制备陶瓷-金属复合材料中的陶瓷单元(陶瓷支架)在服役过程中不易脱落，可靠性更好；与普通多孔陶瓷或网络结构陶瓷增强金属基复合材料相比，采用本发明技术制备陶瓷-金属复合材料中的陶瓷单元(陶瓷支架)比普通多孔陶瓷或网络结构陶瓷具有明显力学性能高的优点，从而有利于提高使用寿命。
附图说明
图1为用于本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料的单层陶瓷支架的结构示意图，其中图1(a)和图1(b)为横向筋分别在纵向筋中间和一端的陶瓷支架。
图2为用于本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料的双层陶瓷支架的结构示意图。
图3为用于本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料的多层(包括三层或三层以上)陶瓷支架的结构示意图。
图4为用于本发明的单层陶瓷支架增强金属复合材料的结构示意图，其中：图4(a)单层陶瓷支架增强金属复合材料的主视示意图，图4(b)为图4(a)的A-A剖视示意图；
图5为用于本发明的双层陶瓷支架增强金属复合材料的结构示意图，其中：图5(a)双层陶瓷支架增强金属复合材料的主视示意图，图5(b)为图5(a)的B-B剖视示意图；
图6为用于本发明的多层(包括三层或三层以上)陶瓷支架增强金属复合材料的结构示意图，其中：图6(a)多层(包括三层或三层以上)陶瓷支架增强金属复合材料的主视示意图，图6(b)为图6(a)的C-C剖视示意图。
图1至图6中：1、陶瓷筋；2、金属基体；3、陶瓷支架。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
参照图1、图2和图3，为用于本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料的陶瓷支架3，其陶瓷筋1直径5～10mm(包括横向筋和纵向筋)，相邻陶瓷筋间距为15～40mm，纵向筋高度为40～60mm。
参照图4、图5和图6，本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料，包括金属基体2、陶瓷支架3，金属基体2与陶瓷支架3通过铸造工艺浇注为一体。陶瓷支架3的材质为碳化硅陶瓷。金属基体2的材质为铸钢或铸铁。陶瓷支架3包括单层、双层和或三层以上横向筋的支架结构。
本发明的网络互穿型陶瓷-金属复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备陶瓷支架；先制备多孔碳支架，然后通过渗硅处理制备SiC包括横向筋和纵向筋的陶瓷支架；
(2)陶瓷-金属复合材料的制备：先根据陶瓷支架和复合材料的外形尺寸进行铸型设计，再将陶瓷支架固定于铸型内，然后将完全熔化的铸钢或铸铁熔体浇注于铸型内，最后待冷却，脱模，取出。
实施例1
一、制备单层SiC陶瓷支架。
(1)采用熔模成型方法制备单层多孔碳支架：先将称量好的乙二醇、苯磺酰氯、可溶性淀粉和沸水依次加入酚醛树脂(其中乙二醇与淀粉和酚醛树脂的质量比为50∶10∶40，添加8wt％的苯磺酰氯和10wt.％的沸水)，同时不停地机械搅拌50分钟，得到均匀混合物。将该均匀混合物注入预先设计及加工好的石蜡阴模(石蜡阴模横向只有单层横向孔)中，并置于空气炉内缓慢升温至50℃预固化和180℃深固化，此时，石蜡已被熔化去除。最后将固化的单层树脂基支架经800℃保温60min碳化制得单层多孔碳支架。
(2)制备SiC陶瓷支架：将上述步骤制备好的单层多孔碳支架，置于真空炉内，并用工业纯硅粉覆盖，缓慢加热至1600℃烧结60min，即制备具有单层结构的SiC陶瓷支架(图1)，其中陶瓷筋直径约为10mm，相邻筋间距约为30mm，纵向筋高度为40mm。
二、采用砂型铸造工艺，制备SiC陶瓷-钢基复合材料
采用Mo丝将上述制备的1个或多个单层SiC陶瓷支架固定于预先设计砂型型腔内，再将用中频感应电炉加热至熔化的高锰钢(ZGMn13Cr2)钢液浇入(浇注温度约1420℃)砂型内，待铸型冷却，打箱清理后取出即制得陶瓷-金属基复合材料试样。
实施例2
一、制备双层SiC陶瓷支架。
(1)制备双层多孔碳支架：与实施例1中步骤(1)中成型工艺基本相同，差别在于石蜡阴模的不同，要求：石蜡阴模横向具有两层横向孔，制备出来的多孔碳支架具有双层结构。
(2)制备SiC陶瓷支架：将上述步骤制备好的双层多孔碳支架，置于真空炉内，并用工业纯硅粉覆盖，缓慢加热至1600℃烧结30min，即制备具有双层结构的SiC陶瓷支架(图2)，其中陶瓷筋直径约为8mm，相邻筋间距为20mm，纵向筋高度为50mm。
二、采用普通砂型铸造或负压铸造工艺，制备SiC陶瓷-铁基复合材料
采用Mo丝将上述制备的1个或多个双层SiC陶瓷支架固定于预先设计的砂型型腔内，再将加热至出炉温度的高铬白口铸铁(3Cr14Mn4B)浇入(浇注温度约1400℃)砂型内，待铸型冷却，清理脱模，取出即可。
实施例3
一、制备多层SiC陶瓷支架。
(1)制备多层多孔碳支架：与实施例1中步骤(1)中成型工艺基本相同，差别在于石蜡阴模的不同，要求：石蜡阴模横向具有多层横向孔，制备出来的多孔碳支架具有多层结构。
(2)制备SiC陶瓷支架：将上述步骤制备好的多层多孔碳支架，置于真空炉内，并用工业纯硅粉覆盖，缓慢加热至1550℃烧结30min，即制备具有多层结构的SiC陶瓷支架(图3)，其中陶瓷筋直径约为5mm，相邻筋间距为15mm，纵向筋高度为60mm。
二、采用砂型铸造工艺，制备SiC陶瓷-钢基复合材料
采用Mo丝将上述制备的1个或多个多层SiC陶瓷支架固定于预先设计及加工的砂型内，再将加热至出炉温度的高锰钢(ZGMn18Cr2)浇入(浇注温度约1400℃)砂型内，待砂型冷却，清理干净即制取陶瓷-金属基复合材料试样。
尽管以上实施例对本发明的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施例，上述的具体实施例仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，其采用的金属材料还可以为其他的铸钢、铸铁或可铸合金材料等；其采用的金属铸造方法还包括其它的特种铸造方法，如熔模铸造、离心铸造、消失模铸造等；其陶瓷支架的横向或纵向筋还可以是其他直径、间距和高度大小等。

Claims (5)

1.一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料，其特征在于，包括金属基体，以及由横向筋和纵向筋构成的陶瓷支架，所述金属基体用铸造工艺包裹在陶瓷支架的横向筋和纵向筋周围，与陶瓷支架联结为一体。
2.根据权利要求1所述的网络互穿型陶瓷-金属复合材料，其特征在于，所述陶瓷支架的材质为碳化硅。
3.根据权利要求1所述的网络互穿型陶瓷-金属复合材料，其特征在于，所述金属基体的材质为铸钢或铸铁。
4.根据权利要求1所述的网络互穿型陶瓷-金属复合材料，其特征在于，所述陶瓷支架包含有单层、双层或三层以上横向筋。
5.一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)陶瓷支架的制备：先制备多孔碳支架，然后通过渗硅处理制得包括横向筋和纵向筋的SiC陶瓷支架；
(2)陶瓷-金属复合材料的制备：先根据SiC陶瓷支架和复合材料的外形尺寸进行铸型设计，再将SiC陶瓷支架固定于铸型内，然后将完全熔化的铸钢或铸铁熔体浇注于铸型内，最后冷却，脱模，取出。
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