CN103302268A

CN103302268A - 一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法

Info

Publication number: CN103302268A
Application number: CN2013102632764A
Authority: CN
Inventors: 牟元全; 方文; 李忠亮
Original assignee: CHONGQING LUOMAN WEAR-RESISTANT MATERIALS Co Ltd
Current assignee: CHONGQING LUOMAN WEAR-RESISTANT MATERIALS Co Ltd
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明公开了一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10μm-200μm；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。本发明制作比较简单，特别适合大件板块件的生产。成品率高，性能稳定，基体与预制体的结合能形成良好的冶金结合。能够广泛应用于水泥、火电、冶金、矿山的耐磨领域。适用于大批量生产。

Description

一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨复合材料技术领域，特别是一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法。

背景技术

磨损是预制件产生失效的一种最基本的类型，目前普遍存在于冶金，矿山、火电、机械、水泥、煤矿等许多行业。这造成了原材料的极大浪费和能源的巨大的消耗，据不完全统计，我国每年消耗金属耐磨材料高达500万吨以上。可见提高机械设备及零部件的耐磨性能，可以有效减少能源的消耗，也可以提高劳动生产率。

针对上述情况，有人提出将金属和陶瓷制成复合材料，陶瓷金属复合材料是将陶瓷的高耐磨、高硬度性能和金属材料的韧性结合起来的一种新型复合材料。现在我国使用的金属陶瓷复合材料，主要通过国外进口，我国生产的金属陶瓷复合材料，其性能在现阶段与进口产品相比，还有一定的差距。不论国内还是国外的金属陶瓷复合材料，其主要工艺原理是依靠陶瓷颗粒增强金属材料的方法制造。

目前，研究最多的是以氧化铝，碳化硅，碳化钨陶瓷颗粒为骨料，合金粉末或基体金属粉末为填充剂，选择合适的粘结剂，压制成型，制成预制块，烘干。在真空烧结炉内熔化合金粉末、基体金属粉末，把陶瓷颗粒粘接成多孔的陶瓷预制体。然后再浇铸基体金属液。在浇铸基体金属液时，合金粉末熔化，金属液填充至该合金粉末的孔隙中，这样的预制体是靠粘接剂粘接成型易脆裂、易剥落。孔隙均匀性差，在浇铸基体金属液时，基体金属液渗透不透彻，不均匀，陶瓷颗粒和基体金属液的粘接性较差，从而导致耐磨性能较差，抗冲击性能差。其次，合金粉末价格昂贵，导致制造成本高。

为了改善陶瓷颗粒与基体金属的粘接性，人们想到了在陶瓷颗粒上镀镍(CN101748348A)，然后再烧结的方法，这样的方法镍在高温烧结时易氧化，也使得陶瓷颗粒与金属粘接性变差。不能从根本上解决陶瓷颗粒与基体金属的粘接性问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，使得陶瓷粉末与基体金属液粘接性好，制造成本低。

本发明目的是这样实现的：一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10um-200um；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。

采用上述技术方案，先将陶瓷粉末烧结成带孔隙的陶瓷预制体，这样的预制体是一个完整的陶瓷烧结体，它的抗冲击性能高，孔隙率均匀，基体金属液分布更均匀，基体金属液渗入得更好，浇铸得到的复合耐磨件的强度和耐磨性更高。制得的金属陶瓷复合材料在使用时陶瓷骨料不易剥落。其次，在烧结好的预制体上镀镍，避免了现在的在陶瓷颗粒上镀镍，然后在高温烧结下镍被氧化，从而影响基体金属液与陶瓷颗粒的粘接性的问题，使得粘接性能更好。金属镍层与陶瓷颗粒之间形成冶金结合，减少对陶瓷材料本身的热冲击，预防炸裂的现象。制得的金属陶瓷复合耐磨材料的陶瓷骨架和基体金属液之间相互形成连续的空间网状结构，因此，其耐磨性具有一定的优越性，所制得的耐磨材料的耐磨性为纯的高铬铸铁的6倍以上。

在上述技术方案中：在负压浇注基体金属液之前，先对陶瓷预制件进行预热，预热温度为500-1000℃。先经过预热，可以进一步避免在浇筑基体金属液时对陶瓷材料本身的热冲击，从而导致陶瓷预制件炸裂的现象的出现。

作为优选：所述陶瓷粉末为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷粉末中的至少一种，它们的粒径均选择为50-300目。

作为优选：所述基体金属液为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、低镍铬合金铸铁、灰口铸铁中的一种。

作为优选：所述带孔隙的陶瓷预制件为多孔陶瓷预制件或者网格状陶瓷预制件。

在上述方案中，所述带孔隙的预制件的制备：将陶瓷粉末、分散剂在陶瓷球磨机混合均匀，然后通过浇注成型、烘干、再烧结，随炉冷却得到带孔隙的陶瓷预制件。所述分散剂的量为陶瓷粉末质量的0.5％-1.0％，浆料固含量60％-65％。

在上述方案中：所述带孔隙的陶瓷预制件的制备：在陶瓷粉末中加入粘接剂、增塑剂，混合均匀，压制成型、烘干，然后烧结得到带孔隙的陶瓷预制体。所述陶瓷粉末中还可添加辅助增塑剂甘油。

有益效果：本发明制作比较简单，特别适合大件板块件的生产。成品率高，性能稳定，基体与预制体的结合能形成良好的冶金结合。能够广泛应用于水泥、火电、冶金、矿山等耐磨领域。适用于大批量生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：

实施例一

多孔陶瓷预制件的制备：

将粒度为50-260目的氧化锆陶瓷粉末、分散剂羧甲基纤维素钠在陶瓷球磨机中混合均匀，其中羧甲基纤维素钠的加入量占陶瓷颗粒质量为分数的0.5％。浆料固含量65％，然后通过浇注成型、烘干，再烧结、随炉冷却得到多孔陶瓷预制件。

陶瓷预制件表面镀镍：

将上述多孔的陶瓷预制件按以下步骤进行表面处理：

1、除油：经无水酒精溶液浸泡10-35min后，在超声波作用下用去离子水洗干净后，使预制件表面完全除油，再自然晾干。

2、粗化：在超声波作用下，常温下用氢氟酸浸泡、使预制件表面粗化。

3、敏化：在超声波下用含有二水氯化亚锡何盐酸的敏化溶液常温浸泡4-6min。

4、活化：在超声波下，采用含氯化钯和盐酸的溶液对预制件表面进行活化。

5、还原：在超声波下，采用次磷酸钠溶液还原预制件表面残留的Pd²⁺，常温浸泡3-5分钟，然后用去离子水清洗，自然晾干。

将经过表面处理的预制件放入镀镍液中，不断搅拌下，用醋酸/醋酸钠缓冲液调整pH值为4.0-5.0，温度80-90℃，施镀1-1.5h，镀镍液的组分可以是硫酸镍20-30g/L，次磷酸钠20-30g/L，乳酸7-9mL/L，钼酸铵10-35mgL。

施镀厚度在200um。

浇铸基体金属液：

根据普通的铸造方法制作铸型，将上述镀镍的陶瓷预制体在耐磨件需要增强的位置用钉子固定在铸型中，浇注高铬铸铁基体金属液，经过冷却、保温、落砂、清理、再经淬火、回火，得到产品，其耐磨性为纯高铬铸铁的6倍，抗冲击性明显比现有技术中在陶瓷颗粒上镀镍，然后再烧结制成预制体，最后浇铸基体金属液制备的耐磨件抗冲击性高。陶瓷金属复合材料的硬度可达到HRC55-75。

实施例二

网格状陶瓷预制件的制备：

将粒度为200～300目的氧化铝陶瓷粉末、200-300目的氧化锆陶瓷粉末、粘接剂木质素磺酸钠、增塑剂邻苯二甲酸二丁酯和辅助甘油混合均匀。所述氧化铝陶瓷粉末与氧化锆陶瓷粉末的质量比为1∶1，其中磺酸钠的加入量占陶瓷粉末总质量的1.5％。增塑剂邻苯二甲酸二丁酯占陶瓷粉末总质量的0.5％。辅助甘油占陶瓷粉末总质量的0.5％。然后通过压制成网格状的陶瓷坯体、烘干。再烧结、随炉冷却得到网格状陶瓷预制件。

网格状陶瓷预制件表面镀镍：

将上述网格状陶瓷预制件按以下步骤进行表面处理：

将经过表面处理的预制件放入镀镍液中，不断搅拌下，用醋酸/醋酸钠缓冲液调整pH值为4.0-5.0，温度80-90℃，施镀1-1.5h，镀镍液的组分可以是硫酸镍20-30g/L，次磷酸钠20-30g/L，乳酸7-9mL/L，钼酸铵10-35mg L。

施镀厚度在50um。

浇铸基体金属液：

根据普通的铸造方法制作铸型，将上述镀镍的预制件根据耐磨件需要增强的位置用钉子固定在铸型中，然后在500℃下对陶瓷预制体进行预热处理，预热的时间为1h，最后浇注灰口铸铁基体金属液，经过冷却、保温、落砂、清理、再经淬火、回火，得到产品，其耐磨性为纯高铬铸铁的6.2倍。抗冲击性明显比现有技术中在陶瓷颗粒上镀镍，然后再烧结制成预制体，最后浇铸基体金属液制备的耐磨件抗冲击性高。陶瓷金属复合材料的硬度可达到HRC55-75。

实施例三

多孔陶瓷预制件的制备：

将粒度为200～300目的氧化铝陶瓷粉末、分散剂羧甲基纤维素钠在陶瓷球磨机混合均匀，其中羧甲基纤维素钠的加入量占陶瓷颗粒质量为分数的1.0％。浆料固含量60％，然后通过浇注成型、烘干。再行烧结、随炉冷却得到多孔不规则的陶瓷预制件。

多孔陶瓷预制件表面镀镍：

将上述多孔不规则陶瓷预制件按以下步骤进行表面处理：

施镀厚度在100um。

浇铸基体金属液：

根据普通的铸造方法制作铸型，将上述镀镍的预制件根据耐磨件需要增强的位置用钉子固定在铸型中，浇注Mn13金属液，经过冷却、保温、落砂、清理、再经淬火、回火，得到产品，其耐磨性为纯高铬铸铁的6.1`倍。抗冲击性明显比现有技术中在陶瓷颗粒上镀镍，然后再烧结制成预制体，最后浇铸基体金属液制备的耐磨件抗冲击性高。陶瓷金属复合材料的硬度可达到HRC55-75。

实施例四

网格状陶瓷预制件的制备：

将粒度为200～300目的碳化钛陶瓷粉末、粘接剂木质素磺酸钠、增塑剂邻苯二甲酸二丁酯混合均匀。其中磺酸钠的加入量占陶瓷粉末质量的0.5％。增塑剂邻苯二甲酸二丁酯占陶瓷粉末质量的0.4％。然后通过压制成型、烘干。再烧结、随炉冷却得到网格状陶瓷预制件。

网格状陶瓷预制件表面镀镍：

将上述网格陶瓷预制件按以下步骤进行表面处理：

施镀厚度在10um。

浇铸基体金属液：

根据普通的铸造方法制作铸型，将上述镀镍的预制件根据耐磨件需要增强的位置用钉子固定在铸型中，然后将预制件在1000℃下预热1h，最后浇注低镍铬合金铸铁金属液，经过冷却、保温、落砂、清理、再经淬火、回火，得到产品，其耐磨性为纯高铬铸铁的6.1`倍。抗冲击性明显比现有技术中在陶瓷颗粒上镀镍，然后再烧结制成预制体，最后浇铸基体金属液制备的耐磨件抗冲击性高。陶瓷金属复合材料的硬度可达到HRC55-75。

本发明不局限于具体实施例，实施例仅是对本发明的进一步的说明，所述陶瓷粉末还可以为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷粉末中的至少一种，它们的粒径均选择为50-300目。所述基体金属液可以为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、低镍铬合金铸铁、灰口铸铁中的一种。总之凡是在本发明宗旨上所做的任何改进均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10um-200um；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。

2.根据权利要求1所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：在负压浇注基体金属液之前，先对陶瓷预制件进行预热，预热温度为500-1000℃。

3.根据权利要求1或2所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷粉末中的至少一种，它们的粒径均选择为50-300目。

4.根据权利要求1或2所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述基体金属液为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、低镍铬合金铸铁、灰口铸铁中的一种。

5.根据权利要求1或2所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述带孔隙的陶瓷预制件为多孔陶瓷预制件或者网格状陶瓷预制件。

6.根据权利要求5所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述带孔隙的预制件的制备：将陶瓷粉末、分散剂在陶瓷球磨机混合均匀，然后通过浇注成型、烘干、再烧结，随炉冷却得到带孔隙的陶瓷预制件。

7.根据权利要求6所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂的量为陶瓷粉末质量的0.5％-1.0％，浆料固含量60％-65％。

8.根据权利要求5所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述带孔隙的陶瓷预制件的制备：在陶瓷粉末中加入粘接剂、增塑剂，混合均匀，压制成型、烘干，然后烧结得到带孔隙的陶瓷预制体。

9.根据权利要求8所述陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末中还添加有辅助增塑剂甘油。