CN103331429A - 陶瓷金属复合预制体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：按照如下步骤制备：(1)、在合金熔炼炉内加入铝镍合金或铝镍合金与其它低熔点合金的混合物，然后在500-750℃下熔化得到合金液；(2)、称取陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒倒入熔融的合金液中，使得合金液均匀包裹在陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒上得到混合物；(3)、在上述混合物凝固之前，在压制成型机上经压制、冷却、成形、脱模得到预制体。通过本发明技术：解决了陶瓷颗粒与金属基体的相容性问题；降低了熔炼所消耗的能源，不需要特殊的压制成型机，成型模具可以多次使用；预制体不需进行高温烧结，减少了设备投入费用，整个工艺的生产效率非常高，质量稳定。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨复合材料技术领域，特别是一种陶瓷增强金属复合预制体的制备方法。
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，陶瓷增强金属复合材料的预制体的制备方法普遍采用将陶瓷颗粒和金属粉末和粘接剂等混合，然后压制成型，然后烧结得到预制体。这样制得的陶瓷预制体，陶瓷颗粒之间通过粘接剂粘接，浇铸基体金属液时，基体金属与陶瓷颗粒之间的粘接性就差。CN101844208A公布的一种高铬合金陶瓷颗粒复合网格的制备生产工艺，是将高铬合金熔融，然后在熔融的金属液中混入陶瓷颗粒，再经砂型铸造方法制得金属陶瓷复合网格。此方法中，高铬合金熔点较高，熔炼消耗的能量多，工艺繁琐，且由于陶瓷颗粒与高铬金属粘接性不好，在浇铸到砂型中时，陶瓷颗粒易浮在金属液表面，使得陶瓷颗粒分布不均匀，没能解决陶瓷颗粒与金属基体液的相容性问题。
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能耗低、能有效解决陶瓷颗粒与基体金属液之间的粘接性问题、耐磨性好的陶瓷金属复合预制体的制备方法。
本发明目的是这样实现的：一种陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：按照如下步骤制备：
(1)、在合金熔炼炉内加入铝镍合金或铝镍合金与其它低熔点合金的混合物，然后在500-750℃下熔化得到合金液；
(2)、称取陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒倒入熔融的合金液中，使得合金液均匀包裹在陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒上得到混合物；
(3)、在上述混合物凝固之前，在压制成型机上经压制、冷却、成形、脱模得到预制体。
采用上述技术方案，采用铝镍合金及其他低熔点合金作为粘接剂，通过低熔点合金的加入使得混合合金的熔点降低，降低能耗。通过压制、金属液冷却凝固使得坯体获得很高的强度，可使预制体在浇铸基体金属液时不开裂。
其次通过铝镍合金和低熔点合金，不需镀镍就可以改善金属与陶瓷颗粒的粘结性；预制体孔隙率高，基体金属液可完全的渗入预制体中形成连续相，提高耐磨件的耐磨性能。同时，在浇铸基体金属液时，减少对陶瓷颗粒材料本身的热冲击，预防脆裂现象。在预制体中添加耐磨合金颗粒，起到填充作用。在浇铸基体金属液时，金属液与耐磨合金颗粒之间形成连续相，陶瓷颗粒分布在该基体中，提高抗冲击性。另外，压制成型的预制体不需要再经过高温烧结，减少设备投入，生产效率高，质量稳定。
所述预制体为带孔隙的预制体。
作为优选：所述铝镍合金的质量为陶瓷颗粒质量的15％-50％。
作为优选：所述其它低熔点合金为铝硅合金或铝铜合金或铝锡合金或铝铁合金或铝锰合金或铝铬合金，所述其它低熔点合金的质量为铝镍合金质量的0％-50％。
作为优选：所述耐磨合金颗粒为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、镍铬低合金铸铁、灰口铸铁中的一种，耐磨合金颗粒直径为1-4mm。
作为优选：所述耐磨合金颗粒的体积和陶瓷颗粒体积的比值0-1∶1。
作为优选：所述陶瓷颗粒的粒径为0.5-4mm。
作为优选：所述陶瓷颗粒为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm三种不同粒径陶瓷颗粒中至少两种的结合。采用至少两种不同大小粒径范围的陶瓷颗粒的级配，通过大颗粒和小颗粒混合使得陶瓷颗粒分布更均匀，致密性更好，既方便成型，又提高了预制件的抗冲击性和耐磨性。
作为优选：所述陶瓷颗粒为粒径分别为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的三种陶瓷颗粒的混合物，它们的质量比为2-3∶4-6∶2-3。
作为优选：所述陶瓷颗粒为粒径分别为1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的两种陶瓷颗粒的混合物，它们的质量比为5-7∶5-3。
在上述技术方案中：所述陶瓷颗粒为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷颗粒中的至少一种。
有益效果：通过本发明技术：第一，解决了陶瓷颗粒与金属基体的相容性问题，不需镀镍就可以改善金属与陶瓷颗粒的粘结性；其次，合金熔点低，降低了熔炼所消耗的能源，不需要特殊的压制成型机，成型模具可以多次使用，可根据不同的模具制得形状各异的预制体；再次，预制体不需进行高温烧结，减少了设备投入费用，整个工艺的生产效率非常高，质量稳定。预制体孔隙率高，金属基体液可完全的渗入预制体中形成连续相，提高耐磨件的耐磨性能。
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：
实施示例1
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量50％的铝镍合金，在680-730℃下加热熔化。
以粒径为0.5-4mm的碳化硅陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中粒度为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入质量比例为2∶6∶2，称取高锰钢金属颗粒，颗粒直径1-4mm，所述高锰钢金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为1∶1。
将陶瓷颗粒，高锰钢金属颗粒，倒入熔融的铝镍合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和高锰钢金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到带孔隙的预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注高铬铸铁基体金属液制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的6.3倍。抗冲击性也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。
实施示例2
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量15％的铝镍合金和占铝镍合金质量50％的铝铜合金，在500-600℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为1-4mm的氧化锆陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中颗度1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入质量比例为5∶5，称取占高铬铸铁金属颗粒，颗粒直径1-4mm。所述高铬铸铁金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为0.5∶1。
将陶瓷颗粒，高铬铸铁金属颗粒，倒入熔融的合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和高铬铸铁金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注高锰钢基体金属液制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的5.9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。
实施示例3
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量30％的铝镍合金和占铝镍合金质量10％的铝铁合金，在500-700℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为1-4mm的氧化铝陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中粒度1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入比例为7∶3，称灰口铸铁金属颗粒，颗粒直径1-4mm。灰口铸铁金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为1∶1。
将陶瓷颗粒，灰口铸铁金属颗粒，倒入熔融的合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和灰口铸铁金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注镍铬低合金铸铁基体金属液成型制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的5.8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。
实施示例4
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量22％的铝镍合金和8％的铝硅合金，在500-700℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为1-4mm的ZTA陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，ZTA陶瓷颗粒中，氧化锆含量占30％，氧化铝70％。其中颗度1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入比例为6∶4。将陶瓷颗粒倒入熔融的合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到多孔预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注灰口铸铁金属液制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的5.7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5
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量40％的铝镍合金和占铝镍合金质量5％的铝硅合金，在500-700℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为0.5-4mm的碳化硅陶瓷颗和氧化铝陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中氧化铝陶瓷颗粒与碳化硅陶瓷颗粒的质量比为1∶1.其中粒度为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的碳化硅陶瓷颗粒的加入质量比例为3∶4∶3，粒度为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的氧化铝陶瓷颗粒的加入比例为3∶4∶3。称取镍铬低合金铸铁金属颗粒，颗粒直径1-4mm。镍铬低合金铸铁颗粒的体积与陶瓷颗粒的体积比为0.2∶1。
将陶瓷颗粒，镍铬低合金铸铁颗粒，倒入熔融的合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和镍铬低合金铸铁金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，浇铸灰口铸铁基体金属液，通过普通铸造技术浇注成型制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的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6
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量12％的铝镍合金和占铝镍合金质量5％的铝硅合金，在500-650℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为0.5-4mm的碳化硅陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中粒度为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入比例为3∶5∶2，称取高锰钢金属颗粒，颗粒直径1-4mm，所述高锰钢金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为1∶1。
将陶瓷颗粒，高锰钢金属颗粒，倒入熔融的铝镍合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和高锰钢金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到带孔隙的预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，浇注高铬铸铁基体金属液，在浇铸基体金属液时，预制体出现开裂的现象，所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的3.2倍。耐磨性明显降低，且抗冲击性也明显比实施例1制备的耐磨件抗冲击性差。
实施例7
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量80％的铝镍合金，在680-730℃温度范围内熔化合金液。
以粒径为0.5-4mm的碳化硅陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，其中粒度为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的加入比例为2∶6∶2，称取高锰钢金属颗粒，颗粒直径1-4mm，所述高锰钢金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为1∶1。
将陶瓷颗粒，高锰钢金属颗粒，倒入熔融的铝镍合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和高锰钢金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到带孔隙的预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注高铬铸铁基体金属液制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的3.5倍。耐磨性明显降低，且抗冲击性也明显比实施例1制备的耐磨件抗冲击性差。
实施例8
在合金熔炼炉内，加入占陶瓷颗粒质量30％的铝镍合金和占铝镍合金质量10％的铝铁合金，在500-700℃温度范围内熔化合金混合物。
以粒径为1.0-2.0的氧化铝陶瓷颗粒，作为硬质抗磨相，称灰口铸铁金属颗粒，颗粒直径1-4mm。灰口铸铁金属颗粒与陶瓷颗粒的体积比为1∶1。
将陶瓷颗粒，灰口铸铁金属颗粒，倒入熔融的合金熔体中，混合搅拌均匀，使合金熔液均匀包裹在陶瓷颗粒和灰口铸铁金属颗粒上。
在混合物凝固之前，将混合物在压制成型机上经压制、冷却、成型、脱模得到预制体，根据模具设计的不同，可制得不同形状的预制体。预制体的厚度可控制在10-40mm。
制做砂型，根据耐磨件需要增强的工作面，把制得的预制体固定在砂型相应的位置上，通过普通铸造技术浇注高铬铸铁基体金属液制得复合耐磨件。所制得的耐磨件的耐磨性为纯高铬铸铁的耐磨性的5.0倍。较多种粒径陶瓷颗粒的结配制成的耐磨件的耐磨性差。
上述实施例只是对本发明的进一步说明，本发明不局限于具体实施例，本发明的陶瓷颗粒还可选择碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷颗粒中的任意一种或结合。所述其它低熔点合金还可以为铝硅合金或铝铜合金或铝锡合金或铝铁合金或铝锰合金或铝铬合金，只要采用本发明的宗旨均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：按照如下步骤制备：
(1)、在合金熔炼炉内加入铝镍合金或铝镍合金与其它低熔点合金的混合物，然后在500-750℃下熔化得到合金液；
(2)、称取陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒倒入熔融的合金液中，使得合金液均匀包裹在陶瓷颗粒和耐磨合金颗粒上得到混合物；
(3)、在上述混合物凝固之前，在压制成型机上经压制、冷却、成形、脱模得到预制体。
2.根据权利要求1所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述预制体为带孔隙的预制体。
3.根据权利要求1所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述铝镍合金的质量为陶瓷颗粒质量的15％-50％。
4.根据权利要求1或2或3所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述其它低熔点合金为铝硅合金或铝铜合金或铝锡合金或铝铁合金或铝锰合金或铝铬合金，所述其它低熔点合金的质量为铝镍合金质量的0％-50％。
5.根据权利要求1或2所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述耐磨合金颗粒为高锰钢、合金钢、高铬铸铁、镍铬低合金铸铁、灰口铸铁中的一种，耐磨合金颗粒直径为1-4mm。
6.根据权利要求5所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述耐磨合金颗粒的体积和陶瓷颗粒体积的比值0-1∶1。
7.根据权利要求1或2或3所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm三种不同粒径陶瓷颗粒中至少两种的结合。
8.根据权利要求7所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为粒径分别为0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的三种陶瓷颗粒的混合物，它们的质量比为2-3∶4-6∶2-3。
9.根据权利要求7所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为粒径分别为1.0-2.0mm、2.0-4.0mm的两种陶瓷颗粒的混合物，它们的质量比为5-7∶5-3。
10.根据权利要求1所述陶瓷金属复合预制体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷颗粒中的至少一种。
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