CN103343301B - 一种梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。将金属网上压制出若干个凹槽，然后将陶瓷颗粒填充在金属网的凹槽中，并按制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的金属网安装砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即得到。该方法有效的解决了陶瓷颗粒预制体制作问题，且能够保证陶瓷颗粒的在基体金属中均匀分布；各复合区互不相连，同时又能起到宏观阴影效应增强抗磨性能，阻止了基体金属的磨损，有效的解决了表层复合材料的脱落问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
随着现代工业的发展，机械产品的质量要求越来越高，服役条件也越来越苛刻。在冶金、电力、建材等许多工业部门, 存在着大量高温磨料磨损工况, 这些工况下常用的材料熔点高、耐磨耐蚀性好。 然而，由于这些材料中无抗磨硬质相的存在, 其硬度低、耐磨性差，造成的摩擦磨损损失巨大。随着材料科学技术的发展，国内外诸多学者已尝试利用不同的方法将低密度、高硬度的陶瓷增强体加入到钢铁基体中，最终获得兼备陶瓷材料高硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀性及钢铁材料良好韧性、导热性的陶瓷/钢铁基复合材料。
近年来，复合材料制备技术得到迅速发展，陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料也成为新的研究热点，各种制备技术相继出现。CN 101530905A和CN101530904A分别介绍了一种破碎机复合材料锤头及其铸造方法和一种破碎机复合材料锤头及其负压铸造方法，它们以碳化钨为增强颗粒，将碳化钨和粘结剂按比例混制成膏状，填充到柱状金属网中，密封后在一定温度下烘干形成预制体并放置于型腔端侧面，然后采用负压铸渗方法进行复合。但是，碳化钨的线膨胀系数为3.8×10-6℃-1，钢铁材料的线膨胀系数一般为(11～12) ×10-6℃-1，二者相差很大，在制备复合材料时对碳化钨颗粒尺寸比较敏感，颗粒尺寸过大则易于在陶瓷颗粒和金属基体界面形成微裂纹，且此工艺相对复杂，生产成本相对较高。CN 1128297A介绍了一种局部复合材料及其制造方法，它将一定比例的陶瓷颗粒增强体、有机粘结剂和普通碳钢、耐热钢基或镍基粉末混合后制成所需形状的预制块，置于所需强化的铸件的铸型局部，最后浇铸成形。该方法制得的复合材料在工件表面为层状分布，在冲击作用下会产生剥落，使工件过早失效，造成巨大的经济损失。CN1147373C介绍了一种轧钢用导位板的制备方法，它将一定粒度金属颗粒、陶瓷颗粒和粘结剂混合后铺设到铸型中导位板与线材接触部位浇铸成型，提高了导位板的使用寿命，但这种复合材料只适合于特定工况下的工件，很难在强冲击工况下发挥其耐磨性能；CN101912957A介绍了一种网络互穿行陶瓷—金属复合材料及其制备方法，该方法提供了一种很好的复合材料制备方法，但其增强体之间相互贯穿，一旦一处增强体产生失效就可能引发多处增强体产生失效；CN101899585A介绍了一种复合耐磨件预置体及用该预置体制造耐磨件的方法，该方法中预置体的制作相对复杂，且预置体的预置也相对难于控制，工艺较复杂。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法。该复合材料的复合方法有效的解决了陶瓷颗粒预制体制作问题，且能够保证陶瓷颗粒的在基体金属中均匀分布；各复合区互不相连，同时又能起到宏观阴影效应增强抗磨性能，阻止了基体金属的磨损；各复合区如梅花桩一样钉入金属集体中，其中一个复合区产生失效不影响工件的继续使用，有效的解决了表层复合材料的脱落问题。
本发明的技术方案是采用工装和无压浸渗技术制备出梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料， 具体步骤包括如下：
（1）将金属网上压制出若干个凹槽，然后将陶瓷颗粒填充在金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；（能够一次性完成对梅花桩形网络分布的陶瓷增强体的预制，简化工程操作，缩短工程时间）
（2）将填充陶瓷颗粒的金属网安装在步骤（1）制备的砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
所述金属网的材料为延展性较好的低碳钢丝、低碳铁丝、不锈钢丝、铜丝、铝丝或高尔凡中的任意一种，金属网的网筛孔径不大于0.5mm。金属网需要有较好的延展性，以防止压制时金属网断裂；金属网材料的熔点不高于金属液的浇铸温度，避免成型后金属网未熔化，影响金属基体与陶瓷颗粒的结合强度。
所述金属网压制成的凹槽为任意形状，相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比小于2:3，以保证制得的复合材料各圆柱复合部位之间具有宏观的阴影效果利用复合区的高耐磨性减弱对复合区周围基体金属的磨损。凹槽的高度与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比小于4:3。(这样在浇铸过程中，随着金属液在型腔中上升以及金属筛网在高温下熔化，圆柱形陶瓷颗粒预置体将受到金属液向上的浮力作用而被挤压在型腔顶部，保持预置体稳定停留在预置位置)。
所述步骤（2）中将填充陶瓷颗粒的金属网安装在步骤（1）制备的砂型铸造模具的型腔的上表面，是由于步骤（2）中所述的陶瓷颗粒密度需小于金属溶液密度，以保证浇铸过程中金属筛网熔化后预置体不会沉入金属液中，而是在金属液浮力作用下被挤压在型腔上表面，最终完成金属液的浸渗。
所述硬质陶瓷颗粒为氧化铝，硬质陶瓷颗粒的粒径为0.55～1.70mm。
所述基材金属为高锰钢、合金钢、普通碳钢或铸铁。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明借助工装技术，将陶瓷颗粒填充于由金属模具压制成的圆柱形金属网凹槽中，制成梅花桩网络分布的圆柱形陶瓷增强体，然后将其固定在铸件所需复合部位对应的型腔上表面，最后浇铸成型。与现有的粉末冶金法、自蔓延高温合成法、负压浸渗法等制备技术相比，降低了对生产设备的要求，简化了生产工艺，降低了生产成本；而且生产的产品不再局限于小型零部件；采用局部柱状复合，既减少了陶瓷颗粒的用量，又使金属液更容易浸渗，同时又提高了工件的使用要求；所得局部复合材料（如附图3所示）复合面上密集分布的圆柱复合部位之间，起到宏观阴影效应，即随着磨损的进行，柱状增强体逐渐突出于金属基体，从而阻止了基体的进一步磨损；柱状增强体伸入金属基体中，具有一定的钉扎作用，有效的抑制了陶瓷增强体的剥落；又由于圆柱复合区之间互不相连，其中任意一个失效都不会影响其他复合区的正常工作，又进一步提高了工件的使用寿命。所得局部复合材料既具备陶瓷颗粒高硬度、高耐磨性等一系列优点，又具备基体金属材料高强度、良好塑性和冲击韧性、易成形等优点，整体性能明显提高；相同工况下，其使用寿命是高锰钢工件的4～6倍。
附图说明
图1是本发明实施例1中压制金属网凹槽的操作示意图；
图2是本发明砂型铸造模具示意图；
图3是本发明制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料结构示意图；
图4是本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图1至4所示，本实施例的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法为：将网筛孔径为0.5mm的低碳钢丝金属网上压制出若干个圆柱形凹槽（相邻凹槽的距离与凹槽的横截面半径比为1:3，凹槽的高度与凹槽的横截面凹槽的横截面半径3.5:3），然后将粒径为0.55～1 mm的陶瓷颗粒氧化铝填充在低碳钢丝金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的低碳钢丝金属网安装在砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属高锰钢浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
实施方式二：如图2至4所示，本实施例的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法为：将网筛孔径为0.4mm的低碳铁丝金属网上压制出若干个三角形凹槽（相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为1.8:3，凹槽的高度与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为1:1），然后将粒径为0.8～1mm的陶瓷颗粒氧化铝填充在低碳铁丝金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的低碳铁丝金属网安装在砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属合金钢浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
实施方式三：如图2至4所示，本实施例的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法为：将网筛孔径为0.38mm的不锈钢丝金属网上压制出若干个方形凹槽（相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到边缘的距离比为1.8:3，凹槽的高度与凹槽的横截面中点到边缘的距离比为2:3），然后将粒径为0.9～1.70mm的陶瓷颗粒氧化铝填充在不锈钢丝金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的不锈钢丝金属网安装在砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属普通碳钢浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
实施方式四：如图2至4所示，本实施例的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法为：将网筛孔径为0.2mm的高尔凡金属网上压制出若干个菱形凹槽（相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为1:3，凹槽的高度与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为2.5:3），然后将粒径为0.55～1mm的陶瓷颗粒氧化铝填充在高尔凡金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的高尔凡金属网安装在砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属铸铁浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
实施方式五：如图2至4所示，本实施例的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法为：将网筛孔径为0.45mm的铝丝金属网上压制出若干个圆柱形凹槽（相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为1:3，凹槽的高度与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比为2.5:3），然后将粒径为0.55～1mm的陶瓷颗粒氧化铝填充在铝丝金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；将填充陶瓷颗粒的铝丝金属网安装在砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属铸铁浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，其特征在于具体步骤包括：
（1）将金属网上压制出若干个凹槽，然后将陶瓷颗粒填充在金属网的凹槽中，并根据需要制备的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的形状，制备砂型铸造模具；所述金属网压制成的凹槽为任意形状，相邻凹槽的距离与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比小于2:3，凹槽的高度与凹槽的横截面中点到距中点最远边缘的距离比小于4:3；
（2）将填充陶瓷颗粒的金属网安装在步骤（1）制备的砂型铸造模具的型腔上表面，然后将熔炼好的基材金属浇注入砂型铸造模具内，待基材金属冷却后从砂型铸造模具中剥离出的即为梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述金属网的材料为低碳钢丝、低碳铁丝、不锈钢丝、铜丝、铝丝或高尔凡，金属网的网筛孔径不大于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒为氧化铝，粒径为0.55～1.70mm。
4.根据权利要求1所述的梅花桩网络分布陶瓷/金属复合材料的制备方法，其特征在于：所述基材金属为高锰钢、合金钢、普通碳钢或铸铁。
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