CN103641487A - 一种陶瓷预制体的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种陶瓷预制体的制备方法及应用，属于金属基复合材料领域；将粘结剂与陶瓷颗粒混合，再将碳化硅、碳化硼等碳化物粉末及氧化物粉末充分的混合，然后加入到被粘结剂包覆的陶瓷颗粒中混合；将混合好的物料填充到模具中，制成蜂窝状多孔陶瓷预制体，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层。本发明所述方法制备得到的陶瓷颗粒增强金属基复合材料的陶瓷颗粒在金属基体中分布均匀，复合层厚度大，包覆后的陶瓷颗粒表面与金属液容易润湿，大大提高了金属与陶瓷的结合强度及复合材料使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷预制体的制备方法及应用，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
在冶金、水泥、发电等领域，一些零部件必须除承受高强度的磨损，单一组元的金属材料已难以满足如此严苛下的生产需要，相比较下具有优越性能的先进复合材料有望在这些工业领域得到更多的应用。作为国家科技发展“十二五”规划的重点领域，其相关研究为提高关键材料的供给能力，抢占新材料应用技术和高端制造制高点提供重要支持。陶瓷颗粒增强金属基复合材料作为一种有着广泛应用前景的金属基复合材料，结合了金属材料的其高强度、高塑性和陶瓷材料优异的耐蚀性和耐磨性。
近年来，以氧化铝等廉价陶瓷颗粒作为增强相的复合材料因其巨大的经济性，成为耐磨复合材料研发领域的研究热点。但氧化铝陶瓷存在与金属液难以浸润，脆性较大的缺点，易造成此类材料在应用过程中发生颗粒脱落及碎裂等严重失效行为，这成为此类复合材料技术障碍。为了解决此类问题，需对复合材料的宏观几何结构和微观组织结构进行合理的设计，并通过相应的措施使金属与陶瓷之间高度润湿以增强其结合强度,相应的陶瓷预制体的结构设计、对陶瓷颗粒进行适当的处理以及复合材料成型工艺则成为解决该问题的关键。
蜂窝状结构复合层在复合区增加韧性基体区，能够提高材料抗冲击能力，实现了材料的强韧化配合，越来越受到国内外企业和科研工作者的重视。专利CN 101628330 A公开了一种复相蜂窝陶瓷与钢铁复合材料及其制备方法，其利用对陶瓷表面除油、粗化、活化、敏化或便面度活化金属处理以改善金属液对陶瓷的浸润性，但除油、粗化、活化、敏化等处理方式对浸润性改善程度有限，难以实现金属与陶瓷的良好结合；表面镀镍、镀钛处理成本太高，难以工业化推广。专利CN 102310183公布了一种高耐磨铁基复合材料及其制备方法，其采用大尺寸电熔锆刚玉作为增强颗粒，颗粒尺寸太大，预制坯制作困难，使用过程中颗粒易脱落，很难保证其使用过程中颗粒与金属基体的结合强度。专利CN 101844208A公开了一种高铬合金陶瓷颗粒复合网格的生产工艺，但工艺尚处于设计思路阶段，未公开采用复合网格制备复合材料的方法，且该方法没有从根本上解决陶瓷颗粒与金属液的浸润问题，陶瓷与基体金属结合强度有限。专利CN 102673027A、CN 102225469A、CN 201412666YY均利用在工件表面设置凹槽，然后将钎料及陶瓷颗粒放入凹槽孔熔烧，工艺复杂，生产条件要求高，且很难保证凹槽中金属与陶瓷颗粒形成致密性良好的组织，在大型铸件上应用也难以实现。专利CN 1128297A、CN 101898239、CN 101899586 A、CN101899585 A公开了几种复合材料增强体及利用该增强体制作复合材料的方法，预制体制作工艺复杂，工艺条件高，复合材料有的还需要负压成型，且选用与金属液浸润性良好的陶瓷颗粒或硬质合金颗粒作为增强颗粒成本较高，个别方法中加入金属粉的量不易控制，加入量少则无法起到降低复合区颗粒体积分数，加入量过多会导致高温熔渗过程中金属粉吸热过多，造成复合区凝固顺序混乱，出现集中缩孔现象，从而降低复合区强度，且未从根本上盖上氧化铝颗粒与金属液难以润湿的问题，如改成价格低廉、与金属液浸润性差的陶瓷则无法实现所述复合效果。CN102310596A公布了一种陶瓷颗粒局部定位增强耐磨复合材料的制造。其利用薄壁的金属钢管固定陶瓷颗粒制得陶瓷预制体，然后放入铸型中浇注成型，得到耐磨性良好的复合材料，但该方法制得的预制体因钢管的存在会阻碍金属液的浸渗，且也没有公布用何种金属对与金属液浸润性差的陶瓷颗粒进行改性。专利CN 102861905 A公布了一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的方法，该方法利用活性Si元素对氧化铝陶瓷进行表面改性，500-600℃烘烤砂型，抽真空浇注成型，其工艺成型要求高，对于大型铸件成型难以实现，且没有公布活性Si元素的存在形式。CN 102513522 A公布了一种陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料制备方法，通过烧结或粘结使合金粉末与陶瓷颗粒结合成条块状，然后将条块结构拼接成网络结构，最后浇注成型。预制体制备工艺复杂，没有从根本上解决陶瓷颗粒与金属液浸润性问题，且合金粉在金属液熔渗过程中吸热过多，很容易在结合区形成几种的缩孔缺陷，影响复合区整体性能。以上技术提供了不同的颗粒增强金属基复合材料制作方法，制作方法有相似之处，但很少有从根本上解决金属液与陶瓷颗粒浸润性差的问题，颗粒与金属结合强度有限，制作工艺复杂，复合层厚度小，工业化生产难以实现。
综上所述，目前蜂窝状陶瓷颗粒预制体增强金属复合材料已受到足够重视，但制备方法都不完善。选择与金属液浸润良好的陶瓷颗粒则成本上升，无法适用工业化生产；而利用负压、烧结等方法制备复合材料则会受到设备限制，无法满足多种条件下的耐磨件需求，且制造复合材料的设备也限制了其长足发展。因此，提供一种简单有效的制备预制体方法，及利用该预制体制备复合材料的方法势在必行。本发明从以上几点出发，在考虑生产成本及设备需求情况下，通过对与金属液浸润性差的廉价陶瓷进行表面处理，从根本上解决陶瓷颗粒与金属液浸润性差的问题。同时对预制体制备、复合工艺的优化进行合理的设计，提供了一种方便、快捷、适用性强、经济的制备复合材料的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷预制体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按粘结剂与陶瓷颗粒质量比为1:20~1:50的比例将粘结剂与陶瓷颗粒均匀混合，使粘结剂均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被粘结剂包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化物粉末与氧化物粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被粘结剂包覆的陶瓷颗粒中得到混合物料，使碳化物粉末、氧化物粉末均匀的涂覆到被粘结剂包覆的陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层；
（3）将步骤（2）得到的混合物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到600~800℃，其中升温速率为80~150℃/h，每升温1h后保温1~3h。
本发明所述粘结剂为常用的粘结剂，如水玻璃、硅溶胶、铝溶胶、聚合氯化铝、水泥等无机粘结剂中的一种或者两种以上按任意比例混合，也可以为聚乙烯醇、聚丙烯酰胺中的一种或者两种以上按任意比例混合。
本发明所述碳化物为碳化钛、碳化硼、碳化硅中的一种或多种按任意比例混合，其加入量为陶瓷颗粒质量的3%~35%，粉末粒度为0.5~30um。
本发明所述氧化物为氧化铝、氧化锆、氧化钙、氧化硅、氧化钛、氧化铍、氧化镁、二氧化锰中的一种或几种按比例混合，其加入量为陶瓷颗粒质量的0.5%~5%，粉末粒度为0.5~30um。
本发明所述陶瓷预制体为呈蜂窝状结构，蜂窝孔型可为圆形、正多边形或其他不规则形状，各个蜂窝孔间的壁厚为8~30mm，陶瓷预制体厚度为5~60mm。
本发明所述陶瓷颗粒为常见的陶瓷材料，颗粒大小为60-80目，如锆刚玉、黑刚玉、碳化硅、碳化硼、碳化钛等；
本发明所述包覆层的厚度为0.1~1mm。
本发明的另一目的是将该陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料包括如下步骤：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分为高锰钢、普通碳钢、铸铁、高铬铸铁、高铬钢。
本发明所述方法的原理：通过对陶瓷颗粒进行表面处理，利用粘结剂在陶瓷颗粒表面粘附碳化物及少氧化物，使陶瓷颗粒表面形成金属化镀层，并制成蜂窝状多孔陶瓷预制体，最后将熔炼好的金属液注入到放置预制体的型腔中，完成金属液对多孔预制体的全方位、多角度的浸渗，使金属液、陶瓷颗粒分别与颗粒表面的碳化物、氧化物充分反应，形成陶瓷与金属基体的过渡层，制备出陶瓷颗粒增强的金属基复合材料。
本发明的有益效果：
（1）本发明所述方法对陶瓷颗粒进行表面处理，使陶瓷颗粒表面金属化，提高了金属液与陶瓷颗粒的润湿能力；
（2）本发明所述方法通过金属液、陶瓷颗粒分别与颗粒表面的碳化物、氧化物充分反应，形成陶瓷与金属基体的过渡层，从而解决了因基体与陶瓷颗粒膨胀系数不同而引起开裂的问题，增强了陶瓷颗粒与金属基体的结合去强度；
（3）本发明所述方法对陶瓷预制体结构进行合理的设计，使复合层呈蜂窝状结构分布，利用深入到复合层中的柱状钢铁基体对复合层产生的钉扎效应，达到提高复合层抗冲击作用的目的；
（4）本发明所述方法通过调整复合层内柱状钢铁基体孔径与孔间距，能够多方位大幅度提高液态金属熔渗过程中的渗透性，进而提高复合层厚度；
（5）本发明所述方法将陶瓷颗粒粘结成预制体，能够在成型前预设陶瓷颗粒在基体中的分布，同时根据不同工件需求设置预制体具体尺寸，对工件表面做定位增强，以提高工件使用性能。
附图说明
图1为混合后各物料分布状态示意图；
图2为不同孔型结构的多孔陶瓷预制体结构示意图；
图3为复合材料结构示意图；
图4为陶瓷颗粒增强金属基复合材料的形貌示意图；
图中：1为表面包覆物，2为粘结剂，3为陶瓷颗粒，4为增强区，5为金属韧性缓冲区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明，但本发明保护范围并不限于所述内容：
实施例1
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）按水玻璃与20目的锆刚玉陶瓷颗粒质量比为1:20的比例将水玻璃与陶瓷颗粒均匀混合，使水玻璃均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被水玻璃包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化钛粉末与氧化铝粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被水玻璃包覆的陶瓷颗粒中，使碳化钛粉末、氧化铝粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，如图1所示，碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的3%，粉末粒度为0.5um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的0.5%，粉末粒度为30um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，如图2所示，干燥条件为：将温度升高到600℃，其中升温速率为80℃/h，每升温1h后保温3h。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，如图3~4所示，其中所述金属基体成分为高锰钢。
实施例2
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）将硅溶胶与PVA按20:1比例混合后与16目的黑刚玉陶瓷颗粒按质量比为1:24的比例均匀混合，使粘结剂均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被粘结剂包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化硼粉末与氧化锆粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被硅溶胶包覆的陶瓷颗粒中，使碳化硼粉末、氧化锆粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，其中碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的9%，粉末粒度为3um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的1.2%，粉末粒度为25um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到640℃，其中升温速率为95℃/h，每升温1h后保温2.5h。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分为普通碳钢。
实施例3
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）按聚合氯化铝与8目的碳化硅陶瓷颗粒质量比为1:28的比例将聚合氯化铝与陶瓷颗粒均匀混合，使聚合氯化铝均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被聚合氯化铝包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化硅粉末与氧化钙粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被聚合氯化铝包覆的陶瓷颗粒中，使碳化硅粉末、氧化钙粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，其中碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的18%，粉末粒度为12um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的2.5%，粉末粒度为16um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到680℃，其中升温速率为115℃/h，每升温1h后保温2。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分为铸铁。
实施例4
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）将聚乙烯醇与水玻璃按质量比1:10的比例混合，然后与12目的普通氧化铝陶瓷颗粒按质量比为1:35的比例均匀混合，使混合粘结剂均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被混合粘结剂包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化钛粉末与普通氧化铝粉末按1:3的比例混合后再与氧化钛粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被混合粘结剂包覆的陶瓷颗粒中，使碳化钛粉、碳化硼粉末、氧化钛粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，其中碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的25%，粉末粒度为18um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的3.4%，粉末粒度为9um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到700℃，其中升温速率为128℃/h，每升温1h后保温1.6h。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分高铬铸铁。
实施例5
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）按水泥与30目的碳化硼陶瓷颗粒质量比为1:40的比例将水泥与陶瓷颗粒均匀混合，使水泥均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被水泥包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化钛粉末与碳化硼粉末按1:2的比例混合后再与氧化钛粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被水泥包覆的陶瓷颗粒中，使碳化钛粉、碳化硼粉末、氧化钛粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，其中碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的30%，粉末粒度为23um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的4.5%，粉末粒度为5um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到750℃，其中升温速率为138℃/h，每升温1h后保温1.2h。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分为高铬钢。
实施例6
本实施例所述陶瓷预制体的制备方法如下：
（1）按铝溶胶与60目的碳化钛陶瓷颗粒质量比为1:50的比例将铝溶胶与陶瓷颗粒均匀混合，使铝溶胶均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被铝溶胶包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化硅粉末与碳化钛粉末按1:5的比例混合后再与氧化物粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被铝溶胶包覆的陶瓷颗粒中，使碳化硅粉、碳化钛粉末、氧化物粉末均匀的涂覆到陶瓷颗粒表面，使陶瓷颗粒表面形成与金属液润湿性良好的包覆层，所述氧化物为氧化铍、氧化镁、二氧化锰按1:2:5的比例混合以后得到的，其中碳化钛的加入量为陶瓷颗粒质量的35%，粉末粒度为30um，氧化铝的加入量为陶瓷颗粒质量的5%，粉末粒度为0.5um；
（3）将步骤（2）混合好的物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到800℃，其中升温速率为150℃/h，每升温1h后保温1h。
本实施例制备得到的陶瓷预制体强度可抵抗1200℃高温，陶瓷颗粒均匀散布，促进了金属液的浸渗，制得的预制体在低温、高温阶段均具有较好的抗压、抗折强度。
将本实施例制备得到的陶瓷预制体用于制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料：将陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料，其中所述金属基体成分为高锰钢。
Claims (5)
1.一种陶瓷预制体的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）按粘结剂与陶瓷颗粒质量比为1:20~1:50的比例将粘结剂与陶瓷颗粒均匀混合，使粘结剂均匀粘附在陶瓷颗粒表面，得到被粘结剂包覆的陶瓷颗粒；
（2）将碳化物粉末与氧化物粉末充分混合，然后加入到步骤（1）中得到的被粘结剂包覆的陶瓷颗粒中得到混合物料；
（3）将步骤（2）得到的混合物料填充到模具中，去除模具后的物料干燥后得到陶瓷预制体，干燥条件为：将温度升高到600~800℃，其中升温速率为80~150℃/h，每升温1h后保温1~3h。
2.根据权利要求1所述的陶瓷预制体的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述碳化物为碳化钛、碳化硼、碳化硅中的一种或多种按任意比例混合，其加入量为陶瓷颗粒质量的3%~35%，粉末粒度为0.5~30um。
3.根据权利要求1所述的陶瓷预制体的制备方法，其特征在于：步骤（2）中所述氧化物为氧化铝、氧化锆、氧化钙、氧化硅、氧化钛、氧化铍、氧化镁、二氧化锰中的一种或几种按任意比例混合，其加入量为陶瓷颗粒质量的0.5%~5%，粉末粒度为0.5~30um。
4.根据权利要求1所述的陶瓷预制体的制备方法，其特征在于：步骤（3）中所述陶瓷预制体为呈蜂窝状结构，各个蜂窝孔间的壁厚为8~30mm，陶瓷预制体厚度为5~60mm。
5.权利要求1所述的陶瓷预制体在制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料中的应用，其特征在于：将制备得到的陶瓷预制体放置到铸件所需增强面对应的型腔处，将熔炼好的金属液浇入铸型中，冷却凝固得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
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