CN1048537A - 金属陶瓷复合材料的生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种生产金属陶瓷复合材料的方法，其中将金属 渗透到陶瓷中，陶瓷材料采用多层结构，陶瓷材料具 有从内向外逐渐增加的孔隙度，由此可增加金属所占 的部分，这种称为“梯度结构”的孔网结构使复合材料 的外部区域呈现的主要是金属特征，而在内部则主要 是陶瓷特征。这样生产的金属陶瓷复合材料不论是 其综合特性还是单项特性值比通常的材料却有明显 的改善。

Description

1986年6月23日的日本专利JP61/163224（Sumitomo电气工业公司）公开了一种方法是在压力下将熔融铝渗入孔隙度为85～90%的陶瓷体中。
此外，1985年5月30日的英国专利GB2148270（英国陶瓷研究协会）公开的方法是这样来生产金属陶瓷的，即在温度为700℃，压力为6.72千磅/英寸2的条件下将熔融铝渗入到孔隙度为39%的一种多孔的碳化硅陶瓷中。
在1983年10月1日的捷克专利CS206132中还描述了一些其它金属陶瓷，它是通过对成分为Al2O3（三氧化二铝，含95～90%）其余为SiO2（二氧化硅）的多孔陶瓷材料抽真空，在惰性气体下温度700～900℃以及大于1MPa（兆帕斯卡）的压力条件下将铝或铝化合物渗透而生产的。陶瓷成型体在渗入铝或铝化合物之前的孔隙度为41%。
由于在现有技术中是在高孔隙度陶瓷材料中渗入熔融金属，因此，由此所生产的制品主要具有金属结构。这种金属陶瓷材料的特性主要是金属属性的，因此对其硬度、耐温性和耐磨性的要求要远远低于纯陶瓷材料相应值。
本发明的任务是，在保持和提高陶瓷材料与金属材料相比较所具有的优越特性（诸如硬度，耐温性和耐磨性等）的条件下，改善陶瓷材料的特性，如抗弯强度、韧性，弹性模数，硬度以及耐磨性。
该任务通过在权利要求书所述的特征来解决。它表明，对总孔隙度为5～30%的多层结构的陶瓷渗入熔融金属使获得所希望的综合特性成为可能。此处的总孔隙度是指陶瓷在渗入熔融金属之前的初始孔隙度。这里决定性的是平均孔隙半径为100～1000nm（毫微米），孔隙半径是借助于一种Carlo-Erba水银孔隙度计来进行检测的。
通过多层结构可以获得陶瓷材料的孔网结构。这种孔网结构可让熔融金属在极其有利的方式下渗入。按照本发明，通过控制所使用的陶瓷材料的颗粒大小和在流动性稳定的等离子射束中的涂覆速度可以控制这种孔网结构。
为了形成一种均匀的孔隙结构在等离子喷射时将陶瓷材料的温度保持在100到500℃之间证明是符合目的要求的。为了产生均匀、无应力的金属组织结构已渗透过的陶瓷必须在窄的冷却速度界限内进行冷却，对于渗入物为灰铸铁和钢时为100℃/h（度/小时），对于铝或铝合金为200℃/h。
试验表明，为了获得更加精细的孔网结构，降低熔融金属的粘滞度对于陶瓷的湿润是有利的。这一点根据本发明可通过加入专门的合金元素而实现，所加入的合金元素可使熔融金属也渗入到多孔陶瓷材料的内部。
对于一定的应用方面，例如金属结构上的连接（诸如熔焊的或钎焊的陶瓷/金属结构），如果陶瓷材料具有从内向外逐渐增加的孔隙度并由此增加金属部分则证明是有利的。这种孔网结构称为“梯度结构”。在复合材料的外部区域呈现的主要是金属特性，而在内部则主要是陶瓷特性。
这种梯度结构通过在流动性稳定的等离子射束中对基体进行喷射以改变颗粒尺寸而获得。例如开始时可用d50值为20μm（微米）的细粉末，然后陶瓷材料外层的颗粒尺寸的d50值上升到大于100μm，当然也可以采取相反的过程，这主要看朝着金属表面的一侧位于何处来确定。实际上，靠金属结构最近的陶瓷复合体的表面具有由大颗粒直径的粉末产生的结构。
下面通过两个实施例和两个用于比较的例子对本发明作详细的说明。首先对由等离子喷射生产的纯陶瓷材料的特性与渗入了金属的金属陶瓷复合材料的特性进行比较。由此可知，相对于初始孔隙度的残留孔隙体积为0.1～10%的新型金属陶瓷复合材料具有明显的优越之处。
按照本发明的一种梯度结构金属陶瓷复合材料的特性值列于所附表中。由表中可见，与按本发明的已改善了的但不具有梯度结构的复合材料相比，这种具有梯度结构的复合材料的特性又有明显的提高。
密度和孔隙度的数值按照德国工业标准DlN51056确定，硬度值根据DlN50133用维氏硬度计确定。首先通过等离子喷射由Al2O3和Al2TiO5材料生产出板状材料，这时颗粒直径d50在60～70μm之间，等离子射束喷射时的涂覆速度达300m/S（米/秒），各单个涂覆层的厚度为100μm，达到的总孔隙度对于氧化铝来说为18%，对于钛酸铝为15%。喷射的颗粒的形状系数对于氧化铝为1∶5～1∶20，对于钛酸铝为1∶15～1∶25。
从板状材料中切割出尺寸为100×100×30mm（毫米）用于检测材料特性值的一些试样，将试样预先加热到1000℃的温度，然后在750℃，Δρ＝35bar（巴）条件下在15秒钟内将AlSilOMg合金的熔融金属渗入试样中，渗透后试样在一程序控制炉中冷却，冷却速度达每小时200℃，在5小时内试样温度冷却到室温温度。由此测得，相对于初始孔隙度而言，氧化铝陶瓷的残留孔隙容积为0.5%，钛酸铝陶瓷的残留孔隙容积为0.7%。
另一种试样是具有按本发明的梯度结构生产的。生产条件与上述条件一样，但是通过两个通道涂覆了d50值分别为40/μm和100μm（或大于100μm）的两个颗粒直径的颗粒涂层。此时，对于d50＝40μm的情况，颗粒流的速度连续地由0上升到25kg/h（每小时公斤），而d50＝100μm时，粒子流的速度以相同的比例由25kg/h下降到0。从一个通道转换到另一个通道在1个小时内完成。由此期间获得的各单个涂层层厚位于80～100μm之间，总孔隙度为12%，试样渗入AlSi，OMg合金后其相对于初始孔隙度的残留孔隙容积为0.6%。
在这种试样上所测量的值列于表1中。抗弯强度（4点型抗弯强度测试装置），弹性模数，KlC（抗裂韧性）的值是用尺寸为3.5×4.5×45mm的标准弯曲试样进行检测的。
作为比较，表中也给出了按通常方法用Al2O3生产的烧结纯陶瓷材料的数据（文献值）。由此可看到，按照本发明所生产的金属陶瓷复合材料具有极好的抗弯强度、抗裂韧性（KlC）和硬度等值。因此，不仅就材料特性值的组合，而且就单个的特性值而言，本发明的金属陶瓷复合材料都显示了比通常的材料有明显的改善。
综上所述，本发明的方法中，陶瓷材料采取多层结构，当开孔孔隙度（或连通孔孔隙度）为5～14%和总孔隙度为5～31%时，层厚在10～150微米之间，平均孔隙半径在100～1000毫微米之间，熔融金属透到孔隙体积中后，使相对于初始孔隙度的残留孔隙体积值达0.1～10%。
所用多孔陶瓷材料通过流动性稳定的等离子射束将陶瓷颗粒喷射到一个基体上而制得。所喷射的陶瓷颗粒在初始状态时平均直径d50为20～180微米，喷射到基体上后，变平成为形状系数大于5的长形颗粒。陶瓷材料的温度在等离子喷射时保持在100～500℃之间，而在其渗入金属之前则预热到高于熔融金属的某一温度，而熔融金属的温度比金属及金属合金的熔点高100～200℃。为了提高湿润性、降低粘滞性，在熔融金属中添加了一些材料，如铋、锑、锶、铍、钠、钾、锂等。
由等离子喷射制得陶瓷材料后，将其装入一个加热到熔化温度的封闭模具中，抽真空并在5～60秒钟内渗入一种在一定压力下的熔融金属。
另外，在生产复合体的喷射工序结束后，至少在陶瓷基体材料上涂覆一层金属材料，然后通过提高陶瓷体的温度使涂覆的金属熔化并渗入多孔陶瓷材料中。
在应用本发明的方法时，可以通过调整孔隙度和复合体的金属/陶瓷体积来控制材料的特性，如抗弯强度、韧性、弹性模数和硬度等等。

Claims (15)

1、金属陶瓷复合材料的生产方法，其中陶瓷材料中渗入熔融金属，其特征在于，陶瓷材料由多层构成，在开孔孔隙度为5～14%和总孔隙度为5～30%下，层厚在10～150微米之间，平均孔隙半径在100～1000毫微米之间，将熔融金属渗透到孔隙体积中，直到相对于初始孔隙度的残留孔隙体积值为0.1～10%。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，多孔陶瓷材料是通过在流动性稳定的等离子射束中将陶瓷颗粒喷射到一个基体上而生产的。
3、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，初始状态时的颗粒平均直径为d50＝20～180微米，喷射到基体上后，变平成为形状系数为大于5的长形颗粒。
4、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，在等离子喷射时，陶瓷材料的温度保持在100～500℃之间。
5、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，陶瓷材料在渗入熔融金属之前被预热到高于熔融金属温度的某一温度。
6、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，熔融金属的温度比金属及金属合金的熔点高100～200℃。
7、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，熔融金属中添加有提高湿润性和/或降低粘滞度的材料。
8、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，为了降低粘滞度和改善湿润性，在铝合金情况下添加了以下材料：铋、锑、锶、铍、钠、钾、锂。
9、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，在将陶瓷颗粒在流动性稳定的等离子射束中喷射到基体上的过程中，颗粒尺寸被改变，并且是从初始值为d50＝20微米变为d50大于100微米，以及反过来，从d50大于100微米变为d50＝20微米。
10、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，将通过等离子喷射生产的陶瓷材料装入一个加热到熔化温度的封闭模具中，抽真空，并在5～60秒钟内渗入一种在一定压力下的熔融金属。
11、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，熔融金属由铝或某种铝合金组成，渗透后的复合体以每小时200℃的速度冷却。
12、如上述任一个权利要求所述的方法，其特征在于，熔融金属由钢或灰铸铁组成，渗透后的复合体以每小时100℃的速度冷却。
13、如权利要求1至9所述的方法，其特征在于，在生产复合体的喷射工序结束后，至少在陶瓷基体材料上涂覆一层金属材料，然后通过提高陶瓷体的温度使所涂覆的金属熔化并渗入多孔陶瓷材料中。
14、如权利要求1至13所述方法的应用，该方法可以通过调整孔隙度和复合体的金属/陶瓷体积比来控制材料的特性。
15、如权利要求1至14所述方法的应用，该方法可用于控制复合体的抗弯强度，韧性，强性模数和硬度。
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