CN106191496B - 粉末冶金制备zta颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法，包括：1)将活性金属元素粉末均匀包覆在ZTA颗粒表面；2)将经包覆后的颗粒与金属基体粉末放入球磨罐或混料机中进行混料；3)向混合后的材料中加入粘结剂并进行冷压成型；4)对冷压成型件进行真空烧结，冷却后即可得到耐磨复合材料。通过本发明的技术方案，不仅体现了粉末冶金净尺寸制造、节约材料、成分可设计性和温度可控性的优点，而且充分发挥了ZTA颗粒高强高硬性和金属基体高韧性的特性，使制造出来的复合材料具有较高的抗冲击能力和耐磨性，大大提高了耐磨材料的使用寿命。

Description

粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法
技术领域
本发明属于颗粒增强耐磨复合材料制备技术领域，特别是提供了一种粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法。
背景技术
陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有较高的比强度、比刚度、低成本、易加工性，以及良好的耐磨性，同时陶瓷颗粒由于价格低、耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度而普遍应用于颗粒增强金属基复合材料中，另外，陶瓷颗粒的加入不但提高了金属基体材料的硬度和耐磨性，而且保持了金属材料的韧性，是获得高强韧耐磨材料的有效方法。
氧化铝由于来源广泛，价格低廉，兼具较高的硬度，并且线胀系数比较接近钢铁材料，成为增强颗粒的理想选择，但是其与铁液的润湿性差，制备的复合材料界面很难形成良好的冶金结合，同时氧化铝的脆性很大，在冲击载荷下易于碎裂，因而限制了它的应用。向氧化铝(Al2O3)中加入氧化锆(ZrO2)，利用氧化锆的相变增韧、微裂纹增韧等增韧机制可显著改善氧化铝的韧性，提高其抵抗冲击的能力，但氧化锆增韧氧化铝(ZTA)与金属材料的润湿性继承了陶瓷-金属材料润湿性差的特点，作为增强颗粒，与基体材料良好的润湿情况是制备性能优异耐磨材料的关键问题之一。
现有的制备方法多采用普通铸渗、负压铸渗等铸渗的方法。铸渗方法是首先采用高熔点的金属粉末与陶瓷颗粒进行机械混合后经过烧结，制成具有较多孔隙的陶瓷材料预制块，然后将多个预制块按一定方式放入铸造模具内再用低熔点的金属液进行多种方式的铸渗，从而制成耐磨件，但只有具有增强效果的预制块才能起到良好的耐磨性，因而造成制件整体的耐磨性不均匀。现有制备方法中为改善界面结合，多采用在陶瓷颗粒表面多次反复涂挂反应性活性元素，从而与陶瓷颗粒发生冶金反应生成冶金结合面，但工艺复杂，生成的冶金界面不能较好的缓冲冲击载荷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术问题，提出了一种粉末冶金制备ZTA颗粒增强金属基耐磨复合材料的方法，该方法制备工艺简单、制件成型尺寸稳定，材料利用率高，同时可以制备出整体性能均匀的耐磨件，而且颗粒与基体之间的界面都具有良好抵抗冲击载荷的作用。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
1)将一定比例的活性元素粉末、ZTA颗粒、白色粘结剂粉末均匀混合得混合物；
2)向所述混合物中加入适量无水乙醇制成浆料，采用机械搅拌法使所述浆料内各成分达到均匀混合；
3)用筛网将所述浆料内的ZTA颗粒取出，置于真空炉内进行表面预处理，得到包覆后的ZTA颗粒；
4)将所述包覆后的ZTA颗粒与适量金属基体粉末进行干混；
5)向所述干混后的材料中加入适量液体粘结剂，采用冷压成型方法制备预制件；
6)将所述预制件放入真空烧结炉内进行烧结，自10-30℃开始以5-10℃/min的速度升至所述白色粘结剂粉末分解温度时保温10-15min，后继续升温至所述液体粘结剂分解温度时保温7-10min，然后调整升温速度按5-7℃/min升至最高温度1050-1450℃时，保温1-4小时，随后随炉冷却至室温得到耐磨复合材料。
所述ZTA颗粒的平均粒度为1-3mm，复合材料中所述ZTA颗粒的体积分数为20％-60％。
所述活性金属元素粉末为Ni、Cr、Cu、Ti中的任一或多种组合。
所述白色粘结剂粉末为聚乙烯醇缩丁醛，所述液体粘结剂为环氧树脂。
所述表面预处理时间为0.5-2小时，温度为1000-1400℃。
所述将包覆后的ZTA颗粒与金属基体粉末进行干混的步骤，具体包括：采用球磨罐或混料机对所述包覆后的ZTA颗粒与所述金属基体粉末进行混料。
所述冷压成型方法中施加的压力为200-600MPa，采用分级施压。
所述白色粘结剂粉末分解温度为340-360℃，所述液体粘结剂分解温度为510-570℃。
所述金属基体粉末主要成分为Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr、Ni-Cr-B-Si中的任一或多种组合。
与现有技术相比，本发明所具有的优点在于：
本发明利用粉末冶金法制备耐磨材料，颗粒分散均匀、含量可控，烧结过程中温度可调性强，制件性能均匀，材料利用率较高。
本发明采用的活性金属元素包覆陶瓷颗粒的方法方便易行，效率较高，一次性包覆效果良好。
本发明利用活性金属元素和金属中间层元素相结合的方法改善ZTA颗粒与基体材料之间的界面结合，即能形成良好的冶金反应结合面，也能形成具有一定韧性的过渡层界面，可大大提高界面结合强度和抵抗冲击韧性。
具体实施方式
实施例1：Fe-Cr系基体材料
将1-3mm的ZTA颗粒、活性金属元素Ni、Ti粉末和聚乙烯醇缩丁醛按质量比4:1:1均匀混合得到混合物；
向混合物中加入与ZTA颗粒等质量的无水乙醇制成浆料，对浆料进行机械搅拌，使浆料内各成分均匀混合，并使颗粒表面完全浸入浆料内部；
用筛网将表面包覆活性元素Ni、Ti的ZTA颗粒取出，置于真空炉内在1150℃温度下预处理1小时，得到包覆效果良好的ZTA颗粒；
将包覆后的ZTA颗粒与Fe-Cr系基体粉末进行干混，干混时间为20min；
向干混后的材料中加入E51型环氧树脂，加入的量为粉末和颗粒总质量的5％，采用最大600MPa的压力进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，制得冷压成型件；
将冷压成型件放入真空烧结炉内进行烧结，自室温开始以10℃/min的速度升至350℃时保温15min，后继续升温至560℃时保温10min，然后调整升温速度按5℃/min升至最高温度1350℃时，保温1.5小时，随后随炉冷却至室温，得到ZTA颗粒体积分数为20％-60％的耐磨复合材料。
实施例2：Ni-Cr系基体材料
将1-3mm的ZTA颗粒、活性金属元素Cu、Ti粉末和聚乙烯醇缩丁醛按质量比4:1:1均匀混合得到混合物；
向混合物中加入与ZTA颗粒等质量的无水乙醇制成浆料，对浆料进行机械搅拌，使浆料内各成分均匀混合，并使颗粒表面完全浸入浆料内部；
用筛网将表面包覆活性元素Cu、Ti的ZTA颗粒取出，置于真空炉内在1170℃温度下预处理1.5小时，得到包覆效果良好的ZTA颗粒；
将包覆后的ZTA颗粒与Ni-Cr系基体粉末进行干混，干混时间为15min；
向干混后的材料中加入E51型环氧树脂，加入的量为粉末和颗粒总质量的8％，采用最大500MPa的压力进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，制得冷压成型件；
将冷压成型件放入真空烧结炉内进行烧结，自室温开始以10℃/min的速度升至360℃时保温10min，后继续升温至570℃时保温8min，然后调整升温速度按7℃/min升至最高温度1160℃时，保温1小时，随后随炉冷却至室温，得到ZTA颗粒体积分数为20％-60％的耐磨复合材料。
实施例3：Fe-Cr-B-Si系基体材料
将1-3mm的ZTA颗粒、活性金属元素Ti粉和聚乙烯醇缩丁醛按质量比4:1:1均匀混合得到混合物；
向混合物中加入与ZTA颗粒等质量的无水乙醇制成浆料，对浆料进行机械搅拌，使浆料内各成分均匀混合，并使颗粒表面完全浸入浆料内部；
用筛网将表面包覆活性元素Ti粉的ZTA颗粒取出，置于真空炉内在1200℃温度下预处理2小时，得到包覆效果良好的ZTA颗粒；
将包覆后的ZTA颗粒与Fe-Cr-B-Si系基体粉末进行干混，干混时间为10min；
向干混后的材料中加入E51型环氧树脂，加入的量为粉末和颗粒总质量的7％，采用最大550MPa的压力进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，制得冷压成型件；
将冷压成型件放入真空烧结炉内进行烧结，自室温开始以9℃/min的速度升至350℃时保温10min，后继续升温至570℃时保温10min，然后调整升温速度按6℃/min升至最高温度1230℃时，保温2小时，随后随炉冷却至室温，得到ZTA颗粒体积分数为20％-60％的耐磨复合材料。
实施例4：Ni-Cr-B-Si系基体材料
将1-3mm的ZTA颗粒、活性金属元素Ti粉和聚乙烯醇缩丁醛按质量比4:1:1均匀混合得到混合物；
向混合物中加入与ZTA颗粒等质量的无水乙醇制成浆料，对浆料进行机械搅拌，使浆料内各成分均匀混合，并使颗粒表面完全浸入浆料内部；
用筛网将表面包覆活性元素Cu、Ti粉的ZTA颗粒取出，置于真空炉内在1200℃温度下预处理2小时，得到包覆效果良好的ZTA颗粒；
将包覆后的ZTA颗粒与Ni-Cr-B-Si系基体粉末进行干混，干混时间为10min；
向干混后的材料中加入E51型环氧树脂，加入的量为粉末和颗粒总质量的6％，采用最大450MPa的压力进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，制得冷压成型件；
将冷压成型件放入真空烧结炉内进行烧结，自室温开始以8℃/min的速度升至350℃时保温12min，后继续升温至570℃时保温10min，然后调整升温速度按5℃/min升至最高温度1030℃时，保温2小时，随后随炉冷却至室温，得到ZTA颗粒体积分数为20％-60％的耐磨复合材料。

Claims (8)

1.一种氧化锆增韧氧化铝颗粒增强金属基耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
将活性金属元素粉末、氧化锆增韧氧化铝颗粒、白色粘结剂粉末均匀混合得混合物；
向所述混合物中加入无水乙醇制成浆料，采用机械搅拌法使所述浆料内各成分达到均匀混合；
用筛网将所述浆料内的氧化锆增韧氧化铝颗粒取出，置于真空炉内进行表面预处理，得到包覆后的氧化锆增韧氧化铝颗粒；
将所述包覆后的氧化锆增韧氧化铝颗粒与金属基体粉末进行干混；
所述的金属基体粉末主要成分为Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr、Ni-Cr-B-Si中的任一或多种组合；
向所述干混后的材料中加入液体粘结剂，采用冷压成型方法制备预制件；
将所述预制件放入真空烧结炉内进行烧结，自10-30℃开始以5-10℃/min的速度升至所述白色粘结剂粉末分解温度时保温10-15min，后继续升温至所述液体粘结剂分解温度时保温7-10min，然后调整升温速度按5-7℃/min升至最高温度1050-1450℃时，保温1-4小时，随后随炉冷却至室温得到耐磨复合材料。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化锆增韧氧化铝颗粒的平均粒度为1-3mm，复合材料中所述氧化锆增韧氧化铝颗粒的体积分数为20％-60％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性金属元素粉末为Ni、Cr、Cu、Ti中的任一或多种组合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述白色粘结剂粉末为聚乙烯醇缩丁醛，所述液体粘结剂为环氧树脂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面预处理时间为0.5-2小时，温度为1000-1400℃。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将包覆后的氧化锆增韧氧化铝颗粒与金属基体粉末进行干混的步骤，具体包括：
采用球磨罐或混料机对包覆后的所述氧化锆增韧氧化铝颗粒与所述金属基体粉末进行混料。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冷压成型方法中施加的压力为200-600MPa，采用分级施压。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述白色粘结剂粉末分解温度为340-360℃，所述液体粘结剂分解温度为510-570℃。
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