CN106435242A - 金属基陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属基陶瓷复合材料，该复合材料包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。另外，本发明还提供一种用于制备金属基陶瓷复合材料的方法，该方法包括预处理步骤、浇铸准备步骤、制备步骤和脱模步骤。

Description

金属基陶瓷复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，特别涉及一种金属基陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

金属基陶瓷复合材料是以金属材料为基体并以陶瓷材料为增强体的复合材料。目前，金属基陶瓷复合材料中的陶瓷材料通常采用陶瓷颗粒、晶须、纤维和三维多空预制体等。

陶瓷颗粒、晶须、纤维作为增强体的复合材料最为常见，在稳态或低载荷作用下表现良好；但韧性差且抗冲击能力弱，在载荷反复变化或有较大冲击时，会呈现为脆性断裂、增强相脱落等，从而造成复合材料的耐磨性难以发挥，并且作为工件使用时的可靠性差。而三维多孔预制体作为增强体的复合材料一定程度上提高了承载能力，但预制体制备工艺复杂。虽然上述传统的金属基陶瓷复合材料都具有相对较好的力学性能、良好的耐磨性和抗腐蚀能力并兼具导热性和导电性，但它们的密度相对较高，制造工艺复杂。

近年来，随着我国在航空航天、船舶、车辆、建筑等领域的不断发展，对高强度、轻质量的复合材料的需求也越来越迫切。因此，亟需一种具有良好的力学性能、耐磨性、抗腐蚀性，并具有低密度的金属基陶瓷复合材料；此外，还需要一种工艺流程简单、成本低廉的制备金属基陶瓷复合材料的方法。

发明内容

根据本发明的一方面，提供了一种金属基陶瓷复合材料，该复合材料包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球基本上均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。

所述金属基体选自铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金和铁合金中的一种。优选地，所述金属基体为铁、铝、铝合金中的一种。

所述陶瓷空心球由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷中的一种或多种制成。优选地，所述陶瓷空心球由氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷中的一种或多种制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种制备金属基陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：预处理步骤，对陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空心球进行预热处理；浇铸准备步骤，在铸模底部设置第一垫板，然后将预处理后的陶瓷空心球置入所述铸模内；其中，所置入的陶瓷空心球的总体积占所述铸模体积的45～55％；将第二垫板覆盖在最顶层的陶瓷空心球上面，并开始预热；同时，对金属材料进行加热，并使之处于熔融状态；制备步骤，将熔化后的金属材料浇铸到容纳腔室内，在浇铸过程中保持在所述铸模内的陶瓷空心球的堆积方式不发生改变；然后，开启分子泵并打开所述铸模底部的阀门，并使所述铸模内的真空度保持在0.01～0.09MPa范围内；此时，在负压的作用下使所述金属材料渗透过所述第二垫板浸入到在所述铸模内的陶瓷空心球之间的间隙中；等待所述材料完全浸入所述陶瓷空心球之间的间隙之后，关闭所述阀门和分子泵；之后，将铸锭冷却至室温；以及脱模步骤，在室温下保持5～10个小时后，脱模取出所述铸锭。

优选地，所述第一垫板为孔径0.25～0.45mm、厚度12～15mm的多孔陶瓷或石墨板。优选地，所述第二垫板为孔径10～12mm、厚度25～30mm的多孔陶瓷或石墨板。

附图说明

图1为本发明所提供的一种金属基陶瓷复合材料的截面示意图；

图2为本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法的流程图。

图3为本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备的示意图。

具体实施方式

现在参考如附图中所示的具体实施例来详细描述本发明。为了清楚起见，本文没有具体描述本领域技术人员所公知的部件或结构。另外，尽管结合特定实施例对本发明进行描述，但应理解的是，该描述并不旨在将本发明限制于所描述的实施例。相反，该描述旨在覆盖可包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的替换、改进和等同方案。

本发明中金属材料包括金属和金属合金。例如，铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金、铁合金。本领域技术人员可以根据实际需要，任意选择合适的金属材料。此外，本发明中陶瓷材料可以是各种适合的陶瓷材料，包括但不限于氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和金属陶瓷。优选地，例如，氧化铝陶瓷，氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷，碳化硅陶瓷。

在本发明中，陶瓷材料被烧结为空心球，即，陶瓷空心球。陶瓷空心球可以由一种类型的陶瓷材料制成，也可以由多种类型的陶瓷材料制成。本领域技术人员可以根据陶瓷材料的类型和空心球的直径要求，选用现有技术中常规的制备方法来制备本发明中所采用的陶瓷空心球。

图1为本发明所提供的金属基陶瓷复合材料的截面示意图。如图1所示，金属基陶瓷复合材料10包括金属基体11和多个陶瓷空心球12，陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；其中，金属基陶瓷复合材料10中所有的陶瓷空心球12的体积之和是该金属基陶瓷复合材料10体积的45～55％。

图2为本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法的流程图。如图2所示，本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法包括准备步骤、预处理步骤、浇铸准备步骤、制备步骤和脱模步骤。

图3为本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备的示意图。如图3所示，本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的设备30主要包括铸模31，用于容纳熔融金属液的容纳腔室32，用于保持压力的保压部件33，用于实现分段加热的分段式电炉34，第一垫板35，第二垫板36以及用于将分子泵和铸模之间隔离的阀门37。下面结合图3，对图2所给出的制备金属基陶瓷复合材料的方法进行详细说明。

本发明所提供的用于制备金属基陶瓷复合材料的方法包括：

准备步骤：将选定的陶瓷材料制备成特定规格的空心球或者直接从市场上购买符合要求的陶瓷空心球。根据实际需要，本领域技术人员可利用现有技术中合适的制备方法制备出各种规格的陶瓷空心球。

预处理步骤：对已准备好的陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空心球进行预热处理。

浇铸准备步骤：首先在铸模31的底部设置第一垫板35，然后将预处理后的陶瓷空心球置入铸模31内；其中，所置入的陶瓷空心球的总体积占铸模体积的45～55％；接着，将第二垫板36覆盖在最顶层的陶瓷空心球上面，并开始预热；同时，对金属材料进行加热，并使之处于熔融状态。优选地，第一垫板35优选为孔径0.25～0.45mm、厚度12～15mm的多孔陶瓷或石墨板。优选地，第二垫板36优选为孔径10～12mm、厚度25～30mm的多孔陶瓷或石墨板。

制备步骤：首先将熔化后的金属材料浇铸到容纳腔室32内，在浇铸过程中保持陶瓷空心球的堆积方式不发生改变；然后，开启分子泵并打开铸模31底部的阀门37，使铸模31内的真空度保持在0.01～0.09MPa范围内；此时，在负压的作用下使熔融的金属材料渗透过第二垫板浸入到铸模31内的陶瓷空心球之间的间隙中；等待熔融的金属材料完全浸入陶瓷空心球之间的间隙之后，关闭阀门37和分子泵；之后，将铸锭冷却至室温。

脱模步骤：在室温下保持5～10个小时后，脱模取出铸锭。

下面将结合本发明的优选实施例对本发明的各种技术方案和优点进行详细描述。

(优选实施例1)

本优选实施例选用铁作为复合材料的金属基体，采用氧化铝陶瓷作为制备空心球的材料。其制备步骤如下：

步骤101：通过常规方法制备出或直接购买直径为20mm的氧化铝陶瓷空心球；

步骤102：将准备好的氧化铝陶瓷空心球放入浓度为51％～55％质量百分数的氢氟酸中进行酸洗处理，之后放入电炉中预热到820～850摄氏度，并保持1～2个小时；

步骤103：在铸模的底部放置一片孔径为0.45mm、厚度为15mm的石墨板，计算氧化铝陶瓷空心球的体积与铸模的体积的比例关系(在优选实施例1中设定氧化铝空心球的总体积为铸模的体积的55％)并确定放入氧化铝陶瓷空心球的数量，然后将预处理后的预定数量的氧化铝陶瓷空心球放入铸模内；在放置过程中兼顾堆积方式，使各个氧化铝陶瓷空心球在铸模内处于稳定状态；在最顶层的氧化铝陶瓷空心球上覆盖一片孔径为12mm、厚度为30mm的多孔陶瓷；接着，通过分段式电炉对放入铸模内的氧化铝陶瓷空心球进行预热并保持在1200～1250摄氏度；

步骤104：通过分段式电炉将容纳腔室和保压部件加热至1500～1550摄氏度；然后将1580～1650摄氏度的高温铁液浇铸到容纳腔室中；

步骤105：开启分子泵并打开阀门，待真空度到达0.01～0.09MPa时，在负压作用下使铁熔液充分浸入到氧化铝陶瓷空心球的间隙中；

步骤106：待到高温铁液基本上全部浸渗到氧化铝陶瓷空心球的间隙之后，关闭分子泵和阀门；并冷却至室温；

步骤107：在室温下保持8～10小时后取出铸锭。

(优选实施例2)

本优选实施例选用铝作为复合材料的金属基体，采用碳化硅陶瓷作为制备空心球的材料。其制备步骤如下：

步骤201：通过常规方法制备出或直接购买直径为6mm的碳化硅陶瓷空心球；

步骤202：将准备好的碳化硅陶瓷空心球放入浓度为51％～55％质量百分数的氢氟酸中进行酸洗处理，之后放入电炉中预热到400～600摄氏度，并保持3～4个小时；

步骤203：在铸模的底部放置一片孔径0.25mm、厚度12mm的多孔陶瓷，计算碳化硅陶瓷空心球的体积与铸模的体积的比例关系(在优选实施例2中设定碳化硅陶瓷空心球的总体积为铸模的体积的50％)确定放入碳化硅陶瓷空心球的数量，然后将预处理后的预定数量的碳化硅陶瓷空心球放入铸模内；在放置过程中兼顾堆积方式，使各个碳化硅陶瓷空心球在铸模内处于稳定状态；在最顶层的碳化硅陶瓷空心球上覆盖一片孔径为10mm、厚度为25mm的石墨板；之后，通过分段式电炉对放入铸模内的碳化硅陶瓷空心球进行预热并保持在550～600摄氏度；

步骤204：通过分段式电炉将容纳腔室和保压部件加热至650摄氏度之后，将650～750摄氏度的铝熔液浇铸到容纳腔室中；

步骤205：开启分子泵并打开阀门，待真空度到达0.01～0.09MPa时，在负压作用下使铝熔液充分浸入到碳化硅陶瓷空心球的间隙中；

步骤206：待到铝熔液基本上全部浸渗到碳化硅陶瓷空心球的间隙之后，关闭分子泵和阀门；并冷却至室温；

步骤207：在室温下保持6～8小时后取出铸锭。

(优选实施例3)

本优选实施例选用铝合金(本领域技术人员可以选择任意合适的铝合金材料，包括但不限于本领域中常用的铝合金材料，或具有特殊用途的铝合金材料等)作为复合材料的金属基体，分别采用碳化硅陶瓷和氧化铝陶瓷作为制备空心球的材料。制备步骤如下：

步骤301：通过常规方法制备出或直接购买直径为8mm的碳化硅陶瓷空心球；通过常规方法制备出或直接购买直径为10mm的氧化铝陶瓷空心球；按照合适的比例，将碳化硅陶瓷空心球和氧化铝陶瓷空心球混合，即形成混合陶瓷空心球。

步骤302：将准备好的混合后的陶瓷空心球放入浓度为51％～55％质量百分数的氢氟酸中进行酸洗处理，之后放入电炉中预热到500～600摄氏度，并保持1～3个小时；

步骤303：在铸模的底部放置一片孔径0.3mm、厚度13mm的多孔陶瓷或石墨板，计算混合后的陶瓷空心球的体积与铸模的体积的比例关系(在优选实施例3中设定混合后的陶瓷空心球的总体积为铸模的体积的45％)确定放入混合空心球的数量，然后将预处理后的预定数量的混合空心球放入铸模内；在放置过程中兼顾堆积方式，使各个混合空心球在铸模内处于稳定状态；在最顶层的混合空心球上覆盖一片孔径为11mm、厚度为28mm的多孔陶瓷或石墨板；之后，通过分段式电炉对放入铸模内的混合空心球进行预热并保持在600～650摄氏度；

步骤304：通过分段式电炉将容纳腔室和保压部件加热至600摄氏度之后，将650～750摄氏度的铝合金熔液浇铸到容纳腔室中；

步骤305：开启分子泵并打开阀门，待真空度到达0.01～0.09MPa时，在负压的作用下使铝合金熔液充分浸入到混合空心球的间隙中；

步骤306：待铝合金熔液基本上全部浸渗到混合空心球的间隙之后，关闭分子泵和阀门；并冷却至室温；

步骤307：在室温下保持7～9小时后取出铸锭。

由于本发明采用利用真空形成的负压并结合保压部件对金属熔液进行牵引，使金属熔液能充分浸入到空心球之间的空隙中，这使得金属基与陶瓷空心球的接触更加紧密，孔洞在金属内的分布更加均匀，从而有效地改善了复合材料的力学性能。另外，由于本发明采用了陶瓷空心球作为增强体，在保证了不影响复合材料压缩性能的情况下，还最大化地降低了复合材料的密度。此外，本发明所提供的制备方法工艺流程简单，易于实现连续铸造生产。

本发明涵盖本领域技术人员应当理解的对本文示例性实施例所做的所有变更、替换、变化、更改和修改。同样，在合适的情况下，所附权利要求涵盖本领域技术人员可以理解的对本文示例性实施例所做的所有变更、替换、变化、更改和修改。

Claims (10)

1.一种金属基陶瓷复合材料，包括金属基体和多个陶瓷空心球，所述陶瓷空心球基本上均匀地分布在所述金属基体中，所述陶瓷空心球的直径范围为6～20mm；所述多个陶瓷空心球的体积之和是所述金属基陶瓷复合材料体积的45～55％。

2.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体选自铝、镁、锌、铜、钛、铁、铝合金、镁合金、锌合金、铜合金、钛合金和铁合金之一。

3.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铁。

4.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铝。

5.如权利要求1所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述金属基体为铝合金。

6.如权利要求1或2所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷空心球由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、金属陶瓷中的一种或多种制成。

7.如权利要求1或2所述的金属基陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷空心球由氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷、氮化硅陶瓷和碳化硅陶瓷中的一种或多种制成。

8.一种制备金属基陶瓷复合材料的方法，包括以下步骤：

预处理步骤，对陶瓷空心球进行酸洗处理，并对经过酸洗处理的陶瓷空心球进行预热处理；

浇铸准备步骤，在铸模底部设置第一垫板，然后将预处理后的陶瓷空心球置入所述铸模内；其中，所置入的陶瓷空心球的总体积占所述铸模体积的45～55％；将第二垫板覆盖在最顶层的陶瓷空心球上面，并开始预热；同时，对金属材料进行加热，并使之处于熔融状态；

制备步骤，将熔化后的金属材料浇铸到容纳腔室内，在浇铸过程中保持在所述铸模内的陶瓷空心球的堆积方式不发生改变；然后，开启分子泵并打开所述铸模底部的阀门，并使所述铸模内的真空度保持在0.01～0.09MPa范围内；此时，在负压的作用下使所述金属材料渗透过所述第二垫板浸入到在所述铸模内的陶瓷空心球之间的间隙中；等待所述材料完全浸入所述陶瓷空心球之间的间隙之后，关闭所述阀门和分子泵；之后，将铸锭冷却至室温；以及

脱模步骤，在室温下保持5～10个小时后，脱模取出所述铸锭。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一垫板为孔径0.25～0.45mm、厚度12～15mm的多孔陶瓷或石墨板。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第二垫板为孔径10～12mm、厚度25～30mm的多孔陶瓷或石墨板。