CN106747554A - 一种不锈钢‑陶瓷复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种不锈钢‑陶瓷复合材料的制备方法，包括：步骤一：在陶瓷材料复合面设有不规则凹槽；步骤二：将步骤一中的陶瓷材料复合面浸渍于腐蚀液中，其中腐蚀液由氢氟酸和盐酸的混合水溶液；步骤三：在陶瓷材料复合面凹槽中填充金属或金属氧化物粉体烧结成型；步骤四：将步骤三中的陶瓷材料置于模具中，利用粉末冶金工艺将不锈钢预制粉末在陶瓷材料复合面注射成型，冷却后得到金属陶瓷复合制品。本发明通过对陶瓷材料的处理和对工艺的控制，通过金属粉末注射实现了金属与陶瓷基体的无缝连接，使制备得到的金属‑陶瓷复合材料既具备高强度又具有耐腐蚀的陶瓷面。

Description

一种不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种不锈钢与陶瓷复合复合材料的制备方法。
背景技术
在许多工业领域中对储存液体容器的性能有非常高的要求，如在制药、食品、化工等工业领域内，许多都要求储液容器不仅强度高、耐机械冲击以适应工艺加工过程中的碰撞、运输，而且还要求容器内壁与液体接触的地方要耐受液体的腐蚀。在现有技术中，多采用钛金属、不锈钢或者二者与其他金属的复合材料来制作上述容器，但是这些材料存在一些缺陷：1、金属钛或者不锈钢等纯金属材料耐腐蚀效果不理想；2、复合强度不够，主要是生产工艺受限所致，现有技术中的工艺制备方法难以让两种完全不同材质的金属材料完全复合；3、两种金属复合以后，由于膨胀系数的差异，在长期使用过程中，尤其在容易经历高低温循环的工作环境中，金属复合材料容易相互脱离，影响使用。
针对上述存在的问题，一些研究提出将金属材料与陶瓷材料进行复合以获得两者的优势——同时具有陶瓷材料的耐磨耐蚀性以及金属材料的高强度高韧性。现有技术中金属-陶瓷复合材料制备方法主要包括粉末冶金、挤压铸造喷射沉积等，就目前的工艺看来，金属-陶瓷复合材料的制作工艺复杂、成本高。市售的大多数金属-陶瓷复合材料是采用在陶瓷基体上利用PVD法来沉积金属，这种方法得到的金属层非常薄，与陶瓷基体的结合力不高，在实际使用过程中只能作为装饰品使用，不能作为特殊容器或者制件进行使用。
发明内容
本发明针对现有技术中金属-陶瓷复合材料制作工艺难、无工业实用性的问题提供了一种新的金属-陶瓷复合材料的制备方法，通过对陶瓷材料的处理和对工艺的控制，通过金属粉末注射实现了金属与陶瓷基体的无缝连接，使制备得到的金属-陶瓷复合材料既具备高强度又具有耐腐蚀的陶瓷面。
本发明所要解决的技术问题通过以下步骤予以实现：
本发明提供的不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：在陶瓷材料复合面设有不规则凹槽，凹槽深度为0.1-0.6mm；凹槽形状可设为波浪形或者不连续的圆点坑状。
进一步优选，凹槽深度为0.3-0.6mm。
步骤二：将步骤一中的陶瓷材料复合面浸渍于腐蚀液中，其中腐蚀液由氢氟酸和盐酸的混合水溶液；其中氢氟酸采用40wt%的氢氟酸，在腐蚀液中的浓度为20-80ml/L，盐酸采用浓盐酸，在腐蚀液中的浓度为260-320 ml/L；浸渍的条件为：温度55-85℃、浸渍时长为20-60min。
步骤三：在陶瓷材料复合面凹槽中填充金属或金属氧化物粉体，在真空度为10-3-10-2Pa、温度为900-1400℃条件下烧结成型；进一步地，填充的金属或金属氧化物为Zr、Co、ZrC、ZrO2、不锈钢、非晶合金中的一种或多种，填充的金属或金属氧化物粉体粒度为1-30μm，烧结时间为1.5-2.5h。
步骤四：将步骤三中的陶瓷材料置于模具中，利用粉末冶金工艺将不锈钢预制粉末在陶瓷材料复合面注射成型，冷却后得到金属陶瓷复合制品。
进一步地，适用于上述复合材料制备方法的陶瓷为碳化硅或者氮化硅陶瓷。
进一步地，完成步骤四之后还包括对复合材料表满的抛磨以及喷砂处理。
在许多制备不锈钢-陶瓷复合材料的方法中，采用的是直接将不锈钢注射至陶瓷表面，尽管能够一体成型，但是两者结合力差。在本发明提供的方法中，同样也是利用粉末冶金工艺将不锈钢预制粉末在陶瓷材料复合面注射成型，但是在注射不锈钢之前对陶瓷材料复合面进行预处理以增进两种材料之间的结合力。
首先在制作陶瓷材料的时候需预先在陶瓷材料复合面设置不规则凹槽，并控制凹槽深度为0.1-0.6mm，凹槽形状可设为波浪形或者不连续的圆点坑状。凹槽是为了后续注射过程中容置不锈钢液，使两种材料之间形成不规则的相接面，增加两种材料复合面的面积。仅仅增加复合面面积是不够的，通过步骤二中的酸液浸渍，可使陶瓷材料复合面上增加有细小的孔隙，这些细小孔隙在粉末注塑不锈钢的过程中可有效渗透不锈钢液，将不锈钢牢牢嵌入复合面中，进一步增加陶瓷材料与不锈钢的结合力。进一步地，选择更为优选的陶瓷和烧结条件以满足整体工艺的需求。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种制作工艺简单、实用的新的金属-陶瓷材料的制备方法，
通过对陶瓷材料的处理和对工艺的控制，通过金属粉末注射实现了金属与陶瓷基体的无缝连接，使制备得到的金属-陶瓷复合材料既具备高强度又具有耐腐蚀的陶瓷面。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的内容进行进一步的描述。
1、材料的选择
本实施例中材料的选择如下表所示：
上述实施例中的凹槽填充材料包含两种材料的，每种材料质量各占50%。
2、复合材料的制备
按照1中的材料选择陶瓷材质，制成长宽厚为10×10cm×1cm的陶瓷片材，任意选择一面为复合面。在制备陶瓷片材的过程中，改变模具形状即可获得不规则的波浪形表面；制备出表面平整的陶瓷片材，利用相同材质的喷砂料进行喷砂，可获得具有不连续圆点坑状表面。在上述喷砂步骤中需注意，喷砂力需要进行控制以免造成陶瓷片材的损毁，可控制喷砂力度进行多次喷砂获得所需表面。陶瓷片材表面的凹槽深度为0.1-0.6mm，优选为0.3-0.6mm，在此范围内即可，无需要求凹槽深度一致。在本实施例中所有复合材料的制备过程中都选择凹槽深度范围在0.4-0.5mm。
将35ml/L的40wt%的氢氟酸与315ml/L的浓盐酸配置成腐蚀液（溶剂为去离子水），在水浴加热至80℃恒温条件下，将陶瓷片材复合面浸渍于腐蚀液中浸渍50min。浸渍结束后，用去离子水洗净陶瓷试片表面，烘干，然后填充凹槽填充材料，填充材料为粉体材料，在本实施例中选择粒度为8μm左右的粉体，将凹槽填满后，在真空度为10-3Pa，温度为900-1400℃条件下烧结成型。具体烧结温度如下表。
烧结完毕，陶瓷片材冷却后，将陶瓷片材放置于不锈钢粉末注射的模具中，利用粉末冶金工艺将不锈钢预制粉末在陶瓷材料复合面注射成型，冷却后得到金属陶瓷复合制品。将制得的金属陶瓷复合制品表面进行抛磨使其表面光滑美观。
对比例3中，将不锈钢直接粉末注射于陶瓷片材上。
对实施例和对比例中所制备得到的复合材料进行评价：实施例1-10号所制得的复合材料外形好，结合力强，金属摆锤冲击试验中，破碎后不锈钢仍然与陶瓷材料结合在一起，对比例1-2中陶瓷和不锈钢之间在冲击下破碎，破碎物中有不同程度的分离，对比例3中的复合材料则完全分离，证明实施例1-10中所制得的复合材料结合力好。在实验过程中发现，填充材料中包含一定含量的Co金属，烧结过程和后续不锈钢注射成型过程中，不锈钢液渗透的效果最好，包含有非晶合金的凹槽填充材料在不锈钢注射成型过程中与不锈钢之间的结合力最佳。
在应用实施例中的工艺中，氧化铝陶瓷和硅酸盐陶瓷对实施例中的腐蚀液耐受能力不佳，不建议使用本发明中提供的腐蚀液进行处理。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：在陶瓷材料复合面设有不规则凹槽，凹槽深度为0.1-0.6mm；
步骤二：将步骤一中的陶瓷材料复合面浸渍于腐蚀液中，其中腐蚀液由氢氟酸和盐酸的混合水溶液；其中氢氟酸采用40wt%的氢氟酸，在腐蚀液中的浓度为20-80ml/L，盐酸采用浓盐酸，在腐蚀液中的浓度为260-320 ml/L；
步骤三：在陶瓷材料复合面凹槽中填充金属或金属氧化物粉体，在真空度为10-3-10- 2Pa、温度为900-1400℃条件下烧结成型；
步骤四：将步骤三中的陶瓷材料置于模具中，利用粉末冶金工艺将不锈钢预制粉末在陶瓷材料复合面注射成型，冷却后得到金属陶瓷复合制品。
2.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中凹槽为波浪形。
3.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤一中凹槽为不连续的圆点坑状。
4.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中浸渍的条件为：温度55-85℃、浸渍时长为20-60min。
5.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中填充的金属或金属氧化物为Zr、Co、ZrC、ZrO2、不锈钢、非晶合金中的一种或多种。
6.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中填充的金属或金属氧化物粉体粒度为1-30μm。
7.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤三中的烧结时间为1.5-2.5h。
8.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷为碳化硅或者氮化硅陶瓷。
9.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：所述凹槽深度为0.3-0.6mm。
10.如权利要求1所述不锈钢-陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于：步骤四之后还包括抛磨及喷砂处理。
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