CN106925761B - 陶瓷颗粒金属复合材料预制体及陶瓷金属复合耐磨件的制备方法 - Google Patents

陶瓷颗粒金属复合材料预制体及陶瓷金属复合耐磨件的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，按照如下步骤制备：(1)、将粘接剂、碳化物陶瓷粉末与合金粉末混合均匀，然后压成薄板，烘干，破碎成0.1‑2mm的预制颗粒坯体；(2)、将步骤(1)的预制颗粒坯体和陶瓷颗粒、粘接剂混合制成多孔陶瓷预制体，烘干。还提供了一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，将上述陶瓷金属复合材料预制体置于型腔中，浇铸金属液成形后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。该方法能够通过调整预制颗粒坯体的粒径和种类，在金属基体中形成一定尺寸和种类的弥散硬质相，从而与原始外加陶瓷颗粒发挥协同效应，不但降低复合材料的制备难度，而且极大提高了复合材料的耐磨性。

Description

陶瓷颗粒金属复合材料预制体及陶瓷金属复合耐磨件的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，本发明还涉及一种陶瓷金属复合耐磨件的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
磨损是预制件产生失效的一种最基本的类型，目前普遍存在于冶金，矿山、火电、机械、水泥、煤矿等许多行业。这造成了原材料的极大浪费和能源的巨大的消耗，据不完全统计，我国每年消耗金属耐磨材料高达500万吨以上。可见提高机械设备及零部件的耐磨性能，可以有效减少能源的消耗，也可以提高劳动生产率。
针对上述情况，有人提将金属和陶瓷制成复合材料，陶瓷金属复合材料是将陶瓷的高耐磨、高硬度性能和金属材料的韧性结合起来的一种新型复合材料。现在我国使用的金属陶瓷复合材料，主要通过国外进口，我国生产的金属陶瓷复合材料，其性能在现阶段与进口产品相比，还有一定的差距。不论国内还是国外的金属陶瓷复合材料，其主要工艺原理是依靠陶瓷颗粒增强金属材料的方法制造。
目前，陶瓷增强金属复合材料的预制体的制备方法普遍采用将陶瓷颗粒和金属粉末和粘接剂等混合或直接将陶瓷颗粒与粘接剂混合，然后压制成型，然后烧结得到预制体。然后将预制体放入铸型中，浇铸基体金属液，得到耐磨件。这样制得的陶瓷预制体，不利于金属液在陶瓷预制体中的渗透，预制体使用的厚度不大。不利于陶瓷颗粒的均匀分布，耐磨性能差。
发明内容
针对现有的问题，本发明的目的在于提供一种陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，本发明还提供一种陶瓷金属复合耐磨件的制备方法，有利于陶瓷颗粒的均匀分布，加大陶瓷颗粒的粒度选择空间，有利于金属液在陶瓷预制体中的渗透，提高预制体使用的厚度，提高耐磨件的耐磨性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，按照如下步骤制备：
(1)、将粘接剂、碳化物陶瓷粉末与合金粉末混合均匀，然后压成薄板，烘干，破碎成0.1-2mm的预制颗粒坯体；
(2)、将步骤(1)的预制颗粒坯体和陶瓷颗粒、粘接剂混合制成多孔陶瓷预制体，烘干。
采用上述方案，我们将碳化物颗粒和合金粉末制成预制颗粒坯体，由于预制颗粒坯体填充于陶瓷颗粒间隙，可以任意比例调节陶瓷颗粒体积分数，陶瓷颗粒分散更均匀，陶瓷颗粒尺寸的选择范围更宽。
由于预制颗粒坯体的热反应有助于金属液在陶瓷预制体中的渗透,可提高预制体使用的厚度，预制颗粒坯体经过热反应(热反应指坯体材料中陶瓷粉与合金粉由高温条件引发生成弥散硬质相的反应)后形成一定尺寸和种类的弥散硬质相分布于金属基体中，复合区陶瓷颗粒间的金属耐磨性得到大幅提升，能够更有效地支撑陶瓷颗粒，与原始外加陶瓷颗粒发挥协同效应，使陶瓷颗粒完全发挥其性能优势，进而使复合材料的整体耐磨性得到大幅提升，并且降低复合材料的制备难度。
上述方案中：步骤(1)中，所述碳化物粉末为碳化硼、碳化硅中的一种或两者的任意比例混合物，粒度为2～50μm。
上述方案中：步骤(1)中，所述合金粉末为钛铁粉、钛粉、钨铁粉、铬铁粉中的一种几种任意比例混合物，粒度为50～100μm。
上述方案中：所述粘接剂为酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、硅溶胶、硅酸钠中的一种或几种任意比例混合物。
上述方案中：所述粘结剂、碳化物陶瓷粉末与合金粉末按质量比为3～60:200:800～1600，将它们放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。保证充分混合均匀。
上述方案中：步骤(1)中，混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体。
上述方案中：步骤(2)中，所述陶瓷颗粒为氧化物、碳化物和氮化物中的一种或几种任意比例颗粒混合物，粒度为0.1～3mm。在这个区间的颗粒大小比较合适，最能体现陶瓷的性能，更有利于发挥陶瓷颗粒的性能优势。陶瓷颗粒为碳化硅、碳化钨、碳化钛、氮化硅、氧化锆、氧化铝、ZTA陶瓷颗粒中的至少一种。
上述方案中：步骤(2)中，所述粘结剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总重量的3-10％。陶瓷颗粒和预制颗粒坯体的体积比例为任意比，实际应用中可根据现场环境和粘结剂品质适量调整。优选陶瓷颗粒和预制颗粒坯体的总体积为预制体型腔总体积的60％左右，也就是说，陶瓷颗粒和预制颗粒坯体不将预制体型腔填满，从而得到多孔陶瓷颗粒，有利于金属液渗透到预制体中，增强其结合强度。
为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，将上述陶瓷金属复合材料预制体置于型腔中，浇铸金属液成形后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
上述方案中：浇注的金属液为高铬铸铁、合金钢、高锰钢中的一种或几种任意比例混合物。
本发明的有益效果是：本发明通过将将碳化物颗粒和合金粉末制成预制颗粒坯体，然后再和陶瓷颗粒制成预制件，预制颗粒坯体填充于陶瓷颗粒间隙，陶瓷颗粒分散更均匀，选择范围更广，预制颗粒坯体在金属基体中形成一定尺寸和种类的弥散硬质相，从而与原始外加陶瓷颗粒发挥协同效应，不但降低复合材料的制备难度，而且极大提高了复合材料的耐磨性。
附图说明
图1为实施例1-5的复合材料耐磨性比较结果图。
图2为本发明制得的耐磨件剖面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的描述：
实施例1：
一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，按照如下步骤制备：
(1)、将粘接剂聚乙烯醇、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的铬铁粉按照重量比3:200:800放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化铝陶瓷颗粒、粘接剂聚乙烯醇混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的5％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例2
一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，按照如下步骤制备：
(1)、将粘接剂聚乙烯醇、粒度为2～50μm的碳化硼陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钨铁粉按照重量比3:200:800放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化铝陶瓷颗粒、粘接剂聚乙烯醇混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的5％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例3
一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，按照如下步骤制备：
(1)、将粘接剂聚乙烯醇、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛铁粉按照重量比3:200:800放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化铝陶瓷颗粒、粘接剂聚乙烯醇混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的5％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例4
一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，按照如下步骤制备：
(1)、将粘接剂聚乙烯醇、粒度为2～50μm的碳化硼陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛铁粉按照重量比3:200:800放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化铝陶瓷颗粒、粘接剂聚乙烯醇混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的5％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例5
按照氧化铝陶瓷颗粒质量的5％称取粘结剂聚乙烯醇，然后二者均匀混合后制作成多孔陶瓷预制体，然后烘干后备用。将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。该制得的耐磨件为图1中的无添加预制颗粒的耐磨件。
实施例6
(1)、将粘接剂酚醛树脂、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛粉按照重量比60:200:1600放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化锆陶瓷颗粒、粘接剂酚醛树脂混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的7％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为2.5:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高锰钢，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例7
(1)、将粘接剂羧甲基纤维素、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛粉按照重量比40:200:1000放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的ZTA陶瓷颗粒、粘接剂羧甲基纤维素混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的6％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:2，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液合金钢，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例8
(1)、将粘接剂聚丙烯酰胺、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛粉按照重量比40:200:1000放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的碳化钛陶瓷颗粒、粘接剂聚丙烯酰胺混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的10％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
实施例9
(1)、将粘接剂硅溶胶、粒度为2～50μm的碳化硅陶瓷粉末与粒度为50～100μm的钛粉按照重量比40:200:1000放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
(2)、混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成预制颗粒坯体，然后过筛，取粒径0.1-2mm之间的预制颗粒坯体。
(3)、将预制颗粒坯体、粒度为0.1～3mm的氧化铝陶瓷颗粒、粘接剂硅溶胶混合制成多孔陶瓷预制体，粘接剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总量的3％，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积比为3:3，预制颗粒坯体和陶瓷颗粒的体积和为预制体型腔体积的60％。然后置于80-150℃烘箱中保温2-4h烘干。
(4)、将制得的多孔陶瓷预制体置于砂型型腔中，浇铸金属液高铬铸铁，成型后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
本发明不局限于上述实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：按照如下步骤制备：
1)将粘结剂、碳化物陶瓷粉末与合金粉末混合均匀，将混合后的物料压实，然后在50～300MPa的压力下压成5～10mm薄板，并置于烘箱中，在80～150℃下保温2～4小时充分烘干，使用对辊破碎机将薄板破碎成0.1-2mm的预制颗粒坯体；
(2)将步骤(1)的预制颗粒坯体和陶瓷颗粒、粘结剂混合制成多孔陶瓷预制体，烘干。
2.根据权利要求1所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述碳化物粉末为碳化硼、碳化硅中的一种或两者的任意比例混合物，粒度为2～50μm。
3.根据权利要求1或2所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述合金粉末为钛铁粉、钛粉、钨铁粉、铬铁粉中的一种或几种任意比例混合物，粒度为50～100μm。
4.根据权利要求3所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：所述粘结剂为酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、硅溶胶、硅酸钠中的一种或几种任意比例混合物。
5.根据权利要求4所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：所述粘结剂、碳化物陶瓷粉末与合金粉末按质量比为3～60:200:800～1600，将它们放入球磨机中机械混合，混合时间8-12h。
6.根据权利要求1所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述陶瓷颗粒为氧化物、碳化物和氮化物中的一种或几种任意比例颗粒混合物，粒度为0.1～3mm。
7.根据权利要求1所述陶瓷金属复合材料预制体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粘结剂的量为预制颗粒坯体和陶瓷颗粒总重量的3-10％。
8.一种陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，其特征在于：将权利要求1-7任一项所述的陶瓷金属复合材料预制体置于型腔中，浇铸金属液成形后获得陶瓷颗粒局部增强金属复合耐磨件。
9.根据权利要求8所述陶瓷金属复合材料耐磨件的制备方法，其特征在于：浇注的金属液为高铬铸铁、合金钢、高锰钢中的一种或几种任意比例混合物。
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