CN107201459B - 一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺 - Google Patents

一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，包括以下步骤：a.将陶瓷颗粒与活性微粉按质量比例40‑80：60‑20均匀混合后，加入水、造孔剂和粘结剂在捏合机中捏合，得到混合均匀的泥料；b.将泥料放入挤出机中挤出成型，干燥定型，在脱胶炉中脱胶；c.将多孔蜂窝陶瓷预制体放置在型腔中，浇注金属液得到复合材料。本发明所述方法生产效率高，可批量生产，易于自动化操作，且通过加入不同粒度的造孔剂，得到的多孔陶瓷预制体孔隙率高；本发明所述方法通过添加活性微粉来改变金属液与陶瓷颗粒的润湿能力；本发明所述方法中所用的造孔剂能过完全分解，在坯料中残留少，不会对复合有不良影响。

Description

一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，属于金属基复合材料领域。
背景技术
多孔蜂窝陶瓷-金属复合材料是一种新型的耐磨复合材料，不仅具有金属基体的高强度、高冲击韧性等特点，还具有陶瓷颗粒的高硬度、高耐磨性等一系列优点，在现代工业应用中表现出优良的性能，并逐步代替传统的金属耐磨材料，适用于冶金、矿山等行业。
目前，陶瓷颗粒增强金属基耐磨材料的工艺有大体可归为三类：一是以粉末
冶金、原位复合为代表的固态成型工艺，二是以金属溶液浸渗法为主的液态工艺，
其中有负压铸造、无压铸造、离心铸造等，三是半固态铸造工艺。其中常用的制
备方法有粉末冶金、原位生成、金属溶液浸渗等。其中金属溶液浸渗法(又称铸渗法)制备工艺最具应用前景，它是利用高温金属液对陶瓷预制体的溶渗实现陶瓷颗粒在金属基体中的弥散分布。该方法具有工艺设备简单、生产周期短、成本低等突出优点，能够根据设备使用要求制定不同的生产工艺，且不受设备大小的限制，且在耐磨设备表面进行局部定位增强，具有较强的可操作性。其预制体是制备复合材料的关键。
专利CN102310183公开了一种高耐磨铁基复合材料及制备方法，其采用大尺寸电熔锆刚玉作为增强颗粒，颗粒尺寸较大，预制体制作困难，使用过程中颗粒易脱落，很难保证复合材料的性能。专利CN101628330 A公开了一种复合蜂窝陶瓷与钢铁复合材料及制备方法，其利用对陶瓷表面除油、粗化、活化或者镀活化金属来改善金属液对陶瓷的润湿性，但是此方法较为复杂，难以工业化推广。专利CN 1128297 A、CN 101899586 A、CN101898239 A、CN101899585A公开了几种复合材料增强体及利用该增强体制备复合材料的方法，预制体制作工艺复杂，工艺条件高，复合材料有的还需要负压成型，且有些方法加入金属粉的量不易控制。专利CN 102310596 A公开了一种陶瓷颗粒局部定位增强耐磨复合材料的制备方法，其利用薄壁的金属钢管固定陶瓷颗粒制得预制体，然后放入铸型浇注，得到耐磨性良好的复合材料，但是该方法制备出的预制体因钢管的存在会阻碍金属液浸润。专利CN 102513522 A公开了一种陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料制备方法，通过烧结或者粘结使合金粉末和陶瓷颗粒形成条状，然后拼接成网状，最后浇注成型。预制体工艺复杂，且合金粉末在金属液熔渗过程中吸热过多，很容易在结合区形成缩孔缺陷，影响复合材料性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，改善其使用效果。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，包括以下步骤：
a.将陶瓷颗粒与活性微粉按质量比例40-80：60-20均匀混合后，加入水、造孔剂和粘结剂在捏合机中捏合，得到混合均匀的泥料；其中造孔剂含量占混合泥料体积的80％-160％；粘结剂占混合泥料质量分数的5％-15％；
b.将泥料放入挤出机中挤出成型，干燥定型，在脱胶炉中脱胶，其脱胶工艺如下：坯料烘干定型后，放入脱胶炉中：①从室温以3-5℃/min升到100-120℃，保温20-40min；②以2℃/min升到300-450℃，保温30-60min；③以3-5℃/min升温到600-650℃，保温30-60min；④以5-6℃/min升温到900℃，保温60-120min；最后随炉冷却到室温；脱胶过程中②-③之间通入氮气；脱胶过程中③-④之间通入干燥空气；
c.将多孔蜂窝陶瓷预制体放置在型腔中，浇注金属液得到复合材料。
优选地，陶瓷颗粒粉末的粒度为80-200目，陶瓷的种类为氧化锆增韧氧化铝、碳化钨、碳化硅或碳化钛。
优选地，活性微粉为碳化钛、碳化硼、二氧化钛、碳化硅、铁粉、钨粉、铬粉、碳粉、硅粉中的一种或者多种按任意比例混合；其中微粉的粒度为200-500目。
优选地，所用粘结剂为羟丙基甲基纤维素、水玻璃或聚乙烯醇缩丁醛。
优选地，所用造孔剂为三种不同粒度造孔剂按任意比例混合而成，这三种不同粒度造孔剂的粒度分别为：粗粒度为20-40目、中等粒度为80-120目、细粒度为200-400目。
优选地，预制体厚度为5-50mm，蜂窝孔壁厚为2-12mm，蜂窝孔孔径5-20mm。
优选地，所采用的脱胶炉包括炉体、控温装置、进气装置、排气装置、坯料架，所述进气装置置于炉子底部，为螺型耐热钢管，螺型管上均匀分布有直径为1-2mm的出气口；所述进气装置配有流量控制器；所述排气装置位于炉体上部，尾气排出后可无害化处理；所述控温装置能很好的保持炉内温度均匀。
该发明的有益效果在于：本发明所述方法生产效率高，可批量生产，易于自动化操作，且通过加入不同粒度的造孔剂，得到的多孔陶瓷预制体孔隙率高，且预制体具有良好的强度；本发明所述方法通过添加活性微粉来改变金属液与陶瓷颗粒的润湿能力；本发明所述方法中所用的造孔剂能过完全分解，在坯料中残留少，不会对复合有不良影响；本发明所述方法中所用的脱胶炉操作简单，设备成本低，脱胶效果好，炉体内温度均匀保证了脱胶的质量，可更加需要通入不同气体。脱胶过程中②-③之间通入氮气，使得坯料中的粘结剂碳化，坯料不易坍塌；③-④之间通入干燥空气，以保证造孔剂和粘结剂完全分解，并且从坯料中排除，减小坯料中杂质。
附图说明
图1是本发明预制体结构示意图。
图2是预制体剖面示意图。
图3是预制体立体示意图。
图4是本发明ZTA颗粒/高铬铸铁复合材料微观铸态组织图。
图5是本发明ZTA颗粒/高锰钢复合材料示意图。
图6是本发明的坯料脱胶工艺。
图7是本发明的脱胶炉进气装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。图1是本发明预制体结构示意图。图2是预制体剖面示意图。图3是预制体立体示意图。图4是本发明ZTA颗粒/高铬铸铁复合材料微观铸态组织图。图5是本发明ZTA颗粒/高锰钢复合材料示意图。图6是本发明的坯料脱胶工艺。图7是本发明的脱胶炉进气装置结构示意图。
实施例1
本实施实例所述预制体的制备方法具体如下：
1.将80目的锆刚玉陶瓷颗粒与硼化钛粉末、钨粉、碳粉按80：2：16:2混合均匀后，加入占质量分数20％的水、占体积分数100％的造孔剂，再加入占质量分数10％的羟丙基甲基纤维素和5％的水玻璃，然后在捏合机中捏合，得到混合均匀的泥料；其中粉末粒度为500目，造孔剂为专用陶瓷成孔剂，粒度为20目，90目，200目，比例为2:3:5；
2.将泥料放入挤出机中挤出成型，微波加热干燥定性。其中挤出成型的压力为10MPa，模具为蜂窝状，蜂窝孔径为10mm，壁厚为5mm；
3.把坯料放入到脱胶炉中，其脱胶工艺为：从室温以5℃/min升到120℃，保温30min，使得坯料干燥，水玻璃固化；以3℃/min升到320℃，保温50min，此阶段通入氮气，使得坯料中的粘结剂碳化，坯料不易坍塌；以5℃/min升温到620℃，保温30-60min；以6℃/min升温到900℃，保温60min，此阶段通入干燥空气，以保证造孔剂和粘结剂完全分解，并且从坯料中排除，减小坯料中杂质；最后随炉冷却到室温；
4.把多孔蜂窝陶瓷预制体放置型腔中，浇注高铬铸铁金属液，得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
所制备出的预制体孔隙率高和强度大，用此预制体所制备出的复合材料陶瓷颗粒能均匀分布在基体中具有更好耐磨性和抗冲击性，钨粉的加入能够细化复合区基体组织，进一步提高复合材料耐磨性。
实施例2
本实施实例所述预制体的制备方法具体如下：
1.将80目的锆刚玉陶瓷颗粒与钛粉末、铁粉、碳化硅、碳粉按80：10：6:2:2混合均匀后，加入占质量分数18％的水、占体积分数110％的造孔剂，再加入占质量分数10％的羟丙基甲基纤维素和5％的水玻璃，然后在捏合机中捏合，得到混合均匀的泥料；其中粉末粒度为500目，造孔剂为专用陶瓷成孔剂，粒度为40目，100目，180目，比例为2:4:4；
2.将泥料放入挤出机中挤出成型，微波加热干燥定性。其中挤出成型的压力为10MPa，模具为蜂窝状，蜂窝孔径为10mm，壁厚为5mm；
3.把坯料放入到脱胶炉中，其脱胶工艺为：从室温以5℃/min升到100℃，保温30min，使得坯料干燥，水玻璃固化；以3℃/min升到320℃，保温50min，此阶段通入氮气，使得坯料中的粘结剂碳化，坯料不易坍塌；以5℃/min升温到620℃，保温30-60min；以6℃/min升温到900℃，保温60min，此阶段通入干燥空气，以保证造孔剂和粘结剂完全分解，并且从坯料中排除，减小坯料中杂质；最后随炉冷却到室温；
4.把多孔蜂窝陶瓷预制体放置型腔中，浇注高锰钢金属液，得到陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
所制备出的预制体孔隙率高和强度大，用此预制体所制备出的复合材料陶瓷颗粒能均匀分布在基体中具有更好耐磨性和抗冲击性，钛粉和碳粉的加入能够在浇注过程中生成碳化钛，弥散在复合区的基体中，进一步提高复合材料强度和耐磨性。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，其特征在于：包括以下步骤：
a.将陶瓷颗粒与活性微粉按质量比例40-80：60-20均匀混合后，加入水、占体积分数为80％-160％的造孔剂和占质量分数为5％-15％的粘结剂在捏合机中捏合，得到混合均匀的泥料；
活性微粉为碳化钛、碳化硼、二氧化钛、碳化硅、铁粉、钨粉、铬粉、碳粉、硅粉中的一种或者多种按任意比例混合；其中微粉的粒度为200-500目；
b.将泥料放入挤出机中挤出成型，干燥定型，在脱胶炉中脱胶，其脱胶工艺如下：坯料烘干定型后，放入脱胶炉中：①从室温以3-5℃/min升到100-120℃，保温20-40min；②以2℃/min升到300-450℃，保温30-60min；③以3-5℃/min升温到600-650℃，保温30-60min；④以5-6℃/min升温到900℃，保温60-120min；最后随炉冷却到室温；脱胶过程中②-③之间通入氮气；脱胶过程中③-④之间通入干燥空气；
所用造孔剂为三种不同粒度造孔剂按任意比例混合而成，这三种不同粒度造孔剂的粒度分别为：粗粒度为20-40目、中等粒度为80-120目、细粒度为200-400目；
c.将多孔蜂窝陶瓷预制体放置在型腔中，浇注金属液得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，其特征在于：陶瓷颗粒粉末的粒度为80-200目，陶瓷的种类为碳化钨、碳化硅、碳化钛或氧化锆增韧氧化铝。
3.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，其特征在于：所用粘结剂为羟丙基甲基纤维素、水玻璃或聚乙烯醇缩丁醛。
4.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，其特征在于：预制体厚度为5-50mm，蜂窝孔壁厚为2-12mm，蜂窝孔孔径5-20mm。
5.根据权利要求1所述的一种金属基复合材料预制体的脱胶工艺，其特征在于：所采用的脱胶炉包括炉体、控温装置、进气装置、排气装置、坯料架，所述进气装置置于炉子底部，为螺型耐热钢管，螺型管上均匀分布有直径为1-2mm的出气口；所述进气装置配有流量控制器；所述排气装置位于炉体上部，尾气排出后可无害化处理；所述控温装置能很好的保持炉内温度均匀。
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