CN107398544B - 一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维网络陶瓷‑铁基复合材料的消失模铸造方法，将三维网络陶瓷的表面处理并化学镀覆，制模型簇，刷耐火涂料并烘干，埋砂造型震动，金属基体熔炼，砂箱抽负压，铁基体球化并孕育，浇铸，开箱打砂。泡沫陶瓷主要成分为SiC、Al₂O₃，金属的熔炼在中频炉中进行。本方法比现有的制备方法操作更简洁、生产工艺短，工艺成本更低廉，适用于各种尺寸铸件的制备，可制备出不同陶瓷增强部位，不同陶瓷含量，不同形状要求的铸件。

Description

一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，涉及一种陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，特别涉及一种三维网络陶瓷增强铁基复合材料的制备方法。

背景技术

陶瓷增强铁基复合材料既具有陶瓷材料耐磨损、耐高温、耐腐蚀等优异的性能，同时又具有金属基体高韧性、导电导热的优异性能，因此陶瓷增强铁基复合材料将会在耐磨损、耐高温、耐腐蚀等领域有重要的应用。按照陶瓷增强金属基复合材料的类型可分为：零维增强（颗粒增强）、一维增强（纤维增强）、二维增强（表面增强）以及三维增强（网络增强）。三维网络陶瓷增强金属基复合材料相对于零维，一维、二维增强来讲，在复合材料中可形成陶瓷和金属基体的双连续相，以保证材料在使用过程中不会出现增强体脱落、剥离的现象。同时，三维网络陶瓷和金属基体在复合材料中互相约束、互相支撑，材料的摩擦性能也因此而得到保证。

目前，上述前三种增强方式的文献较多，其制备方法主要有粉末冶金法、原位反应铸造法、浸渗铸造法（无压铸造和压力铸造）以及气相合成法等。

粉末冶金法操作简单、工艺上容易实现，可用于制备各种陶瓷金属复合材料，并且通过控制压制压力和烧结工艺可以达到致密度在95%以上的致密体。但是，缺点是在微观结构上不能达到完全致密化，存在一定的孔洞，材料的力学性能较致密材料有大幅度下降。热等静压法应用于粉末冶金，可以提高材料的致密度和力学性能，但在成形过程中由于陶瓷相团聚于金属颗粒周围，很难制备成分均匀的复合材料。近年来，即使将放电等离子烧结技术应用于粉末冶金中，依然会存在上述问题，目前技术只能制备体积小、形状简单的试样。

又例如原位反应铸造法的陶瓷相直接与金属熔液接触，界面结合好，可以得到体积分数比较大的陶瓷相。但缺点有如下几点：复合工艺的灵活性差，陶瓷体形态不能控制，复合结构中易出现尖角与孔洞，且只能得到纳米尺度的氧化铝陶瓷增强相，故该方法并不能充分发挥材料的性能。

浸渗法按有无压力可分为压力浸渗和无压负压浸渗。压力浸渗类似于挤压铸造，在机械压力下挤压铸造，或利用高压气体作用于中低温（900℃以下）金属熔液上；无压负压浸渗利用毛细管力的作用，使金属熔液在陶瓷预制体中自发地攀升，占据孔洞的空间，并且与陶瓷的界面牢固结合，这就要求金属与陶瓷之间是完全润湿的。而铁合金熔液一般与陶瓷的润湿性差，因此，仅利用无压负压浸渗，不适用于制备陶瓷合金复合材料。活化浸渗，通过在陶瓷体中加入活化元素，利用活性元素改善陶瓷与金属熔液之间的润湿性。这样，在活性元素的作用下，金属熔液浸渗能够在毛细管力的作用下进行。此工艺形式灵活，比较容易控制复合材料中陶瓷体的体积分数、陶瓷体结构和空间分布等，可以制备复杂形状的复合材料，不利之处是经济性稍差。

综述以上各种制备方法，陶瓷与金属基体的润湿性差，高温下的界面反应仍是制约陶瓷-金属复合材料发展与应用的一大难题。

随着工业社会的飞速发展，对材料性能的要求日益提高，三维网络陶瓷增强铁基复合材料将有及大的应用空间。因此采用消失模铸造方法制备三维网络陶瓷-铁基复合材料可获得致密度98%以上的陶瓷-铁基复合材料，且通过在三维网络陶瓷表面化学镀覆Ni-P镀层，可有效改善陶瓷与金属基体之间的浸润性，并阻碍界面反应的发生，防止脆性相生成破坏界面的结合。比现有的制备方法操作更简洁、生产工艺短，工艺成本更低廉，适用于各种尺寸铸件的制备，且可实现在铸件中特定位置的增强作用。

发明内容

发明目的：

为解决现有技术存在的不足，提供一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，比现有的制备方法操作更简洁、生产工艺短，工艺成本更低廉，适用于各种尺寸铸件的制备，可制备出不同陶瓷增强部位，不同陶瓷含量，不同形状要求的铸件。

技术方案：

一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）对三维网络陶瓷在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液对三维网络陶瓷表面进行化学镀镍；

（2）将三维网络陶瓷预设定在铸件需要增强的位置，使用泡沫线切割机将泡沫切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷位置处的泡沫抠出后，将三维网络陶瓷安放其中，并用泡沫薄片对三维网络陶瓷进行全部外包覆，采用消失模铸造专用冷胶进行粘结，成为一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干2-3次，从而在模型簇表面形成硬质壳体，将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，并对砂箱用振动台振实；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.02-0.04Mpa，使沙箱保持在负压状态，保压时间为3-10min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1450-1500℃；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，进行开箱，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料。

所述硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液20-28g/L，次亚磷酸钠溶液30-35g/L，醋酸钠溶液20-25g/L，柠檬酸钠溶液5-10g/L以及氯化铅溶液0.003-0.010g/L配置化学镀液并升温至70℃-80℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层。

所述泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至100-120℃，对泡沫进行切割，将切割后的泡沫以及泡沫薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，使其成为完整的一体。

所述薄片厚度为1-1.5mm。

所述填砂造型时，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度。

所述球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束。

所述金属液浇注入砂箱中的浇注系统时，泡沫遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出。

所述浇铸温度为1520℃，开箱温度为900-1100℃，开箱时间为15-45min。

优点及效果：

1.本发明提出的消失模铸造法制备的三维网络陶瓷增强铁基复合材料，使三维网络陶瓷与金属基体之间形成互相贯通的三维连通网络结构，使陶瓷和金属之间形成很强的互相紧约束关系。这种关系的存在一方面使金属优异的延展性能、导电导热性能得到了延续，另一方面使陶瓷材料所具备的耐磨性、耐腐蚀、耐高温性能得到了发挥，二者相结合，进而使复合材料具备稳定的摩擦性能和良好的耐热性能，提供了材料的结构基础。

2.采用消失模铸造制备工艺还可以实现其他铸造工艺无法实现的特定陶瓷增强部位的定位技术。不仅在板状或块状材料的表面可进行陶瓷增强，同样在复杂形状的铸件中，例如铲尖、曲面、环形铸件等材料表面依然可以通过对泡沫切削形状、陶瓷材料的打磨进行调整，从而延续复合材料的增强作用，制备的复合材料致密、强度高，因此该发明方法有着很广阔的应用前景以及发展方向。

3.本发明解决了一直以来制约陶瓷与金属基复合的界面问题，不仅改善了两者之间润湿性差的难题，同时阻碍界面反应的发生，通过Ni元素的溶解并扩散，很大程度上促进了陶瓷与金属基体之间的结合方式，使界面结合力有所提高，从而在整体上提高了陶瓷-金属基材料的综合力学性能，使该复合材料更好的适用于生产和应用。

4.本发明方法不局限于制备陶瓷增强铁基复合材料，同样适用于制备其他金属基体的复合材料，例如低熔点铝合金、镁合金，高熔点铜合金、钛合金、钢铁材料等一系列合金元素。以同样的原理制备出模型簇后，将熔融态金属液浇铸并抽负压后，可分别制备不同金属基体的陶瓷增强材料，因此该发明是可在三维网络陶瓷增强金属基复合材料领域广泛推广的。

附图说明

图1为泡沫对三维网络陶瓷包覆的示意图；

图2为通过消失模铸造法得到的三维网络陶瓷-铁基复合材料示意图；

图3为实施例1中得到的镀镍三维网络陶瓷表面SEM图片；

图4为实施例2中得到的镀镍三维网络陶瓷表面SEM图片；

图5为实施例3中得到的镀镍三维网络陶瓷表面SEM图片；

图6为实施例1中制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料局部微观形貌图片；

图7为实施例2中制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料局部微观形貌图片；

图8为实施例3中制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料局部微观形貌图片。

所述标注为：1.泡沫、2.球铁基体、3.三维网络陶瓷。

具体实施方式

一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，包括以下步骤：

（1）对三维网络陶瓷3在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液20-28g/L，次亚磷酸钠溶液30-35g/L，醋酸钠溶液20-25g/L，柠檬酸钠溶液5-10g/L以及氯化铅溶液0.003-0.010g/L配置化学镀液并升温至70℃-80℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层，对三维网络陶瓷3表面进行化学镀镍；

（2）将三维网络陶瓷3预设定在铸件需要增强的位置，泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至100-120℃，对泡沫1进行切割，使用泡沫线切割机将泡沫1切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷3位置处的泡沫1抠出后，将三维网络陶瓷3安放其中，并用厚度为1-1.5mm的泡沫1薄片对三维网络陶瓷3进行全部外包覆，将切割后的泡沫1以及泡沫1薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，使其成为完整一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干2-3次，从而在模型簇表面形成硬质壳体。将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，并对砂箱用振动台进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.02-0.04Mpa,使沙箱保持在负压状态，保压时间为3-10min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1450-1500℃，球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，防止金属液直接与球化剂反应，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，泡沫1遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度为1520℃，浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，开箱温度为900-1100℃，进行开箱，开箱时间为15-45min，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料。

如图2所示，为采用消失模铸造技术制备出的复合材料宏观示意图，其中陶瓷相为黑色区域，铁基体为白色区域，二者相互贯穿，彼此支撑，从而在性能上优于其他增强方式，如陶瓷颗粒增强和纤维增强等。

实施例1

（1）对三维网络陶瓷3在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液20g/L，次亚磷酸钠溶液30g/L，醋酸钠溶液20g/L，柠檬酸钠溶液5g/L以及氯化铅溶液0.003g/L配置化学镀液并升温至70℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层，对三维网络陶瓷3表面进行化学镀镍；镀覆后三维网络陶瓷3表面形貌如图3所示，所得的Ni-P复合镀层均匀、致密，且牢固的以胞状附着在三维网络陶瓷3表面，为与金属基的复合过程提供了基础；

（2）将三维网络陶瓷3预设定在铸件需要增强的位置，泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至100℃，对泡沫1进行切割，使用泡沫线切割机将泡沫1切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷3位置处的泡沫1抠出后，将三维网络陶瓷3安放其中，并用厚度为1-1.5mm的泡沫1薄片对三维网络陶瓷3进行全部外包覆，将切割后的泡沫1以及泡沫1薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，如图1所示，使其成为完整一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干2次，从而在模型簇表面形成硬质壳体。将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，并对砂箱用振动台进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.02Mpa,使沙箱保持在负压状态，保压时间为3min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1450℃，球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，防止金属液直接与球化剂反应，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，泡沫1遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度为1520℃，浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，开箱温度为900℃，进行开箱，开箱时间为15min，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料。

如图6所示，为通过实施例1制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料微观形貌图，其中暗色区域为陶瓷，亮色区域为球铁基体2。陶瓷含量占复合材料总体积的39.60%，平均密度为5.48g/m3,比强度提高25.60%。在暗色区域中SiC呈白色块状存在，Al₂O₃为黑色细碎状，在摩擦磨损试验中陶瓷以其自身的硬度、耐磨性在整体上提高了复合材料的耐磨强度，并对相对较软的球铁基体2起到了保护的作用。通过在三维网络陶瓷3表面镀覆Ni-P镀层，实现了金属基体与陶瓷在高温下的良好结合，从图中可以看出两者的界面结合良好，无界面反应发生，无微观、宏观缺陷，从而极大促进了复合材料的综合性能的提高。采用消失模铸造技术制备陶瓷-铁基复合材料，在无需施加外压力的前提下，工艺过程简洁，成品率高，且制得的复合材料性能极佳。

实施例2

（1）对三维网络陶瓷3在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液28g/L，次亚磷酸钠溶液35g/L，醋酸钠溶液25g/L，柠檬酸钠溶液10g/L以及氯化铅溶液0.010g/L配置化学镀液并升温至80℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层，对三维网络陶瓷3表面进行化学镀镍；镀覆后三维网络陶瓷3表面形貌如图4所示，所得的Ni-P复合镀层均匀、致密，且牢固的以胞状附着在三维网络陶瓷3表面，为与金属基的复合过程提供了基础；

（2）将三维网络陶瓷3预设定在铸件需要增强的位置，泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至120℃，对泡沫1进行切割，使用泡沫线切割机将泡沫1切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷3位置处的泡沫1抠出后，将三维网络陶瓷3安放其中，并用厚度为1.5mm的泡沫1薄片对三维网络陶瓷3进行全部外包覆，将切割后的泡沫1以及泡沫1薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，如图1所示，使其成为完整一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干3次，从而在模型簇表面形成硬质壳体。将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，并对砂箱用振动台进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.04Mpa,使沙箱保持在负压状态，保压时间为10min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1500℃，球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，防止金属液直接与球化剂反应，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，泡沫1遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度为1520℃，浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，开箱温度为1100℃，进行开箱，开箱时间为45min，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料。

如图7所示，为通过实施例2制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料微观形貌图，其中暗色区域为陶瓷，亮色区域为球铁基体2。陶瓷含量占复合材料总体积的42.30%，平均密度为5.37g/m3,比强度提高25.80%。在暗色区域中SiC呈白色块状存在，Al₂O₃为黑色细碎状，在摩擦磨损试验中陶瓷以其自身的硬度、耐磨性在整体上提高了复合材料的耐磨强度，并对相对较软的球铁基体2起到了保护的作用。通过在三维网络陶瓷3表面镀覆Ni-P镀层，实现了金属基体与陶瓷在高温下的良好结合，从图中可以看出两者的界面结合良好，无界面反应发生，无微观、宏观缺陷，从而极大促进了复合材料的综合性能的提高。采用消失模铸造技术制备陶瓷-铁基复合材料，在无需施加外压力的前提下，工艺过程简洁，成品率高，且制得的复合材料性能极佳。

实施例3

（1）对三维网络陶瓷3在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液25g/L，次亚磷酸钠溶液32g/L，醋酸钠溶液22g/L，柠檬酸钠溶液8g/L以及氯化铅溶液0.005g/L配置化学镀液并升温至75℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层，对三维网络陶瓷3表面进行化学镀镍；镀覆后三维网络陶瓷3表面形貌如图5所示，所得的Ni-P复合镀层均匀、致密，且牢固的以胞状附着在三维网络陶瓷3表面，为与金属基的复合过程提供了基础；

（2）将三维网络陶瓷3预设定在铸件需要增强的位置，泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至110℃，对泡沫1进行切割，使用泡沫线切割机将泡沫1切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷3位置处的泡沫1抠出后，将三维网络陶瓷3安放其中，并用厚度为1.3mm的泡沫1薄片对三维网络陶瓷3进行全部外包覆，将切割后的泡沫1以及泡沫1薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，如图1所示，使其成为完整一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干3次，从而在模型簇表面形成硬质壳体。将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，并对砂箱用振动台进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.03Mpa,使沙箱保持在负压状态，保压时间为5min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1480℃，球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，防止金属液直接与球化剂反应，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，泡沫1遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度为1520℃，浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，开箱温度为1005℃，进行开箱，开箱时间为28min，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料。

如图8所示，为通过实施例3制备的三维网络陶瓷-铁基复合材料微观形貌图，其中暗色区域为陶瓷，亮色区域为球铁基体2。陶瓷含量占复合材料总体积的40.50%，平均密度为5.46g/m3,比强度提高25.70%。在暗色区域中SiC呈白色块状存在，Al₂O₃为黑色细碎状，在摩擦磨损试验中陶瓷以其自身的硬度、耐磨性在整体上提高了复合材料的耐磨强度，并对相对较软的球铁基体2起到了保护的作用。通过在三维网络陶瓷3表面镀覆Ni-P镀层，实现了金属基体与陶瓷在高温下的良好结合，从图中可以看出两者的界面结合良好，无界面反应发生，无微观、宏观缺陷，从而极大促进了复合材料的综合性能的提高。采用消失模铸造技术制备陶瓷-铁基复合材料，在无需施加外压力的前提下，工艺过程简洁，成品率高，且制得的复合材料性能极佳。

本发明方法不局限于制备陶瓷增强铁基复合材料，同样适用于制备其他金属基体的复合材料，例如低熔点铝合金、镁合金，高熔点铜合金、钛合金、钢铁材料等一系列合金元素。以同样的原理制备出模型簇后，将熔融态金属液浇铸并抽负压后，可分别制备不同金属基体的陶瓷增强材料。

Claims (7)

1.一种三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）对三维网络陶瓷在室温下进行表面粗化、中和、敏化、活化和还原预处理，使陶瓷表面附着次亚磷酸根离子，使用以硫酸镍为主盐的镀液对三维网络陶瓷表面进行化学镀镍；

（2）将三维网络陶瓷预设定在铸件需要增强的位置，使用泡沫线切割机将泡沫切割成铸件形状，将预设定的三维网络陶瓷位置处的泡沫抠出后，将三维网络陶瓷安放其中，并用泡沫薄片对三维网络陶瓷进行全部外包覆，采用消失模铸造专用冷胶进行粘结，成为一体的模型簇；

（3）在模型簇表面刷涂耐火涂料并烘干，重复刷涂和烘干3次，从而在模型簇表面形成硬质壳体，将模型簇通过浇道连接、造型后形成浇注系统，将浇注系统放入砂箱中填砂，并对砂箱用振动台振实；

（4）将生铁、废钢、锰铁、硅铁放入中频感应炉中熔炼，熔炼温度在1520℃以上；

（5）在金属液出炉前，用真空泵对沙箱进行负压抽气，压力保持在0.02-0.04Mpa，使沙箱保持在负压状态，保压时间为3-5min；

（6）将金属液倒入浇包中，在浇包中进行第一次球化、孕育处理，球化温度为1450-1500℃；

（7）第一次球化处理完成之后，将金属液浇注入砂箱中的浇注系统中，进行第二次球化、孕育处理；

（8）浇铸温度达到预设开箱温度，此时铸件凝固，进行开箱，取出浇铸系统，并将铸件从浇铸系统中切割下来，对表面进行清沙处理，即得到三维网络陶瓷-铁基复合材料；

步骤（1）中所述硫酸镍为主盐的镀液包括：硫酸镍溶液20-28g/L，次亚磷酸钠溶液30-35g/L，醋酸钠溶液20-25g/L，柠檬酸钠溶液5-10g/L以及氯化铅溶液0.003-0.010g/L配置化学镀液并升温至70℃-80℃，将镍离子化学还原为金属镍，在陶瓷表面沉积并形成Ni-P复合镀层。

2.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（2）中所述泡沫线切割机采用金属Ni-Cr合金线，将该合金线加热至100-120℃，对泡沫进行切割，将切割后的泡沫以及泡沫薄片采用消失模铸造专用冷胶进行粘接，使其成为完整的一体。

3.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（2）中所述薄片厚度为1-1.5mm。

4.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（3）中所述填砂造型时，不破坏模型的连接固定好模型，待型砂填满后，用吊车将砂箱吊至震动台，进行微震紧实，微震3次，每次5min，使型砂具有较高的紧实度。

5.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（6）中所述球化、孕育处理采用冲入法，浇包制成堤坝式，在浇包堤坝的一边加入球化剂和孕育剂，再覆盖一层铁屑，金属液出炉倒入浇包时，先浇在没有球化剂一侧，浇包中的金属液不断增加，漫过堤坝金属液开始与球化剂发生剧烈反应，继续倒入剩下的金属液，第一次球化、孕育结束。

6.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（7）中所述金属液浇注入砂箱中的浇注系统时，泡沫遇高温气化，在真空泵的作用下气体通过变径管被冷却并抽离型腔后排出。

7.根据权利要求1所述的三维网络陶瓷-铁基复合材料的消失模铸造方法，其特征在于：步骤（8）中所述浇铸温度为1520℃，开箱温度为900-1100℃，开箱时间为15-45min。