CN107824764B - 一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法 - Google Patents

一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法 Download PDF

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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product

Abstract

本发明涉及材料领域，具体为一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：1）将待包覆的陶瓷材料经切割、破碎；2）将陶瓷碎片进行清洗备用；3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片；4）在陶瓷碎片外表面包覆一层用于调节陶瓷碎片平均密度的金属层；5）翻砂铸造制成金属包覆陶瓷碎片型材料。本发明采用在陶瓷碎片外表面包覆一层金属层，对陶瓷碎片的密度进行调节，使陶瓷碎片加金属层的平均密度大于、等于或者小于基体金属液的密度，所制成的金属包覆陶瓷碎片材料，有金属的延展性、导电性、可加工性等，又有陶瓷的高硬度、耐磨性、高强度特性，可广泛应用于航母甲板、耐磨平台、高强度平台、耐磨固件等。

Description

一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，具体为一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法。
背景技术
随着工业技术的发展，海上平台、航母等发展迅速，海军航母甲板需要具有耐高温，抗恶劣环境，耐磨，质量轻等特点，因此常规的机场道面材料难以满足要求（如，钢桥面铺装沥青材料后易出现推移等病害），现在大多数航母甲板采用的是特种合金钢加上特殊涂层，但是这样的材料成本非常高，而且密度大重量重。
陶瓷材料，以其优异高硬度高强度、低密度，且不导热、不导电、耐酸耐碱的特殊性能，得到越来与多的应用，并且这些性能非常适用于海上平台、航母甲板，如果要将陶瓷材料应用，首先要解决陶瓷材料与金属的连接问题，如国内南京航空航天大学采用粉末冶金的方法制备刚玉球/铝合金复合材料，此外国内外均有采用非金属材料粘结、机械连接以及封装等方法制备陶瓷球复合材料的相关报道，采用粉末冶金等方法制备金属基陶瓷复合材料工艺较为复杂，金属强度低，生产成本较高，不利于进行规模化推广应用；而采用粘结、机械连接以及封装等方法制备金属基陶瓷复合材料，在此类结构中金属对陶瓷的约束不够，从而导致材料整体性能较低。所以需要进一步改进和设计。
申请号 CN201210357694.5《一种金属基陶瓷复合材料及其制造》，采用50MPa～200MPa高压，用挤压铸造方法使部分基体金属渗透到陶瓷颗粒之间从而形成整体金属基陶瓷复合材料，但是这种方法工艺复杂，对模具和铸造设备的要求很高，制造成本高，不利用工业化大批量生产，同时这种方法生产出来的材料，陶瓷材料主要是利用其优异的防护性能，较轻的质量和相对便宜的价格，作为一种填充物填在金属之中，能够有效降低在火焰切割过程中材料温度的急剧升高，从而耐火焰切割，也就不利于焊接加工，其防火抗暴性能好，加工性能差，主要应用于保险箱柜、自动取款机、金库大门等重要安全设施防护领域，不能应用于海上平台、航母甲板等地方。
发明内容
本实用发明的主要目的是为提出一种工艺简单，成本低廉，采用传统翻砂铸造就能够使陶瓷碎片和金属牢固结合的方法，生产出既具有金属的延展性、导电性、可加工性等，又具备陶瓷的高硬度、耐磨性、高强度特性的材料。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：将待包覆的陶瓷材料经切割、破碎后形成0.5-8mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，陶瓷碎片占材料总重的3-60％，备用；
4）在陶瓷碎片外表面包覆一层用于调节陶瓷碎片平均密度的金属层，得到带有包覆层的陶瓷碎片；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50~100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，将基体金属液和带有包覆层的陶瓷碎片加入沙箱中；
7）最后冷却，开模制成金属包覆陶瓷碎片型材料。
进一步地，步骤4）制成的带有包覆层的陶瓷碎片，其平均密度为大于、等于或者小于基体金属溶液密度的三种情况之一；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度大于基体金属溶液密度，则陶瓷碎片沉到基体金属液底部，形成下层是陶瓷碎片和基体金属，上层是纯基体金属层的材料，同时步骤６）采用分步浇铸法，先将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，然后浇入剩余基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度等于基体金属液的密度，则陶瓷碎片悬浮在基体金属液中，形成陶瓷碎片均匀分布在基体金属中的材料，同时步骤６）采用同时浇铸法，将外包有金属层的陶瓷碎片和基体金属液同时浇铸；或者形成上下两层是纯机体金属层，中间层是陶瓷碎片悬浮在基体金属中的材料，同时步骤６）采用三步浇铸法，先浇入基体金属液，然后将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，最后浇入剩余的基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度小于基体金属液的密度，则陶瓷碎片漂浮在基体金属液顶部，形成下层是纯基体金属层，上层是陶瓷碎片和基体金属的材料，同时步骤６）采用分步浇铸法，先浇入一部分基体金属液，然后浇入外包有金属层的陶瓷碎片和剩余基体金属液。
进一步地，步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在网上，将融化的金属液浇在陶瓷碎片上，然后冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
进一步地，步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在提篮里，将提篮放入融化的金属液中，然后取出冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
进一步地，步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用铝粉作为粘接剂，将铝粉和金属粉通过高温烧结，粘在陶瓷碎片外表面，形成金属层。
本发明的技术效果在于：
本发明采用在陶瓷碎片外表面包覆一层金属层，对陶瓷碎片的密度进行调节，使陶瓷碎片加金属层的平均密度大于、等于或者小于基体金属液的密度，在铸造时，陶瓷碎片便会至于基体金属液的下部、中部或者上部，形成特定的材料，同时本方法采用传统翻砂铸造便可成型，成本低效率高，适合大批量工业化生产，所制成的金属包覆陶瓷碎片材料，既具有金属的延展性、导电性、可加工性等，又具备陶瓷的高硬度、耐磨性、高强度特性，可广泛应用于航母甲板、耐磨平台、高强度平台、耐磨固件等。
附图说明
图1是本发明步骤4制成的外包有金属层的陶瓷碎片示意图；
图2是本发明制备的上层是陶瓷碎片和基体金属，下层是纯基体金属层复合材料示意图；
图3是本发明制备的陶瓷碎片均匀分布在基体金属中复合材料示意图；
图4是本发明制备的中层是陶瓷碎片和基体金属，上下层是纯基体金属层复合材料示意图；
图5是本发明制备的上层是纯基体金属层复合材料，下层是陶瓷碎片和基体金属示意图。
附图标记：1-陶瓷碎片、2-金属层、3-基体金属。
具体实施方式
一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：将待包覆的陶瓷材料经切割、破碎后形成0.5-8mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，备用；
4）在陶瓷碎片外表面包覆一层用于调节陶瓷碎片平均密度的金属层，得到图１所示的带有包覆层的陶瓷碎片；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50~100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，将基体金属液和带有包覆层的陶瓷碎片加入沙箱中；
7）最后冷却，开模制成金属包覆陶瓷碎片型材料。
步骤4）制成的带有包覆层的陶瓷碎片，其平均密度为大于、等于或者小于基体金属溶液密度的三种情况之一；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度大于基体金属溶液密度，则陶瓷碎片沉到基体金属液底部，形成下层是陶瓷碎片和基体金属，上层是纯基体金属层的材料，同时步骤6）采用分步浇铸法，先将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，然后浇入剩余基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度等于基体金属液的密度，则陶瓷碎片悬浮在基体金属液中，形成陶瓷碎片均匀分布在基体金属中的材料，同时步骤6）采用同时浇铸法，将外包有金属层的陶瓷碎片和基体金属液同时浇铸；或者形成上下两层是纯机体金属层，中间层是陶瓷碎片悬浮在基体金属中的材料，同时步骤6）采用三步浇铸法，先浇入基体金属液，然后将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，最后浇入剩余的基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度小于基体金属液的密度，则陶瓷碎片漂浮在基体金属液顶部，形成下层是纯基体金属层，上层是陶瓷碎片和基体金属的材料，同时步骤6）采用分步浇铸法，先浇入一部分基体金属液，然后浇入外包有金属层的陶瓷碎片和剩余基体金属液。
步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在网上，将融化的金属液浇在陶瓷碎片上，然后冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在提篮里，将提篮放入融化的金属液中，然后取出冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用铝粉作为粘接剂，将铝粉和金属粉通过高温烧结，粘在陶瓷碎片外表面，形成金属层。
传统工艺没有陶瓷碎片外包覆金属层的对陶瓷碎片的密度进行调节的工艺，无法实现低密度陶瓷悬浮或下沉在基体金属中，也无法实现高密度陶瓷悬浮或漂浮在基体金属中，不能自由控制陶瓷碎片在基体金属中的位置。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：采用氮化硼陶瓷碎片，陶瓷的密度为3.45g/cm3，将陶瓷材料经切割、破碎后形成0.5mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，基体金属采用合金钢密度为7.8g/cm3，陶瓷碎片占材料总重的3％，备用；
4）将陶瓷碎片放在网上，将融化的高密度金属液浇在陶瓷碎片上，然后冷却，重复多次，使陶瓷碎片外表面包覆一层金属层，使带有包覆层的陶瓷碎片的平均密度为8.8g/cm3；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，采用分步浇铸法，先将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，然后浇入剩余基体金属液；
7）最后冷却，开模制成如图2所示的金属包覆陶瓷碎片型材料，下层是陶瓷碎片和基体金属，上层是纯基体金属层。
这种材料适用于航母甲板，上层利用陶瓷的高硬度、耐磨性、高强度特性，适合飞机起降，并且密度小质量轻，下层是纯金属层，可以切割、打孔、焊接，方便与航母船体连接。
实施例2
一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：采用氮化铝陶瓷碎片，陶瓷的密度为3.26g/cm3，将陶瓷材料经切割、破碎后形成8mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，基体金属采用合金钢密度为7.8 g/cm3，陶瓷碎片占材料总重的60%，备用；
4）将陶瓷碎片放在网上，将融化的高密度金属液浇在陶瓷碎片上，然后冷却，重复多次，使陶瓷碎片外表面包覆一层金属层，使带有包覆层的陶瓷碎片的平均密度为7.8g/cm3；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，采用同时浇铸法，将外包有金属层的陶瓷碎片和基体金属液同时浇铸；
7）最后冷却，开模制成如图3所示的金属包覆陶瓷碎片型材料，陶瓷碎片均匀分布在基体金属中。
实施例3
一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：采用氮化硅陶瓷碎片，陶瓷的密度为3.187 g/cm3，将陶瓷材料经切割、破碎后形成3mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，基体金属采用铜合金密度为8.9 g/cm3，陶瓷碎片占材料总重的45％，备用；
4） 将陶瓷碎片放在提篮里，提篮放入融化的金属液中，然后取出冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面，使带有包覆层的陶瓷碎片的平均密度为8.9 g/cm3；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50~100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，采用三步浇铸法，先浇入基体金属液，然后将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，最后浇入剩余的基体金属液；
7）最后冷却，开模制成如图4所示的金属包覆陶瓷碎片型材料，上下两层是纯机体金属层，中间层是陶瓷碎片悬浮在基体金属中。
实施例4
一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：采用氧化锆陶瓷碎片，陶瓷的密度为5.9 g/cm3，将陶瓷材料经切割、破碎后形成5mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，基体金属采用铝合金密度为2.8 g/cm3，陶瓷碎片占材料总重的30％，备用；
4）铝粉作为粘接剂，将铝粉和低密度金属粉通过高温烧结，粘在陶瓷碎片外表面，形成金属层，使带有包覆层的陶瓷碎片的平均密度为2.2 g/cm3；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50~100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，采用分步浇铸法，先浇入一部分基体金属液，然后浇入外包有金属层的陶瓷碎片和剩余基体金属液；
7）最后冷却，开模制成如图5所示的金属包覆陶瓷碎片型材料，下层是纯基体金属层，上层是陶瓷碎片和基体金属。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所做出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。

Claims (4)

1.一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）制备陶瓷碎片：将待包覆的陶瓷材料经切割、破碎后形成0.5-8mm的陶瓷碎片，备用；
2）陶瓷碎片预处理：将陶瓷碎片进行清洗备用；
3）按照设定质量比称取用于铸造成型的基体金属和陶瓷碎片，陶瓷碎片占材料总重的3-60％，备用；
4）在陶瓷碎片外表面包覆一层用于调节陶瓷碎片平均密度的金属层，得到带有包覆层的陶瓷碎片；
5）将基体金属加热，加热至大于该基体金属熔点50~100℃，形成基体金属液，保温备用；
6）采用翻砂铸造法按设计要求制备沙箱，将基体金属液和带有包覆层的陶瓷碎片加入沙箱中；
7）最后冷却，开模制成金属包覆陶瓷碎片型材料，
所述步骤4）制成的带有包覆层的陶瓷碎片，其平均密度为大于、等于或者小于基体金属溶液密度的三种情况之一；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度大于基体金属溶液密度，则陶瓷碎片沉到基体金属液底部，形成下层是陶瓷碎片和基体金属，上层是纯基体金属层的材料，同时步骤６）采用分步浇铸法，先将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，然后浇入剩余基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度等于基体金属液的密度，则陶瓷碎片悬浮在基体金属液中，形成陶瓷碎片均匀分布在基体金属中的材料，同时步骤６）采用同时浇铸法，将外包有金属层的陶瓷碎片和基体金属液同时浇铸；或者形成上下两层是纯机体金属层，中间层是陶瓷碎片悬浮在基体金属中的材料，同时步骤６）采用三步浇铸法，先浇入基体金属液，然后将外包有金属层的陶瓷碎片和部分基体金属液浇入，最后浇入剩余的基体金属液；
当带有包覆层的陶瓷碎片平均密度小于基体金属液的密度，则陶瓷碎片漂浮在基体金属液顶部，形成下层是纯基体金属层，上层是陶瓷碎片和基体金属的材料，同时步骤６）采用分步浇铸法，先浇入一部分基体金属液，然后浇入外包有金属层的陶瓷碎片和剩余基体金属液。
2.根据权利要求1所述的一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在网上，将融化的金属液浇在陶瓷碎片上，然后冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
3.根据权利要求1所述的一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用将陶瓷碎片放在提篮里，提篮放入融化的金属液中，然后取出冷却，重复多次，使金属层包覆在陶瓷碎片外表面。
4.根据权利要求1所述的一种金属包覆陶瓷碎片型材料的制备方法，其特征在于：所述步骤4）陶瓷碎片外面包覆一层金属层，采用铝粉作为粘接剂，将铝粉和金属粉通过高温烧结，粘在陶瓷碎片外表面，形成金属层。
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