CN108057874A - 一种三维网络陶瓷骨架增强体金属基复合耐材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

该复合耐磨材料由三维网络陶瓷骨架预制件和铸渗其中的金属基体构成。首先用3D打印机把陶瓷泥条叠层编织成三维网状骨架预制块，陶瓷泥条是用氧化锆粉和氧化铝粉按要求比例与辅料混合，加水练制而成，或是由碳化硅粉与辅料混合加水练制成。以及其它非金属氧化物及辅料加水炼制而成。把烧结后的陶瓷预制块放置在型腔中的设定位置，铸渗金属液，得到耐磨材料。本发明复合材料由于陶瓷骨架单元几乎是一体，不存在从金属基体中脱落的现象，铸渗容易，陶瓷组分比例高，在金属基体中分布均匀。充分发挥出金属基体的抗冲击韧性作用和陶瓷增强体的耐磨性能，使用寿命得到极大提高。

Description

一种三维网络陶瓷骨架增强体金属基复合耐材料及其制备 方法

技术领域

本发明涉及复合耐磨材料领域，特别是三维网络陶瓷增强体金属基复合耐磨材料及制备方法。

背景技术：

宏观陶瓷增强体金属基复合耐磨材料是近来研究的热门课题，但往往由于制作复杂、成本高等原因，工业化生产及应用的很少，大颗粒陶瓷金属基复合材料已有应用，但陶瓷颗粒予制块的制作较复杂、成本很高，制作陶瓷预制体的粘结剂对陶瓷与金属基体的结合有一定影响。如果工艺执行不当，陶瓷颗粒与金属基体结合就会不牢，在使用过程中往往过早脱落，不能很好发挥陶瓷增强体的作用，使用寿命明显降低。本发明把陶瓷增强体制成三维网络状，使陶瓷增强体相连，既有利于陶瓷体在基体中分布的均匀性，又能克服陶瓷增强体的脱落，从而更有效地发挥复合耐磨材料的性能。

发明内容：

本发明基于宏观陶瓷增强体金属基体复合耐磨材料，为使陶瓷增强体能均匀地分布于金属基体中，把陶瓷增强体制做成三维网络状，陶瓷增强体用陶瓷泥条编织，整体相连，分布于金属基体。克服了使用过程中陶瓷增强体脱落问题。并保证了陶瓷增强体均匀分布于金属基体，与金属基体结合牢固，有利于提高陶瓷增强体的容积比，耐磨件使用中陶瓷增强体无脱落，从而增加了整体耐磨材料的使用寿命。在有撞击摩损、磨损严重的严劣环境中更能体现其优越性能。

为了实现上述目的，本发明采取如下措施实现：

一种三维网络陶瓷骨架增强体金属基复合材料，其特征在于：包括三维网络陶瓷骨架和金属基体。金属基体是用铸渗方法使金属熔液和三维陶瓷骨架牢固结合为一体。

上述方案中，所述陶瓷骨架材质为碳化硅陶瓷、三氧化二铝陶瓷或三氧化二铝与二氧化锆混合物的增韧陶瓷及其它陶瓷。所述金属基体的材质为高铬铸铁、高锰钢、耐热钢或合金耐磨钢及有色金属中的一种。

前述陶瓷骨架为三维网络，由陶瓷泥条用3D打印编织用而成，横竖交叉，泥条与耐磨面成一定角度，一般在10°-90°，以30°-90°为佳，陶瓷泥条直径在0.1毫米-10毫米，最优在0.5-6毫米之间，根据耐磨材料的外形要求设计吻合的陶瓷骨架形状，用陶瓷泥条编织成预制块的形状，烘干，在陶瓷桨料中蘸桨，对骨架加固，再烘干、烧结得到三维陶瓷网络骨架预制块。

复合材料的制备：按照耐磨块的需要设计铸型，使陶瓷预制块与铸型吻合，把陶瓷预制块固定于铸型内，将熔化的金属液注入铸型，冷却后，取出得到耐磨复合材料。

本发明的陶瓷金属复合耐磨材料的优点在于：

(1)与现用普通多孔陶瓷增强体相比，三维网络骨架的陶瓷体分布均匀，陶瓷增强体是实心圆柱体，密度大，强度高，韧性好，更加抗冲击，耐磨损。

(2)陶瓷增强体整体连续，与金属基体结合牢固，不脱落，克服了颗粒陶瓷增强单元使用中颗粒脱落的问题，提高了耐磨材料的使用可靠性，延长了复合耐磨材料的使用寿命。

陶瓷增强体的体积比容易控制和调整，由于陶瓷体成圆柱状网络连结，可有效提高陶瓷增强体的体积比例，而不破坏基体的强度，从而进一步提高了整体复合耐磨材料的耐磨性。

附图说明

图1为三维网络陶瓷金属耐磨材料立体轮廓示意图。

图2为A面剖视图(局部)

图3为B面剖视图(局部)

具体实施方式

实例1 Al₂O₃陶瓷增强体高铬铸铁复合耐磨材料的制备

一、制备Al₂O₃陶泥

把200-500目的Al₂O₃粉与助剂放入球磨机中，进行混合搅拌，混合均匀后取出，加入20％-36％水及辅料用练泥机练制、熟化、抽真空，制成陶泥备用。

二、陶瓷骨架制做，把陶泥放入挤泥筒，用3D打印通过出泥嘴挤出，出泥嘴与陶瓷骨架的模板进行配合运动，使泥条往复交织分布于模板上，骨架外观形状根据耐磨材料的需要设计。泥条直径3mm。泥条间隙3mm。

陶瓷骨架编织完成后，在模板上进行干燥，具有一定强度后，从模中取出，在配制好Al₂O₃的泥浆中挂浆。挂浆的目的是增加泥条交结点结合的强度，挂浆后进行烘干、脱脂、烧结，得到陶瓷骨架备用。

三、复合材料制备

把陶瓷骨架固定于铸型型腔中耐磨所需要的位置，通过重力、加压、真空等铸渗方式把熔炼好的高铬铸铁合金液铸渗到陶瓷骨架中，冷却后得到三维陶瓷骨架高铬铸铁合金复合耐磨材料。

实例2 ZrO₂增韧Al₂O₃三维陶瓷骨架高铬铸铁复合耐磨材料。

一、制备陶泥

把200目-500目的Al₂O₃粉和ZrO₂粉按重量比9∶6比例放入球磨机内，再放入辅料进行干混，混均后取出，加入20-36％的水在练泥机中搅拌，放置2-4天熟化，抽真空制成陶泥备用。

二、三维陶瓷骨架制做。

把陶泥放入挤泥筒，通过3D打印的出泥嘴挤出，出泥嘴与陶瓷骨架的模板进行配合运动，使泥条往复交织分布于模板上，骨架形状根据耐磨材料的需要设计，出泥嘴出口直径4mm，泥条间距8mm。

陶瓷骨架编织完成后，在模板上进行干燥，具有一定强度后，从模板上取下，在配制好的浆料中挂浆。挂浆的目的是增强泥条交织点的结合强度，挂浆后进行烘干，脱脂，烧结，得到陶瓷骨架备用。

三、复合材料的制备

把陶瓷骨架固定于铸型型腔中耐磨所需位置，通过重力、加压、真空等铸渗方式把熔炼好的高铬铸铁合金液铸渗到陶瓷骨加中，冷却后得到三维陶瓷骨架高铬铸件合金复合耐磨材料。

实例3，碳化硅三维陶瓷骨架耐热钢复合材料。

陶泥骨架的制做

把200目-500目的碳化硅粉和辅料放入搅拌机内搅拌干混，拌均后取出，放入适量水和辅料再搅拌，之后进行抽真空，制成陶泥。

二、陶瓷骨架制做

和前述方案一、二相同，骨架由3D打印机的挤泥嘴挤出，并通过模板与出泥嘴的运动配合，制成三维编织陶瓷骨架，泥条直径4毫米，间距8毫米。骨架在模板上烘干，之后挂浆，再烘干，脱脂，烧结，得到陶瓷骨架备用。

三、复合材料的制备：

把陶瓷骨架固定于铸型型腔中，耐磨所需位置，通过重力、加压、真空等铸渗方式把耐热钢金属液铸渗到陶瓷骨架中，冷却后得到三维陶瓷骨架耐热钢合金复合材料。

实施例只是为了详细说明方案的实施，并不限制本发明，凡在本发明的宗旨之内所做的任何修改，等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三维网络陶瓷骨架增强体其特征在于：包括三维网络陶瓷骨架和金属基体。用铸渗方法使金属液把陶瓷骨架包裹结合为一体，形成复合耐磨材料。

2.根据权利要求书1所述的三维网络陶瓷骨架金属基复合耐磨材料，其特性在于：所述陶瓷骨架是用陶瓷泥条编织，泥条直径在0.1-8毫米，最佳应用在0.5-6毫米。由陶瓷泥条编织的骨架经烘干，再挂浆，烘干，烧结成陶瓷增强体预制体。

3.根据权利要求书1和2所述，其特征在于：陶瓷泥条与使用时的摩擦面成10°-90°角度，最佳角度在30°-90°之间。

4.根据权利要求书1所述，其特征在于：陶瓷预制块中可做出蜂窝状的孔，以利于金属液的充填铸渗。

5.根据权利要求书2所述，其特征在于：陶瓷骨架材质为碳化硅、氮化硅、三氧化二铝、或三氧化二铝和氧化锆按一定比例混合的陶瓷单元，或其它多种非金属氧化物组成。

6.根据权利要求书1所述三维网络陶瓷增强体金属基复合耐磨材料其特征在于：所述金属基体为高铬铸铁、高锰钢、耐热钢、合金钢或有色金属。

7.一种三维网络陶瓷增强体金属基复合材料的制备方法。其特征在于：制备步骤如下：

(1)用陶瓷泥条编织所需形状的陶瓷预制体，其形状根据复合耐磨材料的耐磨部位形状设计，然后经过烘干、再挂浆烘干、烧结备用。

(2)把陶瓷预制体固定在铸型型腔内所需耐磨位置，然后，将熔炼好的金属液铸渗到陶瓷骨架内，冷却后得到复合耐磨材料。