CN108149045A - 一种复合金属陶瓷衬板的制备方法 - Google Patents

一种复合金属陶瓷衬板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种复合金属陶瓷衬板的制备方法，包括复合陶瓷球、金属‑陶瓷复合球和复合合金模块的制备以及复合金属陶瓷衬板的铸造。所述复合陶瓷球的制备是将陶瓷球与钙钛矿(ABO3)粉体浆料混合，在陶瓷球表面形成浆料包裹体，干燥后经1400～1600℃烧成；所述金属‑陶瓷复合球的制备是将复合陶瓷球置于真空炉中氢气还原焰300～800℃加热；所述复合合金模块的制备是将金属‑陶瓷复合球与自熔金属粉混合，压制成复合模块，经900～1200℃烧结后获得复合合金模块；所述铸造复合金属陶瓷衬板是将复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得。本发明解决金属衬板不耐磨损，陶瓷衬板不耐冲击容易脱落等问题。

Description

一种复合金属陶瓷衬板的制备方法
技术领域
本发明属于金属-陶瓷复合技术领域，具体涉及一种复合金属陶瓷衬板的制备方法。
背景技术
随着科技发展,工业化进程的不断推进,材料的磨损越来越严重,传统钢铁耐磨材料已无法满足耐磨需求。陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料因兼具陶瓷颗粒高模量、高比强度、高耐磨性和高热稳定性的特点,以及金属材料良好韧性、抗冲击能力、易加工成型能力的特点,成为替代传统钢铁耐磨材料首选材料。目前国内大型复合耐磨件均来自进口。耐磨材料是新材料领域的核心,对机械设备的运转起着重要的推动及支撑作用。在世界新型材料的研究与开发中,耐磨材料所占比例高达85%。
金属耐磨材料是耐磨材料领域的重要组成单元,在金属耐磨材料中钢铁耐磨材料的应用最为广泛。目前,我国在磨料磨损工况中使用的钢铁耐磨材料有耐磨钢、耐磨铸铁、耐磨合金钢以及钢铁基复合材料等根据各类钢铁耐磨材料性之在不同的工况条件下应用。近年来,针对不同工况环境中的材料磨损,国内外出现了很多新型耐磨材料,例如改性高锰钢、中速钢、超高锰钢,耐磨合金钢,铬系抗磨铸铁等。耐磨钢主要是指以高锰钢为代表的锰钢系列耐磨材料,其主要应用在具有高冲击工况环境中,如在矿山领域的大型破碎机颗板,破碎机锤头,板等,其主要是利用锰钢在冲击条件下产生加工硬化而提高材料的耐磨性能。目前,锰钢系耐磨材料可分为高锰钢(11.0%-14%Mn)、中锰钢(6%-8%Mn)以及超高锰钢(16.0-19.0%Mn)。另外,针对低冲击和低应力磨损工况下锰钢加工硬化不足、不耐磨的问题,还促进了合金化改性高锰钢、奥氏体介稳定易加工硬化中锰钢、低锰钢的发展。
但是传统的钢铁材料仍然存在耐磨性不足问题。近年来将陶瓷材料与金属材料掺杂制备陶瓷-金属复合材料具有较好的耐磨性能。该类材料目前已经在国外市场出现，但是由于陶瓷和金属材料之间的兼容性造成陶瓷与金属分层以及互不结合问题出现。目前解决的方法主要采用在氧化铝或者氧化锆陶瓷球表面采用化学镀方法制备Ni金属涂层。但是该制备过程用到贵金属材料，而且制备工艺复杂，重复性差。陶瓷材料与金属材料直接烧结难度较大。本研究针对陶瓷材料与金属材料之间兼容性差，以及烧结难的问题开发了钙钛矿涂层与氧化铝和氧化锆陶瓷烧结，提高材料之间的匹配性和兼容性。
发明内容
本发明为了解决传统陶瓷球由于密度、与金属熔液结合不黏结问题提供一种复合金属陶瓷衬板的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，制备复合陶瓷球：将陶瓷球与混合浆料混合，采用滚筒干燥，在陶瓷球表面制备钙钛矿结构浆料包裹体，将该合金浆料包裹体在120℃干燥后，置于电炉中进行烧成，烧结温度为1400～1600℃，制得复合陶瓷球；
步骤二，制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中进行气氛加热，加热温度为300～800℃，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三，制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔金属粉混合，采用压机压制成复合模块，经900～1200℃烧结后获得复合合金模块；
步骤四，铸造复合金属陶瓷衬板：将复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
所述步骤一中陶瓷球是直径为1～5mm的氧化铝瓷球或氧化锆瓷球。
所述步骤一中混合浆料由钙钛矿型结构氧化物、粘结剂及溶剂，经混合获得。
所述钙钛矿型结构氧化物中包括ABO3型或AA’BB’O5型氧化物，粘结剂为PVB、PVA、糊精中的一种，溶剂为水或者乙醇。
所述的ABO3型或AA’BB’O5型氧化物，中A位或A’位为La、Y、Zr、Sr、Ba中的一种或者两种，B位或B’位为Co、Fe、Ni、Mn中的一种或两种，且A:B的摩尔比=1:1。
所述混合浆料中各组分的重量百分比组成为：钙钛矿型结构氧化物68~80%，粘结剂0.5~2%，溶剂为18~30%；所述陶瓷球的用量为钙钛矿型结构氧化物重量的2~5倍。
所述步骤一中合金浆料包裹体的包裹体厚度为0.2～2mm。
所述步骤二中真空炉内的气氛是含5～10%氢气的还原气氛。
所述步骤三自熔金属粉为Ni-Fe-B-W合金属粉，所述压机的压力为8～60Mpa，所述步骤三中金属-陶瓷复合球与自熔金属粉的质量比为30～70：70～30。
所述复合合金模块的尺寸为长度1～30cm、宽度1～30cm、厚度1～2cm。
本专利采用金属与陶瓷高温烧结形成金属-陶瓷复合合金涂层，该涂层既含有金属成分也含有氧化物成分，可以使金属与陶瓷较好的兼容，形成良好的焊接。同时，金属陶瓷合金球可以与金属溶液形成较好的界面粘结力，该粘结力有效阻碍陶瓷颗粒在金属内部因密度不同而漂浮，造成材料分布不均匀问题，解决金属衬板不耐磨损，陶瓷衬板不耐冲击容易脱落等问题。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明应理解，
实施例1
步骤一：制备复合陶瓷球：将78wt%La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体，20.8wt%水和1.2wt% PVB混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为3mm的ZrO2陶瓷球，且ZrO2陶瓷球的质量为La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体的4倍，将混合浆料和ZrO2球置于滚筒中进行30O的斜滚，在ZrO2陶瓷球表面包裹La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3+δ浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1550℃，在1550℃保温3h，获得La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3+δ包裹体厚度为0.5mm的ZrO2复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用8%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为60:40的质量比进行混合，采用45MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至1150℃，在1150℃保温2h获得尺寸为24cm*12cm*1.8cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
实施例2
步骤一：制备复合陶瓷球：将70wt%La0.6Sr0.4Ni0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体，28wt%乙醇和2wt%糊精混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为2mm的ZrO2陶瓷球，且ZrO2陶瓷球的质量为La0.6Sr0.4Ni0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体的3倍，将混合浆料和ZrO2球置于滚筒中进行30O的斜滚，在ZrO2陶瓷球表面包裹La0.6Sr0.4Ni0.2Fe0.8O3+δ浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1450℃，在1450℃保温3h，获得La0.6Sr0.4Ni0.2Fe0.8O3+δ包裹体厚度为0.3mm的ZrO2复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用5%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为50:50的质量比进行混合，采用20 MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至1000℃，在1000℃保温2h获得尺寸为12cm*24cm*1.2cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
实施例3
步骤一：制备复合陶瓷球：将75wt% La0.6Zr0.4Mn0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体，24.2wt%水和0.8wt% PVA混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为4mm的ZrO2陶瓷球，且ZrO2陶瓷球的质量为La0.6Zr0.4Mn0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体的2倍，将混合浆料和ZrO2球置于滚筒中进行30O的斜滚，在ZrO2陶瓷球表面包裹La0.6Zr0.4Mn0.2Fe0.8O3+δ浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1580℃，在1580℃保温3h，获得La0.6Zr0.4Mn0.2Fe0.8O3+δ包裹体厚度为1mm的ZrO2复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用6%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为40:60的质量比进行混合，采用50 MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至950℃，在950℃保温2h获得尺寸为5cm*6cm*1.5cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
实施例4
步骤一：制备复合陶瓷球：将80wt% La0.6Sr0.4MnO3纳米粉体，18.5wt%乙醇和1.5wt%PVB混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为1mm的Al2O3陶瓷球，且Al2O3陶瓷球的质量为La0.6Sr0.4MnO3纳米粉体的5倍，将混合浆料和Al2O3球置于滚筒中进行30O的斜滚，在Al2O3陶瓷球表面包裹La0.6Sr0.4MnO3浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1450℃，在1450℃保温3h，获得La0.6Sr0.4MnO3包裹体厚度为1.5mm的Al2O3复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用7%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为50:50的质量比进行混合，采用10 MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至1200℃，在1200℃保温2h获得尺寸为18cm*18cm*1.2cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
实施例5
步骤一：制备复合陶瓷球：将78wt%La0.8 Y0.2Co0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体，20.8wt%水和1.2wt% PVB混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为3mm的ZrO2陶瓷球，且ZrO2陶瓷球的质量为La0.8 Y 0.2Co0.2Fe0.8O3+δ纳米粉体的4倍，将混合浆料和ZrO2球置于滚筒中进行30O的斜滚，在ZrO2陶瓷球表面包裹La0.8Y0.2Co0.2Fe0.8O3+δ浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1550℃，在1550℃保温3h，获得La0.8Y 0.2Co0.2Fe0.8O3+δ包裹体厚度为0.5mm的ZrO2复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用8%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为60:40的质量比进行混合，采用45MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至1150℃，在1150℃保温2h获得尺寸为24cm*12cm*1.8cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
实施例6
步骤一：制备复合陶瓷球：将80wt% La0.6Ba0.4MnO3纳米粉体，18.5wt%乙醇和1.5wt%PVB混合，在室温下电动搅拌2h获得混合浆料；然后在混合浆料中加入直径为1mm的Al2O3陶瓷球，且Al2O3陶瓷球的质量为La0.6Ba0.4MnO3纳米粉体的5倍，将混合浆料和Al2O3球置于滚筒中进行30O的斜滚，在Al2O3陶瓷球表面包裹La0.6Ba0.4MnO3浆料，经120℃干燥3h，然后将干燥体放入电炉中，以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以3℃/min的升温速率从600℃升至1450℃，在1450℃保温3h，获得La0.6Sr0.4MnO3包裹体厚度为1.5mm的Al2O3复合陶瓷球。
步骤二：制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中，采用7%氢气还原焰加热，加热温度为600℃，持续时间为4h，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三：制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔的Ni-Fe-B-W合金属粉按质量比为50:50的质量比进行混合，采用10 MPa压力压制成复合模块，然后将其放入电炉中烧成，烧成制度为：以5℃/min的升温速率升至600℃,600℃保温2h，以2℃/min的升温速率从600℃升至1200℃，在1200℃保温2h获得尺寸为18cm*18cm*1.2cm的复合合金模块；
步骤四：铸造复合金属陶瓷衬板：将尺寸为24cm*12cm*1.5cm的复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
本发明提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还存在其
他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤；还应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (10)

1.一种复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一，制备复合陶瓷球：将陶瓷球与混合浆料混合，采用滚筒干燥，在陶瓷球表面制备钙钛矿结构浆料包裹体，将该合金浆料包裹体在120℃干燥后，置于电炉中进行烧成，烧结温度为1400～1600℃，制得复合陶瓷球；
步骤二，制备金属-陶瓷复合球：将复合陶瓷球置于真空炉中进行气氛加热，加热温度为300～800℃，制得金属-陶瓷复合球；
步骤三，制备复合合金模块：将金属-陶瓷复合球与自熔金属粉混合，采用压机压制成复合模块，经900～1200℃烧结后获得复合合金模块；
步骤四，铸造复合金属陶瓷衬板：将复合合金模块固定于沙模底部，再将锰钢熔液倒入沙模内部，冷却后制得复合金属陶瓷衬板。
2.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤一中陶瓷球是直径为1～5mm的氧化铝瓷球或氧化锆瓷球。
3.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤一中混合浆料由钙钛矿型结构氧化物、粘结剂及溶剂，经混合获得。
4.根据权利要求3所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述钙钛矿型结构氧化物中包括ABO3型或AA’BB’O5型氧化物，粘结剂为PVB、PVA、糊精中的一种，溶剂为水或者乙醇。
5.根据权利要求4所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述的ABO3型或AA’BB’O5型氧化物，中A位或A’位为La、Y、Zr、Sr、Ba中的一种或者两种，B位或B’位为Co、Fe、Ni、Mn中的一种或两种，且A:B的摩尔比=1:1。
6.根据权利要求3所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述混合浆料中各组分的重量百分比组成为：钙钛矿型结构氧化物68~80%，粘结剂0.5~2%，溶剂为18~30%；所述陶瓷球的用量为钙钛矿型结构氧化物重量的2~5倍。
7.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤一中合金浆料包裹体的包裹体厚度为0.2～2mm。
8.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤二中真空炉内的气氛是含5～10%氢气的还原气氛。
9.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述步骤三自熔金属粉为Ni-Fe-B-W合金属粉，所述压机的压力为8～60Mpa，所述步骤三中金属-陶瓷复合球与自熔金属粉的质量比为30～70：70～30。
10.根据权利要求1所述的复合金属陶瓷衬板的制备方法，其特征在于：所述复合合金模块的尺寸为长度1～30cm、宽度1～30cm、厚度1～2cm。
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