CN108504888B - 一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,属于金属基复合材料领域。将金属粉、水玻璃、聚乳酸、环氧树脂、水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为60%~75%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,所述单层基体板的上下表面均设有半球孔或者只有一个表面设有半球孔,单层基体板的厚度为6~15mm,半球孔的直径3~5mm,球间距3~5mm;在单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将多个单层基体板叠加,进行热压烧结后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料;本发明所述方法解决了陶瓷复合球在基体中难以均匀分布和该复合材料塑韧性差的问题,有望用于高表面要求的磨损领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,属于金属基复合材料领域。
背景技术
陶瓷颗粒在基体中均匀分布无疑可以提高金属基复合材料的综合力学性能,减小尖角效应带来的失效破坏。但就如水桶短板效应一样,不可避免的会发生颗粒与颗粒间的粘接。并且当陶瓷颗粒在金属基体中所占的体积分数增大时,复合材料脆性急剧上升,塑韧性下降。目前学者通过制备结构陶瓷预制体,试图控制陶瓷复合区的区域分布,形如网络互穿陶瓷、蜂窝状陶瓷等来提高复合材料的塑韧性,但存在的问题是这些结构陶瓷增强体皆为连续结合,最终制备出的复合材料性能不佳,仍需改善和优化。
中国发明专利CN102489686A公布了消失模铸造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法,该方法将硬质陶瓷颗粒与EPS珠粒按比例混合,用模具制成所需形状泡沫模,然后浇铸金属液制备复合材料。该方法在浇铸金属液的时候EPS模快速熔化,硬质陶瓷球失去了支撑,而且由于与基体金属液的密度差异,必将偏离预定位置,呈弥散随机分布出现在基体中,不好控制,极有可能造成硬质陶瓷球的聚集,降低复合材料的塑韧性。
中国发明专利CN103878346A公布了一种陶瓷颗粒多尺寸增强金属基复合材料的制备方法。该发明先将陶瓷颗粒压制成预制体,然后用挤压铸造的方法制备出复合材料。复合材料内部球状复合区紧密接触,间距难以控制,会导致复合区之间的粘接和体积分数过大引起的脆性失效破坏,没有考虑球状复合区规则分布带来的增益效果。
综上所述,现有技术普遍存在陶瓷增强体在基体中的位置难以控制,且存在复合区脆性失效破坏的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)将金属粉、粘结剂、聚乳酸、环氧树脂、水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为60%~75%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,所述单层基体板的上下表面均设有半球孔或者只有一个表面设有半球孔,单层基体板的厚度为6~15mm,半球孔的直径3~5mm,球间距3~5mm。
(2)在步骤(1)得到的单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将多个单层基体板叠加,其中,最上层和最下层为只有一个表面设有半球孔的单层基体板,中间层为上下表面均设有半球孔的单层基体板,相邻两个基体板之间的半球孔正对,叠加后形成完整的球体。
(3)热压烧结:将步骤(2)得到复合基体板进行热压烧结后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料。
优选的,本发明步骤(1)中金属粉为Q235、65Mn或Al合金,粒度160~220目;水玻璃的添加量为金属粉质量的5~8%、聚乳酸的添加为金属粉质量的20~30%、环氧树脂的添加为金属粉质量的15~20%。
优选的,本发明步骤(2)中陶瓷混合浆料由陶瓷颗粒、基体金属粉末、活性金属粉、粘结剂、水制备得到;其中,水添加量为陶瓷颗粒质量的3~6%。
所述陶瓷颗粒为TiC、TaC或Al2O3,粒度100~140目。
所述活性金属粉为Mn、Cr或Ti,粒度150~220目,添加量为陶瓷颗粒质量的12~15%。
基体金属粉末为Q235、65Mn或Al合金粉,粒度160~200目,添加量为陶瓷颗粒质量的40~50%。
粘结剂为水玻璃,添加量为陶瓷颗粒质量的1~3%。
优选的,当基体为Q235或者65Mn时,热压烧结的条件为:热压烧结温度在0~720℃时升温速率为8℃/min;720~1150℃时升温速率7℃/min;1150~1490℃时升温速率5℃/min,施加压力26~60Mpa。
优选的,当基体为Al时,热压烧结的条件为:热压烧结温度在0~200℃时升温速率8℃/min;200~400℃时升温速率7℃/min;400~620℃时升温速率5℃/min,施加压力26~60Mpa。
本发明的有益效果:
本发明所述方法中陶瓷复合球在基体中的分布可控,实现均匀排列,减小了由于陶瓷颗粒的粘接带来的失效破坏;一般的陶瓷增强金属基复合材料,裂纹容易在复合区萌生且沿着界面或复合区边界扩展,但本发明由于陶瓷复合球在基体中不连续,而演变为基体的三维连续,基体塑韧性好,当裂纹尖端扩展到复合区与基体的边界时受到阻碍,使得复合材料综合力学性能大幅提升,并且秉承了陶瓷好的耐磨性。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为本发明所述方法制备的陶瓷复合球增强金属基复合材料的结构示意图。
图2中:1-陶瓷复合球,2-金属基体。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式进一步说明,但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法(如图1所示),具体包括以下步骤:
(1)首先用绘图软件绘制出所需形状的三维图,转成STL格式文件,设置打印参数,模型导入3D打印机。
(2)将1000g Q235钢粉末(粒度220目)、50 g水玻璃、200g聚乳酸粉末、200g环氧树脂、550 g水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为60%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,单层基体板顶层板(只有一个表面设有半球孔)的厚度10mm,中间层(上下表面均设有半球孔)厚15mm,半球孔的直径5mm,球间距5mm。
(3)在步骤(1)得到的单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将3个单层基体板叠加,其中,最上层和最下层为只有一个表面设有半球孔的单层基体板,相邻两个基体板之间的半球孔正对,叠加后形成完整的球体。
所述陶瓷混合浆料由100gTiC陶瓷颗粒(100目)、40gQ235钢粉末(200目)、15g活性金属Mn粉(150目)、1g水玻璃、3g水混合后得到。
(4)热压烧结:将步骤(3)得到复合基体板进行热压烧结:热压烧结温度0~720℃升温速率8℃/min;720~1150℃升温速率7℃/min;1150~1490℃升温速率5℃/min;烧结过程施加压力60Mpa,到1490℃时保温保压1h后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料,结构示意图如图2所示,其中,图2a为俯视方向陶瓷复合球在基体中的分布形式,图2b为前视方向陶瓷复合球在基体中的分布形式。
本实例制得的复合材料拥有优异耐磨性的同时,保留了基体良好的塑韧性,适合在冲击磨损工况下使用。
实施例2
一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)首先用绘图软件绘制出所需形状的三维图,转成STL格式文件,设置打印参数,模型导入3D打印机。
(2)将1000g 65Mn钢粉末(粒度200目)、65 g水玻璃、250g聚乳酸粉末、180g环氧树脂、357g水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为67.5%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,单层基体板顶层板(只有一个表面设有半球孔)的厚度8mm,中间层(上下表面均设有半球孔)厚12mm,半球孔的直径4mm,球间距4mm;
(3)在步骤(1)得到的单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将4个单层基体板叠加,其中,最上层和最下层为只有一个表面设有半球孔的单层基体板,相邻两个基体板之间的半球孔正对,叠加后形成完整的球体。
所述陶瓷混合浆料由100gTaC陶瓷颗粒(120目)、45g65Mn钢粉(180目)、13g活性金属Cr粉(160目)、2g水玻璃、4g水混合后得到。
热压烧结:将步骤(2)得到复合基体板进行热压烧结将:热压烧结温度0~720℃升温速率8℃/min;720~1150℃升温速率7℃/min;1150~1490℃升温速率5℃/min;烧结过程施加压力40Mpa,到1490℃时保温保压1.5h后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料。
本实例制得的复合材料拥有优异耐磨性的同时,保留了基体良好的塑韧性,适合在冲击磨损工况下使用。
实施例3
一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,具体包括以下步骤:
(1)首先用绘图软件绘制出所需形状的三维图,转成STL格式文件,设置打印参数,模型导入3D打印机。
(2)将1000g Al粉末(粒度220目)、80 g水玻璃、300g聚乳酸粉末、150g环氧树脂、204g水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为75%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,单层基体板顶层板(只有一个表面设有半球孔)的厚度6mm,中间层(上下表面均设有半球孔)厚9mm,半球孔的直径3mm,球间距3mm。
(3)在步骤(1)得到的单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将5个单层基体板叠加,其中,最上层和最下层为只有一个表面设有半球孔的单层基体板,相邻两个基体板之间的半球孔正对,叠加后形成完整的球体。
所述陶瓷混合浆料由100g Al2O3陶瓷颗粒(140目)、50gAl合金粉(160目)、12g活性金属Ti粉(220目)、3g水玻璃、6g水混合后得到。
热压烧结:将步骤(3)得到复合基体板进行热压烧结将:热压烧结温度0~200℃升温速率8℃/min;200~400℃升温速率7℃/min;400~620℃升温速率5℃/min;烧结过程施加压力26Mpa,到620℃时保温保压2h后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料。
本实例制得的铝基复合材料在不损失基体塑韧性的同时,由于复合区存在陶瓷颗粒,大大提高了复合材料的耐磨性。
Claims (4)
1.一种陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于,具体包括以下步骤:
(1)将金属粉、水玻璃、聚乳酸、环氧树脂、水配成的3D打印用的浆料,浆料中固体含量为60%~75%,将配好的浆料倒入料斗中,通过3D打印机打印出单层基体板,所述单层基体板的上下表面均设有半球孔或者只有一个表面设有半球孔,单层基体板的厚度为6~15mm,半球孔的直径3~5mm,球间距3~5mm;
(2)在步骤(1)得到的单层基体板的半球孔中添加陶瓷混合浆料,然后将多个单层基体板叠加,其中,最上层和最下层为只有一个表面设有半球孔的单层基体板,中间层为上下表面均设有半球孔的单层基体板,相邻两个基体板之间的半球孔正对,叠加后形成完整的球体;
(3)热压烧结:将步骤(2)得到复合基体板进行热压烧结后得到陶瓷复合球增强的金属基复合材料;
步骤(2)中陶瓷混合浆料由陶瓷颗粒、基体金属粉末、活性金属粉、粘结剂、水制备得到;其中,水添加量为陶瓷颗粒质量的3~6%;
所述陶瓷颗粒为TiC、TaC或Al2O3,粒度100~140目;
所述活性金属粉为Mn、Cr或Ti,粒度150~220目,添加量为陶瓷颗粒质量的12~15%;
基体金属粉末为Q235、65Mn或Al合金粉,粒度160~220目,添加量为陶瓷颗粒质量的40~50%;
粘结剂为水玻璃,添加量为陶瓷颗粒质量的1~3%。
2.根据权利要求1所述陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中金属粉为Q235钢、65Mn钢或Al合金,粒度160~220目;水玻璃的添加量为金属粉质量的5~8%、聚乳酸的添加为金属粉质量的20~30%、环氧树脂的添加为金属粉质量的15~20%。
3.根据权利要求1所述陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:当基体为Q235或者65Mn时,热压烧结的条件为:热压烧结温度在0~720℃时升温速率为8℃/min;720~1150℃时升温速率7℃/min;1150~1490℃时升温速率5℃/min,施加压力26~60MPa 。
4.根据权利要求1所述陶瓷复合球增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:当基体为Al时,热压烧结的条件为:热压烧结温度在0~200℃时升温速率8℃/min;200~400℃时升温速率7℃/min;400~620℃时升温速率5℃/min,施加压力26~60MPa 。
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