CN110983153A - 一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，所述复合陶瓷颗粒为稀土改性氧化铝/碳化锆，改性氧化铝/碳化锆为Ce改性氧化铝/碳化锆。Ce改性氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：（1）渗液的配置：称取稀土CeCl3、NH4Cl，用少量甲醇将其充分溶解后，配置成浓度为5.0%的含稀土Ce的甲醇渗液；（2）扩渗：将氧化铝/碳化锆加入至扩渗炉中，向扩渗炉中滴加含稀土Ce的渗液，控制滴加速度，待扩渗炉自由冷却到室温后，取出样品。本发明改善外加颗粒与铁基体界面润湿性，减少烧结缺陷，从而加强界面结合。

Description

一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料
技术领域
本发明涉及金属冶金领域，具体涉及一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料。
背景技术
在矿产、电力、汽车、水泥、冶金等行业中， 球磨机、挖泥船等大型设备及磨辊、锤头、衬板等结构件的使用必不可少， 而他们运转时面临着髙温、高速腐蚀、磨损等恶劣工况的严峻考验， 我国每年消耗的耐磨材料产品高达500万吨， 折合人民币1000亿元， 开发高性能抗磨产品对提高企业生产效率及促进国民经济增长意义深远。高锰钢、Cr系抗磨铸铁、金钢等传统的单一钢铁耐磨材料耐磨性与强韧性互相制约无法完全满足当前的工业应用需求，近年来， 颗粒增强铁基耐磨复合材料凭借其优异的耐磨、耐蚀性，良好的强靭匹配和高性价比，成为用于生产耐磨产品的理想材料。颗粒增强铁基复合材料的主要制备方法有：搅拌铸造法、喷射成型法、压力浸渗法和粉末冶金法等。其中，粉末冶金法工艺灵活、可设计性强能实现基体与增强颗粒的良好复合，减少颗粒分布不均、成分偏析和消除粗大的铸造组织等，是制备高性能颗粒增强铁基复合材料的重要手段。
发明内容
要解决的技术问题：目前Al2O3陶瓷颗粒因价格低廉，耐蚀、耐磨性好，在工业生产中应用最广泛，但因为它本身很难被金属润湿而添加形式又是以外加为主，与铁基体结合较弱，往往必需进行表面处理，改善与铁基体的润湿性，针对以上问题，颗粒表面活化，改善外加颗粒界面润湿性，减少烧结缺陷，从而加强界面结合。
技术方案：一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，所述复合陶瓷颗粒为稀土改性氧化铝/碳化锆。
优选的，所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，所述稀土改性氧化铝/碳化锆为Ce改性氧化铝/碳化锆。
优选的，所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，所述Ce改性氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
（1）渗液的配置：称取稀土 CeCl3、NH4Cl，用少量甲醇将其充分溶解后，配置成浓度为5.0%的含稀土Ce的甲醇渗液；
（2）扩渗：将氧化铝/碳化锆加入至扩渗炉中，向扩渗炉中滴加含稀土Ce的渗液，控制滴加速度，待扩渗炉自由冷却到室温后，取出样品。
优选的，所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
（1）氧化铝的制备：在异丙醇铝中加入异丙醇反应至形成凝胶，然后加入硝酸，静置老化后干燥研磨，得到氢氧化铝，然后将氢氧化铝进行煅烧得到多孔的氧化铝粉体；
（2）制备氧化铝分散液：将氧化铝，氧化镁和PMAA混合，搅拌均匀得到氧化铝分散液，备用；
（3）制备氧化锆溶胶：将ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·8H2O与溶剂异丙醇、去离子水混合搅拌均匀，并加热至沸腾, 获得乳白色单分散纳米水合氧化锆溶胶，pH 值至8～9 ，备用；
（4）氧化铝/碳化锆的制备：将步骤（2）和（3）中制备的两种单相液体混合, 氨水滴定至沉降，洗涤干燥，煅烧得到氧化铝/碳化锆颗粒。
优选的，所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（4）中的氧化铝粉体和氧化铝/碳化锆均经24 h 球磨及400-500目过筛处理后备用。
优选的，所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（1）中煅烧温度为500-600℃，时间为2-5h。
优选的，所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（4）中煅烧温度为700-750℃，时间为2-4h。
优选的，所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述步骤（2）中，扩渗温度为800-900℃，扩渗实际为5-6h。
有益效果：本发明的高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料具有以下优点：
1、由于稀土及其氧化物为表面活性物质，在烧结致密化过程中吸附于晶粒表面，降低了表面能，减少了晶粒长大的驱动力，所以稀土的加入阻碍了烧结过程中的晶界迁移，可以明显细化晶粒，增加晶界数量，因此提供了更多的合金元素扩散通道，有利于得到均匀、致密的烧结体；
2、稀土元素Ce在氧化膜与基体的界面的偏聚，凝聚了空位、减少界面的孔隙，同时也阻碍了金属离子的扩散，使氧化膜的生长受制于氧离子的扩散，氧离子向内扩散，使氧化膜向内有限生长，摩擦表面氧化膜的粘着力得到提高，从而减少了剥落的可能。
具体实施方式
实施例1
（1）氧化铝的制备：在异丙醇铝中加入异丙醇反应至形成凝胶，其中，异丙醇铝和异丙醇的质量比为4:3，然后加入硝酸，静置老化后干燥研磨，得到氢氧化铝，然后将氢氧化铝在600℃下进行煅烧2h得到多孔的氧化铝粉体，并将氧化铝粉体经24 h 球磨及400目过筛处理后备用；
（2）制备氧化铝分散液：将氧化铝，氧化镁和PMAA混合，搅拌均匀得到氧化铝分散液，备用；
（3）制备氧化锆溶胶：将ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·8H2O与溶剂异丙醇、去离子水混合搅拌均匀，并加热至沸腾, 获得乳白色单分散纳米水合氧化锆溶胶，pH 值至8～9 ，备用；
（4）氧化铝/碳化锆的制备：将步骤（2）和（3）中制备的两种单相液体混合, 氨水滴定至沉降，洗涤干燥，700℃煅烧4h得到氧化铝/碳化锆颗粒，并将氧化铝/碳化锆均经24 h 球磨及400目过筛处理后备用。
实施例2
（1）氧化铝的制备：在异丙醇铝中加入异丙醇反应至形成凝胶，其中，异丙醇铝和异丙醇的质量比为5:3，然后加入硝酸，静置老化后干燥研磨，得到氢氧化铝，然后将氢氧化铝在500℃下进行煅烧5h得到多孔的氧化铝粉体，并将氧化铝粉体经24 h 球磨及500目过筛处理后备用；
（2）制备氧化铝分散液：将氧化铝，氧化镁和PMAA混合，搅拌均匀得到氧化铝分散液，备用；
（3）制备氧化锆溶胶：将ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·8H2O与溶剂异丙醇、去离子水混合搅拌均匀，并加热至沸腾, 获得乳白色单分散纳米水合氧化锆溶胶，pH 值至8～9 ，备用；
（4）氧化铝/碳化锆的制备：将步骤（2）和（3）中制备的两种单相液体混合, 氨水滴定至沉降，洗涤干燥，750℃煅烧2h得到氧化铝/碳化锆颗粒，并将氧化铝/碳化锆均经24 h 球磨及500目过筛处理后备用。
实施例3
Ce改性氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
（1）渗液的配制：称取稀土 CeCl3·6H2O、NH4Cl，用少量甲醇将其充分溶解后，配置成浓度为5.0%的含稀土Ce的甲醇渗液；
（2）扩渗：将实施例1氧化铝/碳化锆加入至扩渗炉中，向扩渗炉中滴加含稀土Ce的渗液，控制滴加速度100d/min，扩渗过程持续5 h，扩渗温度为800℃，待扩渗炉自由冷却到室温后，取出样品。
实施例4
Ce改性氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
（1）渗液的配制：称取稀土 CeCl3·6H2O、NH4Cl，用少量甲醇将其充分溶解后，配置成浓度为5.0%的含稀土Ce的甲醇渗液；
（2）扩渗：将实施例2氧化铝/碳化锆加入至扩渗炉中，向扩渗炉中滴加含稀土Ce的渗液，控制滴加速度70d/min，扩渗过程持续6 h，扩渗温度为900℃，待扩渗炉自由冷却到室温后，取出样品。
实施例5
根据上述实施例3制备得到的Ce改性氧化铝/碳化锆制备铁基复合材料，其中C占1.5%，Ti占0.8%，Mo占0.5%，Ni占1%，Cu占2.5%，Ce改性氧化铝/碳化锆占4.5%，其余为Fe，
根据上述方法制备得到表面致密化粉末冶金铁基材料硬度为90，致密度为95.7%。
实施例6
根据上述实施例3制备得到的Ce改性氧化铝/碳化锆制备铁基复合材料，其中C占0.5%，Ti占0.8%，Mo占0.5%，Ni占1.2%，Cu占3.5%，Ce改性氧化铝/碳化锆占3.5%，其余为Fe，
根据上述方法制备得到表面致密化粉末冶金铁基材料硬度为90，致密度为93.9%。
实施例7
根据上述实施例4制备得到的Ce改性氧化铝/碳化锆制备铁基复合材料，其中C占1.2%，Ti占1.8%，Mo占0.8%，Ni占1.5%，Cu占2.5%，Ce改性氧化铝/碳化锆占5.5%，其余为Fe，
根据上述方法制备得到表面致密化粉末冶金铁基材料硬度为90，致密度为96.5%。
对比例1
铁基复合材料，其中C占1.2%，Ti占1.8%，Mo占0.8%，Ni占1.5%，Cu占2.5%，氧化铝/碳化锆占5.5%，其余为Fe，
根据上述方法制备得到表面致密化粉末冶金铁基材料硬度为86，致密度为91.5%。
对比例2
铁基复合材料，其中C占0.6%，Ti占0.8%，Mo占0.8%，Ni占1.2%，Cu占3.5%，Ce占3.5%，其余为Fe，
根据上述方法制备得到表面致密化粉末冶金铁基材料硬度为87，致密度为89.9%。

Claims (8)

1.一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述复合陶瓷颗粒为稀土改性氧化铝/碳化锆。
2.根据权利要求1所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述稀土改性氧化铝/碳化锆为Ce改性氧化铝/碳化锆。
3.根据权利要求1所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述Ce改性氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
渗液的配置：称取稀土 CeCl3、NH4Cl，用少量甲醇将其充分溶解后，配置成浓度为 5.0%的含稀土Ce的甲醇渗液；
扩渗：将氧化铝/碳化锆加入至扩渗炉中，向扩渗炉中滴加含稀土Ce的渗液，控制滴加速度，待扩渗炉自由冷却到室温后，取出样品。
4.根据权利要求3所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述氧化铝/碳化锆由以下方法制备而成：
氧化铝的制备：在异丙醇铝中加入异丙醇反应至形成凝胶，然后加入硝酸，静置老化后干燥研磨，得到氢氧化铝，然后将氢氧化铝进行煅烧得到多孔的氧化铝粉体；
制备氧化铝分散液：将氧化铝，氧化镁和PMAA混合，搅拌均匀得到氧化铝分散液，备用；
制备氧化锆溶胶：将ZrOCl2·8H2O、Y(NO3)3·8H2O与溶剂异丙醇、去离子水混合搅拌均匀，并加热至沸腾, 获得乳白色单分散纳米水合氧化锆溶胶，pH 值至8～9 ，备用；
氧化铝/碳化锆的制备：将步骤（2）和（3）中制备的两种单相液体混合, 氨水滴定至沉降，洗涤干燥，煅烧得到氧化铝/碳化锆颗粒。
5.根据权利要求4所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（4）中的氧化铝粉体和氧化铝/碳化锆均经24 h 球磨及400-500目过筛处理后备用。
6.根据权利要求4所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（1）中煅烧温度为500-600℃，时间为2-5h。
7.根据权利要求4所述一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于，所述步骤（4）中煅烧温度为700-750℃，时间为2-4h。
8.根据权利要求3所述的一种高性能复合陶瓷颗粒增强铁基复合材料，其特征在于：所述步骤（2）中，扩渗温度为800-900℃，扩渗实际为5-6h。
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