CN112207273B - 一种耐磨、使用寿命长的金属陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属基复合材料领域，公开了一种耐磨、使用寿命长的金属陶瓷复合材料及其制备方法。所述金属陶瓷复合材料，由熔融金属液浇注陶瓷预制体制备得到；所述陶瓷预制体包括以下组分：Ni‑P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、造孔剂、粘结剂。所述金属陶瓷复合材料具有良好的耐磨性和使用寿命。

Description

一种耐磨、使用寿命长的金属陶瓷复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于金属基复合材料领域，特别涉及一种耐磨、使用寿命长的金属陶瓷复合材料及其制备方法。
背景技术
金属陶瓷复合材料是一种将陶瓷的高耐磨、高硬度性能与金属材料的韧性结合，依靠陶瓷颗粒对金属材料进行增强的新型复合材料。目前，金属陶瓷复合材料所面临的最大挑战是陶瓷与金属之间的润湿性和结合能力较差，导致材料耐磨性下降和使用寿命缩短的问题。
目前市面上性能较好的金属陶瓷复合材料很多依靠进口，但此类进口金属陶瓷复合材料的配方及制备工艺严格保密，制约了本领域的发展。因此，自主开发研究一种耐磨性更好、使用寿命更长的金属陶瓷复合材料是有必要的。
发明内容
本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属陶瓷复合材料，具有良好的耐磨性和使用寿命。
一种金属陶瓷复合材料，由熔融金属液浇注陶瓷预制体制备得到；所述陶瓷预制体包括以下组分：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、造孔剂、粘结剂。
ZTA陶瓷(氧化锆增韧氧化铝陶瓷)作为金属陶瓷复合材料中常用的增强体，具有较高的硬度和良好的耐磨性，但缺点是与金属基的润湿性差，界面多为机械结合，相界面强度不高，因而限制了其应用。本发明通过化学镀或电镀的方式在ZTA陶瓷表面形成Ni-P合金层，改善润湿性，增强了ZTA陶瓷与金属基的结合能力。本发明还通过添加FeB和Ti3SiC2起到了协同增效作用，进一步改善了陶瓷和金属间的润滑性和结合能力，以及增强了金属陶瓷复合材料的力学性能(硬度、抗弯强度等)。
优选的，所述陶瓷预制体包括以下质量分数的组分：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷55-70％、SiC 15-30份、Ti 1-6份、FeB 3-6％、Ti3SiC2 4-8％、造孔剂0.3-1.5％、粘结剂2-4％。
优选的，所述Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷中Ni-P合金所占质量分数为15-20％。前期试验表明，随着Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷中Ni-P合金所占质量分数比例的升高，所制得金属陶瓷复合材料的力学性能表现出先增强再减弱的变化趋势，由此显示Ni-P合金层过厚时也会对金属陶瓷复合材料的性能产生不利影响。
优选的，所述熔融金属液的金属选自高钒钢、高锰钢、高铬铸铁或球墨铸铁中的至少一种。
优选的，所述Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷的粒径为2-20mm。
优选的，所述SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2的粒径为0.1-1.5mm。
优选的，所述粘结剂选自酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、硅溶胶、硅酸钠中的一种或几种任意比例混合物。
优选的，所述造孔剂选自碳酸铵、碳酸氢铵、石墨或石蜡中的至少一种。
所述金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用化学镀或电镀的方式在ZTA陶瓷表面镀Ni-P合金层，制得Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷；
(2)将Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、造孔剂和粘结剂混合，球磨，烘干，制得混合料；
(3)将混合料倒入模具，压实，真空烧结，制得陶瓷预制体；
(4)将陶瓷预制体放置于铸造模具内，浇注熔融金属液，制得金属陶瓷复合材料。
优选的，步骤(1)中化学镀的方法为：将ZTA陶瓷浸于化学镀Ni-P溶液，于80-90℃下反应3-6h，在ZTA陶瓷表面镀上Ni-P合金层。
更优选的，所述化学镀Ni-P溶液包括可溶性镍盐、还原剂、络合剂和次亚磷酸钠。
优选的，步骤(2)中球磨的转速为200-360r/min，球磨的时间为60-180min。
优选的，步骤(3)中压实的压力为80-120kN，时间为25-40min。
优选的，步骤(3)中真空烧结的温度为700-1200℃，时间为1-6h。
所述金属陶瓷复合材料在耐磨工件中的应用，所述耐磨工件包括锤头、衬板、磨辊或磨盘。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明所述金属陶瓷复合材料中金属与陶瓷颗粒实现冶金级结合，具有良好的耐磨性(耐磨性是Cr26高铬铸铁的5倍以上)；将所述金属陶瓷复合材料应用于耐磨工件中，不会因磨损导致陶瓷颗粒的脱落，因而具有较长的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1制得金属陶瓷复合材料的微观结构图；
图2为实施例2制得金属陶瓷复合材料的微观结构图。
具体实施方式
为了让本领域技术人员更加清楚明白本发明所述技术方案，现列举以下实施例进行说明。需要指出的是，以下实施例对本发明要求的保护范围不构成限制作用。
以下实施例中所用的原料、试剂或装置如无特殊说明，均可从常规商业途径得到，或者可以通过现有已知方法得到。
实施例1
本实施例提供一种金属陶瓷复合材料，由熔融金属液浇注陶瓷预制体制备得到；陶瓷预制体由以下重量分数的组分组成：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷55％、SiC 25％、Ti 5％、FeB 4.5％、Ti3SiC2 5％、造孔剂石蜡1.5％、粘结剂硅酸钠4％；其中Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷的粒径为2-20mm，Ni-P合金所占质量分数为15％；SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2的粒径为0.1-1.5mm；熔融金属液中金属为高锰钢。
上述金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用化学镀的方式在ZTA陶瓷表面镀Ni-P合金层，制得Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷；其中化学镀的方法为：将ZTA陶瓷浸于化学镀Ni-P溶液，于80-90℃、pH值4.5条件下反应3-6h，在ZTA陶瓷表面镀上Ni-P合金层，化学镀Ni-P溶液：NiSO4·7H2O：27g/L；次亚磷酸钠：30g/L；苹果酸：15g/L；乳酸：20mL/L；柠檬酸三钠：5g/L；醋酸钠：10g；硝酸铅：极微量。
(2)将Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、石蜡和硅酸钠混合，球磨，烘干，制得混合料；球磨的转速为300r/min，球磨的时间为120min。
(3)将混合料倒入模具，压实，真空烧结，制得陶瓷预制体；压实的压力为100kN，时间为30min；真空烧结的温度为800℃，时间为6h。
(4)将陶瓷预制体放置与铸造模具内，浇注熔融金属液(高锰钢)，浇铸厚度必须大于陶瓷预制块厚度1mm，以通过液态金属产生一定压力更好渗透到陶瓷颗粒的间隙，制得金属陶瓷复合材料(图1为所制得金属陶瓷复合材料的微观结构图)。
实施例2
本实施例提供一种金属陶瓷复合材料，由熔融金属液浇注陶瓷预制体制备得到；陶瓷预制体由以下重量百分数的组分组成：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷70％、SiC 16％、Ti3％、FeB3％、Ti3SiC2 4％、造孔剂碳酸氢铵1％、粘结剂酚醛树脂3％；其中Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷的粒径为2-20mm，Ni-P合金所占质量分数为18％；SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2的粒径为0.1-1.5mm；熔融金属液中金属为高铬铸铁。
上述金属陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)采用电镀的方式在ZTA陶瓷镀Ni-P合金层，制得Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷；其中点镀的方法为：将ZTA陶瓷浸于点镀Ni-P液(氨基磺酸镍200g/L、氯化镍15g/L、硼酸20g/L、亚磷酸12g/L)中，控制电流密度2-4A/dm2，pH1.5-2，温度50-60℃，电镀1-4h。
(2)将Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、碳酸氢铵和酚醛树脂混合，球磨，烘干，制得混合料；球磨的转速为250r/min，球磨的时间为150min。
(3)将混合料倒入模具，压实，真空烧结，制得陶瓷预制体；压实的压力为120kN，时间为25min；真空烧结的温度为1000℃，时间为4h。
(4)将陶瓷预制体放置与铸造模具内，浇注熔融金属液(高铬铸铁)，浇铸厚度必须大于陶瓷预制块厚度1mm，以通过液态金属产生一定压力更好渗透到陶瓷颗粒的间隙，制得金属陶瓷复合材料(图2为所制得金属陶瓷复合材料的微观结构图)。
对比例1
本对比例提供一种金属陶瓷复合材料，与实施例1相比，对比例1中区别之处仅在于：采用ZTA陶瓷替代实施例1中的Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷，其余组分和制备方法相同。
对比例2
本对比例提供一种金属陶瓷复合材料，与实施例1相比，对比例2中区别之处仅在于：陶瓷预制体由以下重量百分数的组分组成：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷64.5％、SiC 25％、Ti5％、造孔剂石蜡1.5％、粘结剂硅酸钠4％，即对比例2的金属陶瓷复合材料中不包含FeB和Ti3SiC2，其余组分和制备方法相同。
对比例3
本对比例提供一种金属陶瓷复合材料，与实施例1相比，对比例3中的区别之处仅在于：陶瓷预制体中FeB的质量分数为0％，Ti3SiC2的质量分数为9.5％，其余组分和制备方法相同。
对比例4
本对比例提供一种金属陶瓷复合材料，与实施例1相比，对比例4中区别之处仅在于：陶瓷预制体中FeB的质量分数为9.5％，Ti3SiC2的质量分数为0％，其余组分和制备方法相同。
产品效果测试
将实施例1-2，对比例1-4所制得的金属陶瓷复合材料的气孔率、抗弯强度、硬度和体积磨损量进行测试，测试结果如表1所示。其中体积磨损量的测定方法为：分别将金属陶瓷复合材料制成磨辊(或锤头、衬板、磨盘)，待磨辊工作6h后，测定磨辊的体积磨损量。
表1：金属陶瓷复合材料性能测试结果
样品 实施例1 实施例2 对比例1 对比例2 对比例3 对比例4
气孔率(％) 42 40 41 40 39 40
抗弯强度(MPa) 173 162 103 96 118 105
硬度(HRA) 135 131 86 67 94 80
体积磨损量(cm<sup>3</sup>) 0.52 0.46 1.26 1.95 1.53 1.02
由上述测试结果可以看出，与实施例1-2相比，对比例1性能发生明显下降，表明Ni-P合金对ZTA陶瓷的包裹可提高金属与陶瓷的结合能力，从而改善金属陶瓷复合材料的力学性能(抗弯强度、硬度和耐磨性)。而对比例2-4则显示，FeB与Ti3SiC2的配合使用对提高产品性能也起到了重要作用，哪怕缺少其中一种也会对产品性能产生明显的减弱，表明FeB与Ti3SiC2对金属陶瓷复合材料性能的改良起到协同作用。推测为FeB起到了重要的润湿作用，改善了Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷与Ti3SiC2以及其他金属类组分的结合能力，但与Ti3SiC2此类超硬耐磨材料共同使用后，才能使金属陶瓷复合材料具有良好的硬度、抗弯强度和耐磨性。
本发明制得的金属陶瓷复合耐磨材料在实际应用中发现，其耐磨性能是Cr26高铬铸铁的5倍以上，使用寿命得到大大加强，具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种金属陶瓷复合材料，其特征在于，由熔融金属液浇注陶瓷预制体制备得到；所述陶瓷预制体包括以下质量分数的组分：Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷55-70％、SiC 15-30％、Ti1-6％、FeB 3-6％、Ti3SiC2 4-8％、造孔剂0.3-1.5％、粘结剂2-4％；所述Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷中Ni-P合金所占质量分数为15-20％。
2.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述熔融金属选自高钒钢、高锰钢、高铬铸铁或球墨铸铁中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的金属陶瓷复合材料，其特征在于，所述粘结剂选自酚醛树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚丙烯酰胺、硅溶胶或硅酸钠中的至少一种。
4.权利要求1-3中任一项所述的金属陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用化学镀或电镀的方式在ZTA陶瓷表面镀Ni-P合金层，制得Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷；
(2)将Ni-P合金包覆的ZTA陶瓷、SiC、Ti、FeB、Ti3SiC2、造孔剂和粘结剂混合，球磨，烘干，制得混合料；
(3)将混合料倒入模具，压实，真空烧结，制得陶瓷预制体；
(4)将陶瓷预制体放置于铸造模具内，浇注熔融金属液，制得金属陶瓷复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中球磨的转速为200-360r/min，球磨的时间为60-180min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中压实的压力为80-120kN，时间为25-40min。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中真空烧结的温度为700-1200℃，时间为1-6h。
8.权利要求1-3中任一项所述的金属陶瓷复合材料在耐磨工件中的应用，其特征在于，所述耐磨工件包括锤头、衬板、磨辊或磨盘。
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