CN112301246A - 一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法 - Google Patents

一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法 Download PDF

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CN112301246A CN201910696006.XA CN201910696006A CN112301246A CN 112301246 A CN112301246 A CN 112301246A CN 201910696006 A CN201910696006 A CN 201910696006A CN 112301246 A CN112301246 A CN 112301246A
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陈言丰
张丽婷
潘耀中
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Abstract

本发明涉及金属陶瓷制备技术领域，具体涉及一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法；本发明制备的金属陶瓷不仅具有很好的耐磨性能；铁粉、镍粉、铈粉和钨粉在高温条件下熔融，其所形成的熔液不断渗出至金属陶瓷表面成为反应生成物，最后获得一种致密的具有三维网状的空间立体结构，显著地提高了金属陶瓷的耐磨性能；铈粉和钨粉相互协同能显著改善金属陶瓷的耐高温性能；锂辉石和二色石两者相互协同，能明显地降低金属陶瓷的热膨胀系数，有效地减小在温差较大的条件下金属陶瓷的性能和内部结构的破坏，从而有效地延长了金属陶瓷的使用寿命。

Description

一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法
技术领域
本发明涉及金属陶瓷制备技术领域，具体涉及一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法。
背景技术
金属陶瓷是由陶瓷和粘接金属组成的非均质的复合材料。陶瓷主要是氧化铝、氧化锆等耐高温氧化物或它们的固溶体，粘接金属主要是铬、钼、钨、钛等高熔点金属。将陶瓷和粘接金属研磨混合均匀，成型后在不活泼气氛中烧结，就可制得金属陶瓷。金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点，它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂，广泛应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等处
金属陶瓷为了使陶瓷既可以耐高温又不容易破碎，人们在制作陶瓷的粘土里加了些金属粉，因此制成了金属陶瓷。金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得，又称弥散增强材料。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。由一种或几种陶瓷相与金属相或合金所组成的复合材料。广义的金属陶瓷还包括难熔化合物合金、硬质合金、金属粘结的金刚石工具材料。
现有技术制备的金属陶瓷虽然密度小、硬度高、耐磨、导热性好。但是其耐磨性能有待提高。而且其热膨胀系数相对较大，在温差较大的条件下会严重损坏金属陶瓷的性能和内部结构，从而缩短其使用寿命。基于上述问题，提供一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，用于解决背景技术中所提出的的技术问题。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取16-20份氮化硼、10-15份氮化钽、3.5-5.0 份二色石、3.0-4.0份锂辉石、2.5-3.2份锆英石、1.5-2.3份铁粉、1.2-1.7 份镍粉、1.0-1.5份镍包铜粉、1.2-1.6份铈粉和1.3-1.8份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量6-9倍的去离子水，混合搅拌15-30min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将10-14份的去离子水、18-25份的正硅酸乙酯和13-18份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入5-8份的盐酸溶液，超声分散10-20min，并将反应釜内的温度设为60-75℃，保温静置3-5h后自然冷却至20-25℃，并在此温度下静置陈化40-50h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入2.5-4.0份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌20-30min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至700-900℃；并在此温度条件下保温30-40min，再以一定的升温速率升温至1800-1950℃，并在此温度条件下保温 150-250min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
更进一步地，所述S1中各组分粉末的粒径为120-200目。
更进一步地，所述S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的3-5％。
更进一步地，：所述S3中的搅拌速率为360-480r/min。
更进一步地，所述S3中盐酸溶液的浓度为0.8-1.5mol/L。
更进一步地，所述S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的2-3 倍。
更进一步地，所述S6中第一次的升温速率为10-15℃/min，第二次的升温速率为25-30℃/min。
有益效果
本发明提供了一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，与现有公知技术相比，本发明的具有如下有益效果：
本发明中以氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉作为制备金属陶瓷的原材料。其中，氮化硼、氮化钽、镍粉、铈粉和钨粉之间相互配合，使得制备的金属陶瓷不仅具有很好的耐磨性能。铁粉、镍粉、铈粉和钨粉在高温条件下熔融，其所形成的熔液不断渗出至金属陶瓷表面成为反应生成物，最后获得一种致密的具有三维网状的空间立体结构，显著地提高了金属陶瓷的耐磨性能。铈粉和钨粉相互协同能显著改善金属陶瓷的耐高温性能。再者，二色石的使用不仅能有效地降低金属陶瓷总体的热膨胀系数，而且还能显著地提高金属陶瓷的耐热性能和抗冲击性能。锂辉石的使用同样能降低金属陶瓷的热膨胀系数。锂辉石和二色石两者相互协同，能明显地降低金属陶瓷的热膨胀系数，有效地减小在温差较大的条件下金属陶瓷的性能和内部结构的破坏，从而有效地延长了金属陶瓷的使用寿命。镍包铜粉的使用增强了金属陶瓷的抗腐蚀性，提高了金属陶瓷的使用寿命。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取18份氮化硼、10份氮化钽、4.0份二色石、3.0份锂辉石、2.8份锆英石、1.5份铁粉、1.4份镍粉、1.0份镍包铜粉、1.4份铈粉和1.3份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量6倍的去离子水，混合搅拌15min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将12份的去离子水、18份的正硅酸乙酯和15份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入5份的盐酸溶液，超声分散10min，并将反应釜内的温度设为60℃，保温静置3h后自然冷却至20℃，并在此温度下静置陈化40h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入3.0份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌20min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至700℃；并在此温度条件下保温30min，再以一定的升温速率升温至1800℃，并在此温度条件下保温150min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
S1中各组分粉末的粒径为120目。
S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的3％。
更进一步地，：所述S3中的搅拌速率为360r/min。
S3中盐酸溶液的浓度为0.8mol/L。
S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的2倍。
S6中第一次的升温速率为10℃/min，第二次的升温速率为 25℃/min。
实施例2：
一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取16份氮化硼、12份氮化钽、3.5份二色石、3.5份锂辉石、2.5份锆英石、1.8份铁粉、1.2份镍粉、1.2份镍包铜粉、1.2份铈粉和1.5份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量7倍的去离子水，混合搅拌20min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将10份的去离子水、20份的正硅酸乙酯和13份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入6份的盐酸溶液，超声分散15min，并将反应釜内的温度设为65℃，保温静置4h后自然冷却至20℃，并在此温度下静置陈化45h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入2.5份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌25min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至750℃；并在此温度条件下保温35min，再以一定的升温速率升温至1850℃，并在此温度条件下保温200min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
S1中各组分粉末的粒径为150目。
S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的3.5％。
更进一步地，：所述S3中的搅拌速率为400r/min。
S3中盐酸溶液的浓度为1.0mol/L。
S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的2.5倍。
S6中第一次的升温速率为10℃/min，第二次的升温速率为 25℃/min。
实施例3：
一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取20份氮化硼、14份氮化钽、5.0份二色石、3.8份锂辉石、3.2份锆英石、2.0份铁粉、1.7份镍粉、1.4份镍包铜粉、1.6份铈粉和1.7份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量8倍的去离子水，混合搅拌25min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将14份的去离子水、23份的正硅酸乙酯和18份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入7份的盐酸溶液，超声分散15min，并将反应釜内的温度设为70℃，保温静置4h后自然冷却至25℃，并在此温度下静置陈化45h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入4.0份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌25min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至850℃；并在此温度条件下保温35min，再以一定的升温速率升温至1900℃，并在此温度条件下保温200min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
S1中各组分粉末的粒径为180目。
S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的4.5％。
更进一步地，：所述S3中的搅拌速率为420r/min。
S3中盐酸溶液的浓度为1.2mol/L。
S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的3倍。
S6中第一次的升温速率为15℃/min，第二次的升温速率为 30℃/min。
实施例4：
一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取19份氮化硼、15份氮化钽、4.5份二色石、4.0份锂辉石、3.0份锆英石、2.3份铁粉、1.5份镍粉、1.5份镍包铜粉、1.5份铈粉和1.8份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量9倍的去离子水，混合搅拌30min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将13份的去离子水、25份的正硅酸乙酯和16份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入8份的盐酸溶液，超声分散20min，并将反应釜内的温度设为75℃，保温静置5h后自然冷却至25℃，并在此温度下静置陈化50h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入3.5份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌30min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至900℃；并在此温度条件下保温40min，再以一定的升温速率升温至1950℃，并在此温度条件下保温250min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
S1中各组分粉末的粒径为200目。
S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的5％。
更进一步地，：所述S3中的搅拌速率为480r/min。
S3中盐酸溶液的浓度为1.5mol/L。
S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的3倍。
S6中第一次的升温速率为15℃/min，第二次的升温速率为 30℃/min。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按质量份数准确称取16-20份氮化硼、10-15份氮化钽、3.5-5.0份二色石、3.0-4.0份锂辉石、2.5-3.2份锆英石、1.5-2.3份铁粉、1.2-1.7份镍粉、1.0-1.5份镍包铜粉、1.2-1.6份铈粉和1.3-1.8份钨粉；然后分别将上述各组分置于球磨机中进行研磨粉碎并过筛处理，得到各组分粉末；
S2、向上述所得的各组分粉末中加入质量为其总质量6-9倍的去离子水，混合搅拌15-30min，得到悬浮液；再向悬浮液中加入适量的聚乙二醇，混合搅拌均匀后，置于超声波分散仪中超声分散，得到混合组分A；
S3、将10-14份的去离子水、18-25份的正硅酸乙酯和13-18份的无水乙醇预混合后置于反应釜中进行搅拌，再向其中加入5-8份的盐酸溶液，超声分散10-20min，并将反应釜内的温度设为60-75℃，保温静置3-5h后自然冷却至20-25℃，并在此温度下静置陈化40-50h，出料后得到混合组分B；
S4、将步骤S1中所得的氮化硼、氮化钽、二色石、锂辉石、锆英石、铁粉、镍粉、镍包铜粉、铈粉和钨粉粉末置于容器中，并向容器中加入混合组分A和混合组分B，混合搅拌均匀后向容器中加入适量的无水乙醇，边搅拌边向其中加入2.5-4.0份的藻酸丙二醇酯，混合搅拌20-30min后得到混合浆料；
S5、将S4中所得的混合浆料注入模具中，并在挤压机的作用下压制成型，得到金属陶瓷坯体；
S6、将金属陶瓷坯体放入高温烧结炉中，在氮气保护下，以一定的升温速率升温至700-900℃；并在此温度条件下保温30-40min，再以一定的升温速率升温至1800-1950℃，并在此温度条件下保温150-250min，经自然冷却后出料，所得即为金属陶瓷成品。
2.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S1中各组分粉末的粒径为120-200目。
3.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S2中聚乙二醇选用聚乙二醇12000，其加入量为去离子水总质量的3-5％。
4.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S3中的搅拌速率为360-480r/min。
5.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S3中盐酸溶液的浓度为0.8-1.5mol/L。
6.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S4中无水乙醇的加入量为混合组分A的2-3倍。
7.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数小的耐磨金属陶瓷的制备方法，其特征在于：所述S6中第一次的升温速率为10-15℃/min，第二次的升温速率为25-30℃/min。
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