CN112481541B - 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法 - Google Patents

一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112481541B
CN112481541B CN202011165621.7A CN202011165621A CN112481541B CN 112481541 B CN112481541 B CN 112481541B CN 202011165621 A CN202011165621 A CN 202011165621A CN 112481541 B CN112481541 B CN 112481541B
Authority
CN
China
Prior art keywords
dimensional network
zta
ceramic
iron
composite material
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011165621.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112481541A (zh
Inventor
李专
黄天行
赵一博
肖鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN202011165621.7A priority Critical patent/CN112481541B/zh
Publication of CN112481541A publication Critical patent/CN112481541A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112481541B publication Critical patent/CN112481541B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/48—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on zirconium or hafnium oxides, zirconates, zircon or hafnates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/06—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances
    • C04B38/0615—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof by burning-out added substances by burning natural expanding materials or by sublimating or melting out added substances the burned-out substance being a monolitic element having approximately the same dimensions as the final article, e.g. a porous polyurethane sheet or a prepreg obtained by bonding together resin particles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/006—Making ferrous alloys compositions used for making ferrous alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/1601—Process or apparatus
    • C23C18/1633—Process of electroless plating
    • C23C18/1635—Composition of the substrate
    • C23C18/1639—Substrates other than metallic, e.g. inorganic or organic or non-conductive
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16—Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
    • C23C18/31—Coating with metals
    • C23C18/32—Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron

Abstract

本发明涉及一种高性能陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法；属于复合材料技术领域；所述复合材料包括铁基体、三维网络状ZTA陶瓷；所述三维网络状ZTA陶瓷为宏观尺寸的三维网络状ZTA陶瓷，所述铁基体贯穿三维网络状ZTA陶瓷并包覆在三维网络状ZTA陶瓷的表面。其制备方法包括通过模板复制法烧结氧化锆、氧化铝陶瓷混粉浆料得到三维网络状ZTA陶瓷；将铁熔液铸渗进入三维网络状ZTA陶瓷中得到三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料。本发明所设计和制备的复合材料在各类恶劣工况下均表现出优良的抗震、抗冲击、耐磨性能。

Description

一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域；具体涉及一种高性能陶瓷增强铁基复合材料及其制备方法。
背景技术
耐磨材料的应用与研究在现今的工业发展中起着重要的作用，例如水泥、机械、电力、矿山、冶金、船舶、化工和煤炭工业的机械装备，各式磨机的磨球、磨盘、磨辊及辅件，还有破碎机的破碎壁、破碎板、反击式破碎机板锤等；冲击腐蚀磨损工矿的大型疏浚泵过流件，渣浆泵件，输送管道等，这些零部件在生产过程中既受到硬质磨料磨损，又处在腐蚀、高温氧化、高冲击等恶劣的磨损环境中，因此极易发生迅速磨损而失效。现今工业上耐磨材料主要为铬系白口铸铁、中低合金钢、奥氏体耐磨锰钢等材料。单一的金属材料越来越难在恶劣的工况下满足实际生产的需求，少量零部件的疲劳失效就会造成难以估计的巨大损失。
将陶瓷作为第二增强相加入金属基体中形成的复合材料，既具备了陶瓷的高硬度，高耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，又能发挥金属基体良好的韧性、可塑性、导热性、导电性。这种复合材料由于其良好的性能，目前得到了广泛的研究与应用。氧化铝陶瓷具备高硬度高强度的特点，随着氧化锆陶瓷的加入，同时具备一定的韧性以及抗冲击性。ZTA陶瓷显微硬度高达2240HV，同时价格低廉、线膨胀系数与各类钢材接近、在高温下与铁熔液没有冶金反应，是制备陶瓷增强金属复合材料良好的陶瓷第二相。
目前绝大多数ZTA增强铁基复合材料主要有两类方式，一类是将ZTA陶瓷经过表面处理，以颗粒的形式均匀分散在铁基体中，获得ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料；一类是将ZTA颗粒通过各类金属粘结剂机械混合后烧结，获得一种多孔的ZTA陶瓷预制体，再将铁熔液铸渗进入预制体中，获得ZTA陶瓷增强铁基复合材料。但这两类方法如不能控制ZTA陶瓷在铁基体中分布的均匀性，极易在高载荷的工况下形成应力集中，导致ZTA颗粒或铁基体的大块脱落，从而大大加剧了磨损，加速了材料的疲劳失效。专利“201810285727.7一种与钢铁熔体润湿性良好的改性ZTA复相陶瓷的制备方法”与本发明明显不同的是，其选择的ZTA复相陶瓷是以颗粒的形式对钢铁材料进行增强，在ZTA陶瓷与钢铁熔液密度相差较大的情况下很难做到陶瓷颗粒的均匀分布，同时在冲击磨损的工况下，ZTA复相陶瓷颗粒极易脱落，从而造成更严重的磨损。专利“201811620521.1一种表面处理ZTA颗粒增强钢铁基复合耐磨件的制备方法”介绍了一种利用ZTA陶瓷颗粒与金属粘结剂制备多孔ZTA陶瓷预制体，从而制备钢铁基复合材料的方法。与本发明明显不同的是，其采用的多孔ZTA金属预制体在形状大小上有着较大的限制，从而造成复合材料制件整体的耐磨性分布极不均匀，制件整体表面在磨损下脱落速率差异较大。
发明内容
为解决现有技术的不足之处，本发明针对现有的工艺缺陷提供了一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，该方法在控制生产成本，简化生产工艺的同时，解决了大尺寸，异形件的三维网络状ZTA陶瓷的制备问题，解决了ZTA陶瓷与铁熔液的润湿性问题。制备了具有良好的耐摩擦性能，力学性能的陶瓷增强铁基复合材料。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，所述复合材料包括铁基体、三维网络状ZTA陶瓷；所述三维网络状ZTA陶瓷为宏观尺寸的三维网络状ZTA陶瓷，所述铁基体贯穿三维网络状ZTA陶瓷并包覆在三维网络状ZTA陶瓷的表面。在本发明中的宏观尺寸优选为：在所得材料的至少一个维度上，其尺寸是毫米级别以上的。作为优选，其尺寸为厘米及以上级别。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，所述三维网络状ZTA陶瓷通过模板复制法烧结陶瓷浆料得到。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，所述三维网络状ZTA陶瓷增强相表面设有改性层，所述改性层厚度为10-20μm；所述改性层选自金属镍、铜、钛、铁中的至少一种，所述改性层制备方法选用化学镀、物理气相沉积中的至少一种。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，：所述三维网络状ZTA陶瓷增强相中三维网络ZTA的开孔隙大于90％，孔径为200-500μm。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，所述三维网络ZTA陶瓷采用模板复制法制备，其工艺包括下述步骤：
第一步：ZTA陶瓷浆料的制备
取3-5μm氧化铝粉与500-1000nm氧化锆粉按质量比1:1-2进行球磨混合，直至两种粉料混合均匀得到第一混合物；将第一步得到的混合物与减水剂、稳定剂、增稠剂、去离子水按照质量比：120:0.5～1:6～8:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3-4小时，得到陶瓷浆料；
第二步：模板预制体的制备
将第一步所得陶瓷浆料均匀涂覆在聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空10-20分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在；将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温24-48小时充分干燥；
第三步：三维网络状ZTA陶瓷的制备
将三维网络状预制体在含氧气氛下，以5-10℃/min的升温速率加热至1450-1550℃保温2-3小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，三维网络状ZTA陶瓷表面采用下述方案进行处理：
采用化学镀、物理气相沉积法中至少一种进行表面处理，得到与陶瓷、铁基体同时具有良好结合性能的界面层；
所述化学镀为：按照质量比0.5～1:0.5～1:0.5～1:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液，调节pH值直至5-5.5；将三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至60-90℃；搅拌速度为60-120r/min；化学镀镍时间20-90分钟、优选为25-65分钟；
所述物理气相沉积法为：按照质量比2-3:10取钛、铜或钛、铁金属粉球磨混合1-2h，均匀平铺在刚玉或碳化硅坩埚底层；将三维网络状ZTA陶瓷悬空挂置在金属混合粉上方并一同放入烧结炉内；加热至1600-1700℃；抽真空处理直至5-10Pa；物理气相沉积保温时间为30-180分钟、优选为60-120分钟。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，以质量百分比计包括下述组分组成：
三维网络状ZTA陶瓷：5-10％；
铁基体：90-95％。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于；包括下述步骤：
将表面处理后的三维网络状ZTA放置于刚玉或碳化硅坩埚底，样品上方用具有网格和/或通孔的刚玉或碳化硅坩埚盖压实，刚玉或碳化硅坩埚盖上方放置体积大于三维网络状ZTA孔隙体积的铁块和/或钢块，在真空加压铸造炉中，以10-15℃/min的升温速率加热至铸渗温度1300-1600℃、优选为1500-1600℃、进一步优选为1590-1600℃，铸渗60-120分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为200-1000Pa，金属溶液铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络碳化硅增强金属基复合材料；所述表面处理后的三维网络状ZTA由三维网络状ZTA陶瓷和在三维网络状ZTA陶瓷的表面以及孔隙内沉积的界面层组成；所述界面层的材质选自镍、铜、钛、铁、中的至少一种。本发明在技术开发过程中，当铸渗温度为1590-1610℃时，其所得产品的性能远远优于其他铸渗温度下所得产品的性能。
本发明一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于：所述三维网络状ZTA陶瓷通过下述步骤制备：
取3-5μm氧化铝粉与500-1000nm氧化锆粉按质量比1:1-2进行球磨混合，直至两种粉料混合均匀得到第一混合物；将第一步得到的混合物与减水剂、稳定剂、增稠剂、去离子水按照质量比：120:0.5～1:6～8:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3-4小时，得到具有良好流动性的陶瓷浆料；
将陶瓷浆料均匀涂覆在聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空10-20分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在。将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温24-48小时充分干燥；
将三维网络状预制体在空气气氛下，以5-10℃/min的升温速率加热至1450-1550℃保温2-3小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷；
采用化学镀、物理气相沉积法中至少一种进行表面处理，得到与陶瓷、铁基体同时具有良好结合性能的界面层；
所述化学镀为：按照质量比0.5～1:0.5～1:0.5～1:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液，调节pH值直至5-5.5；将三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至60-90℃；搅拌速度为60-120r/min；化学镀镍时间20-90分钟、优选为25-65分钟；
所述物理气相沉积法为：按照质量比2-3:10取钛、铜或钛、铁金属粉球磨混合1-2h，均匀平铺在刚玉或碳化硅坩埚底层；将三维网络状ZTA陶瓷悬空挂置在金属混合粉上方并一同放入烧结炉内；加热至1600-1700℃；抽真空处理直至5-10Pa；物理气相沉积保温时间为30-180分钟、优选为60-120分钟。
本发明通过控制陶瓷浆料的粘度，优化了浆料在模板上的附着情况，通过模板复制法制备了孔隙率可控，大小可控，形状可控的三维网络状ZTA陶瓷预制体。
本发明所述的聚氨酯泡沫开孔大小为15ppi-35ppi。
本发明所述的减水剂为聚羧酸减水剂(HPEG2400，山东优索化工科技有限公司)，增稠剂优选为CMC，稳定剂优选为Y2O3。
本发明所设和制备的高性能陶瓷增强铁基复合材料，其性能为：
所得产品金属基体部分显微硬度为550-850HV，ZTA陶瓷部分显微硬度为1900-2200HV,界面结合部分显微硬度为900-1450HV；
所得产品在20-60分钟三体磨损工况下，较产品基体部分原材料磨损量减少4-7倍，平均摩擦系数为0.3-0.5。
本发明制备的复合材料中，三维网络状ZTA陶瓷具有连续性好，三维网络状结构均匀，孔径分布大小可控,所制备的三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料形状大小可控。相较于传统的ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料，本发明具有良好的陶瓷增强相与铁基体互穿结构，既可以在三维空间上发挥陶瓷高硬度，高耐磨性的特点，也可以从整体结构上发挥铁基体的良好韧性；相较于传统的蜂窝状多孔ZTA陶瓷预制体增强铁基复合材料，本发明具有更完整的三维网络状ZTA陶瓷结构，即可以保证陶瓷增强相的铁基体中的稳定性，也可以更好的通过完整的陶瓷结构分散所受到的应力与载荷。
有益效果：
本发明采用模板复制法制备三维网络状ZTA陶瓷，在聚氨酯泡沫上附着ZTA陶瓷浆料，通过烧结形成三维网络状ZTA陶瓷。然后与铁基体进行复合，形成三维网络状ZTA增强铁基复合材料。复合材料中，三维网络状ZTA陶瓷骨架均匀分布，在空间上连续，与铁基体形成空间互穿的结构。复合材料因ZTA陶瓷的高强度高硬度获得了良好的耐磨性能，因铁基体获得了良好的抗冲击性能、可塑性、韧性以及导热导电性能。相较于传统的ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料，本发明具有良好的陶瓷增强相与铁基体互穿结构，既可以在三维空间上发挥陶瓷高硬度，高耐磨性的特点，也可以从整体结构上发挥铁基体的良好韧性；相较于传统的蜂窝状多孔ZTA陶瓷预制体增强铁基复合材料，本发明具有更完整的三维网络状ZTA陶瓷结构，即可以保证陶瓷增强相的铁基体中的稳定性，也可以更好的通过完整的陶瓷结构分散所受到的应力与载荷。整体复合材料的耐磨性能，力学性能具有均匀分布的特点。本发明制备的复合材料在各类恶劣工况下均表现出优良的抗震、抗冲击、耐磨性能。
本发明严格控制ZTA陶瓷浆料制备工艺，可以制备具有良好流动性，同时具备良好粘着性的ZTA陶瓷浆料。
本发明通过在浆料附着模板时，加入真空去除气泡步骤，成果解决了传统模板复制法制备多孔材料的气泡多，闭孔多等问题。
本发明通过研究不同温度下ZTA陶瓷的烧结相变情况，严格控制ZTA陶瓷烧结工艺，通过模板复制法制备了孔径大小可控，尺寸可控，形状可控的三维网络状ZTA陶瓷。
本发明在三维网络状ZTA陶瓷进行铁金属铸渗前，对其进行表面处理工艺，通过在其表面制备一层金属界面层，成功地解决了ZTA陶瓷与铁熔液润湿性差的问题，制备了致密的，无明显裂纹与缺陷的三维网络状ZTA增强铁基复合材料。
本发明设计了全新的铸渗模型，通过刚玉盖板压实成功解决了ZTA陶瓷在铁熔液中因密度较小的上浮问题。保证了所制备复合材料中陶瓷的均匀分布问题。
本发明制得的三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料，在实际服役的过程中，较之传统耐磨材料，有着更好的耐磨性能，失效情况明显减少，磨损量明显降低，服役时间显著增长。
附图说明
附图1为本发明实例1的三维网络状ZTA陶瓷宏观形貌图；
附图2为本发明实例1的三维网络状ZTA陶瓷扫描电镜图；
附图3为本发明实例1的三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料扫描电镜图；
附图4为本发明实例1的三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料摩擦形貌扫描电镜图；
附图5为本发明实例2的三维网络状ZTA陶瓷宏观形貌图；
附图6为本发明实例2的三维网络状ZTA陶瓷扫描电镜图；
附图7为本发明实例2的三维网络状ZTA陶瓷化学镀镍宏观形貌图；
附图8为本发明实例2的三维网络状ZTA陶瓷化学镀镍扫描电镜图；
附图9为本发明对比例1的三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料扫描电镜图；
附图10为本发明实例1、2、3及对比例1的显微硬度分布图；
附表1为本发明实例1、2、3及对比例1的摩擦前后高度质量损失情况表。
从附图1可以看出：三维网络状ZTA陶瓷具有连续且均匀的通孔，骨架完整，具有良好的孔隙率。
从附图2可以看出：三维网络状ZTA陶瓷的骨架在空间上连续，各个孔洞均匀无堵塞，连通处光滑无裂纹，表现出良好的显微形貌。
从附图3可以看出：三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料结合良好，基本保留了原有的三维网络状ZTA陶瓷结构。
从附图4可以看出：三维网络状ZTA陶瓷在摩擦过程中微凸与铁基体表面，对铁基体部分有着阴影保护作用。
从附图5可以看出：较小孔径的三维网络状ZTA陶瓷仍具有连续且均匀的通孔，骨架完整，有良好的孔隙率。
从附图6可以看出：三维网络状ZTA陶瓷骨架均匀致密，显微结构良好。
从附图7可以看出：经过化学镀镍的三维网络状ZTA表面存在一层镍涂层，镍涂层分布均匀，没有明显缺陷。
从附图8可以看出：三维网络状ZTA表面涂覆镍涂层后均匀无裂纹，没有堵塞孔径，仍保留了完整且良好的三维网络状结构。
从附图9可以看出：三维网络状ZTA陶瓷增强铁基复合材料结合不好，界面处有孔隙存在。
从附图10可以看出：实施例1、2、3所得的复合材料硬度分布良好，实施例2为最佳实施例，在界面处无缺陷。对比例1界面处硬度下降严重。
从附表1可以看出：实施例1、2、3所得的复合材料在摩擦前后的质量与高度损失远低于原铸铁材料，复合材料的耐磨性能有较大的提升。其中实施例2为最佳实施例，提升效果达到最大。对比例1较原铁基体并无较大提升。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步说明。
实施例1：
(1)将阿拉丁生产的5微米氧化铝粉末和西亚药剂生产的500纳米级氧化锆粉末按照质量比1:1.5均匀球磨混合，得到第一混合物。将第一步得到的混合物与减水剂HPEG2400、稳定剂Y2O3、增稠剂CMC、去离子水按照质量比：120:1:8:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3小时，得到具有良好流动性的陶瓷浆料。
取15ppi聚氨酯泡沫切割成为50×50×20mm块状，将陶瓷浆料均匀涂覆在15ppi聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空10分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在。将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温24小时充分干燥。
将三维网络状预制体在空气气氛下，以5℃/min的升温速率加热至1450℃保温2小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷。见附图1、2。
(2)按照质量比2:10取钛、铁金属粉球磨混合2h，均匀平铺在刚玉坩埚底层；将三维网络状ZTA陶瓷悬空挂置在金属混合粉上方并一同放入烧结炉内；加热至1680℃；抽真空处理直至5Pa；物理气相沉积保温时间为120分钟。获得表面均匀沉积铁-钛涂层的三维网络状ZTA陶瓷。
(3)将表面处理后的三维网络状ZTA放置于55×55×50mm刚玉坩埚底，样品上方用具有网格通孔的刚玉坩埚盖压实，刚玉坩埚盖上方放置约500g铸铁块，坩埚内侧涂抹氮化硼以便脱模，在真空加压铸造炉中，以10℃/min的升温速率加热至铸渗温度1400℃，铸渗60分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为1000Pa，铁熔液铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络状ZTA增强铁基复合材料。见附图3。
在济南益华摩擦学测试技术有限公司的MMD-1型摩擦磨损试验机上进行了法向载荷为20N，时长为60分钟，转速200r/min，对偶件为高铬铸铁的销盘摩擦实验。可以看出摩擦过后的复合材料中，ZTA陶瓷微凸与铁基体表面，对铁基体有着阴影保护作用。摩擦系数在0.45左右平稳波动。复合材料的磨损率相比较于原高铬铸铁材料有了明显的降低。使用维氏硬度计对复合材料硬度进行了检测。见附图4、10，附表1。
实施例2：
(1)将阿拉丁生产的3微米氧化铝粉末和西亚药剂生产的1000纳米级氧化锆粉末按照质量比1:1均匀球磨混合，得到第一混合物。将第一步得到的混合物与减水剂HPEG2400、稳定剂Y2O3、增稠剂CMC、去离子水按照质量比：120:0.5:6:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌4小时，得到具有良好流动性的陶瓷浆料。
取35ppi聚氨酯泡沫切割成为60×60×15mm块状，将陶瓷浆料均匀涂覆在35ppi聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空20分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在。将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温48小时充分干燥。
将三维网络状预制体在空气气氛下，以10℃/min的升温速率加热至1550℃保温3小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷。见附图5、6。
(2)按照质量比1:1:1:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液1L，调节PH值直至5左右；将预先制得的三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至90℃；搅拌速度为120r/min；化学镀镍时间为60分钟。获得了表面具有均匀良好的镍涂层的三维网络状ZTA陶瓷。见附图7、8。
(3)将表面处理后的三维网络状ZTA放置于55×55×50mm刚玉坩埚底，样品上方用具有网格通孔的刚玉坩埚盖压实，刚玉坩埚盖上方放置约350g铸铁块，坩埚内侧涂抹氮化硼以便脱模，在真空加压铸造炉中，以15℃/min的升温速率加热至铸渗温度1600℃，铸渗120分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为200Pa，铁熔液铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络状ZTA增强铁基复合材料。
在济南益华摩擦学测试技术有限公司的MMD-1型摩擦磨损试验机上进行了法向载荷为20N，时长为60分钟，转速200r/min，对偶件为高铬铸铁的销盘摩擦实验。摩擦系数在0.3左右平稳波动。复合材料的磨损率相比较于原高铬铸铁材料有了明显的降低。使用维氏硬度计对复合材料硬度进行了检测。见附图10，附表1。
实施例3：
(1)将阿拉丁生产的4微米氧化铝粉末和西亚药剂生产的800纳米级氧化锆粉末按照质量比1:2均匀球磨混合，得到第一混合物。将第一步得到的混合物与减水剂HPEG2400、稳定剂Y2O3、增稠剂CMC、去离子水按照质量比：120:0.8:7:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3.5小时，得到具有良好流动性的陶瓷浆料。
取25ppi聚氨酯泡沫切割成为50×50×15mm块状，将陶瓷浆料均匀涂覆在25ppi聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空15分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在。将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温36小时充分干燥。
将三维网络状预制体在空气气氛下，以8℃/min的升温速率加热至1500℃保温2.5小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷。
(2)按照质量比0.5:0.5:0.5:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液1L，调节PH值直至5.5左右；将预先制得的三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至60℃；搅拌速度为60r/min；化学镀镍时间为25分钟。获得了表面具有均匀良好的镍涂层的三维网络状ZTA陶瓷。
(3)将表面处理后的三维网络状ZTA放置于55×55×50mm碳化硅坩埚底，样品上方用具有网格通孔的碳化硅坩埚盖压实，碳化硅坩埚盖上方放置约300g铸铁块，坩埚内侧涂抹氮化硼以便脱模，在真空加压铸造炉中，以12℃/min的升温速率加热至铸渗温度1500℃，铸渗90分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为500Pa，铁熔液铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络状ZTA增强铁基复合材料。
在济南益华摩擦学测试技术有限公司的MMD-1型摩擦磨损试验机上进行了法向载荷为20N，时长为60分钟，转速200r/min，对偶件为高铬铸铁的销盘摩擦实验。摩擦系数在0.4左右平稳波动。复合材料的磨损率相比较于原高铬铸铁材料有了明显的降低。使用维氏硬度计对复合材料硬度进行了检测。见附图10，附表1。
对比例1：
(1)将阿拉丁生产的5微米氧化铝粉末和西亚药剂生产的1000纳米级氧化锆粉末按照质量比1:2均匀球磨混合，得到第一混合物。将第一步得到的混合物与减水剂HPEG2400、稳定剂Y2O3、增稠剂CMC、去离子水按照质量比：120:0.8:7:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3小时，得到具有良好流动性的陶瓷浆料。
取20ppi聚氨酯泡沫切割成为50×50×15mm块状，将陶瓷浆料均匀涂覆在20ppi聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空20分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在。将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温24小时充分干燥。
将三维网络状预制体在空气气氛下，以10℃/min的升温速率加热至1500℃保温2小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷。
(2)按照质量比1:1:1:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液1L，调节PH值直至7左右；将预先制得的三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至60℃；搅拌速度为60r/min；化学镀镍时间为20分钟。表面镀层呈暗黑色，有少量剥落。
(3)将表面处理后的三维网络状ZTA放置于55×55×50mm碳化硅坩埚底，样品上方用具有网格通孔的碳化硅坩埚盖压实，碳化硅坩埚盖上方放置约300g铸铁块，坩埚内侧涂抹氮化硼以便脱模，在真空加压铸造炉中，以12℃/min的升温速率加热至铸渗温度1250℃，铸渗30分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为500Pa，铁熔液铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络状ZTA增强铁基复合材料，复合材料在铁基与陶瓷结合部分有较多缺陷产生。见附图9。
在济南益华摩擦学测试技术有限公司的MMD-1型摩擦磨损试验机上进行了法向载荷为20N，时长为60分钟，转速200r/min，对偶件为高铬铸铁的销盘摩擦实验。摩擦系数大幅度波动。复合材料的磨损率相比较于原高铬铸铁材料未发现明显的降低。使用维氏硬度计对复合材料硬度进行了检测。见附图10，附表1。
发明人还尝试了更高的铸渗温度(即铸渗温度大于1600℃)，但实验失败。
表1
Figure BDA0002745678000000111

Claims (4)

1.一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，其特征在于：所述复合材料包括铁基体、三维网络状ZTA陶瓷；所述三维网络状ZTA陶瓷为宏观尺寸的三维网络状ZTA陶瓷，所述铁基体贯穿三维网络状ZTA陶瓷并包覆在三维网络状ZTA陶瓷的表面；
所述高性能陶瓷增强铁基复合材料，以质量百分比计包括下述组分组成：
三维网络状ZTA陶瓷：5-10%；
铁基体：90-95%；
所述三维网络状ZTA陶瓷增强相中三维网络ZTA的开孔隙大于
90%，孔径为200-500μm；
所述三维网络ZTA陶瓷采用模板复制法制备，其工艺包括下述步骤：
第一步：ZTA陶瓷浆料的制备
取3-5μm氧化铝粉与500-1000nm氧化锆粉按质量比1:1-2进行球磨混合，直至两种粉料混合均匀得到第一混合物；将第一步得到的混合物与减水剂、稳定剂、增稠剂、去离子水按照质量比：120:0.5~1:6~8:3:100均匀混合，再次进行球磨搅拌3-4小时，得到陶瓷浆料；
第二步：模板预制体的制备
将第一步所得陶瓷浆料均匀涂覆在聚氨酯泡沫模板上得到第一预制体，抽真空10-20分钟直至聚氨酯泡沫表面无闭孔气泡存在；将第一预制体放入烘箱中，在40℃与80℃各保温24-48小时充分干燥；
第三步：三维网络状ZTA陶瓷的制备
将三维网络状预制体在含氧气氛下，以5-10℃/min的升温速率加热至1450~1550℃保温2-3小时进行烧结，制得三维网络状ZTA陶瓷；
所述高性能陶瓷增强铁基复合材料通过下述步骤制备：
将表面处理后的三维网络状ZTA放置于刚玉或碳化硅坩埚底，样品上方用具有网格和/或通孔的刚玉或碳化硅坩埚盖压实，刚玉或碳化硅坩埚盖上方放置体积大于三维网络状ZTA孔隙体积的铁块和/或钢块，在真空加压铸造炉中，以10-15℃/min的升温速率加热至铸渗温度1590-1600℃，铸渗60-120分钟，全程抽真空处理，炉内压力控制为200-1000Pa，金属熔液 铸渗进入三维网络状ZTA中，得到三维网络碳化硅增强金属基复合材料；所述表面处理后的三维网络状ZTA由三维网络状ZTA陶瓷和在三维网络状ZTA陶瓷的表面以及孔隙内沉积的改性层组成；所述改性层的材质选自镍、铜、钛、铁中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，其特征在于：所述改性层厚度为10-20μm，所述改性层制备方法选用化学镀、物理气相沉积中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，其特征在于：三维网络状ZTA陶瓷表面采用下述方案进行处理：
采用化学镀、物理气相沉积法中至少一种进行表面处理，得到与陶瓷、铁基体同时具有良好结合性能的界面层；
所述化学镀为：按照质量比0.5~1:0.5~1:0.5~1:40均匀混合乳酸、硫酸镍、一水合次氯磷酸钠、去离子水制备化学镀镍液，调节pH值直至5-5.5；将三维网络状ZTA陶瓷依次进行除油、除锈、敏化活化步骤，放入化学镀镍液中，完全浸没；加热升温至60-90℃；搅拌速度为60-120r/min；化学镀镍时间20-90分钟；
所述物理气相沉积法为：按照质量比2-3:10取钛、铜或钛、铁金属粉球磨混合1-2h，均匀平铺在刚玉或碳化硅坩埚底层；将三维网络状ZTA陶瓷悬空挂置在金属混合粉上方并一同放入烧结炉内；加热至1600-1700℃；抽真空处理直至5-10Pa；物理气相沉积保温时间为30-180分钟。
4.根据权利要求3所述的一种高性能陶瓷增强铁基复合材料，其特征在于：化学镀镍时间为25-65分钟。
CN202011165621.7A 2020-10-27 2020-10-27 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法 Active CN112481541B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011165621.7A CN112481541B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011165621.7A CN112481541B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112481541A CN112481541A (zh) 2021-03-12
CN112481541B true CN112481541B (zh) 2022-04-05

Family

ID=74927251

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011165621.7A Active CN112481541B (zh) 2020-10-27 2020-10-27 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112481541B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113292318A (zh) * 2021-03-19 2021-08-24 西安理工大学 一种zta/高铬铸铁复合耐磨材料的制备方法
CN113441702A (zh) * 2021-05-27 2021-09-28 中国科学院工程热物理研究所 一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构及其制备方法
CN114908322B (zh) * 2022-07-18 2022-09-30 中南大学 一种耐烧蚀三维镶嵌陶瓷涂层及其制备方法
CN114921708B (zh) * 2022-07-20 2022-09-27 昆明理工大学 一种自生zta陶瓷增强铁基复合材料制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60127067A (ja) * 1983-12-14 1985-07-06 Kubota Ltd セラミツクス・金属複合体の製造法
CN103302268A (zh) * 2013-06-27 2013-09-18 重庆罗曼耐磨材料有限公司 一种陶瓷金属复合耐磨材料的制备方法
CN104745854A (zh) * 2013-12-25 2015-07-01 青岛玉光精铸厂 三维网络陶瓷-金属摩擦复合材料的真空-气压铸造方法
CN104163650A (zh) * 2014-07-01 2014-11-26 北京大学深圳研究生院 一种多孔陶瓷及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112481541A (zh) 2021-03-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112481541B (zh) 一种高性能陶瓷增强铁基复合材料的制备方法
CN103785841B (zh) 一种浆料涂挂zta增强钢铁基复合耐磨件的制备方法
CN113073248B (zh) 一种wc预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法
Wu et al. An advanced self-lubricating ceramic composite with the addition of core-shell structured h-BN@ Ni powders
CN111455249B (zh) 一种锰钢基复相颗粒增强金属陶瓷表面复合材料、铸件及其制造方法
CN109128005B (zh) 一种金属框架增韧陶瓷复合材料及其制备方法和应用
CN104152777A (zh) 一种TiC基钢结硬质合金复合耐磨增强体的制备方法
CN113292318A (zh) 一种zta/高铬铸铁复合耐磨材料的制备方法
CN113862548B (zh) 一种原位自生zta颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法
CN109338206B (zh) 一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合破碎壁的制备方法
CN104139185A (zh) 一种金属陶瓷耐磨复合材料的制备方法
CN113106318B (zh) 一种wc预制体结构增强铁基复合材料及其制备方法
CN109317644B (zh) 一种多孔网状陶瓷增强钢铁基复合衬板的制备方法
CN107043882A (zh) 一种金刚石复合材料的制备方法
Lemster et al. Activation of alumina foams for fabricating MMCs by pressureless infiltration
CN114807725A (zh) 镶嵌颗粒增强的高熵合金基纳米超硬复合材料及其制备方法
CN107214319A (zh) 一种颗粒增强金属基复合材料的制备方法
CN107598136B (zh) 一种陶瓷颗粒金属复合材料的制备方法
CN109231990A (zh) 一种碳化钨-金刚石复合材料的制备方法
CN113582697A (zh) 一种梯度层状B4C-TiB2/Al复合材料及其制备方法
Firoozbakht et al. Low-temperature pressureless sintering of Al2O3-SiC-Ni nanocermets in air environment
CN114871382A (zh) 一种微粉包覆六棱柱形ZTA/Fe复合材料制备方法
CN103060794B (zh) 镍和二硼化钛混合料及其在金属基体上制作涂层的方法
CN114570483B (zh) 一种马氏体/贝氏体钢基zta陶瓷复合材料反击式破碎机板锤及其制造方法
CN109987938B (zh) 一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷及其制备方法与应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant