CN113020592A - 一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法及应用，陶瓷颗粒表面预处理后，采用粘接剂对陶瓷颗粒表面进行浸润处理，使其均匀分布具有一定粘度的薄膜，然后在筛网或滚动设备中放入浸润处理后的陶瓷颗粒，在运动状态下倒入金属粉，将金属粉均匀涂覆在陶瓷颗粒表面，然后置于干燥箱中进行干燥，最后将包裹金属粉的陶瓷颗粒置于真空炉中进行烧结，使金属粉与陶瓷颗粒紧密结合，本发明制得的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料用于采用金属液浇铸成型的陶瓷颗粒增强金属复合材料的制备。本发明方法简单、经济实用，不仅解决了陶瓷颗粒和金属液界面不相容的问题，而且解决了金属液浇铸过程中陶瓷颗粒由于密度较低而上浮的工艺难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法及其应用，主要应用于矿山开采、钻探等需要防磨领域。
背景技术
由于兼具陶瓷颗粒较高的硬度、优异的耐磨性和金属的易成型、良好的浇铸性和韧性等性能优势，陶瓷颗粒增强金属复合材料主要用于矿山开采、钻探等需要防磨领域。通常采用陶瓷颗粒与熔融金属液一起浇铸成型的制备工艺得到该复合材料。然而，由于陶瓷颗粒表面与金属不相容的问题，导致其界面性能较差，产品使用过程中容易导致陶瓷颗粒发生脱落；并且，由于两者密度存在较大差距，金属液浇铸过程中也容易导致陶瓷颗粒上浮，影响产品的最终使用效果。因此，解决陶瓷颗粒与金属界面相容性和陶瓷颗粒密度较低的问题，仍然是该领域存在的难点问题。
申请号为202010693590.6的中国专利，报道了改性ZTA陶瓷颗粒增强铁基复合材料及其制备方法，该专利采用真空多弧离子镀的方法在陶瓷颗粒表面涂覆一层NiCrAlY合金粉末。虽然该专利能够解决陶瓷与金属的界面问题，但是该方法不仅成本较高效率偏低，而且无法制备出陶瓷颗粒包裹成具有一定厚度（1mm以上）金属外壳。申请号为201910969140.2的中国专利，报道了微米级（20μm）陶瓷颗粒包裹金属粉的制备方法。该专利的发明目的是应用于热喷涂领域，基于热喷涂工艺实际情况，该专利采用粉末冶金的方法，将陶瓷颗粒与金属粉、NH4Cl、金属氢氧化物均匀混合并烧结，得到陶瓷-金属复合粉体材料。由此可见，该制备方法不仅无法达到金属粉包覆陶瓷颗粒的技术效果，而且也没有解决陶瓷颗粒原有密度较低的问题。
由于陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性等优点，向金属材料中引入陶瓷颗粒可显著提升金属材料的耐磨性和寿命。然而，采用陶瓷颗粒与金属液一起浇铸成型的制备工艺，尚存在陶瓷颗粒与金属界面不相容的问题，较差的界面性能容易导致陶瓷颗粒发生脱落；并且，由于陶瓷的密度均小于金属液的密度，采用浇注成型的方法还会导致陶瓷颗粒上浮，无法使陶瓷颗粒与金属液均匀混合至一起。因此，有必要开发出一种成本较低简单实用，且解决陶瓷-金属界面性能较差、陶瓷颗粒密度较低的陶瓷颗粒表面包覆金属的制备方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法及其应用，本发明的方法简单、经济实用，不仅解决了陶瓷颗粒和金属液界面不相容的问题，而且解决了金属液浇铸过程中陶瓷颗粒由于密度较低而上浮的工艺难题。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，将陶瓷颗粒表面预处理后，采用粘接剂对陶瓷颗粒表面进行浸润处理，然后将浸润处理后的陶瓷颗粒置于金属粉中，使得金属粉均匀涂覆在陶瓷颗粒表面，经干燥、真空烧结得到陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料，具体包括以下步骤：
（1）陶瓷颗粒表面预处理：将陶瓷颗粒进行超声波清洗，去除表面细小颗粒，然后置于鼓风干燥箱中进行干燥处理，并取出备用；
（2）浸润处理：采用粘结剂对预处理后的陶瓷颗粒进行浸润处理，使陶瓷颗粒表面裹覆一层具有粘度的薄膜，且颗粒之间并不产生团聚，彼此分离。经浸润处理后的陶瓷单独存放并备用；
（3）包裹金属粉：在筛网或滚动设备中放入金属粉和浸润处理后的陶瓷颗粒，在陶瓷颗粒运动状态下，将金属粉均匀包裹在陶瓷颗粒表面，然后置于干燥箱中再次进行干燥处理；
（4）真空烧结：将包裹金属粉后的陶瓷颗粒置于石墨坩埚中，然后在600℃~1200℃保温3h~12h条件下进行真空烧结，使陶瓷颗粒和金属粉的界面充分反应，形成冶金结合。
进一步，所述步骤（1）中的陶瓷颗粒是尺寸介于1mm和10mm之间的氧化物、氮化物或碳化物。
进一步，所述步骤（2）中的粘结剂采用质量浓度为5%~60%的聚乙烯醇、硅溶胶或水玻璃。
进一步，所述步骤（3）中的金属粉采用铁基、镍基、钴基或钛基金属粉。
进一步，所述步骤（3）中的金属粉可以用合金粉代替。
进一步，根据后续金属液浇铸实际情况，重复步骤（2）-（3），使陶瓷颗粒表面包覆的金属粉层的厚度达到0.5mm~3mm，增加颗粒的重量，避免在熔融金属液中上浮。
进一步，所述干燥处理的温度为80℃~120℃，时间为12h~24h。
进一步，所述步骤（4）中的真空烧结的温度为600℃~1200℃，保温时间为3h~12h。
利用本发明所述的制备方法制得的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的应用：将金属液和陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料采用浇注成型的方法，制备得到陶瓷颗粒增强金属复合材料。
本发明的有益效果：本发明方法简单、经济实用，不仅解决了陶瓷颗粒和金属液界面不相容的问题，而且解决了金属液浇铸过程中陶瓷颗粒由于密度较低而上浮的工艺难题，适用于绝大多数金属粉对陶瓷陶瓷颗粒进行表面包裹。
附图说明
图1为本发明陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的形貌图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
本实施例的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法步骤如下：
分别选择颗粒尺寸为3mm的ZTA（氧化锆增韧氧化铝）和铁粉作为陶瓷颗粒和金属粉。首先，将ZTA陶瓷颗粒进行超声波清洗，然后置于80℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理24h。然后，将陶瓷颗粒充分浸润至10%（质量分数）的硅溶胶中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的筛网中，向其匀速倒入铁粉。而后，将包覆金属粉的陶瓷颗粒再次放入80℃干燥箱中进行干燥处理24h。最后，置于800℃的真空炉中烧结3h，陶瓷颗粒与金属粉紧密包裹在一起，无铁粉掉落情况发生。
实施例2
本实施例的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法步骤如下：
分别选择颗粒尺寸为1mm的Al2O3和镍粉作为陶瓷颗粒和金属粉。首先，将Al2O3陶瓷颗粒进行超声波清洗，然后置于100℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理18h。然后，将陶瓷颗粒充分浸润至10%（质量分数）的聚乙烯醇中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的筛网中，向其匀速倒入镍粉。而后，将包覆金属粉的陶瓷颗粒再次放入120℃干燥箱中进行干燥处理12h。最后，置于1200℃的真空炉中烧结6h，陶瓷颗粒与金属粉紧密包裹在一起，无镍粉掉落情况发生。
实施例3
本实施例的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法步骤如下：
分别选择颗粒尺寸为10mm的SiC和铁粉作为陶瓷颗粒和金属粉。首先，将SiC陶瓷颗粒进行超声波清洗，然后置于120℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理12h。然后，将陶瓷颗粒充分浸润至5%（质量分数）的水玻璃中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的筛网中，向其匀速倒入铁粉。而后，将包覆金属粉的陶瓷颗粒再次放入120℃干燥箱中进行干燥处理12h。最后，置于600℃的真空炉中烧结12h，陶瓷颗粒与金属粉紧密包裹在一起，无铁粉掉落情况发生。
实施例4
本实施例的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法步骤如下：
分别选择颗粒尺寸为1mm的BN和钴粉作为陶瓷颗粒和金属粉。首先，将BN陶瓷颗粒进行超声波清洗，然后置于100℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理24h。然后，将陶瓷颗粒充分浸润至60%（质量分数）的硅溶胶中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的滚动设备中，向其匀速倒入钴粉。而后，将包覆金属粉的陶瓷颗粒再次放入100℃干燥箱中进行干燥处理20 h。最后，置于1400℃的真空炉中烧结6h，陶瓷颗粒与金属粉紧密包裹在一起，无铁钴掉落情况发生。
实施例5
本实施例的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法步骤如下：
分别选择颗粒尺寸为2mm的ZrO2和铁粉作为陶瓷颗粒和金属粉。首先，将ZrO2陶瓷颗粒进行超声波清洗，然后置于120℃的鼓风干燥箱中进行干燥处理12h。然后，将陶瓷颗粒充分浸润至40%（质量分数）的硅溶胶中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的滚动设备中，向其匀速倒入铁粉。而后，将包覆金属粉的陶瓷颗粒再次放入100℃干燥箱中进行干燥处理15h。将干燥后的预处理颗粒再次浸润至40%（质量分数）的硅溶胶中，使颗粒表面包裹一层具有粘度的薄膜，并放入运动状态下的滚动设备中，再次向其匀速倒入铁粉。最后，置于1400℃的真空炉中烧结6h，陶瓷颗粒与金属粉紧密包裹在一起，金属粉的厚度为1mm，并无铁粉掉落情况发生。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：将陶瓷颗粒表面预处理后，采用粘接剂对陶瓷颗粒表面进行浸润处理，然后将浸润处理后的陶瓷颗粒置于金属粉中，使得金属粉均匀涂覆在陶瓷颗粒表面，经干燥、真空烧结得到陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料。
2.根据权利要求1所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）陶瓷颗粒表面预处理：将陶瓷颗粒进行超声波清洗，去除表面细小颗粒和其他杂质，然后置于鼓风干燥箱中进行干燥处理，并取出备用；
（2）浸润处理：采用粘结剂对预处理后的陶瓷颗粒进行浸润处理，使陶瓷颗粒表面裹覆一层具有粘度的薄膜，且覆膜后的陶瓷颗粒之间并不产生团聚，彼此分离，经浸润处理后的陶瓷颗粒单独存放备用；
（3）包裹金属粉：在筛网或滚动设备中放入金属粉和浸润处理后的陶瓷颗粒，在陶瓷颗粒运动状态下，将金属粉均匀包裹在陶瓷颗粒表面，然后置于干燥箱中再次进行干燥处理；
（4）真空烧结：将包裹金属粉后的陶瓷颗粒置于石墨坩埚中，然后进行真空烧结，使陶瓷颗粒和金属粉的界面充分反应，形成冶金结合。
3.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中的陶瓷颗粒是尺寸介于1mm和10mm之间的氧化物、氮化物或碳化物。
4.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中的粘结剂采用质量浓度为5%~60%的聚乙烯醇、硅溶胶或水玻璃。
5.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的金属粉采用铁基、镍基、钴基或钛基金属粉。
6.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中的金属粉可以用合金粉代替。
7.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：重复步骤（2）-（3），使陶瓷颗粒表面包覆的金属粉层的厚度达到0.5mm~3mm。
8.根据权利要求1或2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：所述干燥处理的温度为80℃~120℃，时间为12h~24h。
9.根据权利要求2所述的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中的真空烧结的温度为600℃~1200℃，保温时间为3h~12h。
10.利用权利要求1-9任一所述的制备方法制得的陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料的应用：将金属液和陶瓷颗粒表面包裹金属粉复合材料采用浇注成型的方法，制备得到陶瓷颗粒增强金属复合材料。
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| CN114850472A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-08-05 | 昆明理工大学 | 一种包覆陶瓷颗粒的方法及复合材料制备方法 |
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