CN1175950C - 铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种连铸连轧用浇注水口、模具及热喷涂用的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料及其制备方法。本材料以氧化锆(ZrO2)、铁(Fe)粉、铝(Al)粉及微量添加元素为原料，通过机械合金化工艺制备Fe-Al基合金粉末材料，然后与ZrO2微粉球磨混料制粉，在保护气氛下或在真空条件下热压烧结成型。该发明利用金属间化合物中温性能优异的特点来弥补氧化锆陶瓷材料的不足，从而生产出一种性能价格比合理、性能优良、先进实用的陶瓷复合材料。铁铝金属间化合物将大幅度改善氧化锆陶瓷的中高温抗老化性能。
Description
1、技术领域：本发明属于工程陶瓷材料领域，特别是涉及一种连铸连轧用浇注水口、模具及热喷涂用的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料及其制备方法。
2、背景技术：在冶金企业，钢铁的连铸连轧不仅提高了生产率，而且大大提高了钢材质量。在镇静钢的连铸过程中，其关键部件----浸入式水口材料的使用寿命直接影响到连铸作业的进度和钢的质量。传统的铝碳水口材料中，由于氧化铝附着于水口壁形成结瘤而发生水口堵塞，当结瘤进入钢液时，将产生大量杂质而导致钢铁产品的质量下降。近年来，为了解决氧化铝结瘤问题，开发出以氧化锆为主要成分的陶瓷水口新材料，此种材料热稳定性好、化学性能稳定，与多数熔融金属不浸润，从而延长了水口使用寿命，提高了生产率和钢材质量。ZrO2在氧化物陶瓷中，具有较高的室温强度和韧性，被誉为“陶瓷钢”。然而，氧化锆陶瓷及其复合材料有两个缺点，一是在湿气和中低温环境下的时效作用会导致力学性能逐渐下降，二是高温下相变增韧作用减弱乃至消失从而使强度和韧性随温度提高而急剧下降。李世普主编的《特种陶瓷工艺学》第98页介绍了氧化钇稳定的四方氧化锆陶瓷(Y-TZP)具有高强度、高断裂韧性、耐磨性好等一系列优异的力学性能，被视为陶瓷结构材料中的佼佼者。但是，Y-TZP在100-400℃温区(尤其是在潮湿的环境中)长期使用时，会导致其力学性能显著下降，在表面伴有微观和宏观的微裂纹，这就是所谓的Y-TZP中低温老化现象。这一缺陷严重影响了Y-TZP作为工程结构材料的实际应用。
3、发明内容：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，利用资源丰富、价格低廉的原料，提供一种价格适宜、性能优良、先进实用的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料及其制备方法。
本发明是通过以下方式实现的：
铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料，其特征是：它由Fe-Al金属间化合物、ZrO2和添加剂三部分组成，各组成部分的质量百分比为：ZrO2 15-84.99％，Fe-Al金属间化合物15-84.99％，添加剂0.01-5％。
Fe-Al金属间化合物中各组分质量百分比为：铝16-50％，其余为铁。
添加剂为由铌、钒、钼、钽、铬、硼、钨、硅、锆的至少一种所组成，各组分在铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料配方中的质量百分比为：铌0-2；钒0-5；钼0-2；钽0-5；铬0-3；硼0-1.5；钨0-1；硅0-4；锆0-1.5。
上述铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将Fe粉和Al粉以及添加剂按配比准确配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物；2)将主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物与ZrO2细粉按配方配料后，一起球磨制粉；3)将粉体材料装入石墨模具中，用真空或N2作保护气体，热压烧结，烧成温度范围为：1200-1500℃，压力为10-40MPa。
另一种铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料的制备方法，包括以下步骤：1)将金属铁粉、铝粉及添加剂与ZrO2粉体按配方准确配料，然后一起球磨制粉；2)将粉体装入石墨模具中，用真空或氮气作保护气体，热压烧结，烧成温度：1200-1500℃，压力为10-40MPa。
4、具体实施方式：
实施例1；铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料，它由Fe-Al金属间化合物、ZrO2和添加剂三部分组成，各组成部分的质量百分比为：铁铝金属间化合物15％，氧化锆陶瓷84％，添加剂1％。其制备方法如下：首先，将铁粉7.5千克、铝粉7.5千克、添加剂1.0千克于球磨机中球磨50小时，然后加入ZrO2粉84千克，混合3小时，经真空干燥后用100目筛筛选。热压工艺为：在1400℃的温度下加压30Mpa，在真空或氮气保护条件下热压烧结。所制得的热压烧结材料的硬度为90(HRA)，抗弯强度910MPA，成功地用于连铸水口材料；
实施例2；各组分质量百分比为：铁铝金属间化合物35％；氧化锆陶瓷63％；添加剂2％。将铁粉15千克、铝粉20千克、添加剂2.0千克于球磨机中球磨80小时，然后加入ZrO2粉63千克，混合4小时，经真空干燥后用100目筛筛选。热压工艺为：在1500℃的温度下加压25Mpa，在真空或氮气保护条件下热压烧结。热压烧结硬度91.5(HRA)，抗弯强度897MPA，用于纺织剪刀材料，效果良好。
实施例3：将铁粉7.5千克、铝粉7.5千克、添加剂1.0千克和ZrO2粉84千克加入球磨机中球磨70小时，经真空干燥后用100目筛筛选。在1200℃的温度下加压40Mpa，在真空或氮气保护条件下热压烧结。各组分的质量百分比为：铁铝金属间化合物15％；氧化锆陶瓷84％；添加剂为1％。
Claims (5)
1.铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料，其特征是：它由Fe-Al金属间化合物、ZrO2和添加剂三部分组成，各组成部分的质量百分比为：ZrO2 15-84.99％，Fe-Al金属间化合物 15-84.99％，添加剂0.01-5％。
2.根据权利要求1所述的铁铝金属间化合物/氧化铝陶瓷复合材料，其特征是：Fe-Al金属间化合物中各组分质量百分比为：铝16-50％，其余为铁。
3.根据权利要求1所述的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料，其特征是：添加剂为由铌、钒、钼、钽、铬、硼、钨、硅、锆的至少一种所组成，各组分在铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料配方中的质量百分比为：铌0-2；钒0-5；钼0-2；钽0-5；铬0-3；硼0-1.5；钨0-1；硅0-4；锆0-1.5。
4.一种权利要求1或2或3所述的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料的制备方法，其特征是包括以下步骤：
1)将Fe粉和Al粉以及添加剂按配比准确配料，利用球磨过程进行机械合金化，形成主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物；
2)将主晶相为Fe3Al和FeAl的混合物与ZrO2细粉按配方配料后，一起球磨制粉；
3)把粉体材料装入石墨模具中，在真空中或用氮气作保护气体，热压烧结，烧成温度范围为：1200-1500℃，压力为10-40MPa。
5.制备权利要求1或2或3所述的铁铝金属间化合物/氧化锆陶瓷复合材料的另一种方法，其特征是包括以下步骤：
1)将金属铁粉、铝粉及添加剂与ZrO2粉体按配方准确配料，然后一起球磨制粉；
2)将粉体装入石墨模具中，热压烧结，用真空或氮气作保护气体，热压烧结，烧成温度：1200-1500℃，压力为10-40Mpa。
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