CN117776686A - 一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Al2O3‑ZrO2复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用，涉及陶瓷复合材料制备技术领域，该Al2O3‑ZrO2复相陶瓷颗粒包括Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒以及成型于Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒表面的多个宏观凹坑，凹坑的投影最大尺度为0.3mm，凹坑距离表面最大高差0.3mm。本申请提供的Al2O3‑ZrO2复相陶瓷颗粒表面具有一定的粗糙度，并且其形状和组织可控，表面无裂纹，有利于在后续作为钢铁材料的增强材料的应用中，提升复合材料的耐磨性，同时还可以实现低成本制备复合材料，实现成倍提高复合材料耐磨性。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒具有高的强韧性、高硬度、高耐磨性、膨胀系数宽泛，常作为金属增强材料，尤其用于钢铁如高铬铸铁、高锰钢、合金钢的增强材料提高其耐磨性。目前Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒采用电熔水爆法、粉末冶金破碎法制备，陶瓷颗粒表面具有一定的粗糙度与金属材料有好的把持性，但上述方法制备的陶瓷颗粒不可避免的存在裂纹，形状不可控，组织不可控等问题。
其中，陶瓷颗粒存在裂纹会导致磨损过程中陶瓷颗粒的裂纹持续扩展；形状不可控会导致由陶瓷颗粒制成的预制体孔道大小、形态差异大，在复合材料铸渗制备过程中，钢铁熔体在陶瓷颗粒间的孔道中出现不稳定流动，导致复合材料中易产生气孔、疏松等缺陷；而组织不可控方面主要体现在，Al2O3/ZrO2陶瓷中有ZrO2三种物相，即立方相、单斜相和四方相，当ZrO2为四方相时，在服役过程中强韧性、耐磨性号好，但现实中陶瓷颗粒物相不可控，相同成分陶瓷，性能差异大。
综上所述，由于现有陶瓷存在上述缺陷，从而陶瓷颗粒复合的优势，尤其提高耐磨性的优势不能充分体现，导致复合材料性能达不到理想的效果或复合层出现裂纹、剥落而早期失效。同时用Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒制备耐磨复合材料传统制备流程是：陶瓷颗粒烧结，对陶瓷颗粒活化处理，将活化处理过的陶瓷颗粒用粘结剂包覆再烧结成框架体，将框架体放入铸型中浇铸耐磨钢铁熔体，凝固冷却获得复合材料，在这个过程中，陶瓷颗粒和框架体制备均采用烧结方式，因此，复合材料制备成本高。
因此发明表面具有一定粗糙度、无裂纹、形状相对规则、组织可控的陶瓷颗粒应用于钢铁材料的增强材料，及短流长低成本制备复合材料，从而实现耐磨复合材料高性能、低成本意义重大。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其包括Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒以及成型于所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒表面的多个宏观凹坑，所述凹坑的投影最大尺度为0.3mm，凹坑距离表面最大高差0.3mm。
在可选的实施方式中，所述Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒中物相ZrO2为四方相和单斜相混合组织，四方相不低于60％。
在可选的实施方式中，所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的组分按重量百分数计包括Al2O320-78％、ZrO2 20-78％、稳定剂1-3％、粘结剂0.1-0.5％和分散剂0.1-0.5％。
在可选的实施方式中，所述Al2O3和所述ZrO2的粒度均为100nm-500nm；
优选地，所述稳定剂为TiO2、Y2O3、MgO和CaO中的至少一种；
优选地，所述粘结剂为硬脂酸锌、树脂和石蜡粉中的至少一种；
优选地，所述分散剂为水、酒精和丙酮中的至少一种。
第二方面，本发明提供一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的制备方法，其包括：将所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的组分混合制粒获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物；
将所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物采用离心旋转、碾压、模压、挤出或注射成型的方式形成定量致密混合物料坯；对所述定量致密混合物料坯采用对辊进行辊压成型以形成多个宏观凹坑。
在可选的实施方式中，所述辊压成型采用由第一辊和第二辊并排接触的对辊装置进行，所述第一辊和所述第二辊之间的上方设置有用于放置定量致密混合物料坯的储料斗，所述第一辊和所述第二辊上均加工有用于形成凹坑的多个成型沉孔，所述辊压成型的方法包括：当所述第一辊和所述第二辊相向运行时，所述储料斗内的所述定量致密混合物料坯进入所述第一辊和所述第二辊之间，并进入到两个对应的所述成型沉孔内，所述第一辊和所述第二辊相向旋转两个对应的所述成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒；
优选地，所述成型沉孔的形状为球形、椭圆形或多边形。
第三方面，本发明提供一种耐磨增强体复合材料的制备方法，其包括：
将含镍合金粉末包覆于如上述实施方式任一项所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面，形成耐磨材料增强体；
将所述耐磨材料增强体置于模具中，经压制形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯；
将所述框架体初坯经干燥、烧结和冷却后获得陶瓷颗粒框架体；
将所述陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑耐磨材料基体的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
在可选的实施方式中，所述含镍合金粉末与所述Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为10-20：90-80；
优选地，所述含镍合金粉末的粒度为1-5μm；
优选地，所述干燥包括：于50-80℃的温度下干燥5-10h；
优选地，所述烧结包括：以不大于80℃/h的升温速度升温至1450-1550℃，烧结6-10h；
优选地，所述冷却包括：以50-60℃/min的冷却速度降温至1100-1190℃保温1-3小时，随后空冷到室温，ZrO2四方相含量占ZrO2物相中不低于60％。
在可选的实施方式中，所述陶瓷颗粒框架体和所述耐磨材料基体的质量比为30-60：70-40；
优选地，所述耐磨材料基体包括高铬铸铁、高锰钢或合金钢；
优选地，与高铬铸铁复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于65％，进一步优选为70-80％；
优选地，与合金钢复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于75％，进一步优选为80-85％；
优选地，与高锰钢复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于80％，进一步优选为85-90％。
第四方面，本发明提供一种耐磨增强体复合材料在制备物料破碎、研磨、冲刷、泵送或挖掘的耐磨构件中的应用。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒表面具有一定的粗糙度，并且其形状和组织可控，表面无裂纹，有利于在后续作为钢铁材料的增强材料的应用中，提升复合材料的耐磨性，同时还可以实现短流长低成本制备复合材料，实现成倍提高复合材料耐磨性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请提供的具有多尺度连通孔道的框架体初坯在第一视角下的结构示意图；
图2为本申请提供的具有多尺度连通孔道的框架体初坯在第二视角下的结构示意图。
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，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本发明提供一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其包括Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒以及成型于Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒表面的多个宏观凹坑，凹坑的投影最大尺度为0.3mm，凹坑距离表面最大高差0.3mm。
Al2O3和ZrO2原料粒度为100nm-500nm，制成的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的投影尺度为2.7-3mm。Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒中物相ZrO2为四方和单斜相混合组织，四方相不低于60％。
在可选的实施方式中，Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的组分按重量百分数计包括Al2O3 20-78％、ZrO2 20-78％、稳定剂1-3％、粘结剂0.1-0.5％和分散剂0.1-0.5％。其中，稳定剂包括但不限于TiO2、Y2O3、MgO和CaO中的至少一种；粘结剂包括但不限于硬脂酸锌、树脂和石蜡粉中的至少一种；分散剂包括但不限于水、酒精和丙酮中的至少一种。
进一步地，本发明提供一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的制备方法，其包括如下步骤：
S1、Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯的制备。
将Al2O3、ZrO2、稳定剂、粘结剂、分散剂和水混合制粒获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物；
将Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物采用离心旋转、碾压、模压、挤出或注射成型的方式形成定量致密混合物料坯；混合制粒的方式包括但不限于对混合物采用离心旋转、碾压、模压、挤出或注射成型；只要能够成型为颗粒即可。本实施例中，为保证Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒具有更好的性能，所用的原料均为纳米级。
S2、Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的制备。
将定量致密混合物料坯对辊进行辊压成型以形成多个宏观凹坑。
本申请中，通过采用由第一辊和第二辊并排接触的对辊装置进行辊压成型，第一辊和第二辊之间的上方设置有用于放置定量致密混合物料坯的储料斗，第一辊和第二辊上均加工有用于形成凹坑的多个成型沉孔，辊压成型的方法包括：当第一辊和第二辊相向运行时，储料斗内的定量致密混合物料坯进入第一辊和第二辊之间，并进入到两个对应的成型沉孔内，第一辊和第二辊相向旋转两个对应的成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒；优选地，成型沉孔的形状为球形、椭圆形或多边形。成型沉孔的投影最大尺度0.3mm，凹坑与球表面最大高差0.3mm。进而保证形成的凹坑均匀性佳。
本发明采用可采用离心旋转、碾压、模压、挤出或注射成型，颗粒在上述过程中整形和进一步致密，颗粒形状投影尺寸为2.7-3mm。实现陶瓷颗粒形状、大小相对一致，确保预制体中陶瓷颗粒间微观孔道相对均匀一致。并且凹坑的形成有利于提升Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的表面粗糙度，进而提升Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒与钢铁基体的咬合效果，在冲击及高应力作用下，陶瓷颗粒不好剥落。
此外，本发明还提供一种耐磨增强体复合材料，其包括如下步骤：
(1)将含镍合金粉末包覆于Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面，形成耐磨材料增强体。
含镍合金粉末与Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为10-20：90-80；含镍合金粉末的粒度为1-5μm。
(2)将耐磨材料增强体置于模具中，经压制形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯。
本发明通过模具使耐磨材料增强体成型为具有多尺度连通孔道的框架体初坯，有利于承载后续的浇筑的熔体，并使熔体与框架体初坯复合形成复合材料。
(3)将框架体初坯经干燥、烧结和冷却后获得陶瓷颗粒框架体；
具体来说，将框架体初坯于50-80℃的温度下干燥5-10h，接着以不大于80℃/h的升温速度升温至1450-1500℃，烧结6-10h，烧结结束后以50-60℃/min的冷却速度降温至1100-1190℃保温1-3小时，随后空冷到室温获得陶瓷颗粒框架体，ZrO2四方相含量占ZrO2物相中不低于60％。本发明于1450-1500℃进行低温烧结，可以保证陶瓷颗粒晶粒细小均匀。
(4)将陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑耐磨材料的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
其中，耐磨材料包括高铬铸铁、高锰钢或合金钢；陶瓷颗粒框架体和耐磨材料的质量比为30-60：70-40。
采用上述制备方法获得的耐磨增强体复合材料可以广泛应用于制备物料破碎、研磨、冲刷、泵送或挖掘的耐磨构件中。
传统的耐磨增强体复合材料的制备需要在形成框架体初坯后，先对陶瓷颗粒进行模压形成框架体初坯，先对初坯进行烧结使其具有一定的强度后，再进行表面镀液处理，随后进行烧结形成框架体，再去浇筑，因此，传统的耐磨增强体复合材料的制备至少需要两次烧结。
由于本申请中先在Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面包覆了含镍合金粉末，在后续烧结时，含镍合金粉末会熔化并附着于Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面，同时，含镍合金粉末熔化后还可以起到粘结剂的作用，将Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒形成稳定的框架体，后续在浇筑熔体时，融化的含镍合金粉末会与耐磨材料基体的熔体发生冶金界面结合，有利于加强其结合强度。本申请中通过一次烧结实现了含镍合金粉末的表面处理和框架体的处理，实现一次性成型，操作更简单。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其制备方法如下：
(1)将Al2O3 70％、ZrO2 27％、稳定剂2.4％、粘结剂0.3％、分散剂0.3％混合，对混合物采用碾压盘进行碾压成型获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯，其中，碾压盘包括呈齿轮状咬合的上碾压盘和下碾压盘，上碾压盘和下碾压盘的齿轮咬合间的间隙为1μm，压力为50MPa，旋转速度为80转/分钟形成定量致密混合物料坯。
(2)将定量致密混合物料坯通入第一辊和第二辊之间，并进入到两个对应的成型沉孔内，所第一辊和所第二辊相向旋转两个对应的成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒。
Al2O3，ZrO2原料粒度为100nm-500nm，物相ZrO2为四方和单斜相混合组织，四方相的质量百分数占比为65％。
实施例2
本实施例提供了一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其制备方法如下：
(1)将Al2O3 60％、ZrO2 36％、稳定剂3％、粘结剂0.5％、分散剂0.5％混合，对混合物采用碾压盘进行碾压成型获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯，其中，碾压盘包括呈齿轮状咬合的上碾压盘和下碾压盘，上碾压盘和下碾压盘的齿轮咬合间的间隙为0.8μm，压力为80MPa，旋转速度为50转/分钟形成定量致密混合物料坯。
(2)将定量致密混合物料坯通入第一辊和第二辊之间，并进入到两个对应的成型沉孔内，所第一辊和所第二辊相向旋转两个对应的成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的粒度为100nm-500nm，物相ZrO2为四方和单斜相混合组织，四方相的质量百分数占比为75％。
实施例3
本实施例提供了一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其制备方法如下：
(1)将Al2O3 36％、ZrO2 60％、稳定剂3％、粘结剂0.5％、分散剂0.5％混合，对混合物采用碾压盘进行碾压成型获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯，其中，碾压盘包括呈齿轮状咬合的上碾压盘和下碾压盘，上碾压盘和下碾压盘的齿轮咬合间的间隙为0.5μm，压力为100MPa，旋转速度为100转/分钟形成定量致密混合物料坯。
(2)将定量致密混合物料坯通入第一辊和第二辊之间，并进入到两个对应的成型沉孔内，所第一辊和所第二辊相向旋转两个对应的成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的粒度为100nm-500nm，物相ZrO2为四方和单斜相混合组织，四方相的质量百分数占比为85％。
实施例4
本实施例提供了一种Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其制备方法如下：
(1)将Al2O3 30％、ZrO2 68％、稳定剂1.8％、粘结剂0.1％、分散剂0.1％混合，对混合物进行挤出成型获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯形成定量致密混合物料坯。
(2)将定量致密混合物料坯通入第一辊和第二辊之间，并进入到两个对应的成型沉孔内，所第一辊和所第二辊相向旋转两个对应的成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的粒度为100nm-500nm，物相ZrO2为四方和单斜相混合组织，四方相的质量百分数占比为80％。
实施例5
本实施例提供了一种耐磨增强体复合材料，其制备方法包括：
(1)将上述实施例1获得的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面包覆粒度为1-5μm的镍合金粉，镍合金粉与Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为12：88。
(2)将耐磨材料增强体置于模具中，经压制形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯(如图1和图2所示)；
(3)将框架体初坯于65℃的温度下干燥8h，接着以不大于80℃/h的升温速度升温至1480℃，烧结8h，烧结结束后以55℃/min的冷却速度降温至1150℃保温2小时，随后空冷到室温获得陶瓷颗粒框架体。
(4)将陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑高铬铸铁的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
实施例6
本实施例提供了一种耐磨增强体复合材料，其制备方法包括：
(1)将上述实施例1获得的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面包覆粒度为1-5μm的镍合金粉，镍合金粉与Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为15：85。
(2)将耐磨材料增强体置于模具中，经挤压形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯；
(3)将框架体初坯于50℃的温度下干燥10h，接着以不大于80℃/h的升温速度升温至1450℃，烧结10h，烧结结束后以50℃/min的冷却速度降温至1190℃保温1小时，随后空冷到室温获得陶瓷颗粒框架体。
(4)将陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑高铬铸铁的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
实施例7
本实施例提供了一种耐磨增强体复合材料，其制备方法包括：
(1)将上述实施例1获得的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面包覆粒度为1-5μm的镍合金粉，镍合金粉与Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为15：85。
(2)将耐磨材料增强体置于模具中，经挤压形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯；
(3)将框架体初坯于80℃的温度下干燥5h，接着以不大于80℃/h的升温速度升温至1500℃，烧结6h，烧结结束后以60℃/min的冷却速度降温至1100℃保温3小时，随后空冷到室温获得陶瓷颗粒框架体。
(4)将陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑高铬铸铁的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
对比例1
本对比例中，省略了实施例1中步骤(2)。
对比例2
本对比例中，将实施例1中的步骤(2)修改为采用激光雕刻在Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒毛坯的表面形成凹坑。
对比例3
本对比例中，将实施例5中步骤(2)修改为：
将框架体初坯于80℃的温度下干燥8h，接着以不大于80℃/h的升温速度升温至1650℃，烧结6h，烧结结束后以60℃/min的冷却速度降温至1100℃保温3小时，随后空冷到室温获得陶瓷颗粒框架体。
对比例4
本对比例提供了一种Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒制备耐磨复合材料的传统制备流程：陶瓷颗粒烧结1500℃，烧结10h，对陶瓷颗粒包覆镍合金粉，将包覆镍合金粉处理过的陶瓷颗粒用粘结剂包覆再烧结成框架体，烧结温度1480℃，将框架体放入铸型中浇铸高铬铸铁熔体，凝固冷却获得复合材料。
实验例
将上述实施例1-4以及对比例1-2获得的陶瓷颗粒的性能按照标准方法进行检测，检测结果如下。
将上述实施例5-7以及对比例3-4获得的耐磨增强体复合材料的耐磨性性能按照标准方法进行检测，检测结果如下。
从上表可以看出，本申请实施例1-4提供的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其具有良好的组织和形状，并且凹坑情况良好，无裂纹的产生，且强韧性断裂韧性显著优于对比例1和2，从对比例2的数据可以看出，凹坑的形成需要在制备过程中经过不断地闭合、压实而形成凹坑，在形成凹坑的时候会实现对定量致密混合物料坯进一步挤压致密，同时还可以提升表面粗糙度，进而提升Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒与钢铁基体的咬合效果。而激光雕刻不存在进一步挤压致密的效果，同时，表面粗糙度与实施例1存在差异，导致其效果欠佳。而本申请的实施例5-7的耐磨性显著优于对比例3，且成本显著降低。
本申请研究发现，Al2O3、ZrO2作钢铁基复合材料的增强材料，要成倍提高其耐磨性，需满足如下性能，陶瓷颗粒组织可控、形状可控、表面具有一定粗糙度、表面无裂纹、具有高的强韧性，才能成倍提高其耐磨性。
(1)在组织可控方面，室温Al2O3、ZrO2陶瓷颗粒获得四方相组织，在服役过程中转变成单斜相，本发明采取如下措施：1)、制作陶瓷颗粒原料为纳米级；2)、通过稳定剂的加入、Al2O3对ZrO2的约束作用、热处理温度及控制冷却、及钢铁基体对ZrO2约束作用。上述保证室温获得四方相组织。
(2)在形状可控可控方面，目前陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料制备方法，将陶瓷颗粒制作成多尺度孔道联通的预制体，采用重力铸渗法，钢铁熔体渗入陶瓷颗粒间微观孔道，冷却凝固获得钢铁基复合材料，在铸渗过程中，钢铁熔体依据孔道大小从大到小，依次渗入，当预制体中陶瓷颗粒间小孔道被大孔道包围时，出现小孔道渗不到的现象，而出现气孔，因此孔道大小均匀性至关重要，孔道大小差异大，复合材料出现气孔或疏松等缺陷。本发明采用可采用碾压、模压、挤出或注射成型，同时配合离心旋转装置成型，颗粒在与离心装置壁作用过程中整形和进一步致密，颗粒形状投影尺寸为2.7-3mm。实现陶瓷颗粒形状、大小相对一致，确保预制体中陶瓷颗粒间微观孔道相对均匀一致。
(3)在粗糙度方面，陶瓷颗粒表面粗糙可以使钢铁基体对陶瓷颗粒咬合，在冲击及高应力作用下，陶瓷颗粒不好剥落。本发明采取的措施：采用离心旋转装置颗粒在与离心装置壁作用过程中致密、整形，颗粒表面宏观有下凹凹坑形状，凹坑投影最大尺度0.3mm，凹坑距离表面最大高差0.3mm。
(4)在表面无裂纹方面，表面无裂纹可以使陶瓷颗粒具有高的韧性，而且在服役过程中缺少裂纹源。
(5)在强韧性方面，Al2O3、ZrO2颗粒强韧性好，则在强冲击、高应力作用下，复合材料抵抗冲击作用越强，耐磨性越好。本发明有几个措施：1)、制作陶瓷颗粒原料为纳米级；2)、陶瓷粉浆料采用碾压混制方法，使纳米粉料保证均匀性；3)，采用1450-1500℃低温烧结；上述措施保证了陶瓷颗粒晶粒细小均匀。4)，通过稳定剂的加入、Al2O3对ZrO2的约束作用、热处理温度及控制冷却、及钢铁基体对ZrO2约束作用，陶瓷颗粒ZrO2室温获得四方相，四方相在服役过程中通过相变增韧、微裂纹增韧、应力释放增韧等韧化方式，提高复合材料韧性，同时提高耐磨性。综合上述措施，陶瓷颗粒强韧性提高，复合材料强韧性，耐磨性提高。
(6)在低成本控制方面，本发明将陶瓷颗粒烧结、活化处理基框架体烧结一体化成型，具体为带凹坑陶瓷颗粒毛坯表面有一点湿度，可以粘附镍合金粉，再将包裹镍合金粉的毛坯陶瓷颗粒置于模具中，获得多尺度连通孔道框架体初坯；框架体初坯干燥、烧结，控制冷却速度，获得陶瓷颗粒框架体。因此，工艺流程缩短，生产成本降低。
综上所述，本申请提供的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒表面具有一定的粗糙度，并且其形状和组织可控，表面无裂纹，有利于在后续作为钢铁材料的增强材料的应用中，提升复合材料的耐磨性，同时还可以实现低成本制备复合材料，实现成倍提高复合材料耐磨性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其特征在于，其包括Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒以及成型于所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒表面的多个宏观凹坑，所述凹坑的投影最大尺度为0.3mm，所述凹坑距离表面最大高差0.3mm。
2.根据权利要求1所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其特征在于，所述Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒中物相ZrO2为四方相和单斜相混合组织，四方相不低于60％。
3.根据权利要求1所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其特征在于，所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的组分按重量百分数计包括Al2O3 20-78％、ZrO220-78％、稳定剂1-3％、粘结剂0.1-0.5％和分散剂0.1-0.5％。
4.根据权利要求3所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒，其特征在于，所述Al2O3和所述ZrO2的粒度均为100nm-500nm；
优选地，所述稳定剂为TiO2、Y2O3、MgO和CaO中的至少一种；
优选地，所述粘结剂为硬脂酸锌、树脂和石蜡粉中的至少一种；
优选地，所述分散剂为水、酒精和丙酮中的至少一种。
5.如权利要求1-4任一项所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的制备方法，其特征在于，其包括将所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒的组分混合制粒获得Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物；
将所述Al2O3/ZrO2陶瓷颗粒混合物采用离心旋转、碾压、模压、挤出或注射成型的方式形成定量致密混合物料坯；对所述定量致密混合物料坯采用对辊进行辊压成型以形成多个宏观凹坑。
6.根据权利要求5所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的制备方法，其特征在于，所述辊压成型采用由第一辊和第二辊并排接触的对辊装置进行，所述第一辊和所述第二辊之间的上方设置有用于放置定量致密混合物料坯的储料斗，所述第一辊和所述第二辊上均加工有用于形成凹坑的多个成型沉孔，所述辊压成型的方法包括：当所述第一辊和所述第二辊相向运行时，所述储料斗内的所述定量致密混合物料坯进入所述第一辊和所述第二辊之间，并进入到两个对应的所述成型沉孔内，所述第一辊和所述第二辊相向旋转两个对应的所述成型沉孔闭合、压实，形成带凹坑的陶瓷颗粒；
优选地，所述成型沉孔的形状为球形、椭圆形或多边形。
7.一种耐磨增强体复合材料的制备方法，其特征在于，其包括：
将含镍合金粉末包覆于如权利要求1-4任一项所述的Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的表面，形成耐磨材料增强体；
将所述耐磨材料增强体置于模具中，经压制形成具有多尺度连通孔道的框架体初坯；
将所述框架体初坯经干燥、烧结和冷却后获得陶瓷颗粒框架体；
将所述陶瓷颗粒框架体置于铸型中，浇筑耐磨材料基体的熔体，凝固冷却获得耐磨增强体复合材料。
8.根据权利要求7所述的耐磨增强体复合材料的制备方法，其特征在于，所述含镍合金粉末与所述Al2O3-ZrO2复相陶瓷颗粒的质量比为10-20：90-80；
优选地，所述含镍合金粉末的粒度为1-5μm；
优选地，所述干燥包括：于50-80℃的温度下干燥5-10h；
优选地，所述烧结包括：以不大于80℃/h的升温速度升温至1450-1550℃，烧结6-10h；
优选地，所述冷却包括：以50-60℃/min的冷却速度降温至1100-1190℃保温1-3小时，随后空冷到室温，ZrO2四方相含量占ZrO2物相中不低于60％。
9.根据权利要求7所述的耐磨增强体复合材料的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒框架体和所述耐磨材料基体的质量比为30-60：70-40；
优选地，所述耐磨材料基体包括高铬铸铁、高锰钢或合金钢；
优选地，与高铬铸铁复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于65％，进一步优选为70-80％；
优选地，与合金钢复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于75％，进一步优选为80-85％；
优选地，与高锰钢复合的陶瓷颗粒中ZrO2含量不低于80％，进一步优选为85-90％。
10.如权利要求9所述的耐磨增强体复合材料在制备物料破碎、研磨、冲刷、泵送或挖掘的耐磨构件中的应用。
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