一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法

2023-08-06 12:30:01

一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，屬於金屬基複合材料【技術領域】。其方法如下：將陶瓷顆粒和改性元素顆粒按一定的比例混合均勻後，壓製成預製體並燒結，然後放置於鑄型型腔中，在上面澆鑄熔點略低於改性元素熔點的金屬基體，再通過壓力鑄造的方法製備出金屬基複合材料，因為改性元素的熔點略高於金屬液的熔點，在金屬液被澆鑄在型腔中，改性元素處於熔融狀態，再在壓力的作用下跟著金屬液一起運動，當遇到陶瓷顆粒的阻礙作用時，會繞著陶瓷顆粒表面，在其表面形成一層微米級的界面改性層，可以改善陶瓷顆粒和金屬界面的結合強度；採用本發明對製備高性能、低成本金屬基複合材料具有重要意義。
【專利說明】一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，屬於金屬基複合材料【技術領域】。

【背景技術】
[0002]由於金屬基複合材料優異的抗磨性、高溫性能，較低的成本等，逐漸在高溫結構材料、耐磨材料、工模具材料等領域獲得應用。但陶瓷顆粒與金屬基體界面結合強度往往較差，導致複合材料宏觀力學性能不理想。目前，提高複合材料中增強相和基體界面結合的方法基本有三類:①在增強相表面鍍層。②在基體金屬中加入能與增強相反應的合金元素。③原位反應自生成增強相。為了解決金屬基複合材料界面結合強度差的問題:
中國發明專利CN103302268A提出首先用陶瓷粉末製備帶孔隙的陶瓷預製件；再通過化學鍍鎳的方式在陶瓷預製件上鍍鎳，鍍鎳層的厚度為10μπι-200μπι ;將鍍鎳後的陶瓷預製件固定在鑄型中，負壓澆鑄基體金屬液得到金屬陶瓷複合耐磨材料。本發明製作比較簡單，特別適合大件板塊件的生產。成品率高，性能穩定，基體與預製體的結合能形成良好的冶金結合。但是此方法通過化學鍍鎳的方式，成本較高，對設備要求較高。
[0003]中國發明專利CN101899631A公開了一種金屬基複合材料增強體表面高潤溼性塗層改性方法，包括如下步驟:①利用常規的塗層製備方法在增強體表面塗覆還性低於鎂的金屬氧化物塗層；②將塗覆金屬氧化物塗層的增強體和純鎂放入真空爐中，純鎂置於爐底，增強體置於純鎂上方，抽真空，保持真空度低於10Pa，升溫至600 - 70(TC，保溫5-60分鐘，使鎂蒸氣與增加體表面金屬氧化物塗層發生氧化一還原反應，生成由化合物組成的內層和被還原金屬組成的外層構成的複合層即可。但是此方法需要在真空環境中完成，而且操作比較複雜，對於工業生產的可能性較低。
[0004]中國發明專利CN103193507A涉及一種提高金屬對SiC陶瓷潤溼性的方法。本發明通過在SiC陶瓷表面注入一定劑量的金屬離子，降低金屬對SiC陶瓷表面的接觸角，改善金屬與陶瓷的界面結合，提高SiC陶瓷與金屬接觸界面的熱、電性能。此方法雖然能夠提高金屬對陶瓷的潤溼性，但只局限於SiC，應用範圍不是很廣。
[0005]目前這些提高金屬基複合材料陶瓷顆粒與金屬基體之間的結合強度的方法，或多或少都會存在成本較高，操作複雜，效果不明顯，不適用工業生產，應用範圍不廣等問題。


【發明內容】

[0006]為了解決金屬基複合材料製備過程中金屬基體與陶瓷顆粒結合強度差，複合材料性能較差的關鍵性問題，本發明的目的在於提供一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，具體包括以下步驟:
(O混料:將陶瓷顆粒、改性元素粉末、粘接劑混合均勻得到混合物，在混合物中陶瓷顆粒的質量百分比為759Γ95%，改性元素的質量百分比為59Γ25%，粘接劑質量百分比為3%?5% ； (2)預製體的製備:取出陶瓷顆粒，在5?40MPa壓力下壓製成所需形狀的預製體；
(3)鑄造:將預製體在100°C?1200°C焙燒30mirTl20min，出爐後快速置於鑄型型腔中，澆鑄金屬液基體，採用壓力鑄造，使得金屬液浸滲到陶瓷顆粒之間的間隙中，獲得複合材料界面改性層。
[0007]本發明步驟(I)中所述混料可以在球磨機中進行混合，混合時間為30mirTl20min，轉速為50?300r/min。
[0008]本發明所述陶瓷顆粒為A1203、ZrO2, S12, SiC、B4C, TiC、TiN、TiB2中的一種或幾種，其顆粒度為10-300目。
[0009]本發明所述改性元素為N1、T1、Cr、Cu、S1、B、Co、Al元素中的一種，其顆粒度為100-500 目。
[0010]本發明所述金屬液基體材質為鑄鋼、鑄鐵、Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、Ni合金中的一種。
[0011]本發明所述步驟A中粘接劑為水玻璃溶液、矽溶膠、偏磷酸鋁溶液、聚乙烯醇溶液的一種或幾種。
[0012]本發明所述改性元素的熔點比金屬基體的熔點高100-400°C，因為改性元素的熔點略高於金屬液的熔點，在金屬液被澆鑄在型腔中，改性元素處於熔融狀態，再在壓力的作用下跟著金屬液一起運動，當遇到陶瓷顆粒的阻礙作用時，會繞著陶瓷顆粒表面，在其表面形成一層微米級的界面改性層可以改善陶瓷顆粒和金屬界面的結合強度。
[0013]本發明的原理:通過將陶瓷顆粒和改性元素顆粒按一定的比例混合均勻後，壓製成預製體並燒結，然後放置於鑄型腔中，在上面澆鑄熔點略低於改性元素熔點的金屬，再通過壓力鑄造的方法製備出界面改性的金屬基複合材料；由於改性元素的熔點略高於金屬液的熔點，在金屬液被澆鑄在型腔中，改性元素處於熔融狀態，再在壓力的作用下跟著金屬液一起運動，當遇到陶瓷顆粒的阻礙作用時，會繞著陶瓷顆粒表面，在其表面形成一層微米級的界面改性層，因為陶瓷顆粒和金屬基體的潤溼性普遍較差，這層微米級的界面改性層處於陶瓷顆粒和金屬基體的界面，可以降低陶瓷顆粒和金屬基體之間的潤溼角，從而可以改善陶瓷顆粒和金屬界面的結合強度。
[0014]本發明的有益效果是:
(1)通過該方法製備的金屬基複合材料，其陶瓷顆粒表面有層包覆的改性層，可以增加陶瓷顆粒和金屬基體之間結合強度，提高複合材料的綜合性能；硬度是衡量金屬基複合材料界面結合強度的一個重要指標，硬度越高，界面結合強度越好，Al203-40Cr鑄態的宏觀硬度為28.7，而加入Si粉後，硬度達到39.4，說明界面結合強度有明顯的改善；
(2)改性元素和基體的之間的選擇性較廣，製備方法簡單，容易操作，而且成本低廉，適合工業化生產；
(3)通過該方法製備的金屬基複合材料保證了在高載荷磨損工況下使用的可靠性；相比於其他鑄造方法，採用壓力鑄造方法，陶瓷顆粒增強金屬基複合材料一次浸滲和成形，所得產品界面結合更緊密，沒有微觀缺陷，結合均勻性好，強度和韌性都有提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1.是本發明製備的預製體示意圖； 圖2是本發明的金屬基複合材料界面改性層的製備方法示意圖；
圖3是本發明的金屬基複合材料界面改性層的組織示意圖；
圖4是5%T1-Al203-45鋼組織示意圖；
圖5是5%T1-Al203-45鋼和Al203-45鋼不同轉速下磨損量對比；
圖中:1-陶瓷顆粒，2-改性元素顆粒，3-預製體，4-金屬基體，5-界面改性層。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明，但本發明的保護範圍並不限於所述內容。
[0017]實施例1
本實施例所述方法用來製備Al2O3顆粒增強鐵基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為10?50目的Al2O3顆粒375g、粒度為500目的純Ni粉125g，與用3%Na2Si03和2%H20配製的粘接劑25g混合，在球磨機中充分混合30min ；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在20MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體(如圖1);
(3)將預製體在800°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆鑄鐵液，澆注溫度為138(Tl43(TC，在70MPa壓力進行鑄造，使得鐵液浸滲到Al2O3顆粒之間的間隙中(如圖2)，獲得緻密複合材料界面改性層(如圖3)。
[0018]表面包Ni的Al2O3陶瓷與鋼液之間的潤溼性得到改善，結合強度從Al203/Fe之間的0.7 MPa提高到包鎳Al203/Fe的4.05 MPa,且界面具有更好的抗氧化性。有Ni和未添加Ni的Al2O3顆粒增強鋼基複合材料的耐磨性分別是同質鋼基的2.5倍和1.6倍。
[0019]實施例2
本實施例所述方法用來製備Al2O3顆粒增強45鋼基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為80?120目的Al2O3顆粒425g、粒度為100目的Ti粉75g，與用4%Na2Si03和2%H20配製的粘接劑30g混合，在球磨機中充分混合I小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在1MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體；
(3)將預製體在1000°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆鑄45鋼液，澆注溫度為150(Tl550°C，在40MPa壓力進行鑄造，使得鋼液浸滲到Al2O3顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
[0020]本實施例製備得到的5%T1-Al203_45鋼組織示意圖如圖4所示，由金相組織示意圖可以看出Al2O3顆粒和45鋼基體界面結合緊密，沒有微觀缺陷，結合均勻性好，在界面有包覆一層Ti及其鈦化物，可以增加Al2O3陶瓷顆粒和45鋼基體之間結合強度，提高複合材料的耐磨性能。5%T1-Al203-45鋼和Al203-45鋼不同轉速下磨損量對比示意圖如圖5所示，可以得出有界面改性層的複合材料耐磨性較好。
[0021]實施例3
本實施例所述方法用來製備SiC顆粒增強鋁基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為150?180目的SiC顆粒450g、粒度為500目的純Cu粉50g，與用5%矽溶膠和3%H20配製的粘接劑40g混合，在球磨機中充分混合1.5小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在20MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體； (3)將預製體在500°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆鋁液，澆注溫度為660^6800C，在40MPa壓力進行鑄造，使得鋁液浸滲到SiC顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
[0022]實施例4
本實施例所述方法用來製備Al2O3顆粒增強銅基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為80?150目的Al2O3顆粒400g、粒度為500目的純Cr粉100g，與用5%偏磷酸鋁溶液粘接劑25g混合，在球磨機中充分混合1.5小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在30MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體；
(3)將預製體在600°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆銅液，澆注溫度為95(T100(TC，在60MPa壓力進行鑄造，使得銅液浸滲到Al2O3顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
[0023]實施例5
本實施例所述方法用來製備TiN顆粒增強銅基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為250?300目的TiN顆粒475g、粒度為500目的純Ti粉25g，與用2%Na2Si03溶液和3%矽溶膠配製的粘接劑25g混合，在球磨機中充分混合2小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在40MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體；
(3)將預製體在800°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆鈦液，澆注溫度為95(Tl00(TC，在70MPa壓力進行鑄造，使得銅液浸滲到TiN顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
[0024]實施例6
本實施例所述方法用來製備WC顆粒增強鐵基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為80?150目的WC顆粒450g、粒度為500目的純Co粉50g，與用5%矽溶膠粘接劑25g混合，在球磨機中充分混合2小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在20MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體；
(3)將預製體在1000°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆高鉻鑄鐵金屬液，澆注溫度為150(Tl550°C，在50MPa壓力進行鑄造，使得鐵液浸滲到WC顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
[0025]實施例7
本實施例所述方法用來製備TiC顆粒增強鋼基複合材料，具體包括以下步驟:
(1)稱取粒度為80?120目的TiC顆粒425g、粒度為300目的純Si粉75g，與用5%聚乙烯醇粘接劑25g混合，在球磨機中充分混合I小時；
(2)取出步驟(I)混合好的顆粒，在1MPa壓力下壓製成直徑為90mm的圓形預製體；
(3)將預製體在600°C焙燒2小時，出爐後快速置於模具型腔中，澆鑄40Cr鋼金屬液，澆注溫度為145(T155(TC，在60MPa壓力進行鑄造，使得鋼液浸滲到TiC顆粒之間的間隙中，獲得緻密複合材料界面改性層。
【權利要求】
1.一種陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於，具體包括以下步驟: (1)混料:將陶瓷顆粒、改性元素、粘接劑混合均勻得到混合物，在混合物中陶瓷顆粒的質量百分比為75°/Γ95%，改性元素的質量百分比為5°/Γ25%，粘接劑質量百分比為3°/Γ5% ； (2)預製體的製備:取出陶瓷顆粒，在5?40MPa壓力下壓製成所需形狀的預製體； (3)鑄造:將預製體在100°C?1200°C焙燒30mirTl20min，出爐後快速置於鑄型型腔中，澆鑄金屬液基體，採用壓力鑄造，使得金屬液浸滲到陶瓷顆粒之間的間隙中，獲得複合材料界面改性層。
2.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:步驟(I)中所述混料是在球磨機中混合30min?120min,轉速為50?300r/min。
3.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:所述陶瓷顆粒為Al203、Zr02、Si02、SiC、B4C、TiC、TiN、TiB2中的一種或幾種，其顆粒度為10-300目。
4.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:所述改性元素為N1、T1、Cr、Cu、S1、B、Co、Al元素中的一種，其顆粒度為100-500目。
5.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:所述金屬液基體材質為鑄鋼、鑄鐵、Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、Ni合金中的一種。
6.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:所述粘接劑為水玻璃溶液、矽溶膠、偏磷酸鋁溶液、聚乙烯醇溶液一種或幾種。
7.根據權利要求2所述的陶瓷顆粒增強金屬基複合材料界面改性層的製備方法，其特徵在於:改性元素的熔點比金屬基體的熔點高100-400°C。
【文檔編號】B22D17/00GK104209498SQ201410352403
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】盧德宏, 餘晶 申請人:昆明理工大學