專利名稱：網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及陶瓷增強金屬基復合材料及制備方法，特別涉及一種網(wǎng)絡互穿型陶 瓷-金屬復合材料及其制備方法。
背景技術：
關于金屬基耐磨復合材料主要有制造成本、使用壽命等方面的考慮。陶瓷增強金 屬基復合材料中的陶瓷單元主要包括陶瓷顆粒、陶瓷纖維、多孔或網(wǎng)絡陶瓷預制體等，對應 的金屬基復合材料分別稱之為陶瓷顆粒增強金屬基復合材料、陶瓷纖維增強金屬基復合材 料和多孔陶瓷或網(wǎng)絡結構陶瓷增強金屬基復合材料。針對陶瓷顆粒或纖維增強金屬基復 合材料的制備，為了提高陶瓷單元在復合材料的均勻性，其制備工藝更為復雜，制造成本也 會顯著增加，特別是在服役過程中陶瓷顆粒經(jīng)常會出現(xiàn)易脫落的問題，從而大大降低使用 壽命。而對于普通的多孔陶瓷或網(wǎng)絡結構陶瓷增強金屬基復合材料，由于多孔陶瓷預制體 的制備主要采用有機泡沫浸漬工藝、發(fā)泡法、添加造孔劑工藝、和溶膠-凝膠工藝、自蔓延 高溫合成方法等，要么存在制備工藝成本高、工藝條件難控制，要么制備的陶瓷力學性能不 高，從而也會導致制備的復合材料制備成本高或出現(xiàn)使用壽命不長等情況。

發(fā)明內容
本發(fā)明基于陶瓷_金屬復合材料在制備成本、使用壽命等方面的性能考慮，另辟 蹊徑，其目的在于提供一種網(wǎng)絡互穿型陶瓷_金屬基復合材料及其制備方法，該材料可克 服陶瓷增強金屬基復合材料中陶瓷單元的不均勻性、制備工藝的復雜性以及服役過程中陶 瓷單元的易脫落等問題，實現(xiàn)了陶瓷與金屬之間的強冶金結合，所制備的復合材料具有成 本低、使用壽命長、可靠性好等優(yōu)點，特別適用于摩擦、磨損等各種耐磨領域。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術方案予以實現(xiàn)的一種網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，其特征在于，包括金屬基體，以及由橫向筋 和縱向筋構成的陶瓷支架，所述金屬基體用鑄造工藝包裹在陶瓷支架的橫向筋和縱向筋周 圍，與陶瓷支架聯(lián)結為一體。上述方案中，所述陶瓷支架的材質為碳化硅陶瓷。所述金屬基體的材質為鑄鋼或 鑄鐵。所述陶瓷支架包含有單層、雙層或三層以上橫向筋。前述網(wǎng)絡互穿型陶瓷_金屬復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)陶瓷支架的制備先制備多孔碳支架，然后通過滲硅處理制備包括橫向筋和 縱向筋的SiC陶瓷支架；(2)陶瓷_金屬復合材料的制備先根據(jù)陶瓷支架和復合材料的外形尺寸進行鑄 型設計，再將陶瓷支架固定于鑄型內，然后將完全熔化的鑄鋼或鑄鐵熔體澆注于鑄型內，最 后冷卻，脫模，取出。本發(fā)明的陶瓷-金屬復合材料與現(xiàn)有技術相比，其優(yōu)點在于(1)工藝簡單，制造成本低。采用三維SiC陶瓷支架的金屬鑄造復合技術，制備具有網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，與陶瓷顆?；蚶w維增強金屬基材料相比，可以簡單地 解決其陶瓷單元不均勻的難題，且制造成本低。(2)可靠性好，使用壽命長。同樣地，與陶瓷顆粒或纖維增強金屬基復合材料相比， 采用本發(fā)明技術制備陶瓷-金屬復合材料中的陶瓷單元(陶瓷支架)在服役過程中不易脫 落，可靠性更好；與普通多孔陶瓷或網(wǎng)絡結構陶瓷增強金屬基復合材料相比，采用本發(fā)明技 術制備陶瓷-金屬復合材料中的陶瓷單元(陶瓷支架)比普通多孔陶瓷或網(wǎng)絡結構陶瓷具 有明顯力學性能高的優(yōu)點，從而有利于提高使用壽命。


圖1為用于本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料的單層陶瓷支架的結構示意 圖，其中圖1(a)和圖1(b)為橫向筋分別在縱向筋中間和一端的陶瓷支架。圖2為用于本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料的雙層陶瓷支架的結構示意 圖。圖3為用于本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料的多層(包括三層或三層以 上)陶瓷支架的結構示意圖。圖4為用于本發(fā)明的單層陶瓷支架增強金屬復合材料的結構示意圖，其中圖 4(a)單層陶瓷支架增強金屬復合材料的主視示意圖，圖4(b)為圖4(a)的A-A剖視示意圖；圖5為用于本發(fā)明的雙層陶瓷支架增強金屬復合材料的結構示意圖，其中圖 5(a)雙層陶瓷支架增強金屬復合材料的主視示意圖，圖5(b)為圖5(a)的B-B剖視示意圖；圖6為用于本發(fā)明的多層(包括三層或三層以上)陶瓷支架增強金屬復合材料的 結構示意圖，其中圖6(a)多層(包括三層或三層以上)陶瓷支架增強金屬復合材料的主 視示意圖，圖6(b)為圖6(a)的C-C剖視示意圖。圖1至圖6中1、陶瓷筋；2、金屬基體；3、陶瓷支架。
具體實施例方式以下結合附圖及具體實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參照圖1、圖2和圖3，為用于本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料的陶瓷支 架3，其陶瓷筋1直徑5 10mm(包括橫向筋和縱向筋)，相鄰陶瓷筋間距為15 40mm，縱 向筋高度為40 60mm。參照圖4、圖5和圖6，本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，包括金屬基體2、 陶瓷支架3，金屬基體2與陶瓷支架3通過鑄造工藝澆注為一體。陶瓷支架3的材質為碳化 硅陶瓷。金屬基體2的材質為鑄鋼或鑄鐵。陶瓷支架3包括單層、雙層和或三層以上橫向 筋的支架結構。本發(fā)明的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料的制備方法，包括如下步驟(1)制備陶瓷支架；先制備多孔碳支架，然后通過滲硅處理制備SiC包括橫向筋和 縱向筋的陶瓷支架；(2)陶瓷_金屬復合材料的制備先根據(jù)陶瓷支架和復合材料的外形尺寸進行鑄 型設計，再將陶瓷支架固定于鑄型內，然后將完全熔化的鑄鋼或鑄鐵熔體澆注于鑄型內，最 后待冷卻，脫模，取出。
實施例1一、制備單層SiC陶瓷支架。(1)采用熔模成型方法制備單層多孔碳支架先將稱量好的乙二醇、苯磺酰 氯、可溶性淀粉和沸水依次加入酚醛樹脂(其中乙二醇與淀粉和酚醛樹脂的質量比為 50 10 40，添加8wt%的苯磺酰氯和IOwt. %的沸水)，同時不停地機械攪拌50分鐘，得 到均勻混合物。將該均勻混合物注入預先設計及加工好的石蠟陰模(石蠟陰模橫向只有單 層橫向孔)中，并置于空氣爐內緩慢升溫至50°C預固化和180°C深固化，此時，石蠟已被熔 化去除。最后將固化的單層樹脂基支架經(jīng)800°C保溫60min碳化制得單層多孔碳支架。(2)制備SiC陶瓷支架將上述步驟制備好的單層多孔碳支架，置于真空爐內，并 用工業(yè)純硅粉覆蓋，緩慢加熱至1600°C燒結60min，即制備具有單層結構的SiC陶瓷支架 (圖1)，其中陶瓷筋直徑約為10mm，相鄰筋間距約為30mm，縱向筋高度為40mm。二、采用砂型鑄造工藝，制備SiC陶瓷_鋼基復合材料采用Mo絲將上述制備的1個或多個單層SiC陶瓷支架固定于預先設計砂型型 腔內，再將用中頻感應電爐加熱至熔化的高錳鋼(ZGMnl3Cr2)鋼液澆入(澆注溫度約 1420°C )砂型內，待鑄型冷卻，打箱清理后取出即制得陶瓷-金屬基復合材料試樣。實施例2一、制備雙層SiC陶瓷支架。(1)制備雙層多孔碳支架與實施例1中步驟(1)中成型工藝基本相同，差別在于 石蠟陰模的不同，要求石蠟陰模橫向具有兩層橫向孔，制備出來的多孔碳支架具有雙層結 構。(2)制備SiC陶瓷支架將上述步驟制備好的雙層多孔碳支架，置于真空爐內，并 用工業(yè)純硅粉覆蓋，緩慢加熱至1600°C燒結30min，即制備具有雙層結構的SiC陶瓷支架 (圖2)，其中陶瓷筋直徑約為8mm，相鄰筋間距為20mm，縱向筋高度為50mm。二、采用普通砂型鑄造或負壓鑄造工藝，制備SiC陶瓷_鐵基復合材料采用Mo絲將上述制備的1個或多個雙層SiC陶瓷支架固定于預先設計的砂型型 腔內，再將加熱至出爐溫度的高鉻白口鑄鐵(3Crl4Mn4B)澆入(澆注溫度約1400°C )砂型 內，待鑄型冷卻，清理脫模，取出即可。實施例3一、制備多層SiC陶瓷支架。(1)制備多層多孔碳支架與實施例1中步驟(1)中成型工藝基本相同，差別在于 石蠟陰模的不同，要求石蠟陰模橫向具有多層橫向孔，制備出來的多孔碳支架具有多層結 構。(2)制備SiC陶瓷支架將上述步驟制備好的多層多孔碳支架，置于真空爐內，并 用工業(yè)純硅粉覆蓋，緩慢加熱至1550°C燒結30min，即制備具有多層結構的SiC陶瓷支架 (圖3)，其中陶瓷筋直徑約為5mm，相鄰筋間距為15mm，縱向筋高度為60mm。二、采用砂型鑄造工藝，制備SiC陶瓷_鋼基復合材料采用Mo絲將上述制備的1個或多個多層SiC陶瓷支架固定于預先設計及加工的 砂型內，再將加熱至出爐溫度的高錳鋼(ZGMnl8Cr2)澆入(澆注溫度約1400°C )砂型內，待 砂型冷卻，清理干凈即制取陶瓷_金屬基復合材料試樣。
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盡管以上實施例對本發(fā)明的技術方案進行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述的具 體實施例，上述的具體實施例僅僅是示意性的、指導性的、而不是限制性的。本領域的普通 技術人員在本說明書的啟示下，其采用的金屬材料還可以為其他的鑄鋼、鑄鐵或可鑄合金 材料等；其采用的金屬鑄造方法還包括其它的特種鑄造方法，如熔模鑄造、離心鑄造、消失 模鑄造等；其陶瓷支架的橫向或縱向筋還可以是其他直徑、間距和高度大小等。
權利要求
一種網(wǎng)絡互穿型陶瓷 金屬復合材料，其特征在于，包括金屬基體，以及由橫向筋和縱向筋構成的陶瓷支架，所述金屬基體用鑄造工藝包裹在陶瓷支架的橫向筋和縱向筋周圍，與陶瓷支架聯(lián)結為一體。
2.根據(jù)權利要求1所述的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，其特征在于，所述陶瓷支架 的材質為碳化硅。
3.根據(jù)權利要求1所述的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，其特征在于，所述金屬基體 的材質為鑄鋼或鑄鐵。
4.根據(jù)權利要求1所述的網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料，其特征在于，所述陶瓷支架 包含有單層、雙層或三層以上橫向筋。
5.一種網(wǎng)絡互穿型陶瓷_金屬復合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟(1)陶瓷支架的制備先制備多孔碳支架，然后通過滲硅處理制得包括橫向筋和縱向 筋的SiC陶瓷支架；(2)陶瓷-金屬復合材料的制備先根據(jù)SiC陶瓷支架和復合材料的外形尺寸進行鑄 型設計，再將SiC陶瓷支架固定于鑄型內，然后將完全熔化的鑄鋼或鑄鐵熔體澆注于鑄型 內，最后冷卻，脫模，取出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)絡互穿型陶瓷-金屬復合材料及其制備方法。該復合材料包括陶瓷支架、金屬基體，所述陶瓷支架包括單層、雙層和多層結構，所述金屬基體與陶瓷支架通過鑄造工藝澆注為一體。其制備方法為先制備SiC陶瓷支架；然后設計鑄型，固定陶瓷支架，澆注金屬熔體。本發(fā)明可克服陶瓷增強金屬基復合材料中陶瓷單元的不均勻性、制備工藝的復雜性以及服役過程中陶瓷單元的易脫落等問題，實現(xiàn)了陶瓷與金屬之間的強冶金結合，制備的復合材料具有制造成本低、使用壽命長、可靠性好等優(yōu)點，特別適用于摩擦、磨損等各種耐磨領域。
文檔編號B22D19/02GK101912957SQ201010256158
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權日2010年8月18日
發(fā)明者喬冠軍, 劉桂武, 盧天健, 戚文軍, 李林, 王倩, 王娟, 鄭開宏, 顧珩 申請人:西安交通大學;廣州有色金屬研究院