專利名稱：一種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬基陶瓷復(fù)合材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是ー種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法。
背景技術(shù)：
金屬陶瓷作為ー種陶瓷-金屬復(fù)合材料，既具有陶瓷材料的低密度、高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、高溫抗沖刷性和等優(yōu)點(diǎn)，又具有金屬材料的韌性、強(qiáng)導(dǎo)熱性、熱穩(wěn)定性和可加エ性，使其逐漸成為材料改性的有效方法之一。金屬陶瓷鐵基復(fù)合材料的性能很大程度上取決于陶瓷粒子的分散性和界面潤濕性，特別是對于氧化鋁陶瓷而言，由于與鐵基金屬熔體的密度相差很多，陶瓷粒子懸浮于金屬熔體的表面，難于獲得整體分散均勻的復(fù)合材料。此外由于氧化鋁對大多數(shù)鐵基金屬熔 體相對穩(wěn)定，不容易發(fā)生界面潤濕反應(yīng)，因此在復(fù)合材料制備中容易帶來氣孔、縮孔以及界面脫粘、粒子脫落等缺陷。而氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料性能是在金屬基體中引入陶瓷顆?；蛘咛沾晒羌埽涓邷亓W(xué)、抗蠕變性能等獲得了極大的提高，又兼顧陶瓷的高硬度、高耐磨性等優(yōu)良特性。近年來，該類材料在一些礦石原料粉碎及細(xì)磨、耐磨沖擊材料、耐高溫粉塵沖刷等工程領(lǐng)域得到重視和應(yīng)用。目前，制備鐵基復(fù)合材料的方法主要有粉末冶金、攪拌鑄造、離心鑄造、壓カ鑄造和熔體鑄造等。其中，粉末冶金方法具有易成型、陶瓷粒子分散性好、易于控制含量等優(yōu)點(diǎn)，但由于金屬粉體價(jià)格高，且對設(shè)備技術(shù)要求高，制約了該種エ藝的低成本エ業(yè)化應(yīng)用。而采用熔體鑄造具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此仍然是制備金屬基復(fù)合材料的優(yōu)選エ藝。但由于金屬熔體與氧化鋁陶瓷顆粒的密度和浸潤活性相差很大，采用熔體鑄造方法常面臨陶瓷粒子分散困難、局部團(tuán)聚及出現(xiàn)空洞等缺點(diǎn)，影響了整體復(fù)合材料的性能，因此需要改善氧化鋁陶瓷粒子的界面特性，提高其與金屬熔體的潤濕性能，另ー方面又要突破熔體鑄造過程中面臨的ー些瓶頸，如無壓鑄造滲透技術(shù)制備金屬復(fù)合材料，材料密度不夠理想，且滲透時(shí)間較長，陶瓷與金屬界面容易析出ー些不利用材料綜合性能的新相；壓力鑄造滲透技術(shù)制備金屬復(fù)合材料適用熔點(diǎn)較低的有色金屬復(fù)合材料，對高熔點(diǎn)的鋼、鐵材料不適用，且對設(shè)備有較高的要求。在壓カ熔體鑄造技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)有專利CN101269411A多孔陶瓷/鋼鐵基復(fù)合材料的制備方法公開了利用真空負(fù)壓滲透エ藝制備多孔陶瓷/鋼鐵基復(fù)合材料的技術(shù)特征，具體至在砂箱處于密封狀態(tài)下，開始抽真空，真空負(fù)壓為O. 03-0. 05MPa，進(jìn)行澆注。從該項(xiàng)專利說明書公開的內(nèi)容得知，該發(fā)明對鑄造沙箱和其他配套設(shè)備的耐受壓力有一定的要求，且隨著使用砂箱體積的増大，要求其耐受壓カ值越大；另外，其聚苯こ烯模型在澆注過程中被氣化隨真空泵排出，會對環(huán)境帶來一定的污染，需要后續(xù)的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有熔體鋳造制備鐵基復(fù)合材料技術(shù)中的上述不足和缺陷，并研發(fā)ー套簡便易實(shí)施的技術(shù)路線，制備出氧化鋁金屬陶瓷和鐵基緊密結(jié)合的復(fù)合材料。具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面一、本發(fā)明所采用的熔體鑄造エ藝，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候開始抽真空，即產(chǎn)生一定的壓カ條件下進(jìn)行，但并非絕對密封裝置或真空值較低的條件下進(jìn)行，條件不苛刻，對制備設(shè)備的耐壓カ要求不高，常規(guī)耐壓設(shè)備即可符合エ藝要求；ニ、在陶瓷預(yù)制件上有所突破，其一，通過調(diào)節(jié)陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子實(shí)現(xiàn)并控制預(yù)制件的孔隙率，再進(jìn)行活性Si元素改性處理，改變其表面特性。Si元素既促進(jìn)預(yù)制件陶瓷材料與金屬熔體的有限界面反應(yīng)，改善陶瓷粒子與金屬的潤濕性和界面結(jié)合效果；又提高陶瓷預(yù)制件的強(qiáng)度；促進(jìn)氧化鋁剛玉砂燒結(jié)過程中的莫來石相的生成，有利于提高復(fù)合材料的界面結(jié)合強(qiáng)度。其ニ，該預(yù)制件件在制備技術(shù)中既方便使用，又直接作為鐵基復(fù)合材料的主體結(jié)構(gòu)和組成成分直接存在于復(fù)合材料中；兩種介質(zhì)緊密結(jié)合組成一種耐磨材料；省去使用其他材料的后續(xù)處理過程。三、更為重要在鋳造設(shè)備上，簡便易實(shí)施的鑄造設(shè)備實(shí)現(xiàn)了澆注處理一體化流程，大幅降低能源損耗，使エ藝簡單且環(huán)保。本發(fā)明制備氧化鋁陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
步驟一、根據(jù)所需形狀預(yù)制成經(jīng)過活性Si元素預(yù)制處理的氧化鋁陶瓷骨架坯體，將該骨架胚體在800-850°C下燒結(jié)30min，即可得到經(jīng)過表面改性處理帶絲網(wǎng)狀孔隙的陶瓷預(yù)制件。其中，通過調(diào)節(jié)陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子制備所述陶瓷骨架坯體，實(shí)現(xiàn)并控制預(yù)制件的孔隙率；通過活性Si元素改性處理所述陶瓷骨架坯體，改變所述預(yù)制件的表面特性。步驟ニ、在氧化鋁基陶瓷預(yù)制件外部和芯模側(cè)面包括1-3層紙張做內(nèi)襯，刷涂鑄造涂料和石膏漿后，烘干，獲得澆注砂型。步驟三、將澆注砂型置鋳造砂箱內(nèi)，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動(dòng)，使所述澆注砂型和石英砂緊密貼實(shí)，無松動(dòng)，封閉砂箱；通電500-600°C預(yù)熱10-20min后，鋼鐵或鐵合金在1500-1600°C溫度熔成鐵基金屬液體，進(jìn)行澆注；鐵基金屬液體剛流入澆冒ロ后，打開安裝在砂箱下部的機(jī)械真空泵，柚真空，在大氣壓力下促進(jìn)金屬液體在絲網(wǎng)狀的孔隙間快速流動(dòng)，并滲透充滿到該預(yù)制件內(nèi)，緊密結(jié)合形成一種剛性體耐磨材料。步驟四、鋳造砂箱冷卻至800°C，通過鑄造裝置電阻加熱絲保持800°C，6h，進(jìn)行熱處理，以促進(jìn)復(fù)合材料界面的反應(yīng)擴(kuò)散和應(yīng)カ回復(fù)；然后再通過空冷，開箱即獲得兩種介質(zhì)緊密結(jié)合的氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料。通過本發(fā)明所公開的技術(shù)即在一定壓カ條件下采用熔體鋳造方法制備的鐵基復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)和組分均勻，互相交織，緊密結(jié)合，可以制作任意形狀物體，具有良好的高溫力學(xué)機(jī)械性能，在苛刻エ況條件下耐沖刷磨損性能優(yōu)越于現(xiàn)有技術(shù)同類鐵基復(fù)合材料。本發(fā)明所公開的技術(shù)具有一定的創(chuàng)造性、進(jìn)步性和實(shí)用性，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保，能大幅度降低生產(chǎn)成本和節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間。更為重要的是，針對現(xiàn)有氧化鋁金屬陶瓷復(fù)合材料制備技術(shù)中容易出現(xiàn)氣孔、縮孔以及界面脫粘、粒子脫落等缺陷。本發(fā)明所提出的經(jīng)過活性Si元素預(yù)制處理的表面改性氧化鋁金屬陶瓷，可以有效形成具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的、易于界面浸潤的絲網(wǎng)狀氧化鋁基陶瓷空間骨架預(yù)制件，預(yù)制件的孔隙率可以通過調(diào)節(jié)陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子實(shí)現(xiàn)便于在后續(xù)條件下澆注。本發(fā)明所提出的エ藝方法，不僅適用于以鐵為基的大多數(shù)鐵合金、合金鋼，同時(shí)也適用于大多數(shù)有色金屬及合金，如銅及銅合金、鋁及鋁合金、鎂及鎂合金或其它金屬及合金等。


圖I為制造氧化鋁金屬陶瓷鐵基復(fù)合材料的壓カ鑄造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖I中，I澆冒系統(tǒng)；2隔熱內(nèi)襯；3澆注砂型；4氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件；5真空機(jī)械泵；6鋳造砂箱；7電阻加熱絲；8帶水冷鋼制外套。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和兩個(gè)具體實(shí)例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)ー步的解釋。實(shí)施例I :優(yōu)選地，按以下步驟實(shí)施本發(fā)明的技術(shù)方案，制備ー種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基 復(fù)合材料。步驟ー、制備氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件將活性Si元素預(yù)制處理的氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體通過高溫800-850°C下30min，燒結(jié)制成表面改性帶有絲網(wǎng)狀孔隙的氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件4。其中，金屬陶瓷預(yù)制件4的孔隙率45% vol %左右，形狀則由最終所需復(fù)合材料零件制品和エ裝模具的形狀尺寸決定。步驟ニ、制備澆注砂型包覆內(nèi)襯制備與澆冒系統(tǒng)形狀相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3層報(bào)紙或草紙包覆該芯模側(cè)面；再用1-3層報(bào)紙或草紙包覆將氧化鋁基金屬陶瓷預(yù)制件4外側(cè)面；固定將芯模置該氧化鋁基金屬陶瓷預(yù)制件頂部，又在底部放置紙質(zhì)管撐，輔助抽真空時(shí)的排氣孔的開啟，固定；刷涂鑄造涂料將鑄造涂料按以下質(zhì)量百分比10wt%氧化招粉、20wt%娃藻土、20wt %中性水玻璃、50wt %水的混合均勻制成的鑄造涂料溶液，涂刷，且每次涂刷后立即烘干，依次涂刷4-6次；當(dāng)涂料厚度> 1mm，且確保澆冒芯模與陶瓷骨架以及紙質(zhì)管撐連為ー體，去除芯模，獲得初期澆注砂型；涂石膏漿，去除內(nèi)襯采用石膏漿涂覆澆所制備的初歩注砂型外表面，當(dāng)涂層厚度
>5mm吋，將該澆注砂型置250-300°C烘干爐內(nèi)烘干，去除砂型內(nèi)的報(bào)紙或草紙內(nèi)襯，獲得最終澆注砂型3。步驟三、澆注封閉在砂箱內(nèi)，預(yù)熱將澆注砂型放置鑄造砂箱6內(nèi)，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動(dòng)使石英砂和最終的澆注砂型緊密貼實(shí)，無松動(dòng)，封閉鑄造砂箱6，并用耐熱膠密封澆冒系統(tǒng)I與鋼制外套的接ロ ；打開電阻加熱絲7開關(guān)，500-600°C預(yù)熱10-20min。澆注高鉻鐵合金在1550-1600°C熔成鐵基金屬液體，開始澆注，當(dāng)金屬液體流置澆冒ロ吋，打開真空機(jī)械泵5抽真空，使得鐵基金屬溶液在大氣壓力下滲注至帶孔隙的金屬陶瓷預(yù)制件4內(nèi)，完成澆注；步驟四、熱處理、冷卻澆注凝固后隨鑄造裝置冷卻至800°C時(shí)，通電打開電阻加熱絲7，保持箱內(nèi)溫度SOO0C，保溫6h，促進(jìn)復(fù)合材料界面的反應(yīng)擴(kuò)散和應(yīng)カ回復(fù)，之后采用空冷，開箱，即得氧化鋁體積含量約為45vol%的氧化鋁金屬陶瓷和高鉻鐵基緊密結(jié)合的復(fù)合材料。實(shí)施例2優(yōu)選地，按以下步驟實(shí)施本發(fā)明的技術(shù) 方案，制備ー種由兩種介質(zhì)緊密結(jié)合的氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)45號鋼鐵基復(fù)合材料。步驟基本相同，不同之處在于步驟一，將活性Si元素預(yù)制處理的平均粒徑為
I.5mm的氧化鋁鋼玉砂為陶瓷骨架坯體，通過燒結(jié)制成表面改性帶有絲網(wǎng)狀孔隙的氧化鋁陶瓷預(yù)制件4，其孔隙率為55vol%左右。步驟三中，采用45號鋼在1500-1550°C下熔成鋼金屬液體，開始澆注，即獲得兩種介質(zhì)緊密結(jié)合的氧化鋁體積含量約為55vol %的一種氧化鋁基金屬陶瓷增強(qiáng)45號鋼復(fù)合材料。通過上述實(shí)施方式制備的氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鋼鐵基復(fù)合材料，陶瓷粒子分布均勻，金屬相充滿并貫穿整個(gè)金屬陶瓷預(yù)制骨架絲網(wǎng)狀孔隙，使復(fù)合材料成為ー個(gè)統(tǒng)ー的剛性整體，界面結(jié)合性能優(yōu)異；又具有高力學(xué)性、高耐磨性、和高抗蠕變性能。更為重要的是，使用本發(fā)明的技術(shù)方案エ藝方便，場地需求小，可以通過多砂型的一次澆注和連續(xù)熱處理獲得復(fù)合材料的批量生產(chǎn)，縮短生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率；又因內(nèi)型腔涂料緊密貼合陶瓷預(yù)制件，有利于保證所制成的復(fù)合材料鑄件表面質(zhì)量好，外形尺寸容易控制，加工余量小。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、制備氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件根據(jù)所需形狀預(yù)制成氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體，將所述骨架坯體在800-850°C下燒結(jié)30min，即可得到表面改性帶絲網(wǎng)狀孔隙的氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件(4)； 步驟二、制備澆注砂型通過在所述氧化鋁陶瓷預(yù)制件(4)外表面和芯模側(cè)面包括1-3層紙張做內(nèi)襯，刷涂鑄造涂料和石膏漿后烘干，即得澆注砂型(3)； 步驟三、澆注將所述澆注砂型(3)置鑄造砂箱(6)內(nèi)，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動(dòng)，使所述澆注砂型和石英砂緊密貼實(shí)，無松動(dòng)，封閉砂箱；500-600°C預(yù)熱10-20min后，在1500-160(TC下，鋼鐵或鐵合金熔成鐵基金屬液體進(jìn)行澆注； 步驟四、熱處理，再空冷熱處理800°C，6h ;空冷，開箱即得到氧化鋁金屬陶瓷和鋼鐵或鐵合金兩種介質(zhì)緊密結(jié)合的復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述氧化鋁金屬陶瓷預(yù)制件的制備方法還包括，通過調(diào)節(jié)陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子，實(shí)現(xiàn)并控制預(yù)制件的孔隙率；通過活性Si改性處理所述骨架坯體，改變所述預(yù)制件材料的表面特性。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中所述制備澆注砂型的方法包括以下步驟 (a)制備與澆冒系統(tǒng)(I)形狀相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3層報(bào)紙或草紙包覆所述所述芯模側(cè)面； (b)用1-3層報(bào)紙或草紙包覆所述氧化鋁陶瓷預(yù)制件外表面； (c)將所述芯模置于所述氧化鋁陶瓷預(yù)制件頂部，在所述氧化鋁陶瓷預(yù)制件底部放置紙質(zhì)管撐，用于調(diào)整抽真空所需的排氣孔，并固定； (d)按以下重量百分比10wt%氧化招粉、20wt%娃藻土、20wt%中性水玻璃、50wt%水，混合均勻制成鑄造涂料，刷涂4-6次，且在每次涂刷之后立即烘干；當(dāng)涂料厚度> 1mm，且確保所述芯模、所述氧化鋁陶瓷預(yù)制件和所述紙質(zhì)管撐連為一體，去除所述芯模，制備出初期澆注砂型； (e)采用石膏漿刷涂所述初期澆注砂型外表面，涂層厚度>5mm時(shí)，置烘干爐內(nèi)內(nèi)250-300°C烘干，去除包裹所述初期澆注砂型外側(cè)面的報(bào)紙或草紙內(nèi)襯，即得澆注砂型(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述澆注過程還包括，所述密封鑄造砂箱(6)時(shí)，采用耐熱膠密封澆冒與鋼制外套的接口處。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述鐵基溶液澆注過程還包括當(dāng)所述鐵基金屬熔液澆注至澆冒口內(nèi)時(shí)，打開真空機(jī)械泵(5)抽真空，在大氣壓力下，促使鐵基金屬液體流動(dòng)滲透到所述金屬陶瓷預(yù)制件⑷內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟四中熱處理過程還包括澆注后所制的復(fù)合材料凝固后隨鑄造砂箱(6)冷卻至800°C，保持爐內(nèi)溫度800°C，6h，促進(jìn)復(fù)合材料界面的反應(yīng)擴(kuò)散和應(yīng)力回復(fù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氧化鋁金屬陶瓷增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料的制備方法，即利用氧化鋁基金屬陶瓷作為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)骨架和有效成分之一，在一定壓力條件下通過熔體鑄造及后續(xù)處理制備出結(jié)構(gòu)一致、金屬相分布均勻、高力學(xué)性能和高耐磨的金屬陶瓷鐵基復(fù)合材料。包括如下步驟首先，通過高溫?zé)Y(jié)將經(jīng)活性Si預(yù)處理的氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體制成表面改性且有絲網(wǎng)狀孔隙結(jié)構(gòu)的陶瓷預(yù)制件；其次，制備澆注砂型；再者，將澆注砂型置鑄造砂箱內(nèi)預(yù)熱后，澆注，抽真空，在大氣壓力作用下促進(jìn)鐵基金屬液體充分滲入充滿預(yù)制件孔隙內(nèi)，形成剛性一體；最后，連續(xù)進(jìn)行熱處理和空冷，制成一種由氧化鋁金屬陶瓷和鐵基兩者介質(zhì)緊密結(jié)合的鐵基復(fù)合材料。
文檔編號B22D19/02GK102861905SQ201210365829
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者康聞端, 劉磊, 丁洪錄, 康毅忠 申請人:康聞端, 劉磊, 丁洪錄, 康毅忠