耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、Al2O3粉和AlN粉，重量百分比為1-5%Ti、10-25%Ni、40-60%Al2O3、20-40%AlN，所述的Ti粉、Ni粉、Al2O3粉和AlN粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成。該耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料的致密性高、耐腐蝕性能好、使用壽命長，在鋁液中的耐腐蝕性能具有十分重要的工程應(yīng)用價值。
【專利說明】耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及耐鋁液腐蝕材料領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬陶瓷材料。
[0002]【背景技術(shù)】: 隨著鋁制品需求量的增加，造成裝金屬鋁液、鋁合金液的容器、液態(tài)鋁輸送管道以及測溫保護(hù)套管等用材料的損耗量隨之增加，獲得較優(yōu)良的耐鋁液腐蝕的材料具有十分重要的工程應(yīng)用價值。液態(tài)鋁與鋁合金由于其強烈的腐蝕性，對裝鋁合金液、鋁合金液輸送管道以及測鋁液熱電偶保護(hù)套管等材料的耐蝕性提出了更高的要求。
[0003]氧化鋁是一種研究較早的陶瓷材料，以氧化鋁為基體的復(fù)合陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、電子和航空航天等領(lǐng)域；但是純氧化鋁脆性大、韌性低，如何解決這一缺陷也成為眾多國內(nèi)外研究學(xué)者一直研究的熱點。材料研究者通過將金屬加入氧化鋁基體材料中，使得氧化鋁基體的脆性問題得到了很大程度的改善，大量研究報道表明，在改善氧化招材料韌性的同時，往往會伴隨其成本的提高，因此如何降低材料的制備成本也成為人們研究的關(guān)鍵性問題。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了 201110094542.6 一種氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，通過以下方法制備:(1)在普通中頻感應(yīng)爐中1000~1300°C，將鈦粉和硼粉加入鋁液，保溫5~10分鐘，制備鋁鈦硼中間合金；按重量百分比計鋁鈦硼中間合金組成為，硼0.5~2.0 %，鈦3.0~7.0%，鋁為余量；(2)以氧化鋁陶瓷作為基體材料，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，按照氧化鋁86%~95%、鋁鈦硼中間合金3%~8%、稀有金屬2%~6%的質(zhì)量百分比稱取原料；⑶將稱好的原料混合，以乙醇為介質(zhì)強化球磨100~120小時后，放置真空干燥箱干燥并過200目篩，制得均勻混合粉體K4)采用熱壓燒結(jié)工藝，以氮氣作為燒結(jié)氣氛，燒結(jié)溫度1480~1580°C，燒結(jié)壓力28~35 M P a，保溫時間25~35分鐘，即可制備高韌性、高強度的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。
[0004]陶瓷金屬復(fù)合材料特點是將陶瓷的優(yōu)點如耐高溫、高強度、和抗氧化性等與金屬的優(yōu)點如良好的韌性和抗彎強度等相結(jié)合，獲得一種具有良好綜合性能的材料；另外，金屬相的加入還可以改善陶瓷相的燒結(jié)性能和脆性。用來制備陶瓷-金屬復(fù)合材料最常用的陶瓷有耐高溫的氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等；其中，碳化硼因具有優(yōu)異的綜合性能，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。碳化硼具有超高硬度，低密度的特性。目前密實燒結(jié)的純B4C陶瓷片多是采用在2300°C下高溫加壓燒結(jié)的方式得到。由于陶瓷的致密化過程較困難，所以最終得到的材料致密度在95%左右，要想獲得高致密度(> 98% )的陶瓷材料對設(shè)備和工藝的要求極高。目前所能制得的B4C陶瓷抗壓強度一般在1.7GPa~2.8GPa之間，HV能達(dá)到1220~1250，抗彎強度在280MPa~400MPa之間。由于碳化硼的性能與陶瓷的致密度相關(guān)，而致密度則與燒結(jié)溫度，保溫時間及加壓壓力密切相關(guān)，因此要獲得高性能的致密陶瓷材料由于對成型設(shè)備和工藝過程都要求很高，造成了產(chǎn)品成本過高，且最終成型的產(chǎn)品因為陶瓷高硬度的限制而無法進(jìn)行正常切削加工，因此，其產(chǎn)品的應(yīng)用形狀也受到了極大的限制。針對陶瓷制備要求高，脆性大及不易機加工的缺點開發(fā)了無壓浸滲制備的B4C/A1金屬陶瓷材料技術(shù)。采用相對于密實燒結(jié)來說較低的燒結(jié)溫度(2000°C左右)來制備陶瓷骨架，降低了對設(shè)備的要求，減少了制備時間；且金屬鋁的加入能改善陶瓷的韌性。選擇金屬鋁是因為碳化硼與鋁的密度相近，且純鋁的延展性，流動性較佳，可在一定溫度下通過毛細(xì)吸力自動浸滲入碳化硼骨架的空隙中，無需再額外加壓。而鋁的加入使最終成型的金屬陶瓷產(chǎn)品具有導(dǎo)電性，可以利用線切割機加工成任意所需形狀。目前對于B4C/Al的研究取得較大的進(jìn)展是降低了陶瓷的燒結(jié)溫度(在1900°C~2000°C之間燒結(jié))，鋁的加入將陶瓷材料的抗彎強度提高到300GPa~600GPa之間，斷裂韌性也得到改善，國內(nèi)李青等人制備的B4C/A1復(fù)合材料的抗彎強度達(dá)601MPa，斷裂韌性為9.2MPa.πι1/2，但是卻相應(yīng)的降低了其硬度(HV900~1050之間)和抗壓強度(1.2GPa~1.5GPa)，并且性能受金屬鋁量的影響較大(其中陶瓷骨架的孔隙率，金屬鋁的流動性決定了金屬鋁量的多少)。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了 201110453215.5 一種高抗壓強度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:⑴造粒成型:以摻雜碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末為陶瓷物料，將質(zhì)量百分比為5~50%的摻雜碳化硅陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三維行星式混粉機進(jìn)行混粉；在混勻后的陶瓷物料中加入質(zhì)量濃度為4%的粘結(jié)劑P V A并混合造粒，粘結(jié)劑P
VA的加入量為陶瓷物料總質(zhì)量的2~10%;造粒后，再采用24~60目篩子過篩；靜置12小時后再將所造粒子置于鑄鐵模具中加壓成型，得到預(yù)制坯，模壓壓力為50~120 M P a，保壓30~150 s，⑵無壓燒結(jié):將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空，真空為10-2 P a，以5~10°C / m i η速度 升溫至1600~1900°C燒結(jié)，保溫0.5~2 h，得到B 4 C- S i C基多孔預(yù)燒體，⑶無壓浸滲:將鋁塊放在B 4 C-S i C基多孔預(yù)燒體上，并共同放置在真空燒結(jié)爐中升溫至1000~1200°C，保溫0.5~2 h，得到陶瓷金屬，⑷熱處理:將陶瓷金屬放置熱處理爐中，并加熱至650~900°C溫度，保溫8~24 h后取出，并置于水中做淬火處理。
[0005]金屬陶瓷材料是由一種或多種陶瓷相與金屬或合金組成的多相復(fù)合材料。按性能和用途可分為耐熱型，耐磨型和耐腐蝕型等。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了CN200610053348.2 一種金屬/金屬陶瓷復(fù)合材料，其是在低合金鋼基材上復(fù)合金屬陶瓷而成，所述金屬陶瓷為金屬基碳化鈦，其包括粘結(jié)相金屬和分散在粘結(jié)相金屬中的硬質(zhì)顆粒相碳化鈦；所述低合金鋼與金屬陶瓷之間為冶金結(jié)合，結(jié)合界面處的粘結(jié)相金屬與所述低合金鋼之間存在擴散互溶區(qū)，擴散互溶區(qū)內(nèi)存在硬質(zhì)顆粒相的梯度過渡層；所述的粘結(jié)相金屬為鎳基自熔合金，所述的碳化鈦由自蔓延高溫合成反應(yīng)體系中的鈦和碳在澆鑄所述低合金鋼時所引發(fā)的自蔓延高溫合成反應(yīng)生成；所述的自蔓延高溫合成反應(yīng)體系以質(zhì)量百分比計其組成為:鎳基自熔合金35~45%，鈦Ti44~52%，碳Cll~13%。
[0006]盡管賽隆等陶瓷材料具有很強的耐鋁液腐蝕能力，但是其脆性大，尤其在冷、熱交變的工況條件極易開裂限制了其使用。金屬與陶瓷復(fù)合材料可有效的改善單一陶瓷材料的脆性，使整體的強、韌性得到改善，為制備既具有優(yōu)良強韌性又具有高耐鋁液腐蝕性能的材料提聞了條件。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
:，
本發(fā)明的目的在于提供一種制備過程簡單，材料組織致密，具有耐鋁液腐蝕性能的耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料。
[0008]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉，重量百分比為l_5%T1、10-25%N1、40-60% A1203、20_40%A1N，所述的 Ti 粉、Ni 粉、A1203 粉和 AlN 粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成。
[0009]所述的Ti粉和Ni粉的純度> 97.9%，粒度< 20微米。
[0010]所述的AlN粉和A1203粉的純度〉97.9%，粒度< 50微米。
[0011]所述的Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉的純度> 99.9%。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下列有益效果:
本發(fā)明提高了金屬陶瓷復(fù)合材料的致密性，從而提高了金屬陶瓷復(fù)合材料的耐腐蝕性能，同時提高了金屬陶瓷材料的使用壽命，該材料在鋁液中的耐腐蝕性能具有十分重要的工程應(yīng)用價值。
[0013]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明金屬陶瓷材料的掃描電子顯微組織照片。
[0014]圖2為本發(fā)明 金屬陶瓷材料的X射線衍射分析圖譜。
[0015]【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
實施例一:參見圖1和圖2，一種耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉，所述的重量百分比為4%T1、17%N1、55% A1203、24%A1N，所述的Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成，其制備方法包括以下步驟:⑴配料混合球磨:首先將Ti粉和Ni粉按照重量百分比稱重后裝入球磨機，所述Ti粉和Ni粉的純度為99.9%，粒度< 20微米，料:球重量比為1:2，球磨機中充入氬氣保護(hù)，開機球磨，球磨時間為8小時；其次按照百分比向球磨機中添加A1203粉和AlN粉，所述AlN粉和A1203粉的純度為99.9%，粒度< 50微米，并按照混合料:球重量比為1:2進(jìn)行二次球磨，球磨時間為14小時；Ti粉、Ni粉的球磨過程主要作用是細(xì)化粘接金屬Ti粉、Ni粉的粒度，并使兩種金屬粉末充分混合均勻，A1203粉、AlN粉球磨的主要作用是混合均勻，且所有顆粒尺寸越來越細(xì)??；⑵粉碎干燥:將球磨后混合均勻的Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉取出，并在110°C下烘干、研碎；⑶壓制成形:將上述混合粉充填到石墨模具中，放于小型壓力機上壓制成所需形狀的坯料；⑷燒結(jié):對上述坯料進(jìn)行電場激活熱壓輔助燒結(jié)，所述的燒結(jié)在氬氣保護(hù)氣氛下真空燒結(jié)，加熱、保溫過程中對坯料施加60MPa壓強，所述的真空度10Pa，燒結(jié)溫度為1150°C，保溫時間為5~10分鐘，燒結(jié)后隨爐冷卻出爐、脫模。
[0016]本發(fā)明耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料致密度高、耐鋁液腐蝕性能好。本發(fā)明耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料在熔融的鋁液中進(jìn)行腐蝕試驗，較其他金屬材料如不銹鋼、鑄鐵等耐腐蝕性能明顯提聞。
[0017]本發(fā)明耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料試樣用排水法測試致密度為99.5%。本發(fā)明耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料試樣掃描電子顯微組織如圖1所示，所得金屬陶瓷試樣的X射線衍射圖譜如圖2所示。
[0018]兩種不同材料在700°C鋁液中腐蝕8小時后的平均腐蝕速率，如表一所示。
[0019]表一兩種不同材料的耐鋁液腐蝕性能比較
【權(quán)利要求】
1.耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，其特征在于:包括Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉，重量百分比為 l-5%T1、10-25%N1、40-60% A1203、20_40%A1N，所述的 Ti 粉、Ni 粉、A1203 粉和 AlN粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的Ti粉和Ni粉的純度> 97.9%，粒度< 20微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的AlN粉和A1203粉的純度> 97.9%，粒度< 50微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉的純度> 99.9%。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐鋁液腐蝕金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的Ti粉、Ni粉、A1203粉和AlN粉的純度> 99.9%。
【文檔編號】C22C29/00GK103938046SQ201310019101
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月20日
【發(fā)明者】何兆龍 申請人:江蘇兆龍電氣有限公司