专利名称：一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及金属基陶瓷复合材料的制备技术领域，具体是ー种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法。
背景技术：
金属陶瓷作为ー种陶瓷-金属复合材料，既具有陶瓷材料的低密度、高強度、高硬度、高耐磨性、高温抗冲刷性和等优点，又具有金属材料的韧性、强导热性、热稳定性和可加エ性，使其逐渐成为材料改性的有效方法之一。金属陶瓷铁基复合材料的性能很大程度上取决于陶瓷粒子的分散性和界面润湿性，特别是对于氧化铝陶瓷而言，由于与铁基金属熔体的密度相差很多，陶瓷粒子悬浮于金属熔体的表面，难于获得整体分散均匀的复合材料。此外由于氧化铝对大多数铁基金属熔 体相对稳定，不容易发生界面润湿反应，因此在复合材料制备中容易带来气孔、缩孔以及界面脱粘、粒子脱落等缺陷。而氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料性能是在金属基体中引入陶瓷颗粒或者陶瓷骨架，其高温力学、抗蠕变性能等获得了极大的提高，又兼顾陶瓷的高硬度、高耐磨性等优良特性。近年来，该类材料在一些矿石原料粉碎及细磨、耐磨冲击材料、耐高温粉尘冲刷等工程领域得到重视和应用。目前，制备铁基复合材料的方法主要有粉末冶金、搅拌铸造、离心铸造、压カ铸造和熔体铸造等。其中，粉末冶金方法具有易成型、陶瓷粒子分散性好、易于控制含量等优点，但由于金属粉体价格高，且对设备技术要求高，制约了该种エ艺的低成本エ业化应用。而采用熔体铸造具有效率高、成本低的优点，因此仍然是制备金属基复合材料的优选エ艺。但由于金属熔体与氧化铝陶瓷颗粒的密度和浸润活性相差很大，采用熔体铸造方法常面临陶瓷粒子分散困难、局部团聚及出现空洞等缺点，影响了整体复合材料的性能，因此需要改善氧化铝陶瓷粒子的界面特性，提高其与金属熔体的润湿性能，另ー方面又要突破熔体铸造过程中面临的ー些瓶颈，如无压铸造滲透技术制备金属复合材料，材料密度不够理想，且渗透时间较长，陶瓷与金属界面容易析出ー些不利用材料综合性能的新相；压力铸造渗透技术制备金属复合材料适用熔点较低的有色金属复合材料，对高熔点的钢、铁材料不适用，且对设备有较高的要求。在压カ熔体铸造技术领域，现有专利CN101269411A多孔陶瓷/钢铁基复合材料的制备方法公开了利用真空负压渗透エ艺制备多孔陶瓷/钢铁基复合材料的技术特征，具体至在砂箱处于密封状态下，开始抽真空，真空负压为O. 03-0. 05MPa，进行浇注。从该项专利说明书公开的内容得知，该发明对铸造沙箱和其他配套设备的耐受压力有一定的要求，且随着使用砂箱体积的増大，要求其耐受压カ值越大；另外，其聚苯こ烯模型在浇注过程中被气化随真空泵排出，会对环境带来一定的污染，需要后续的处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有熔体鋳造制备铁基复合材料技术中的上述不足和缺陷，并研发ー套简便易实施的技术路线，制备出氧化铝金属陶瓷和铁基紧密结合的复合材料。具体体现在以下几个方面一、本发明所采用的熔体铸造エ艺，在适当的时候开始抽真空，即产生一定的压カ条件下进行，但并非绝对密封装置或真空值较低的条件下进行，条件不苛刻，对制备设备的耐压カ要求不高，常规耐压设备即可符合エ艺要求；ニ、在陶瓷预制件上有所突破，其一，通过调节陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子实现并控制预制件的孔隙率，再进行活性Si元素改性处理，改变其表面特性。Si元素既促进预制件陶瓷材料与金属熔体的有限界面反应，改善陶瓷粒子与金属的润湿性和界面结合效果；又提高陶瓷预制件的強度；促进氧化铝刚玉砂烧结过程中的莫来石相的生成，有利于提高复合材料的界面结合强度。其ニ，该预制件件在制备技术中既方便使用，又直接作为铁基复合材料的主体结构和组成成分直接存在于复合材料中；两种介质紧密结合组成一种耐磨材料；省去使用其他材料的后续处理过程。三、更为重要在鋳造设备上，简便易实施的铸造设备实现了浇注处理一体化流程，大幅降低能源损耗，使エ艺简单且环保。本发明制备氧化铝陶瓷增强铁基复合材料是通过如下技术方案实现的
步骤一、根据所需形状预制成经过活性Si元素预制处理的氧化铝陶瓷骨架坯体，将该骨架胚体在800-850°C下烧结30min，即可得到经过表面改性处理带丝网状孔隙的陶瓷预制件。其中，通过调节陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子制备所述陶瓷骨架坯体，实现并控制预制件的孔隙率；通过活性Si元素改性处理所述陶瓷骨架坯体，改变所述预制件的表面特性。步骤ニ、在氧化铝基陶瓷预制件外部和芯模侧面包括1-3层纸张做内衬，刷涂铸造涂料和石膏浆后，烘干，获得浇注砂型。步骤三、将浇注砂型置鋳造砂箱内，四周充填40-80目的石英砂，轻微震动，使所述浇注砂型和石英砂紧密贴实，无松动，封闭砂箱；通电500-600°C预热10-20min后，钢铁或铁合金在1500-1600°C温度熔成铁基金属液体，进行浇注；铁基金属液体刚流入浇冒ロ后，打开安装在砂箱下部的机械真空泵，柚真空，在大气压力下促进金属液体在丝网状的孔隙间快速流动，并渗透充满到该预制件内，紧密结合形成一种刚性体耐磨材料。步骤四、鋳造砂箱冷却至800°C，通过铸造装置电阻加热丝保持800°C，6h，进行热处理，以促进复合材料界面的反应扩散和应カ回复；然后再通过空冷，开箱即获得两种介质紧密结合的氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料。通过本发明所公开的技术即在一定压カ条件下采用熔体鋳造方法制备的铁基复合材料，结构和组分均匀，互相交织，紧密结合，可以制作任意形状物体，具有良好的高温力学机械性能，在苛刻エ况条件下耐冲刷磨损性能优越于现有技术同类铁基复合材料。本发明所公开的技术具有一定的创造性、进步性和实用性，实现了节能环保，能大幅度降低生产成本和节约生产时间。更为重要的是，针对现有氧化铝金属陶瓷复合材料制备技术中容易出现气孔、缩孔以及界面脱粘、粒子脱落等缺陷。本发明所提出的经过活性Si元素预制处理的表面改性氧化铝金属陶瓷，可以有效形成具有一定结构强度的、易于界面浸润的丝网状氧化铝基陶瓷空间骨架预制件，预制件的孔隙率可以通过调节陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子实现便于在后续条件下浇注。本发明所提出的エ艺方法，不仅适用于以铁为基的大多数铁合金、合金钢，同时也适用于大多数有色金属及合金，如铜及铜合金、铝及铝合金、镁及镁合金或其它金属及合金等。
图I为制造氧化铝金属陶瓷铁基复合材料的压カ铸造装置结构示意图。图I中，I浇冒系统；2隔热内衬；3浇注砂型；4氧化铝金属陶瓷预制件；5真空机械泵；6鋳造砂箱；7电阻加热丝；8带水冷钢制外套。
具体实施例方式下面结合附图和两个具体实例对本发明的技术方案做进ー步的解释。实施例I :优选地，按以下步骤实施本发明的技术方案，制备ー种氧化铝金属陶瓷增强铁基 复合材料。步骤ー、制备氧化铝金属陶瓷预制件将活性Si元素预制处理的氧化铝金属陶瓷骨架坯体通过高温800-850°C下30min，烧结制成表面改性带有丝网状孔隙的氧化铝金属陶瓷预制件4。其中，金属陶瓷预制件4的孔隙率45% vol %左右，形状则由最終所需复合材料零件制品和エ装模具的形状尺寸决定。步骤ニ、制备浇注砂型包覆内衬制备与浇冒系统形状相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3层报纸或草纸包覆该芯模侧面；再用1-3层报纸或草纸包覆将氧化铝基金属陶瓷预制件4外侧面；固定将芯模置该氧化铝基金属陶瓷预制件顶部，又在底部放置纸质管撑，辅助抽真空时的排气孔的开启，固定；刷涂铸造涂料将铸造涂料按以下质量百分比10wt%氧化招粉、20wt%娃藻土、20wt %中性水玻璃、50wt %水的混合均匀制成的铸造涂料溶液，涂刷，且每次涂刷后立即烘干，依次涂刷4-6次；当涂料厚度> 1mm，且确保浇冒芯模与陶瓷骨架以及纸质管撑连为ー体，去除芯模，获得初期浇注砂型；涂石膏浆，去除内衬采用石膏浆涂覆浇所制备的初歩注砂型外表面，当涂层厚度
>5mm吋，将该浇注砂型置250-300°C烘干炉内烘干，去除砂型内的报纸或草纸内衬，获得最终浇注砂型3。步骤三、浇注封闭在砂箱内，预热将浇注砂型放置铸造砂箱6内，四周充填40-80目的石英砂，轻微震动使石英砂和最終的浇注砂型紧密贴实，无松动，封闭铸造砂箱6，并用耐热胶密封浇冒系统I与钢制外套的接ロ ；打开电阻加热丝7开关，500-600°C预热10-20min。浇注高铬铁合金在1550-1600°C熔成铁基金属液体，开始浇注，当金属液体流置浇冒ロ吋，打开真空机械泵5抽真空，使得铁基金属溶液在大气压力下渗注至带孔隙的金属陶瓷预制件4内，完成浇注；步骤四、热处理、冷却浇注凝固后随铸造装置冷却至800°C时，通电打开电阻加热丝7，保持箱内温度SOO0C，保温6h，促进复合材料界面的反应扩散和应カ回复，之后采用空冷，开箱，即得氧化铝体积含量约为45vol%的氧化铝金属陶瓷和高铬铁基紧密结合的复合材料。实施例2优选地，按以下步骤实施本发明的技术 方案，制备ー种由两种介质紧密结合的氧化铝金属陶瓷增强45号钢铁基复合材料。步骤基本相同，不同之处在于步骤一，将活性Si元素预制处理的平均粒径为
I.5mm的氧化铝钢玉砂为陶瓷骨架坯体，通过烧结制成表面改性带有丝网状孔隙的氧化铝陶瓷预制件4，其孔隙率为55vol%左右。步骤三中，采用45号钢在1500-1550°C下熔成钢金属液体，开始浇注，即获得两种介质紧密结合的氧化铝体积含量约为55vol %的一种氧化铝基金属陶瓷增强45号钢复合材料。通过上述实施方式制备的氧化铝金属陶瓷增强钢铁基复合材料，陶瓷粒子分布均匀，金属相充满并贯穿整个金属陶瓷预制骨架丝网状孔隙，使复合材料成为ー个统ー的刚性整体，界面结合性能优异；又具有高力学性、高耐磨性、和高抗蠕变性能。更为重要的是，使用本发明的技术方案エ艺方便，场地需求小，可以通过多砂型的一次浇注和连续热处理获得复合材料的批量生产，缩短生产周期，提高了生产效率；又因内型腔涂料紧密贴合陶瓷预制件，有利于保证所制成的复合材料铸件表面质量好，外形尺寸容易控制，加工余量小。
权利要求
1.一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤一、制备氧化铝金属陶瓷预制件根据所需形状预制成氧化铝金属陶瓷骨架坯体，将所述骨架坯体在800-850°C下烧结30min，即可得到表面改性带丝网状孔隙的氧化铝金属陶瓷预制件(4)； 步骤二、制备浇注砂型通过在所述氧化铝陶瓷预制件(4)外表面和芯模侧面包括1-3层纸张做内衬，刷涂铸造涂料和石膏浆后烘干，即得浇注砂型(3)； 步骤三、浇注将所述浇注砂型(3)置铸造砂箱(6)内，四周充填40-80目的石英砂，轻微震动，使所述浇注砂型和石英砂紧密贴实，无松动，封闭砂箱；500-600°C预热10-20min后，在1500-160(TC下，钢铁或铁合金熔成铁基金属液体进行浇注； 步骤四、热处理，再空冷热处理800°C，6h ;空冷，开箱即得到氧化铝金属陶瓷和钢铁或铁合金两种介质紧密结合的复合材料。
2.根据权利要求I所述的一种氧化铝陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述氧化铝金属陶瓷预制件的制备方法还包括，通过调节陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子，实现并控制预制件的孔隙率；通过活性Si改性处理所述骨架坯体，改变所述预制件材料的表面特性。
3.根据权利要求I所述的一种氧化铝陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤二中所述制备浇注砂型的方法包括以下步骤 (a)制备与浇冒系统(I)形状相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3层报纸或草纸包覆所述所述芯模侧面； (b)用1-3层报纸或草纸包覆所述氧化铝陶瓷预制件外表面； (c)将所述芯模置于所述氧化铝陶瓷预制件顶部，在所述氧化铝陶瓷预制件底部放置纸质管撑，用于调整抽真空所需的排气孔，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，混合均匀制成铸造涂料，刷涂4-6次，且在每次涂刷之后立即烘干；当涂料厚度> 1mm，且确保所述芯模、所述氧化铝陶瓷预制件和所述纸质管撑连为一体，去除所述芯模，制备出初期浇注砂型； (e)采用石膏浆刷涂所述初期浇注砂型外表面，涂层厚度>5mm时，置烘干炉内内250-300°C烘干，去除包裹所述初期浇注砂型外侧面的报纸或草纸内衬，即得浇注砂型(3)。
4.根据权利要求I所述的一种氧化铝陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述浇注过程还包括，所述密封铸造砂箱(6)时，采用耐热胶密封浇冒与钢制外套的接口处。
5.根据权利要求I所述的一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤三中所述铁基溶液浇注过程还包括当所述铁基金属熔液浇注至浇冒口内时，打开真空机械泵(5)抽真空，在大气压力下，促使铁基金属液体流动渗透到所述金属陶瓷预制件⑷内。
6.根据权利要求I所述的一种氧化铝陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤四中热处理过程还包括浇注后所制的复合材料凝固后随铸造砂箱(6)冷却至800°C，保持炉内温度800°C，6h，促进复合材料界面的反应扩散和应力回复。
全文摘要
本发明涉及一种氧化铝金属陶瓷增强铁基复合材料的制备方法，即利用氧化铝基金属陶瓷作为复合材料的结构骨架和有效成分之一，在一定压力条件下通过熔体铸造及后续处理制备出结构一致、金属相分布均匀、高力学性能和高耐磨的金属陶瓷铁基复合材料。包括如下步骤首先，通过高温烧结将经活性Si预处理的氧化铝金属陶瓷骨架坯体制成表面改性且有丝网状孔隙结构的陶瓷预制件；其次，制备浇注砂型；再者，将浇注砂型置铸造砂箱内预热后，浇注，抽真空，在大气压力作用下促进铁基金属液体充分渗入充满预制件孔隙内，形成刚性一体；最后，连续进行热处理和空冷，制成一种由氧化铝金属陶瓷和铁基两者介质紧密结合的铁基复合材料。
文档编号B22D19/02GK102861905SQ201210365829
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者康闻端, 刘磊, 丁洪录, 康毅忠 申请人:康闻端, 刘磊, 丁洪录, 康毅忠