[发明专利]耐铝液腐蚀金属陶瓷材料

说明书

技术领域：

本发明涉及耐铝液腐蚀材料领域，尤其涉及一种金属陶瓷材料。

背景技术：

随着铝制品需求量的增加，造成装金属铝液、铝合金液的容器、液态铝输送管道以及测温保护套管等用材料的损耗量随之增加，获得较优良的耐铝液腐蚀的材料具有十分重要的工程应用价值。液态铝与铝合金由于其强烈的腐蚀性，对装铝合金液、铝合金液输送管道以及测铝液热电偶保护套管等材料的耐蚀性提出了更高的要求。

氧化铝是一种研究较早的陶瓷材料，以氧化铝为基体的复合陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优异性能，因此被广泛应用于冶金、化工、机械、电子和航空航天等领域；但是纯氧化铝脆性大、韧性低，如何解决这一缺陷也成为众多国内外研究学者一直研究的热点。材料研究者通过将金属加入氧化铝基体材料中，使得氧化铝基体的脆性问题得到了很大程度的改善，大量研究报道表明，在改善氧化铝材料韧性的同时，往往会伴随其成本的提高，因此如何降低材料的制备成本也成为人们研究的关键性问题。中国国家知识产权局公开了201110094542.6一种氧化铝基陶瓷复合材料的制备方法，以铝钛硼中间合金、稀有金属为增韧补强添加相，通过以下方法制备：⑴在普通中频感应炉中1000～1300℃，将钛粉和硼粉加入铝液，保温5～10分钟，制备铝钛硼中间合金；按重量百分比计铝钛硼中间合金组成为，硼0.5～2.0％，钛3.0～7.0％，铝为余量；⑵以氧化铝陶瓷作为基体材料，以铝钛硼中间合金、稀有金属为增韧补强添加相，按照氧化铝86％～95％、铝钛硼中间合金3％～8％、稀有金属2％～6％的质量百分比称取原料；⑶将称好的原料混合，以乙醇为介质强化球磨100～120小时后，放置真空干燥箱干燥并过200目筛，制得均匀混合粉体；⑷采用热压烧结工艺，以氮气作为烧结气氛，烧结温度1480～1580℃，烧结压力28～35ＭＰａ，保温时间25～35分钟，即可制备高韧性、高强度的氧化铝基陶瓷复合材料。

陶瓷金属复合材料特点是将陶瓷的优点如耐高温、高强度、和抗氧化性等与金属的优点如良好的韧性和抗弯强度等相结合，获得一种具有良好综合性能的材料；另外，金属相的加入还可以改善陶瓷相的烧结性能和脆性。用来制备陶瓷-金属复合材料最常用的陶瓷有耐高温的氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等；其中，碳化硼因具有优异的综合性能，越来越受到国内外学者的广泛关注。碳化硼具有超高硬度，低密度的特性。目前密实烧结的纯B4C陶瓷片多是采用在2300℃下高温加压烧结的方式得到。由于陶瓷的致密化过程较困难，所以最终得到的材料致密度在95％左右，要想获得高致密度(＞98％)的陶瓷材料对设备和工艺的要求极高。目前所能制得的B4C陶瓷抗压强度一般在1.7GPa～2.8GPa之间，HV能达到1220～1250，抗弯强度在280MPa～400MPa之间。由于碳化硼的性能与陶瓷的致密度相关，而致密度则与烧结温度，保温时间及加压压力密切相关，因此要获得高性能的致密陶瓷材料由于对成型设备和工艺过程都要求很高，造成了产品成本过高，且最终成型的产品因为陶瓷高硬度的限制而无法进行正常切削加工，因此，其产品的应用形状也受到了极大的限制。针对陶瓷制备要求高，脆性大及不易机加工的缺点开发了无压浸渗制备的B4C/Al金属陶瓷材料技术。采用相对于密实烧结来说较低的烧结温度(2000℃左右)来制备陶瓷骨架，降低了对设备的要求，减少了制备时间；且金属铝的加入能改善陶瓷的韧性。选择金属铝是因为碳化硼与铝的密度相近，且纯铝的延展性，流动性较佳，可在一定温度下通过毛细吸力自动浸渗入碳化硼骨架的空隙中，无需再额外加压。而铝的加入使最终成型的金属陶瓷产品具有导电性，可以利用线切割机加工成任意所需形状。目前对于B4C/Al的研究取得较大的进展是降低了陶瓷的烧结温度(在1900℃～2000℃之间烧结)，铝的加入将陶瓷材料的抗弯强度提高到300GPa～600GPa之间，断裂韧性也得到改善，国内李青等人制备的B4C/Al复合材料的抗弯强度达601MPa，断裂韧性为9.2MPa·m1/2，但是却相应的降低了其硬度(HV900～1050之间)和抗压强度(1.2GPa～1.5GPa)，并且性能受金属铝量的影响较大(其中陶瓷骨架的孔隙率，金属铝的流动性决定了金属铝量的多少)。中国国家知识产权局公开了201110453215.5一种高抗压强度低密度的陶瓷金属复合材料的制备方法，步骤如下：⑴造粒成型：以掺杂碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末为陶瓷物料，将质量百分比为5～50％的掺杂碳化硅陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三维行星式混粉机进行混粉；在混匀后的陶瓷物料中加入质量浓度为4％的粘结剂ＰＶＡ并混合造粒，粘结剂ＰＶＡ的加入量为陶瓷物料总质量的2～10％；造粒后，再采用24～60目筛子过筛；静置12小时后再将所造粒子置于铸铁模具中加压成型，得到预制坯，模压压力为50～120ＭＰａ，保压30～150ｓ，⑵无压烧结：将预制坯置于真空烧结炉中，抽真空，真空为10-2Ｐａ，以5～10℃／ｍｉｎ速度升温至1600～1900℃烧结，保温0.5～2ｈ，得到Ｂ4Ｃ－ＳｉＣ基多孔预烧体，⑶无压浸渗：将铝块放在Ｂ4Ｃ－ＳｉＣ基多孔预烧体上，并共同放置在真空烧结炉中升温至1000～1200℃，保温0.5～2ｈ，得到陶瓷金属，⑷热处理：将陶瓷金属放置热处理炉中，并加热至650～900℃温度，保温8～24ｈ后取出，并置于水中做淬火处理。