[发明专利]一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基体复合材料的制备方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基体复合材料的制备方法，属于材料科学技术领域。

背景技术

陶瓷颗粒弥散均匀增强金属基复合材料具有优异的耐磨性，但是，其塑性和韧性也很差，在较高的冲击磨损工况下，复合材料会过早地断裂和剥落。这成为了耐磨金属基复合材料发展的瓶颈，极大地限制了金属基复合材料的应用范围。为了解决这个问题：

中国发明专利CN101898239A利用WC颗粒在真空高温中烧结成一定形状的坯体，置于铸型端面，采用负压浇铸使得金属液浸入WC颗粒间隙中，形成局部增强复合材料。该工艺的缺点是只能采用WC陶瓷，具有成本高的缺点。

中国发明专利CN102211196在金属本体上开设盲孔，在其中填入陶瓷粉与自熔性合金粉的混合粉末，经过1000℃~1150℃真空烧结后，在盲孔的位置形成陶瓷增强金属基耐磨复合材料。该工艺将陶瓷颗粒增强金属基复合材料分布在金属本体中，构成局部增强复合材料，能够提高材料整体的抗冲击磨损能力。但是该工艺要将金属本体也加热到高温，能耗较高，效率较低。

中国发明专利CN101912957A公开了一种网络互穿型陶瓷-金属复合材料及其制备方法。其中，将SiC陶瓷做成三维支架，至于铸型中，再浇注入钢铁液，形成一种网络互穿陶瓷-金属复合材料。该工艺将陶瓷的耐磨性和金属的韧性有效结合起来，克服了服役过程中陶瓷单元易脱落的问题，能够适用于一定冲击载荷下的磨损。但是，该发明中SiC陶瓷支架的制造较为复杂。

中国发明专利CN101899585A将碳化物陶瓷颗粒或硬质合金破碎颗粒与金属粉末混合，并在高温下烧结成柱状、条状、块状、蜂窝状预制体，在铸型端面规则排列，然后浇注金属液，使金属液浸入陶瓷颗粒的缝隙，形成复合材料，并且复合材料与母体金属共同组成耐磨件的表面。该工艺制备的复合材料具有高的抗冲击能力。但是，其中只能使用与金属液有浸润能力的碳化物或硬质合金颗粒，成本仍然较高。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种陶瓷颗粒多尺度增强金属基体复合材料及其制备方法，陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合材料具有在较高的冲击磨损工况下应用的能力，工艺较为简单，适合工业化生产。

本发明的陶瓷颗粒多尺度增强金属基体复合材料的结构为金属基体2中均匀分散有球状复合材料3，球状复合材料3的结构是金属基体2中均匀分散有陶瓷颗粒1。

所述金属基体2为铸钢、铸铁、Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金或Ni合金中的任意一种。

所述陶瓷颗粒1为A1₂O₃、ZrO₂、SiO₂、SiC、B₄C、Si₃N₄、TiN或TiB₂中的一种或几种任意比例混合物，其颗粒直径为10微米～500微米，分布在球状复合材料3中的体积分数为10%～70%。

所述球状复合材料3的直径为1毫米～10毫米，分布在金属基体中的体积分数为10%～70%。

为获得上述陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合材料，本发明公开的制备方法如下：

（1）陶瓷颗粒球的制备：将陶瓷颗粒均匀分散于粘接剂溶液中，其中粘结剂为陶瓷颗粒质量的10～40wt%，然后将混合物浇注到直径为1微米～10毫米的球形模具中，干燥脱模后在100℃～1200℃条件下焙烧30分钟～2小时，随炉冷却，获得具有较好强度的陶瓷颗粒球；

（2）预制体的制备：将陶瓷颗粒球与粘结剂按照粘结剂为陶瓷颗粒质量的3～10wt%的比例球磨混合均匀，并压制成预制体；

（3）将预制体在100℃～1200℃的条件下焙烧30分钟～2小时，然后置于所需形状的模具中，浇注金属基体熔融液，并采用重力铸造、负压铸造或挤压铸造方法，使得金属液浸渗到陶瓷颗粒球之间的间隙以及陶瓷颗粒球内部间隙中，最终制得致密的陶瓷颗粒多尺度增强金属基复合材料。

所述粘接剂溶液为模数为1.5～3的水玻璃溶液、浓度为10%～40%的硅溶胶、浓度为5%～20%的偏磷酸铝溶液、含水量为5%～30%的水泥、浓度为10%～20%的聚乙烯醇溶液或浓度为5%～20%的淀粉溶液的一种或几种任意比例混合物。

所述干燥是在常温条件下放置24小时以上。

所述球磨混合时间为30分钟～2小时，球磨速度为20～300r/min。

所述压制的压力为5～40MPa。