[发明专利]一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷及其制备方法与应用。该方法主要通过氧化锆增韧氧化铝复合陶瓷与碳源高温烧结实现，其主要原理是碳对金属氧化物中氧的置换反应；具体为：将ZTA与碳源混合均匀，900～2054℃烧结，冷却，冲洗，干燥，得到碳化锆/碳化铝复合陶瓷。该工艺操作简单、成本低、绿色环保、且易于大面积制备；所制备的ZTAC组织均匀，其机械强度和金属润湿性均优于ZTA，可实现对ZTA的替代，用于制备陶瓷增强金属基耐磨复合材料，在矿业、电力、冶金、建筑、机械等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于复合陶瓷制备领域，具体涉及一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷及其制备方法与应用。

背景技术

耐磨金属材料广泛应用于矿业、电力、冶金、建筑、机械等大型重工领域。然而，由于耐磨部件所处工况的恶劣环境(腐蚀、高温、高冲击、硬质磨料磨损等)导致其失效快、寿命短，加之传统耐磨钢铁材料(白口铁、高锰钢、合金钢等)摩擦磨损性能的提升能力有限，难以满足现代工业发展的需求。而陶瓷颗粒增强金属基耐磨复合材料因其兼具了陶瓷颗粒的高硬度和耐磨性能，以及金属基体的良好韧性和塑性，成为替代传统耐磨金属材料的首选。近年来，相关研究在国内外已取得长足的进步，例如：采用金属碳化物、金属氮化物、金属硼化物、金属氧化物陶瓷/高铬铸铁金属基复合材料制备的磨煤机磨辊、磨盘等耐磨件的使用寿命是普通高铬合金的2.5～3倍(US patent:7935431B2)；WC颗粒增强高铬铸铁的耐磨性能是传统高铬铸铁的1.5～5.2倍(Wear 262(2007)649-654)；氧化锆(ZrO₂)增韧氧化铝(Al₂O₃)(Zirconia-toughened alumina，简称ZTA)陶瓷颗粒增强高铬铸铁的三体磨料磨损性能约为传统高铬铸铁的3.5倍(材料导报32(2019)4324-4328)；此外，现已开发的金属基复合材料陶瓷增强体还包括：SiC、TiC、TiN、Al₂O₃、ZrO₂等。但上述陶瓷增强体在不同程度提高金属基耐磨材料性能的同时也存在各自的缺陷，例如：金属氧化物陶瓷颗粒价格低廉、硬度高，但与金属润湿性差，需进行后续表面改性(如热浸镀、电镀、化学镀、粉末冶金等)以提高其与金属液的润湿性能；金属碳化物陶瓷颗粒与金属液的润湿性好，但制作成本高；金属氧化物复合陶瓷颗粒，如ZTA虽可通过调节ZrO₂和Al₂O₃间的比例以达到控制生产成本，同时进一步提升复合陶瓷颗粒机械性性能和摩擦磨损性能的目的，但同样没有解决金属氧化物与金属液润湿性能差的问题。综上所述，如若能够借鉴金属氧化物复合陶瓷的制作经验，制备出与其性能相当或是更佳、且与金属润湿性能好的金属碳化物复合陶瓷有望解决上述问题，但目前鲜有相关报道。因此，开发一种低成本、工艺简单、适合大规模生产、且性能优异的金属碳化物复合陶瓷对金属基耐磨复合材料的制备、应用和产业化进程具有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷的制备方法。该方法主要通过对ZTA(氧化锆增韧氧化铝陶瓷)和碳源的混料高温烧结实现，成本低、工艺简单。

本发明另一目的在于提供上述方法制得的一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷(Zirconia-toughened alumina carbide，简称ZTAC)。该复合陶瓷的机械强度及金属润湿性能均优于对应的金属氧化物复合陶瓷。

本发明再一目的在于提供上述一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种碳化锆/碳化铝复合陶瓷的制备方法，具体为：将ZTA与碳源混合均匀，900～2054℃烧结，冷却，冲洗，干燥，得到碳化锆/碳化铝复合陶瓷(ZTAC)。

优选地，所述ZTA在使用前经过清洗处理；所述清洗用的清洗液为中性、酸性和碱性溶液中的一种或几种。

所述清洗在机械搅拌或超声辅助下进行。