專利名稱：一種耐磨件、陶瓷金屬復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及工程機械領域，特別涉及一種陶瓷金屬復合材料及其制備方法，以及應用該陶瓷金屬 復合材料的耐磨件。
背景技術：
混凝土輸送泵可以實現混凝土的遠距離輸送，通過將混凝土輸送至預定的施工地點進行澆注作業，包括泵車、車載泵、拖泵等類型。在混凝土輸送泵的泵送機構中，耐磨板安裝在兩個輸送缸的進出料處，耐磨環安裝在分配閥的進料處，在輸送混凝土時，分配閥在搖擺機構的驅動下往復擺動，分配閥交替與兩個輸送缸連通實現混凝土的連續輸送，在上述分配閥的動作過程中，耐磨環和耐磨板相互切割。耐磨板和耐磨環作為混凝土輸送泵的關鍵易損零部件，其使用壽命一直是影響泵送設備整體品質的重要指標。基于耐磨板和耐磨環的惡劣工況，要求耐磨板和耐磨環具有較高的耐磨性能和較高的抗沖擊性能，所以制作軟硬結合性能的復合材料一直是該耐磨件性能改進的熱點。現有技術中，耐磨板和耐磨環的工作面多采用整塊或分塊硬質合金環作為支撐骨架，內外側堆焊成型。但是，無論采用硬質合金整環或硬質合金塊，在進行加工成型時，釬焊工藝的結合強度低，工藝性差，無法保證接頭飽滿，焊縫部分存在明顯的薄弱環節(軟基體)，容易夾帶沙粒而磨損失效；同時，硬質合金的抗沖擊能力差，即使塊狀結合仍不足以避免工作面脆裂崩塊失效，因此現有耐磨板和耐磨環的使用壽命較低。因此，對耐磨板和耐磨板的材料和結構進行設計，使其具有較高的耐磨性能和較高的抗沖擊性能，從而提高其使用壽命，是本領域技術人員需要解決的技術問題。

發明內容
有鑒于此，本發明提出一種陶瓷金屬復合材料及其制備方法，應用該陶瓷金屬復合材料的耐磨件，在耐磨件具有較高的耐磨性能的同時，保持較高的抗沖擊性能，提高其使用壽命。本發明提供了一種陶瓷金屬復合材料，包括陶瓷骨架和金屬基體，所述陶瓷骨架成三維網絡結構，所述金屬基體浸透復合在所述陶瓷骨架的網絡結構中。進一步地,所述陶瓷骨架由95wt% 85wt%的陶瓷顆粒和5wt% 15wt%的潤濕劑燒結而成，其中，所述陶瓷顆粒為Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述兩種或兩種以上材料的混合顆粒；所述金屬基體為鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。進一步地，按體積分數計，所述陶瓷金屬復合材料由25% 75%陶瓷骨架和75% 25%的金屬基體復合而成。本發明提供一種陶瓷金屬復合材料的制備方法，包括以下步驟制備三維網絡結構的陶瓷骨架；將金屬基體和所述陶瓷骨架置于成型模具中進行加熱，加熱溫度高于所述金屬基體的熔點溫度50°C 120°C，保溫冷卻，金屬基體浸透復合在所述陶瓷骨架的網絡結構中得到所述陶瓷金屬復合材料；其中，陶瓷骨架的體積分數在25%-75%之間，金屬基體的體積分數在75% 25%之間。在具體實施例中，陶瓷骨架可以采用有機泡沫浸潰工藝、發泡工藝、添加造孔劑工藝、溶膠-凝膠工藝或自蔓延高溫合成工藝制備；所述金屬基體與所述陶瓷骨架的復合采用壓力浸滲工藝和無壓浸滲工藝，其中，壓力浸透工藝包括擠壓鑄造工藝和真空壓力浸透工藝。上述陶瓷金屬復合材料中，金屬基體浸透復合在陶瓷骨架的網絡結構中制備三維網絡陶瓷增強金屬基復合材料，將耐磨性能優良的陶瓷與韌性、塑性良好的金屬復合形成互穿結構存在于該復合材料中，通過陶瓷和金屬的優良性能相互補充，獲得綜合性能優良的陶瓷金屬復合材料，其具有較高的強度、韌性的同時，又具有較高的硬度、耐磨性能以及良好的抗沖擊性能。
本發明提供一種耐磨件，應用于混凝土輸送泵，采用上述的陶瓷金屬復合材料加工而成，所述耐磨件為具有兩個通孔的耐磨板或具有一個通孔的耐磨環。本發明提供一種耐磨件，應用于混凝土輸送泵，包括耐磨層和本體，所述耐磨層設置在所述本體上，所述耐磨層采用上述的陶瓷金屬復合材料加工而成，所述耐磨件為具有兩個通孔的耐磨板或具有一個通孔的耐磨環。進一步地，所述耐磨層覆蓋在本體的耐磨端面，或者，所述耐磨層鑲嵌在所述耐磨板本體的耐磨端面。進一步地，當所述耐磨件為耐磨板，所述耐磨層包括設置在所述本體的耐磨端面的第一耐磨層以及設置在兩個所述通孔的內壁面的第二耐磨層，所述第一耐磨層和所述第二耐磨層一體成型或分體成型。進一步地，當所述耐磨件為耐磨環，所述耐磨層包括設置在所述本體的耐磨端面的第一耐磨層以及設置在所述通孔的內壁面的第二耐磨層，所述第一耐磨層和所述第二耐磨層一體成型或分體成型。進一步地，所述耐磨層還設置在所述本體的外周面的第三耐磨層，所述第三耐磨層與所述第一耐磨層一體成型或分體成型。可以理解的，應用上述陶瓷金屬復合材料的耐磨件，也具有上述陶瓷金屬復合材料的有益效果。


構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖I (a)為本發明第一實施例中耐磨板的結構示意圖，圖I (b)為耐磨板的A-A首1J視圖。圖2 Ca)為本發明第二實施例中耐磨板的結構示意圖，圖2 (b)為耐磨板的A_A首1J視圖。圖3 Ca)為本發明第三實施例中耐磨板的結構示意圖，圖3 (b)為耐磨板的A_A剖視圖。
圖4 (a)為本發明第四實施例中耐磨板的結構示意圖，圖4(b)為耐磨板的A-A首1J視圖。圖5 Ca)為本發明第五實施例中耐磨環的結構示意圖，圖5(b)為耐磨環的B_B首1J視圖。圖6 Ca)為本發明第六實施例中耐磨環的結構示意圖，圖6(b)為耐磨環的B_B首1J視圖。圖7 Ca)為本發明第七實施例中耐磨環的結構示意圖，圖7(b)為耐磨環的B_B首1J視圖。圖8 Ca)為本發明第八實施例中耐磨環的結構示意圖，圖8(b)為耐磨環的B_B首1J視圖。圖9 Ca)為本發明第九實施例中耐磨環的結構示意圖，圖9(b)為耐磨環的B-B剖視圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。本發明實施例提供一種陶瓷金屬復合材料，參見圖I和圖5，該陶瓷金屬復合材料包括陶瓷骨架I和金屬基體2，陶瓷骨架I成三維網絡結構，金屬基體2浸透復合在陶瓷骨架I的網絡結構中。按體積分數計，該陶瓷金屬復合材料由25% 75%陶瓷骨架I和75% 25%的金屬基體2復合而成。在本實施例中，金屬基體2浸透復合在陶瓷骨架I的網絡結構中制備三維網絡陶瓷增強金屬基復合材料，將耐磨性能優良的陶瓷與韌性、塑性良好的金屬復合形成互穿結 構存在于該復合材料中，通過陶瓷和金屬的優良性能相互補充，獲得綜合性能優良的陶瓷金屬復合材料，其具有較高的強度、韌性的同時，又具有較高的硬度、耐磨性能以及良好的抗沖擊性能。上述陶瓷金屬復合材料中，可以采用浸透法將液態金屬浸透到預制的陶瓷骨架I的三維網絡連續孔隙中并凝固，實現金屬基體2與三維網絡結構的陶瓷骨架I的復合。在該復合材料中，陶瓷相與金屬相在空間呈交織的三維雙連續的拓撲網絡結構，可引起結構互鎖效應，使得該復合材料具有更高的承載能力和抗沖擊能力，并且陶瓷相與金屬相之間形成牢固的冶金結合，兩相之間的結合力很強。高硬度的陶瓷相呈三維連續分布，可以在摩擦表面形成硬的微突體并起到承載作用，抑制了金屬基體2的塑性變形和高溫軟化，減少了偶件同金屬基體2的接觸，減輕了粘著磨損，并保護在磨損表面形成的氧化膜，使得陶瓷金屬復合材料的耐磨性能大大提高；陶瓷相在三維空間連續分布，使得該復合材料可以容納更高體積分數的陶瓷相，可顯著提高復合材料的耐磨性。高韌性、塑性的金屬相在三維空間連續分布，在受力時有利于將集中在點或面上的應力迅速在空間體范圍內分散和傳遞，顯著提高該復合材料的受力性能。陶瓷相在失效前能夠提供較高的彈性剛度，金屬相具有較高的失效應變。通過將陶瓷骨架I和金屬基體2進行復合，制成的陶瓷金屬復合材料具有較高的強度、韌性的同時，又具有較高的硬度、耐磨性能以及良好的抗沖擊性能。上述陶瓷金屬復合材料可應用在混凝土輸送泵中，例如采用上述陶瓷金屬復合材料制成的耐磨件，該耐磨件包括耐磨板和耐磨環，能夠滿足各種復雜工況的要求，進而顯著提高耐磨板和耐磨環的使用壽命；基于上述陶瓷金屬復合材料優良的可設計性能，還可以廣泛地推廣到耐磨、耐蝕、采礦等技術領域中。在本實施例中，陶瓷骨架I由95wt% 85wt%的陶瓷顆粒和5wt% 15wt%的潤濕劑燒結而成，其中，陶瓷顆粒為Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述兩種或兩種以上材料的混合顆粒，潤濕劑為Ni、B、Ti、Si、稀土或其他可以提高陶瓷骨架I潤濕性的合金元素；陶瓷金屬復合材料中金屬基體2選用鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。在制備陶瓷骨架I時在陶瓷顆粒中加入潤濕劑Ni粉，Ni粉可以提高陶瓷顆粒的表面能，從而提高陶瓷骨架I的潤濕性。在優選實施例中，當Ni粉比例在5wt% 15wt%，燒結而成的三維網絡陶瓷骨架I的組織細小均勻，并且有充足的Ni顆粒均勻分布在三維網絡陶瓷骨架I上，改善三維陶瓷骨架I表面的潤濕性，有利于金屬基體2浸滲復合到陶瓷骨架I的空隙中，以形成致密的陶瓷金屬復合材料。陶瓷骨架I的三維網絡結構的孔 隙率為25% 55%，孔徑為O. Imm 5mm。上述實施例中公開的陶瓷金屬復合材料，其制備方法包括以下步驟首先制備三維網絡結構的陶瓷骨架I ;然后將金屬基體2和所述陶瓷骨架I置于成型模具中進行加熱，加熱溫度高于所述金屬基體2的熔點溫度50°C 120°C，保溫冷卻，金屬基體2浸透復合在所述陶瓷骨架I的網絡結構中得到所述陶瓷金屬復合材料；其中，陶瓷骨架I的體積分數在25%-75%之間，金屬基體2的體積分數在75% 25%之間。在制備上述陶瓷金屬復合材料的過程中，采用三維網絡結構的陶瓷骨架1，陶瓷骨架I的體積分數范圍在25%-75%之間；將金屬基體2加熱到其熔點溫度以上50°C 120°C，金屬液通過自重和毛細作用浸滲到三維網絡陶瓷骨架I預留的孔隙里，在保溫過程中金屬液與陶瓷骨架I發生互溶和擴散，最終形無宏觀缺陷、界面結合良好、并以擴散層冶金結合和機械嚙合的三維網絡陶瓷增強金屬基復合材料。復合材料的三維連續網絡結構可阻礙金屬相晶粒的粗化和生長，由于陶瓷/金屬界面的表面曲率處接近于零而具有最小的表面積，是一種具有最低能量面的形狀，沒有純彎曲的驅動力來驅動界面遷移，所以難以使金屬相晶粒粗化和長大，使得制備的陶瓷金屬復合材料具有更加優異的性能。在具體實施例中，陶瓷骨架I可以采用有機泡沫浸潰工藝、發泡工藝、添加造孔劑工藝、溶膠-凝膠工藝或自蔓延高溫合成工藝制備；所述金屬基體2與所述陶瓷骨架I的復合采用壓力浸滲工藝和無壓浸滲工藝，其中，壓力浸透工藝包括擠壓鑄造工藝和真空壓力浸透工藝。以Al2O3陶瓷增強高鉻鑄鐵為例說明陶瓷金屬復合材料的制備過程，其中，三維網絡結構的陶瓷骨架I采用有機泡沫浸潰法，陶瓷骨架I與金屬基體2的復合采用真空壓力浸滲法，其中，表I為陶瓷原料與添加劑的含量及作用。SI，將 6. 5Kg 的 Ni 粉(10wt%)與 58. 5Kg 的 Al2O3 粉(90wt%)加入球磨機中球磨 40小時，以保證兩種原料混合均勻并避免出現團聚現象。在球磨過程中，Ni與Al2O3顆粒可以被硬質磨球反復撞擊、粉碎、研磨，而變圓變細，使兩相的晶粒尺寸變小，表面能增加，有助于后期的燒結，其中，球磨時間越長、均勻性和燒結性能越好，生產中一般是十幾個小時到幾十小時不等。S2，向球磨機里加入2kg的納米氧化鋁顆粒、I. 5Kg的粘土、IKg的高嶺土、O. 5Kg的長石、IOKg的PVA制劑、8Kg的去離子水、5Kg的無水乙醇、2Kg的聚丙烯酸銨和O. 5Kg的聚丙酰胺，繼續球磨4小時，使各種原料混合均勻。S3,向球磨機里加入4Kg (溶液的質量分數為2wt%)的羧甲基纖維素(CMC)溶液作穩定劑，繼續球磨10小時，制備出具有較好流動性和觸變性的陶瓷漿料。S4，將軟質聚氨酯泡沫材料加工成預定的結構，例如加工成耐磨板或耐磨環的結構，用低濃度氫氧化鈉清洗，除去軟質聚氨酯泡沫材料中的網絡間膜，然后在室內晾干表面的低濃度氫氧化鈉清洗液。S5，將清洗完的軟質聚氨酯泡沫放在陶瓷漿料中，保證陶瓷漿料完全浸潰到軟質聚氨酯泡沫中。S6，將浸潰完的軟質聚氨酯泡沫從漿料中取出，并通過人工擠壓的方法將多余的漿料擠出泡沫體。
S7，將浸潰好的泡沫體置于物料架上，放置24小時陰干，陰干后的坯體放入60°C的干燥箱內，保溫10小時。S8，將軟質聚氨酯泡沫放入燒結爐，采用5°C /min的加熱速度升溫至650°C保溫Ih,之后升溫到1480°C保溫2h，保證聚氨酯泡沫的完全分解，不導致坯體的破壞，并使多孔陶瓷充分燒結，形成結構穩定、具有較好抗彎強度的三維網絡結構的陶瓷骨架。S9，將制備好的三維網絡結構的陶瓷骨架與金屬基體放入模具中，然后將模具整體放入真空爐中，充入惰性氣體，在氣氛保護條件下進行加熱，加熱溫度為1620°C，保溫時間為2h ;隨爐冷卻得到陶瓷金屬復合材料。表1，陶瓷原料與添加劑的含量及作用
陶瓷骨料及添加劑含量(wt%)在陶瓷料漿中作用
A1203粉58 5陶瓷骨料
Ni粉^金屬摻雜
粘土L5流變劑
高嶺土 助燒劑
長石O. 5助燒劑
A1203納米粉2表面活性劑
PVA10粘結齊U
合成電解質解凝劑
聚丙烯酸銨2分散劑
聚丙烯酰胺05絮凝劑
權利要求
1.一種陶瓷金屬復合材料，其特征在于，包括陶瓷骨架(I)和金屬基體(2)，所述陶瓷骨架(I)成三維網絡結構，所述金屬基體(2)浸透復合在所述陶瓷骨架(I)的網絡結構中。
2.根據權利要求I所述的陶瓷金屬復合材料，其特征在于，所述陶瓷骨架(I)由95wt% 85wt%的陶瓷顆粒和5wt% 15wt%的潤濕劑燒結而成，其中，所述陶瓷顆粒為Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述兩種或兩種以上材料的混合顆粒；所述金屬基體(2)為鑄鐵、鑄鋼或合金鋼。
3.根據權利要求I或2所述的陶瓷金屬復合材料，其特征在于，按體積分數計，所述陶瓷金屬復合材料由25% 75%陶瓷骨架(I)和75% 25%的金屬基體(2)復合而成。
4.一種陶瓷金屬復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 制備三維網絡結構的陶瓷骨架(I);將金屬基體(2)和所述陶瓷骨架(I)置于成型模具中進行加熱，加熱溫度高于所述金屬基體(2)的熔點溫度50°C 120°C，保溫冷卻，金屬基體(2)浸透復合在所述陶瓷骨架(I)的網絡結構中得到所述陶瓷金屬復合材料；其中，陶瓷骨架(I)的體積分數在25%-75%之間，金屬基體(2 )的體積分數在75% 25%之間。
5.一種耐磨件，應用于混凝土輸送泵，其特征在于，采用權利要求1-3任一項所述的陶瓷金屬復合材料加工而成，所述耐磨件為具有兩個通孔的耐磨板或具有一個通孔的耐磨環。
6.一種耐磨件，應用于混凝土輸送泵，其特征在于，包括耐磨層和本體，所述耐磨層設置在所述本體上，所述耐磨層采用權利要求1-3任一項所述的陶瓷金屬復合材料加工而成，所述耐磨件為具有兩個通孔的耐磨板或具有一個通孔的耐磨環。
7.根據權利要求6所述的耐磨件，其特征在于，所述耐磨層覆蓋在本體的耐磨端面，或者，所述耐磨層鑲嵌在所述耐磨板本體的耐磨端面。
8.根據權利要求6所述的耐磨件，其特征在于，當所述耐磨件為耐磨板，所述耐磨層包括設置在所述本體的耐磨端面的第一耐磨層以及設置在兩個所述通孔的內壁面的第二耐磨層，所述第一耐磨層和所述第二耐磨層一體成型或分體成型。
9.根據權利要求6所述的耐磨件，其特征在于，當所述耐磨件為耐磨環，所述耐磨層包括設置在所述本體的耐磨端面的第一耐磨層以及設置在所述通孔的內壁面的第二耐磨層，所述第一耐磨層和所述第二耐磨層一體成型或分體成型。
10.根據權利要求9所述的耐磨件，其特征在于，所述耐磨層還設置在所述本體的外周面的第三耐磨層，所述第三耐磨層與所述第一耐磨層一體成型或分體成型。
全文摘要
本發明公開了一種陶瓷金屬復合材料及其制備方法，該陶瓷金屬復合材料包括陶瓷骨架和金屬基體，所述陶瓷骨架成三維網絡結構，所述金屬基體浸透復合在所述陶瓷骨架的網絡結構中。本發明還公開了一種應用該陶瓷金屬復合材料的耐磨件，所述耐磨件為耐磨板或耐磨環，在耐磨板或耐磨環具有較高的耐磨性能的同時，保持較高的抗沖擊性能，提高其使用壽命。
文檔編號C22C29/00GK102912173SQ20121034392
公開日2013年2月6日 申請日期2012年9月17日 優先權日2012年9月17日
發明者盧尚文, 張凱, 周水波 申請人:三一重工股份有限公司