專利名稱：一種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及金屬基陶瓷復合材料的制備技術領域，具體是ー種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法。
背景技術：
金屬陶瓷作為ー種陶瓷-金屬復合材料，既具有陶瓷材料的低密度、高強度、高硬度、高耐磨性、高溫抗沖刷性和等優點，又具有金屬材料的韌性、強導熱性、熱穩定性和可加エ性，使其逐漸成為材料改性的有效方法之一。金屬陶瓷鐵基復合材料的性能很大程度上取決于陶瓷粒子的分散性和界面潤濕性，特別是對于氧化鋁陶瓷而言，由于與鐵基金屬熔體的密度相差很多，陶瓷粒子懸浮于金屬熔體的表面，難于獲得整體分散均勻的復合材料。此外由于氧化鋁對大多數鐵基金屬熔 體相對穩定，不容易發生界面潤濕反應，因此在復合材料制備中容易帶來氣孔、縮孔以及界面脫粘、粒子脫落等缺陷。而氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料性能是在金屬基體中引入陶瓷顆粒或者陶瓷骨架，其高溫力學、抗蠕變性能等獲得了極大的提高，又兼顧陶瓷的高硬度、高耐磨性等優良特性。近年來，該類材料在一些礦石原料粉碎及細磨、耐磨沖擊材料、耐高溫粉塵沖刷等工程領域得到重視和應用。目前，制備鐵基復合材料的方法主要有粉末冶金、攪拌鑄造、離心鑄造、壓カ鑄造和熔體鑄造等。其中，粉末冶金方法具有易成型、陶瓷粒子分散性好、易于控制含量等優點，但由于金屬粉體價格高，且對設備技術要求高，制約了該種エ藝的低成本エ業化應用。而采用熔體鑄造具有效率高、成本低的優點，因此仍然是制備金屬基復合材料的優選エ藝。但由于金屬熔體與氧化鋁陶瓷顆粒的密度和浸潤活性相差很大，采用熔體鑄造方法常面臨陶瓷粒子分散困難、局部團聚及出現空洞等缺點，影響了整體復合材料的性能，因此需要改善氧化鋁陶瓷粒子的界面特性，提高其與金屬熔體的潤濕性能，另ー方面又要突破熔體鑄造過程中面臨的ー些瓶頸，如無壓鑄造滲透技術制備金屬復合材料，材料密度不夠理想，且滲透時間較長，陶瓷與金屬界面容易析出ー些不利用材料綜合性能的新相；壓力鑄造滲透技術制備金屬復合材料適用熔點較低的有色金屬復合材料，對高熔點的鋼、鐵材料不適用，且對設備有較高的要求。在壓カ熔體鑄造技術領域，現有專利CN101269411A多孔陶瓷/鋼鐵基復合材料的制備方法公開了利用真空負壓滲透エ藝制備多孔陶瓷/鋼鐵基復合材料的技術特征，具體至在砂箱處于密封狀態下，開始抽真空，真空負壓為O. 03-0. 05MPa，進行澆注。從該項專利說明書公開的內容得知，該發明對鑄造沙箱和其他配套設備的耐受壓力有一定的要求，且隨著使用砂箱體積的増大，要求其耐受壓カ值越大；另外，其聚苯こ烯模型在澆注過程中被氣化隨真空泵排出，會對環境帶來一定的污染，需要后續的處理。

發明內容
本發明的目的在于克服現有熔體鋳造制備鐵基復合材料技術中的上述不足和缺陷，并研發ー套簡便易實施的技術路線，制備出氧化鋁金屬陶瓷和鐵基緊密結合的復合材料。具體體現在以下幾個方面一、本發明所采用的熔體鑄造エ藝，在適當的時候開始抽真空，即產生一定的壓カ條件下進行，但并非絕對密封裝置或真空值較低的條件下進行，條件不苛刻，對制備設備的耐壓カ要求不高，常規耐壓設備即可符合エ藝要求；ニ、在陶瓷預制件上有所突破，其一，通過調節陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子實現并控制預制件的孔隙率，再進行活性Si元素改性處理，改變其表面特性。Si元素既促進預制件陶瓷材料與金屬熔體的有限界面反應，改善陶瓷粒子與金屬的潤濕性和界面結合效果；又提高陶瓷預制件的強度；促進氧化鋁剛玉砂燒結過程中的莫來石相的生成，有利于提高復合材料的界面結合強度。其ニ，該預制件件在制備技術中既方便使用，又直接作為鐵基復合材料的主體結構和組成成分直接存在于復合材料中；兩種介質緊密結合組成一種耐磨材料；省去使用其他材料的后續處理過程。三、更為重要在鋳造設備上，簡便易實施的鑄造設備實現了澆注處理一體化流程，大幅降低能源損耗，使エ藝簡單且環保。本發明制備氧化鋁陶瓷增強鐵基復合材料是通過如下技術方案實現的
步驟一、根據所需形狀預制成經過活性Si元素預制處理的氧化鋁陶瓷骨架坯體，將該骨架胚體在800-850°C下燒結30min，即可得到經過表面改性處理帶絲網狀孔隙的陶瓷預制件。其中，通過調節陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子制備所述陶瓷骨架坯體，實現并控制預制件的孔隙率；通過活性Si元素改性處理所述陶瓷骨架坯體，改變所述預制件的表面特性。步驟ニ、在氧化鋁基陶瓷預制件外部和芯模側面包括1-3層紙張做內襯，刷涂鑄造涂料和石膏漿后，烘干，獲得澆注砂型。步驟三、將澆注砂型置鋳造砂箱內，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動，使所述澆注砂型和石英砂緊密貼實，無松動，封閉砂箱；通電500-600°C預熱10-20min后，鋼鐵或鐵合金在1500-1600°C溫度熔成鐵基金屬液體，進行澆注；鐵基金屬液體剛流入澆冒ロ后，打開安裝在砂箱下部的機械真空泵，柚真空，在大氣壓力下促進金屬液體在絲網狀的孔隙間快速流動，并滲透充滿到該預制件內，緊密結合形成一種剛性體耐磨材料。步驟四、鋳造砂箱冷卻至800°C，通過鑄造裝置電阻加熱絲保持800°C，6h，進行熱處理，以促進復合材料界面的反應擴散和應カ回復；然后再通過空冷，開箱即獲得兩種介質緊密結合的氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料。通過本發明所公開的技術即在一定壓カ條件下采用熔體鋳造方法制備的鐵基復合材料，結構和組分均勻，互相交織，緊密結合，可以制作任意形狀物體，具有良好的高溫力學機械性能，在苛刻エ況條件下耐沖刷磨損性能優越于現有技術同類鐵基復合材料。本發明所公開的技術具有一定的創造性、進步性和實用性，實現了節能環保，能大幅度降低生產成本和節約生產時間。更為重要的是，針對現有氧化鋁金屬陶瓷復合材料制備技術中容易出現氣孔、縮孔以及界面脫粘、粒子脫落等缺陷。本發明所提出的經過活性Si元素預制處理的表面改性氧化鋁金屬陶瓷，可以有效形成具有一定結構強度的、易于界面浸潤的絲網狀氧化鋁基陶瓷空間骨架預制件，預制件的孔隙率可以通過調節陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子實現便于在后續條件下澆注。本發明所提出的エ藝方法，不僅適用于以鐵為基的大多數鐵合金、合金鋼，同時也適用于大多數有色金屬及合金，如銅及銅合金、鋁及鋁合金、鎂及鎂合金或其它金屬及合金等。


圖I為制造氧化鋁金屬陶瓷鐵基復合材料的壓カ鑄造裝置結構示意圖。圖I中，I澆冒系統；2隔熱內襯；3澆注砂型；4氧化鋁金屬陶瓷預制件；5真空機械泵；6鋳造砂箱；7電阻加熱絲；8帶水冷鋼制外套。
具體實施例方式下面結合附圖和兩個具體實例對本發明的技術方案做進ー步的解釋。實施例I :優選地，按以下步驟實施本發明的技術方案，制備ー種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基 復合材料。步驟ー、制備氧化鋁金屬陶瓷預制件將活性Si元素預制處理的氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體通過高溫800-850°C下30min，燒結制成表面改性帶有絲網狀孔隙的氧化鋁金屬陶瓷預制件4。其中，金屬陶瓷預制件4的孔隙率45% vol %左右，形狀則由最終所需復合材料零件制品和エ裝模具的形狀尺寸決定。步驟ニ、制備澆注砂型包覆內襯制備與澆冒系統形狀相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3層報紙或草紙包覆該芯模側面；再用1-3層報紙或草紙包覆將氧化鋁基金屬陶瓷預制件4外側面；固定將芯模置該氧化鋁基金屬陶瓷預制件頂部，又在底部放置紙質管撐，輔助抽真空時的排氣孔的開啟，固定；刷涂鑄造涂料將鑄造涂料按以下質量百分比10wt%氧化招粉、20wt%娃藻土、20wt %中性水玻璃、50wt %水的混合均勻制成的鑄造涂料溶液，涂刷，且每次涂刷后立即烘干，依次涂刷4-6次；當涂料厚度> 1mm，且確保澆冒芯模與陶瓷骨架以及紙質管撐連為ー體，去除芯模，獲得初期澆注砂型；涂石膏漿，去除內襯采用石膏漿涂覆澆所制備的初歩注砂型外表面，當涂層厚度
>5mm吋，將該澆注砂型置250-300°C烘干爐內烘干，去除砂型內的報紙或草紙內襯，獲得最終澆注砂型3。步驟三、澆注封閉在砂箱內，預熱將澆注砂型放置鑄造砂箱6內，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動使石英砂和最終的澆注砂型緊密貼實，無松動，封閉鑄造砂箱6，并用耐熱膠密封澆冒系統I與鋼制外套的接ロ ；打開電阻加熱絲7開關，500-600°C預熱10-20min。澆注高鉻鐵合金在1550-1600°C熔成鐵基金屬液體，開始澆注，當金屬液體流置澆冒ロ吋，打開真空機械泵5抽真空，使得鐵基金屬溶液在大氣壓力下滲注至帶孔隙的金屬陶瓷預制件4內，完成澆注；步驟四、熱處理、冷卻澆注凝固后隨鑄造裝置冷卻至800°C時，通電打開電阻加熱絲7，保持箱內溫度SOO0C，保溫6h，促進復合材料界面的反應擴散和應カ回復，之后采用空冷，開箱，即得氧化鋁體積含量約為45vol%的氧化鋁金屬陶瓷和高鉻鐵基緊密結合的復合材料。實施例2優選地，按以下步驟實施本發明的技術 方案，制備ー種由兩種介質緊密結合的氧化鋁金屬陶瓷增強45號鋼鐵基復合材料。步驟基本相同，不同之處在于步驟一，將活性Si元素預制處理的平均粒徑為
I.5mm的氧化鋁鋼玉砂為陶瓷骨架坯體，通過燒結制成表面改性帶有絲網狀孔隙的氧化鋁陶瓷預制件4，其孔隙率為55vol%左右。步驟三中，采用45號鋼在1500-1550°C下熔成鋼金屬液體，開始澆注，即獲得兩種介質緊密結合的氧化鋁體積含量約為55vol %的一種氧化鋁基金屬陶瓷增強45號鋼復合材料。通過上述實施方式制備的氧化鋁金屬陶瓷增強鋼鐵基復合材料，陶瓷粒子分布均勻，金屬相充滿并貫穿整個金屬陶瓷預制骨架絲網狀孔隙，使復合材料成為ー個統ー的剛性整體，界面結合性能優異；又具有高力學性、高耐磨性、和高抗蠕變性能。更為重要的是，使用本發明的技術方案エ藝方便，場地需求小，可以通過多砂型的一次澆注和連續熱處理獲得復合材料的批量生產，縮短生產周期，提高了生產效率；又因內型腔涂料緊密貼合陶瓷預制件，有利于保證所制成的復合材料鑄件表面質量好，外形尺寸容易控制，加工余量小。
權利要求
1.一種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟一、制備氧化鋁金屬陶瓷預制件根據所需形狀預制成氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體，將所述骨架坯體在800-850°C下燒結30min，即可得到表面改性帶絲網狀孔隙的氧化鋁金屬陶瓷預制件(4)； 步驟二、制備澆注砂型通過在所述氧化鋁陶瓷預制件(4)外表面和芯模側面包括1-3層紙張做內襯，刷涂鑄造涂料和石膏漿后烘干，即得澆注砂型(3)； 步驟三、澆注將所述澆注砂型(3)置鑄造砂箱(6)內，四周充填40-80目的石英砂，輕微震動，使所述澆注砂型和石英砂緊密貼實，無松動，封閉砂箱；500-600°C預熱10-20min后，在1500-160(TC下，鋼鐵或鐵合金熔成鐵基金屬液體進行澆注； 步驟四、熱處理，再空冷熱處理800°C，6h ;空冷，開箱即得到氧化鋁金屬陶瓷和鋼鐵或鐵合金兩種介質緊密結合的復合材料。
2.根據權利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述氧化鋁金屬陶瓷預制件的制備方法還包括，通過調節陶瓷粒子的尺寸或混合不同尺寸陶瓷粒子，實現并控制預制件的孔隙率；通過活性Si改性處理所述骨架坯體，改變所述預制件材料的表面特性。
3.根據權利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟二中所述制備澆注砂型的方法包括以下步驟 (a)制備與澆冒系統(I)形狀相似的聚丙烯塑料芯模，用1-3層報紙或草紙包覆所述所述芯模側面； (b)用1-3層報紙或草紙包覆所述氧化鋁陶瓷預制件外表面； (c)將所述芯模置于所述氧化鋁陶瓷預制件頂部，在所述氧化鋁陶瓷預制件底部放置紙質管撐，用于調整抽真空所需的排氣孔，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，混合均勻制成鑄造涂料，刷涂4-6次，且在每次涂刷之后立即烘干；當涂料厚度> 1mm，且確保所述芯模、所述氧化鋁陶瓷預制件和所述紙質管撐連為一體，去除所述芯模，制備出初期澆注砂型； (e)采用石膏漿刷涂所述初期澆注砂型外表面，涂層厚度>5mm時，置烘干爐內內250-300°C烘干，去除包裹所述初期澆注砂型外側面的報紙或草紙內襯，即得澆注砂型(3)。
4.根據權利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述澆注過程還包括，所述密封鑄造砂箱(6)時，采用耐熱膠密封澆冒與鋼制外套的接口處。
5.根據權利要求I所述的一種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述鐵基溶液澆注過程還包括當所述鐵基金屬熔液澆注至澆冒口內時，打開真空機械泵(5)抽真空，在大氣壓力下，促使鐵基金屬液體流動滲透到所述金屬陶瓷預制件⑷內。
6.根據權利要求I所述的一種氧化鋁陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，其特征在于，步驟四中熱處理過程還包括澆注后所制的復合材料凝固后隨鑄造砂箱(6)冷卻至800°C，保持爐內溫度800°C，6h，促進復合材料界面的反應擴散和應力回復。
全文摘要
本發明涉及一種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的制備方法，即利用氧化鋁基金屬陶瓷作為復合材料的結構骨架和有效成分之一，在一定壓力條件下通過熔體鑄造及后續處理制備出結構一致、金屬相分布均勻、高力學性能和高耐磨的金屬陶瓷鐵基復合材料。包括如下步驟首先，通過高溫燒結將經活性Si預處理的氧化鋁金屬陶瓷骨架坯體制成表面改性且有絲網狀孔隙結構的陶瓷預制件；其次，制備澆注砂型；再者，將澆注砂型置鑄造砂箱內預熱后，澆注，抽真空，在大氣壓力作用下促進鐵基金屬液體充分滲入充滿預制件孔隙內，形成剛性一體；最后，連續進行熱處理和空冷，制成一種由氧化鋁金屬陶瓷和鐵基兩者介質緊密結合的鐵基復合材料。
文檔編號B22D19/02GK102861905SQ201210365829
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月28日 優先權日2012年9月28日
發明者康聞端, 劉磊, 丁洪錄, 康毅忠 申請人:康聞端, 劉磊, 丁洪錄, 康毅忠