本發明屬于顆粒增強耐磨復合材料制備技術領域，特別是提供了一種粉末冶金制備ZTA顆粒增強金屬基耐磨復合材料的方法。
背景技術：
陶瓷顆粒增強金屬基復合材料具有較高的比強度、比剛度、低成本、易加工性，以及良好的耐磨性，同時陶瓷顆粒由于價格低、耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度而普遍應用于顆粒增強金屬基復合材料中，另外，陶瓷顆粒的加入不但提高了金屬基體材料的硬度和耐磨性，而且保持了金屬材料的韌性，是獲得高強韌耐磨材料的有效方法。
氧化鋁由于來源廣泛，價格低廉，兼具較高的硬度，并且線脹系數比較接近鋼鐵材料，成為增強顆粒的理想選擇，但是其與鐵液的潤濕性差，制備的復合材料界面很難形成良好的冶金結合，同時氧化鋁的脆性很大，在沖擊載荷下易于碎裂，因而限制了它的應用。向氧化鋁(Al2O3)中加入氧化鋯(ZrO2)，利用氧化鋯的相變增韌、微裂紋增韌等增韌機制可顯著改善氧化鋁的韌性，提高其抵抗沖擊的能力，但氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)與金屬材料的潤濕性繼承了陶瓷-金屬材料潤濕性差的特點，作為增強顆粒，與基體材料良好的潤濕情況是制備性能優異耐磨材料的關鍵問題之一。
現有的制備方法多采用普通鑄滲、負壓鑄滲等鑄滲的方法。鑄滲方法是首先采用高熔點的金屬粉末與陶瓷顆粒進行機械混合后經過燒結，制成具有較多孔隙的陶瓷材料預制塊，然后將多個預制塊按一定方式放入鑄造模具內再用低熔點的金屬液進行多種方式的鑄滲，從而制成耐磨件，但只有具有增強效果的預制塊才能起到良好的耐磨性，因而造成制件整體的耐磨性不均勻。現有制備方法中為改善界面結合，多采用在陶瓷顆粒表面多次反復涂掛反應性活性元素，從而與陶瓷顆粒發生冶金反應生成冶金結合面，但工藝復雜，生成的冶金界面不能較好的緩沖沖擊載荷。
技術實現要素：
本發明的目的在于克服上述技術問題，提出了一種粉末冶金制備ZTA顆粒增強金屬基耐磨復合材料的方法，該方法制備工藝簡單、制件成型尺寸穩定，材料利用率高，同時可以制備出整體性能均勻的耐磨件，而且顆粒與基體之間的界面都具有良好抵抗沖擊載荷的作用。
為達到上述目的，本發明所采用的技術方案包括以下步驟：
1)將一定比例的活性元素粉末、ZTA顆粒、白色粘結劑粉末均勻混合得混合物；
2)向所述混合物中加入適量無水乙醇制成漿料，采用機械攪拌法使所述漿料內各成分達到均勻混合；
3)用篩網將所述漿料內的ZTA顆粒取出，置于真空爐內進行表面預處理，得到包覆后的ZTA顆粒；
4)將所述包覆后的ZTA顆粒與適量金屬基體粉末進行干混；
5)向所述干混后的材料中加入適量液體粘結劑，采用冷壓成型方法制備預制件；
6)將所述預制件放入真空燒結爐內進行燒結，自10-30℃開始以5-10℃/min的速度升至所述白色粘結劑粉末分解溫度時保溫10-15min，后繼續升溫至所述液體粘結劑分解溫度時保溫7-10min，然后調整升溫速度按5-7℃/min升至最高溫度1050-1450℃時，保溫1-4小時，隨后隨爐冷卻至室溫得到耐磨復合材料。
所述ZTA顆粒的平均粒度為1-3mm，復合材料中所述ZTA顆粒的體積分數為20％-60％。
所述活性金屬元素粉末為Ni、Cr、Cu、Ti中的任一或多種組合。
所述白色粘結劑粉末為聚乙烯醇縮丁醛，所述液體粘結劑為環氧樹脂。
所述表面預處理時間為0.5-2小時，溫度為1000-1400℃。
所述將包覆后的ZTA顆粒與金屬基體粉末進行干混的步驟，具體包括：采用球磨罐或混料機對所述包覆后的ZTA顆粒與所述金屬基體粉末進行混料。
所述冷壓成型方法中施加的壓力為200-600MPa，采用分級施壓。
所述白色粘結劑粉末分解溫度為340-360℃，所述液體粘結劑分解溫度為510-570℃。
所述金屬基體粉末主要成分為Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr、Ni-Cr-B-Si中的任一或多種組合。
與現有技術相比，本發明所具有的優點在于：
本發明利用粉末冶金法制備耐磨材料，顆粒分散均勻、含量可控，燒結過程中溫度可調性強，制件性能均勻，材料利用率較高。
本發明采用的活性金屬元素包覆陶瓷顆粒的方法方便易行，效率較高，一次性包覆效果良好。
本發明利用活性金屬元素和金屬中間層元素相結合的方法改善ZTA顆粒與基體材料之間的界面結合，即能形成良好的冶金反應結合面，也能形成具有一定韌性的過渡層界面，可大大提高界面結合強度和抵抗沖擊韌性。
具體實施方式
實施例1：Fe-Cr系基體材料
將1-3mm的ZTA顆粒、活性金屬元素Ni、Ti粉末和聚乙烯醇縮丁醛按質量比4:1:1均勻混合得到混合物；
向混合物中加入與ZTA顆粒等質量的無水乙醇制成漿料，對漿料進行機械攪拌，使漿料內各成分均勻混合，并使顆粒表面完全浸入漿料內部；
用篩網將表面包覆活性元素Ni、Ti的ZTA顆粒取出，置于真空爐內在1150℃溫度下預處理1小時，得到包覆效果良好的ZTA顆粒；
將包覆后的ZTA顆粒與Fe-Cr系基體粉末進行干混，干混時間為20min；
向干混后的材料中加入E51型環氧樹脂，加入的量為粉末和顆粒總質量的5％，采用最大600MPa的壓力進行分級壓制，每次達到最大壓力后保壓5min，制得冷壓成型件；
將冷壓成型件放入真空燒結爐內進行燒結，自室溫開始以10℃/min的速度升至350℃時保溫15min，后繼續升溫至560℃時保溫10min，然后調整升溫速度按5℃/min升至最高溫度1350℃時，保溫1.5小時，隨后隨爐冷卻至室溫，得到ZTA顆粒體積分數為20％-60％的耐磨復合材料。
實施例2：Ni-Cr系基體材料
將1-3mm的ZTA顆粒、活性金屬元素Cu、Ti粉末和聚乙烯醇縮丁醛按質量比4:1:1均勻混合得到混合物；
向混合物中加入與ZTA顆粒等質量的無水乙醇制成漿料，對漿料進行機械攪拌，使漿料內各成分均勻混合，并使顆粒表面完全浸入漿料內部；
用篩網將表面包覆活性元素Cu、Ti的ZTA顆粒取出，置于真空爐內在1170℃溫度下預處理1.5小時，得到包覆效果良好的ZTA顆粒；
將包覆后的ZTA顆粒與Ni-Cr系基體粉末進行干混，干混時間為15min；
向干混后的材料中加入E51型環氧樹脂，加入的量為粉末和顆粒總質量的8％，采用最大500MPa的壓力進行分級壓制，每次達到最大壓力后保壓5min，制得冷壓成型件；
將冷壓成型件放入真空燒結爐內進行燒結，自室溫開始以10℃/min的速度升至360℃時保溫10min，后繼續升溫至570℃時保溫8min，然后調整升溫速度按7℃/min升至最高溫度1160℃時，保溫1小時，隨后隨爐冷卻至室溫，得到ZTA顆粒體積分數為20％-60％的耐磨復合材料。
實施例3：Fe-Cr-B-Si系基體材料
將1-3mm的ZTA顆粒、活性金屬元素Ti粉和聚乙烯醇縮丁醛按質量比4:1:1均勻混合得到混合物；
向混合物中加入與ZTA顆粒等質量的無水乙醇制成漿料，對漿料進行機械攪拌，使漿料內各成分均勻混合，并使顆粒表面完全浸入漿料內部；
用篩網將表面包覆活性元素Ti粉的ZTA顆粒取出，置于真空爐內在1200℃溫度下預處理2小時，得到包覆效果良好的ZTA顆粒；
將包覆后的ZTA顆粒與Fe-Cr-B-Si系基體粉末進行干混，干混時間為10min；
向干混后的材料中加入E51型環氧樹脂，加入的量為粉末和顆粒總質量的7％，采用最大550MPa的壓力進行分級壓制，每次達到最大壓力后保壓5min，制得冷壓成型件；
將冷壓成型件放入真空燒結爐內進行燒結，自室溫開始以9℃/min的速度升至350℃時保溫10min，后繼續升溫至570℃時保溫10min，然后調整升溫速度按6℃/min升至最高溫度1230℃時，保溫2小時，隨后隨爐冷卻至室溫，得到ZTA顆粒體積分數為20％-60％的耐磨復合材料。
實施例4：Ni-Cr-B-Si系基體材料
將1-3mm的ZTA顆粒、活性金屬元素Ti粉和聚乙烯醇縮丁醛按質量比4:1:1均勻混合得到混合物；
向混合物中加入與ZTA顆粒等質量的無水乙醇制成漿料，對漿料進行機械攪拌，使漿料內各成分均勻混合，并使顆粒表面完全浸入漿料內部；
用篩網將表面包覆活性元素Cu、Ti粉的ZTA顆粒取出，置于真空爐內在1200℃溫度下預處理2小時，得到包覆效果良好的ZTA顆粒；
將包覆后的ZTA顆粒與Ni-Cr-B-Si系基體粉末進行干混，干混時間為10min；
向干混后的材料中加入E51型環氧樹脂，加入的量為粉末和顆粒總質量的6％，采用最大450MPa的壓力進行分級壓制，每次達到最大壓力后保壓5min，制得冷壓成型件；
將冷壓成型件放入真空燒結爐內進行燒結，自室溫開始以8℃/min的速度升至350℃時保溫12min，后繼續升溫至570℃時保溫10min，然后調整升溫速度按5℃/min升至最高溫度1030℃時，保溫2小時，隨后隨爐冷卻至室溫，得到ZTA顆粒體積分數為20％-60％的耐磨復合材料。