[發明專利]一種金屬陶瓷復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201210211878.0
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN102700192A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 李云凱;萬明明;孫川;劉曉東;李樹奎;姜全振;朱靈波
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B32B15/04
• 分類號: B32B15/04;B22D19/08;B22D19/16
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;李愛英

技術領域

本發明涉及一種金屬陶瓷復合材料及其制備方法，屬于復合材料領域。

背景技術

某些使用金屬結構的場合，為了減輕重量而采用空心金屬結構焊接而成，如自行車車架、行李箱拉桿、工程梁等。這些空心結構性能的優劣直接影響了相應結構的使用性能和使用壽命，若使用強度較高的合金制造空心結構會造成成本較高，而強度一般的空心結構在承受較大的沖擊載荷時很難保證安全。但在某些場合使用金屬實心結構時，雖然金屬實心結構保證了承受載荷所需要的強度，但往往會存在重量大、成本高的問題，并且高的自重對整體結構的性能會帶來一些安全隱患。

陶瓷材料具有高的強度與硬度，但高的脆性卻極大地限制了其廣泛的應用；將高韌性的金屬材料與陶瓷材料復合而成的復合材料，可充分發揮二者的優勢，獲得較好的綜合性能，如高強、低重等優點。現有的某些金屬陶瓷的復合材料，金屬與陶瓷結合界面由粘結劑直接粘結而成，在使用過程中，結構連接可靠性較差，特別是在受熱情況下，由于金屬與陶瓷的熱膨脹系數不同，界面往往會因金屬的膨脹而發生脫落，這將大大降低材料使用的周期與安全性。因此需要一種金屬和陶瓷之間結合可靠、力學性能好、重量輕的金屬陶瓷復合材料。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種金屬陶瓷復合材料及其制備方法，所述金屬陶瓷復合材料強度高、重量輕，金屬和陶瓷之間結合可靠。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

一種金屬陶瓷復合材料，所述金屬陶瓷復合材料由金屬外套和陶瓷芯棒組成，所述金屬外套通過澆注工藝包覆在陶瓷芯棒外部；

其中，優選金屬外套材料為鋁合金，陶瓷芯棒材料為氧化鋁；

一種本發明所述的金屬陶瓷復合材料的制備方法，所述方法步驟如下：

步驟一、陶瓷芯棒制備

將陶瓷材料粉末球磨后壓制成型，然后燒結制得陶瓷芯棒；其中球磨、成型和燒結工序，為陶瓷材料領域的常規技術手段；

步驟二、澆注金屬

（1）將陶瓷芯棒放置于模具中，在200~300°C下預熱3~5min；

（2）將金屬加熱至熔融狀態后，保溫20~50min；

（3）將熔融的金屬澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上；自然冷卻后脫模，取出，得到復合材料；

其中，保溫目的是使熔融金屬與陶瓷芯棒表面完全金屬化結合，并排除熔融金屬中的空氣；

其中，澆注過程處于真空或惰性氣體條件下；

步驟三、對復合材料進行熱處理，得到金屬陶瓷復合材料；

其中，熱處理是將復合材料在金屬熔點以下進行加熱、保溫或冷卻，為材料領域的常規技術手段，如退火、淬火、固溶處理和時效處理，目的是消除金屬中的鑄造缺陷、提高金屬的力學性能；

其中，所述陶瓷芯棒材料為材料領域的常規陶瓷材料，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化硼或氮化硼；

所述金屬為材料領域的常規金屬材料，如鋼、銅合金、鈦合金或鎂合金；

其中，優選步驟一中陶瓷芯棒為氧化鋁陶瓷芯棒，制備過程如下：將Al₂O₃粉末和MgO粉末混合后機械球磨10~12h，烘干后在500Mpa壓力下壓制成型得到坯體；將坯體進行常壓燒結，燒結溫度為1750°C，得到氧化鋁陶瓷芯棒；

其中，Al₂O₃粉末的質量：MgO粉末的質量=95：5；

機械球磨介質為乙醇；

優選步驟二中澆注金屬為鋁合金，澆注過程如下：

（1）將陶瓷芯棒放置于模具中，在200~300°C下預熱3~5min；

（2）將鋁合金加熱至熔融狀態后，保溫20~50min；

（3）將熔融的鋁合金澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上；自然冷卻后脫模，取出，得到復合材料；

其中，澆注過程處于真空條件下；

優選步驟三中對復合材料進行熱處理，所述復合材料由鋁合金外套和氧化鋁陶瓷芯棒組成，所述鋁合金外套通過澆注工藝包覆在氧化鋁陶瓷芯棒外部，熱處理過程如下：

（1）固溶處理

開啟燒結爐，在爐子溫度300°C以下時將復合材料裝爐，以100°C/h的升溫速度升溫至530°C后，保溫0.5h；然后以100°C/h的速度升溫至535°C后，保溫9h；出爐至80°C的水中淬火，淬火時間為15s；

優選在固溶處理前，將澆注得到的復合材料進行表面機械加工及打磨，得到表面平滑的復合材料；