[發明專利]耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310019103.8
• 申請日: 2013-01-20
• 公開（公告）號: CN103938051A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 何兆龍
• 申請（專利權）人: 江蘇兆龍電氣有限公司
• 主分類號: C22C29/12
• 分類號: C22C29/12;C22C32/00;C22C30/00;C22C1/05
• 代理公司: 泰州地益專利事務所 32108
• 代理人: 王楚云

技術領域：

本發明涉及耐鋁液腐蝕材料領域，尤其涉及一種金屬陶瓷材料及其制備方法。

背景技術：

隨著鋁制品需求量的增加，造成裝金屬鋁液、鋁合金液的容器、液態鋁輸送管道以及測溫保護套管等用材料的損耗量隨之增加，獲得較優良的耐鋁液腐蝕的材料具有十分重要的工程應用價值。液態鋁與鋁合金由于其強烈的腐蝕性，對裝鋁合金液、鋁合金液輸送管道以及測鋁液熱電偶保護套管等材料的耐蝕性提出了更高的要求。

氧化鋁是一種研究較早的陶瓷材料，以氧化鋁為基體的復合陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優異性能，因此被廣泛應用于冶金、化工、機械、電子和航空航天等領域；但是純氧化鋁脆性大、韌性低，如何解決這一缺陷也成為眾多國內外研究學者一直研究的熱點。材料研究者通過將金屬加入氧化鋁基體材料中，使得氧化鋁基體的脆性問題得到了很大程度的改善，大量研究報道表明，在改善氧化鋁材料韌性的同時，往往會伴隨其成本的提高，因此如何降低材料的制備成本也成為人們研究的關鍵性問題。中國國家知識產權局公開了201110094542.6一種氧化鋁基陶瓷復合材料的制備方法，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，通過以下方法制備：⑴在普通中頻感應爐中1000～1300℃，將鈦粉和硼粉加入鋁液，保溫5～10分鐘，制備鋁鈦硼中間合金；按重量百分比計鋁鈦硼中間合金組成為，硼0.5～2.0％，鈦3.0～7.0％，鋁為余量；⑵以氧化鋁陶瓷作為基體材料，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，按照氧化鋁86％～95％、鋁鈦硼中間合金3％～8％、稀有金屬2％～6％的質量百分比稱取原料；⑶將稱好的原料混合，以乙醇為介質強化球磨100～120小時后，放置真空干燥箱干燥并過200目篩，制得均勻混合粉體；⑷采用熱壓燒結工藝，以氮氣作為燒結氣氛，燒結溫度1480～1580℃，燒結壓力28～35ＭＰａ，保溫時間25～35分鐘，即可制備高韌性、高強度的氧化鋁基陶瓷復合材料。

陶瓷金屬復合材料特點是將陶瓷的優點如耐高溫、高強度、和抗氧化性等與金屬的優點如良好的韌性和抗彎強度等相結合，獲得一種具有良好綜合性能的材料；另外，金屬相的加入還可以改善陶瓷相的燒結性能和脆性。用來制備陶瓷-金屬復合材料最常用的陶瓷有耐高溫的氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等；其中，碳化硼因具有優異的綜合性能，越來越受到國內外學者的廣泛關注。碳化硼具有超高硬度，低密度的特性。目前密實燒結的純B4C陶瓷片多是采用在2300℃下高溫加壓燒結的方式得到。由于陶瓷的致密化過程較困難，所以最終得到的材料致密度在95％左右，要想獲得高致密度(＞98％)的陶瓷材料對設備和工藝的要求極高。目前所能制得的B4C陶瓷抗壓強度一般在1.7GPa～2.8GPa之間，HV能達到1220～1250，抗彎強度在280MPa～400MPa之間。由于碳化硼的性能與陶瓷的致密度相關，而致密度則與燒結溫度，保溫時間及加壓壓力密切相關，因此要獲得高性能的致密陶瓷材料由于對成型設備和工藝過程都要求很高，造成了產品成本過高，且最終成型的產品因為陶瓷高硬度的限制而無法進行正常切削加工，因此，其產品的應用也受到了極大的限制。針對陶瓷制備要求高，脆性大及不易機加工的缺點開發了無壓浸滲制備的B4C/Al金屬陶瓷材料技術。采用相對于密實燒結來說較低的燒結溫度(2000℃左右)來制備陶瓷骨架，降低了對設備的要求，減少了制備時間；且金屬鋁的加入能改善陶瓷的韌性。選擇金屬鋁是因為碳化硼與鋁的密度相近，且純鋁的延展性，流動性較佳，可在一定溫度下通過毛細吸力自動浸滲入碳化硼骨架的空隙中，無需再額外加壓。而鋁的加入使最終成型的金屬陶瓷產品具有導電性，可以利用線切割機加工成任意所需形狀。目前對于B4C/Al的研究取得較大的進展是降低了陶瓷的燒結溫度(在1900℃～2000℃之間燒結)，鋁的加入將陶瓷材料的抗彎強度提高到300GPa～600GPa之間，斷裂韌性也得到改善，國內李青等人制備的B4C/Al復合材料的抗彎強度達601MPa，斷裂韌性為9.2MPa·m1/2，但是卻相應的降低了其硬度(HV900～1050之間)和抗壓強度(1.2GPa～1.5GPa)，并且性能受金屬鋁量的影響較大(其中陶瓷骨架的孔隙率，金屬鋁的流動性決定了金屬鋁量的多少)。中國國家知識產權局公開了201110453215.5一種高抗壓強度低密度的陶瓷金屬復合材料的制備方法，步驟如下：⑴造粒成型：以摻雜碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末為陶瓷物料，將質量百分比為5～50％的摻雜碳化硅陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三維行星式混粉機進行混粉；在混勻后的陶瓷物料中加入質量濃度為4％的粘結劑ＰＶＡ并混合造粒，粘結劑ＰＶＡ的加入量為陶瓷物料總質量的2～10％；造粒后，再采用24～60目篩子過篩；靜置12小時后再將所造粒子置于鑄鐵模具中加壓成型，得到預制坯，模壓壓力為50～120ＭＰａ，保壓30～150ｓ，⑵無壓燒結：將預制坯置于真空燒結爐中，抽真空，真空為10-2Ｐａ，以5～10℃／ｍｉｎ速度升溫至1600～1900℃燒結，保溫0.5～2ｈ，得到Ｂ4Ｃ－ＳｉＣ基多孔預燒體，⑶無壓浸滲：將鋁塊放在Ｂ4Ｃ－ＳｉＣ基多孔預燒體上，并共同放置在真空燒結爐中升溫至1000～1200℃，保溫0.5～2ｈ，得到陶瓷金屬，⑷熱處理：將陶瓷金屬放置熱處理爐中，并加熱至650～900℃溫度，保溫8～24ｈ后取出，并置于水中做淬火處理。