[發明專利]一種陶瓷預制體的制備方法及應用

有效

• 申請號: 201310626534.0
• 申請日: 2013-12-02
• 公開（公告）號: CN103641487A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 蔣業華;侯占東;盧德宏;劉光亮;李祖來;周榮
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C04B35/628
• 分類號: C04B35/628;C04B38/00;B22D19/02
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技術領域

本發明涉及一種陶瓷預制體的制備方法及應用，屬于金屬基復合材料技術領域。

背景技術

在冶金、水泥、發電等領域，一些零部件必須除承受高強度的磨損，單一組元的金屬材料已難以滿足如此嚴苛下的生產需要，相比較下具有優越性能的先進復合材料有望在這些工業領域得到更多的應用。作為國家科技發展“十二五”規劃的重點領域，其相關研究為提高關鍵材料的供給能力，搶占新材料應用技術和高端制造制高點提供重要支持。陶瓷顆粒增強金屬基復合材料作為一種有著廣泛應用前景的金屬基復合材料，結合了金屬材料的其高強度、高塑性和陶瓷材料優異的耐蝕性和耐磨性。

近年來，以氧化鋁等廉價陶瓷顆粒作為增強相的復合材料因其巨大的經濟性，成為耐磨復合材料研發領域的研究熱點。但氧化鋁陶瓷存在與金屬液難以浸潤，脆性較大的缺點，易造成此類材料在應用過程中發生顆粒脫落及碎裂等嚴重失效行為，這成為此類復合材料技術障礙。為了解決此類問題，需對復合材料的宏觀幾何結構和微觀組織結構進行合理的設計，并通過相應的措施使金屬與陶瓷之間高度潤濕以增強其結合強度,相應的陶瓷預制體的結構設計、對陶瓷顆粒進行適當的處理以及復合材料成型工藝則成為解決該問題的關鍵。

蜂窩狀結構復合層在復合區增加韌性基體區，能夠提高材料抗沖擊能力，實現了材料的強韌化配合，越來越受到國內外企業和科研工作者的重視。專利CN?101628330?A公開了一種復相蜂窩陶瓷與鋼鐵復合材料及其制備方法，其利用對陶瓷表面除油、粗化、活化、敏化或便面度活化金屬處理以改善金屬液對陶瓷的浸潤性，但除油、粗化、活化、敏化等處理方式對浸潤性改善程度有限，難以實現金屬與陶瓷的良好結合；表面鍍鎳、鍍鈦處理成本太高，難以工業化推廣。專利CN?102310183公布了一種高耐磨鐵基復合材料及其制備方法，其采用大尺寸電熔鋯剛玉作為增強顆粒，顆粒尺寸太大，預制坯制作困難，使用過程中顆粒易脫落，很難保證其使用過程中顆粒與金屬基體的結合強度。專利CN?101844208A公開了一種高鉻合金陶瓷顆粒復合網格的生產工藝，但工藝尚處于設計思路階段，未公開采用復合網格制備復合材料的方法，且該方法沒有從根本上解決陶瓷顆粒與金屬液的浸潤問題，陶瓷與基體金屬結合強度有限。專利CN?102673027A、CN?102225469A、CN?201412666YY均利用在工件表面設置凹槽，然后將釬料及陶瓷顆粒放入凹槽孔熔燒，工藝復雜，生產條件要求高，且很難保證凹槽中金屬與陶瓷顆粒形成致密性良好的組織，在大型鑄件上應用也難以實現。專利CN?1128297A、CN?101898239、CN?101899586?A、CN101899585?A公開了幾種復合材料增強體及利用該增強體制作復合材料的方法，預制體制作工藝復雜，工藝條件高，復合材料有的還需要負壓成型，且選用與金屬液浸潤性良好的陶瓷顆粒或硬質合金顆粒作為增強顆粒成本較高，個別方法中加入金屬粉的量不易控制，加入量少則無法起到降低復合區顆粒體積分數，加入量過多會導致高溫熔滲過程中金屬粉吸熱過多，造成復合區凝固順序混亂，出現集中縮孔現象，從而降低復合區強度，且未從根本上蓋上氧化鋁顆粒與金屬液難以潤濕的問題，如改成價格低廉、與金屬液浸潤性差的陶瓷則無法實現所述復合效果。CN102310596A公布了一種陶瓷顆粒局部定位增強耐磨復合材料的制造。其利用薄壁的金屬鋼管固定陶瓷顆粒制得陶瓷預制體，然后放入鑄型中澆注成型，得到耐磨性良好的復合材料，但該方法制得的預制體因鋼管的存在會阻礙金屬液的浸滲，且也沒有公布用何種金屬對與金屬液浸潤性差的陶瓷顆粒進行改性。專利CN?102861905??A公布了一種氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復合材料的方法，該方法利用活性Si元素對氧化鋁陶瓷進行表面改性，500-600℃烘烤砂型，抽真空澆注成型，其工藝成型要求高，對于大型鑄件成型難以實現，且沒有公布活性Si元素的存在形式。CN?102513522?A公布了一種陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料制備方法，通過燒結或粘結使合金粉末與陶瓷顆粒結合成條塊狀，然后將條塊結構拼接成網絡結構，最后澆注成型。預制體制備工藝復雜，沒有從根本上解決陶瓷顆粒與金屬液浸潤性問題，且合金粉在金屬液熔滲過程中吸熱過多，很容易在結合區形成幾種的縮孔缺陷，影響復合區整體性能。以上技術提供了不同的顆粒增強金屬基復合材料制作方法，制作方法有相似之處，但很少有從根本上解決金屬液與陶瓷顆粒浸潤性差的問題，顆粒與金屬結合強度有限，制作工藝復雜，復合層厚度小，工業化生產難以實現。