一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法

摘要

本发明公开了一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。其方法如下：将陶瓷颗粒和改性元素颗粒按一定的比例混合均匀后，压制成预制体并烧结，然后放置于铸型型腔中，在上面浇铸熔点略低于改性元素熔点的金属基体，再通过压力铸造的方法制备出金属基复合材料，因为改性元素的熔点略高于金属液的熔点，在金属液被浇铸在型腔中，改性元素处于熔融状态，再在压力的作用下跟着金属液一起运动，当遇到陶瓷颗粒的阻碍作用时，会绕着陶瓷颗粒表面，在其表面形成一层微米级的界面改性层，可以改善陶瓷颗粒和金属界面的结合强度；采用本发明对制备高性能、低成本金属基复合材料具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

由于金属基复合材料优异的抗磨性、高温性能，较低的成本等，逐渐在高温结构材料、耐磨材料、工模具材料等领域获得应用。但陶瓷颗粒与金属基体界面结合强度往往较差，导致复合材料宏观力学性能不理想。目前，提高复合材料中增强相和基体界面结合的方法基本有三类：①在增强相表面镀层。②在基体金属中加入能与增强相反应的合金元素。③原位反应自生成增强相。为了解决金属基复合材料界面结合强度差的问题：

中国发明专利CN103302268A提出首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10μm-200μm；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。本发明制作比较简单，特别适合大件板块件的生产。成品率高，性能稳定，基体与预制体的结合能形成良好的冶金结合。但是此方法通过化学镀镍的方式，成本较高，对设备要求较高。

中国发明专利CN101899631A公开了一种金属基复合材料增强体表面高润湿性涂层改性方法，包括如下步骤：①利用常规的涂层制备方法在增强体表面涂覆还性低于镁的金属氧化物涂层；②将涂覆金属氧化物涂层的增强体和纯镁放入真空炉中，纯镁置于炉底，增强体置于纯镁上方，抽真空，保持真空度低于10Pa，升温至600－700℃，保温5-60分钟，使镁蒸气与增加体表面金属氧化物涂层发生氧化－还原反应，生成由化合物组成的内层和被还原金属组成的外层构成的复合层即可。但是此方法需要在真空环境中完成，而且操作比较复杂，对于工业生产的可能性较低。

中国发明专利CN103193507A涉及一种提高金属对SiC陶瓷润湿性的方法。本发明通过在SiC陶瓷表面注入一定剂量的金属离子，降低金属对SiC陶瓷表面的接触角，改善金属与陶瓷的界面结合，提高SiC陶瓷与金属接触界面的热、电性能。此方法虽然能够提高金属对陶瓷的润湿性，但只局限于SiC，应用范围不是很广。

目前这些提高金属基复合材料陶瓷颗粒与金属基体之间的结合强度的方法，或多或少都会存在成本较高，操作复杂，效果不明显，不适用工业生产，应用范围不广等问题。

发明内容

为了解决金属基复合材料制备过程中金属基体与陶瓷颗粒结合强度差，复合材料性能较差的关键性问题，本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）混料：将陶瓷颗粒、改性元素粉末、粘接剂混合均匀得到混合物，在混合物中陶瓷颗粒的质量百分比为75%~95%，改性元素的质量百分比为5%~25%，粘接剂质量百分比为3%~5%；

（2）预制体的制备：取出陶瓷颗粒，在5~40MPa压力下压制成所需形状的预制体；

（3）铸造：将预制体在100℃~1200℃焙烧30min~120min，出炉后快速置于铸型型腔中，浇铸金属液基体，采用压力铸造，使得金属液浸渗到陶瓷颗粒之间的间隙中，获得复合材料界面改性层。

本发明步骤（1）中所述混料可以在球磨机中进行混合，混合时间为30min~120min，转速为50~300r/min。

本发明所述陶瓷颗粒为A1₂O₃、ZrO₂、SiO₂、SiC、B₄C、TiC、TiN、TiB₂中的一种或几种，其颗粒度为10-300目。

本发明所述改性元素为Ni、Ti、Cr、Cu、Si、B、Co、Al元素中的一种，其颗粒度为100-500目。

本发明所述金属液基体材质为铸钢、铸铁、Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、Ni合金中的一种。

本发明所述步骤A中粘接剂为水玻璃溶液、硅溶胶、偏磷酸铝溶液、聚乙烯醇溶液的一种或几种。

本发明所述改性元素的熔点比金属基体的熔点高100-400℃，因为改性元素的熔点略高于金属液的熔点，在金属液被浇铸在型腔中，改性元素处于熔融状态，再在压力的作用下跟着金属液一起运动，当遇到陶瓷颗粒的阻碍作用时，会绕着陶瓷颗粒表面，在其表面形成一层微米级的界面改性层可以改善陶瓷颗粒和金属界面的结合强度。 

本发明的原理：通过将陶瓷颗粒和改性元素颗粒按一定的比例混合均匀后，压制成预制体并烧结，然后放置于铸型腔中，在上面浇铸熔点略低于改性元素熔点的金属，再通过压力铸造的方法制备出界面改性的金属基复合材料；由于改性元素的熔点略高于金属液的熔点，在金属液被浇铸在型腔中，改性元素处于熔融状态，再在压力的作用下跟着金属液一起运动，当遇到陶瓷颗粒的阻碍作用时，会绕着陶瓷颗粒表面，在其表面形成一层微米级的界面改性层，因为陶瓷颗粒和金属基体的润湿性普遍较差，这层微米级的界面改性层处于陶瓷颗粒和金属基体的界面，可以降低陶瓷颗粒和金属基体之间的润湿角，从而可以改善陶瓷颗粒和金属界面的结合强度。

本发明的有益效果是：

（1）通过该方法制备的金属基复合材料，其陶瓷颗粒表面有层包覆的改性层，可以增加陶瓷颗粒和金属基体之间结合强度，提高复合材料的综合性能；硬度是衡量金属基复合材料界面结合强度的一个重要指标，硬度越高，界面结合强度越好，Al₂O₃-40Cr铸态的宏观硬度为28.7，而加入Si粉后，硬度达到39.4，说明界面结合强度有明显的改善；

（2）改性元素和基体的之间的选择性较广，制备方法简单，容易操作，而且成本低廉，适合工业化生产；

（3）通过该方法制备的金属基复合材料保证了在高载荷磨损工况下使用的可靠性；相比于其他铸造方法，采用压力铸造方法，陶瓷颗粒增强金属基复合材料一次浸渗和成形，所得产品界面结合更紧密，没有微观缺陷，结合均匀性好，强度和韧性都有提高。

附图说明

图1.是本发明制备的预制体示意图；

图2是本发明的金属基复合材料界面改性层的制备方法示意图；

图3是本发明的金属基复合材料界面改性层的组织示意图；

图4是 5%Ti-Al₂O₃-45钢组织示意图；

图5是5%Ti-Al₂O₃-45钢和Al₂O₃-45钢不同转速下磨损量对比；

图中：1-陶瓷颗粒，2-改性元素颗粒，3-预制体，4-金属基体，5-界面改性层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述方法用来制备Al₂O₃颗粒增强铁基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为10~50目的Al₂O₃颗粒375g、粒度为500目的纯Ni粉125g，与用3%Na₂SiO₃和2%H₂O配制的粘接剂25g混合，在球磨机中充分混合30min；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在20MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体（如图1）；

（3）将预制体在800℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇铸铁液，浇注温度为1380~1430℃，在70MPa压力进行铸造，使得铁液浸渗到Al₂O₃颗粒之间的间隙中（如图2），获得致密复合材料界面改性层（如图3）。

表面包Ni 的Al₂O₃陶瓷与钢液之间的润湿性得到改善，结合强度从Al₂O₃/Fe之间的0.7 MPa提高到包镍Al₂O₃/Fe的4.05 MPa，且界面具有更好的抗氧化性。有Ni 和未添加Ni 的Al₂O₃ 颗粒增强钢基复合材料的耐磨性分别是同质钢基的2. 5倍和1. 6倍。

 实施例2

本实施例所述方法用来制备Al₂O₃颗粒增强45钢基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为80~120目的Al₂O₃颗粒425g、粒度为100目的Ti粉75g，与用4%Na₂SiO₃和2%H₂O配制的粘接剂30g混合，在球磨机中充分混合1小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在10MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在1000℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇铸45钢液，浇注温度为1500~1550℃，在40MPa压力进行铸造，使得钢液浸渗到Al₂O₃颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。

本实施例制备得到的 5%Ti-Al₂O₃-45钢组织示意图如图4所示，由金相组织示意图可以看出Al₂O₃颗粒和45钢基体界面结合紧密，没有微观缺陷，结合均匀性好，在界面有包覆一层Ti及其钛化物，可以增加Al₂O₃陶瓷颗粒和45钢基体之间结合强度，提高复合材料的耐磨性能。5%Ti-Al₂O₃-45钢和Al₂O₃-45钢不同转速下磨损量对比示意图如图5所示，可以得出有界面改性层的复合材料耐磨性较好。

 实施例3

本实施例所述方法用来制备SiC颗粒增强铝基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为150~180目的SiC颗粒450g、粒度为500目的纯Cu粉50g，与用5%硅溶胶和3%H₂O配制的粘接剂40g混合，在球磨机中充分混合1.5小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在20MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在500℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇铝液，浇注温度为660~680℃，在40MPa压力进行铸造，使得铝液浸渗到SiC颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。

 实施例4

本实施例所述方法用来制备Al₂O₃颗粒增强铜基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为80~150目的Al₂O₃颗粒400g、粒度为500目的纯Cr粉100g，与用5%偏磷酸铝溶液粘接剂25g混合，在球磨机中充分混合1.5小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在30MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在600℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇铜液，浇注温度为950~1000℃，在60MPa压力进行铸造，使得铜液浸渗到Al₂O₃颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。

 实施例5

本实施例所述方法用来制备TiN颗粒增强铜基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为250~300目的TiN颗粒475g、粒度为500目的纯Ti粉25g，与用2%Na₂SiO₃溶液和3%硅溶胶配制的粘接剂25g混合，在球磨机中充分混合2小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在40MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在800℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇钛液，浇注温度为950~1000℃，在70MPa压力进行铸造，使得铜液浸渗到TiN颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。

 实施例6

本实施例所述方法用来制备WC颗粒增强铁基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为80~150目的WC颗粒450g、粒度为500目的纯Co粉50g，与用5%硅溶胶粘接剂25g混合，在球磨机中充分混合2小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在20MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在1000℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇高铬铸铁金属液，浇注温度为1500~1550℃，在50MPa压力进行铸造，使得铁液浸渗到WC颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。

 实施例7

本实施例所述方法用来制备TiC颗粒增强钢基复合材料，具体包括以下步骤：

（1）称取粒度为80~120目的TiC颗粒425g、粒度为300目的纯Si粉75g，与用5%聚乙烯醇粘接剂25g混合，在球磨机中充分混合1小时；

（2）取出步骤（1）混合好的颗粒，在10MPa压力下压制成直径为90mm的圆形预制体；

（3）将预制体在600℃焙烧2小时，出炉后快速置于模具型腔中，浇铸40Cr钢金属液，浇注温度为1450~1550℃，在60MPa压力进行铸造，使得钢液浸渗到TiC颗粒之间的间隙中，获得致密复合材料界面改性层。