优化粒径陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法和应用技术

一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法和应用，属于耐磨材料技术领域。该优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，包括金属基体材料和增强相陶瓷颗粒；增强相占优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的体积百分含量为20％～50％；增强相陶瓷颗粒粒径为0.01μm～0.1μm，0.1μm～1mm，1mm～5mm三种区间中的一种区间粒径，或几种区间的混合粒径；采用液相烧结法制备复合材料，该方法工艺简单、成本低廉，复合材料中同时存在位错强化机制、Orowan强化、加工硬化强化、沉淀强化等多种强化机制，且这些由基体微观结构发生变化而产生的强化机制彼此相互作用，整体复合材料表现出优异的机械性能。

【技术实现步骤摘要】
优化粒径陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于耐磨材料
，具体涉及一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
陶瓷颗粒增强的金属基复合材料(MMCS)通常具有比基体材料高的比强度和比刚度，在工业、国防和交通运输等部门表现出广泛的应用前景。随着对颗粒增强金属基复合材料研究的不断深入，可发现颗粒形状、颗粒体积含量、基体特性以及颗粒尺寸对陶瓷颗粒增强铁基合金复合材料的制备有着重要影响。其中，增强颗粒尺寸对非匀质材料系统的微观变形机制、强度、断裂影响显著。一方面，颗粒尺寸对提高材料的屈服强度和改善材料的塑性变形而产生的硬化行为起着重要的影响；另一方面，颗粒的破坏开裂及与基体的复合存在孔洞最终将导致材料的韧性降低。颗粒尺寸在0.01μm～0.1μm范围内的微粒增强体，由于微粒增强体对基体位错运动的阻碍而产生强化，其强化机理属于弥散强化。此种颗粒增强体在制备过程中多采用原位原应生成，其制备工艺精度要求较高；对于颗粒尺寸在0.1μm～1mm以上的颗粒增强体，目前研究较多，颗粒增强物在此尺寸下加入到金属中起提高耐磨、耐热和弹性模量的作用。但因其粒径较小，容易产生陶瓷颗粒与基体界面结合面小，当基体磨损下凹时，容易整颗脱落；在1mm～5mm范围内的陶瓷颗粒现目前研究较少，一方面由于大部分的陶瓷颗粒与金属基体的润湿角偏大，在制备过程中容易出现界面机械咬合、存在孔洞缺陷，在使用过程中出现整体颗粒的脱落；一方面由于大的陶瓷颗粒增强金属基复合材料在制备过程中或在使用过程中容易产生脆性裂纹，导致断裂失效，但因其作为主要的耐磨相，大颗粒的复合使用机制效果更加突出。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了优化粒径陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法和应用。该复合材料采用优化粒径范围或混合粒径的陶瓷颗粒，通过外加法或原位反应法制备而成。该制备技术以其合理的增强相粒径结构设计、是一种简单灵活的制备工艺，制备的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料可单独做为耐磨部件使用或制备高耐磨粉碎设备衬板及辊套的预制体，其具有优异的耐磨性能、机械韧性和抗冲击能力。本专利技术采用体积含量不变，优化粒径分布的陶瓷颗粒增强铁基耐磨复合材料，将优化粒径的陶瓷颗粒与金属合金粉末放置于氧化铝刚玉坩埚中，采用液相烧结法制备复合材料，该制备方法工艺简单、成本低廉，复合材料中同时存在位错强化机制、Orowan强化、加工硬化强化、沉淀强化等多种强化机制，且这些由基体微观结构发生变化而产生的强化机制彼此相互作用。此外，金属基体材料与增强相之间的界面连接较好，整体复合材料表现出优异的机械性能。本专利技术的一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，包括金属基体材料和增强相陶瓷颗粒；其中，增强相占优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的体积百分含量为20％～50％；所述的增强相陶瓷颗粒粒径为0.01μm～0.1μm，0.1μm～1mm，1mm～5mm三种区间中的一种区间粒径，或几种区间的混合粒径；当增强相陶瓷颗粒粒径为几种区间混合粒径时，粒径区间界定为0.1μm～1mm和1mm～5mm范围内，且其粒径之间差值X设定为：0μm≤X≤2.0mm，避免在高温液相区时，较大粒径颗粒与液相进行长时间润湿后而消耗掉小粒径的陶瓷颗粒；一种颗粒同原位生成颗粒时无约束条件。所述的增强相陶瓷颗粒为氧化物陶瓷颗粒、碳化物陶瓷颗粒或氮化物陶瓷颗粒中的一种或几种混合；其中，氧化物陶瓷颗粒为：白刚玉颗粒、棕刚玉颗粒或ZrO2-Al2O3(ZTA)颗粒中的一种或几种；碳化物陶瓷颗粒为：WC颗粒、SiC颗粒、TiC颗粒、VC颗粒、B4C颗粒、Mo2C颗粒、ZrC颗粒或Cr3C2颗粒中的一种或几种；氮化物陶瓷颗粒为：Si3N4颗粒、BN颗粒、AlN颗粒或TiN颗粒中的一种或几种。所述的金属基体材料的原料为金属合金粉末；其中，金属合金粉末的合金成分及各个成分的质量百分比为：C：0～8.0％、Mo:0～50％、Mn:0～40％、Cr:0～50％、V:0～10％、Ti:0～20％、Si:0.1％～4.0％、Ni:0～15％、W:0～15％、Nb:0～5.0％，余量为Fe及不可避免的杂质，其粒径范围为60～400目。本专利技术制备的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，金属基体材料硬度为900～1100HV，增强相陶瓷颗粒硬度为1400～2400HV，金属基体材料和增强相陶瓷颗粒的界面硬度为1100～1300HV。本专利技术的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：增强相陶瓷颗粒的选取与预处理：(1)根据制备的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料称量增强相陶瓷颗粒；(2)去除增强相陶瓷颗粒杂质，烘干，得到预处理后的增强相陶瓷颗粒；步骤2：优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的制备(1)按配比，称量原料，将预处理后的增强相陶瓷颗粒和金属基体材料进行混粉，混合均匀，得到混合后的物料；其中，按体积比，预处理后的增强相陶瓷颗粒：金属基体材料＝1:(2～5)；(2)将混合后的物料放入压实模具中，采用200～300MPa压力进行压制，保压10～30s，得到压实的陶瓷增强块体；(3)将压实的陶瓷增强块体放入坩埚中，再置于气氛保护炉中，采用程序控温液相烧结法进行预烧结，得到优化粒径陶瓷增强金属基复合材料。所述的步骤1(2)中，所述的增强相陶瓷颗粒根据粒径和原料不同，采用不同的清洗方式：1)当增强相陶瓷颗粒的粒径为1mm～5mm时，将其放入丙酮溶液中放置6～12h后，在放入乙醇中清洗，放入超声波振荡30～60min；2)当增强相陶瓷颗粒的粒径为0.01μm～0.1μm或0.1μm～1mm时，将其放入乙醇中清洗，放入超声波振荡30～40min后，置于离心机中离心，设置离心机转速为6000～8000r/min，去除固体沉淀大尺寸颗粒，再将离心机转速调整为10000～11500r/min，去除上清液小尺寸颗粒，得到中间尺寸的陶瓷颗粒；3)原位合成增强相陶瓷颗粒不用清洗。所述的步骤1(2)中，所述的烘干，烘干温度为80～200℃，烘干时间为3～8h。所述的步骤2(1)中，混粉时间为1～4h。所述的步骤2(1)中，施加压力过程中，当达到20～50MPa压力时，保压2s～5s，能够使混合后的物料中的气体能够排出；达到预定压力后，保压是为了保证混合后的物料粉末能够在压实模具中充分填实。本专利技术制备的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的形状优选为圆柱形、六边柱体或四方体中的一种。所述的步骤2(3)中，所述的程序控温液相烧结法，具体为：气氛保护炉为无氧气氛保护炉，烧结工艺为：以8～10℃/min速度升温至800～900℃，保温30～60min；以4～6℃/min速度升温至1350～1500℃，保温3～10h；以2～4℃/min速度降温至1100～1260℃后随炉冷却。所述的氩气气氛保护炉为先抽真空，然后通入氮气、氩气、氢气或分解氨中的一种或几种，形成无氧气氛保护。本专利技术的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的应用，为应用于制备高耐磨粉碎设备衬板或高耐磨粉碎设备辊套。所述的高耐磨粉碎设备衬板或高耐磨粉碎设备辊套，包括优化粒径陶瓷增强金属基复合材料和浇注材料，浇注材料为高耐磨合金钢水，其含有的化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C:0.8％本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，其特征在于，该优化粒径陶瓷增强金属基复合材料包括金属基体材料和增强相陶瓷颗粒；其中，增强相占优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的体积百分含量为20％～50％；所述的增强相陶瓷颗粒粒径为0.01μm～0.1μm，0.1μm～1mm，1mm～5mm三种区间中的一种区间粒径，或几种区间的混合粒径；当增强相陶瓷颗粒粒径为几种区间混合粒径时，粒径区间界定为0.1μm～1mm和1mm～5mm范围内，且其粒径之间差值X设定为：0μm≤X≤2.0mm；一种颗粒同原位生成颗粒时无约束条件。

【技术特征摘要】
1.一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，其特征在于，该优化粒径陶瓷增强金属基复合材料包括金属基体材料和增强相陶瓷颗粒；其中，增强相占优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的体积百分含量为20％～50％；所述的增强相陶瓷颗粒粒径为0.01μm～0.1μm，0.1μm～1mm，1mm～5mm三种区间中的一种区间粒径，或几种区间的混合粒径；当增强相陶瓷颗粒粒径为几种区间混合粒径时，粒径区间界定为0.1μm～1mm和1mm～5mm范围内，且其粒径之间差值X设定为：0μm≤X≤2.0mm；一种颗粒同原位生成颗粒时无约束条件。2.如权利要求1所述的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，其特征在于，所述的增强相陶瓷颗粒为氧化物陶瓷颗粒、碳化物陶瓷颗粒或氮化物陶瓷颗粒中的一种或几种混合；其中，氧化物陶瓷颗粒为：白刚玉颗粒、棕刚玉颗粒或ZrO2-Al2O3(ZTA)颗粒中的一种或几种；碳化物陶瓷颗粒为：WC颗粒、SiC颗粒、TiC颗粒、VC颗粒、B4C颗粒、Mo2C颗粒、ZrC颗粒或Cr3C2颗粒中的一种或几种；氮化物陶瓷颗粒为：Si3N4颗粒、BN颗粒、AlN颗粒或TiN颗粒中的一种或几种；所述的金属基体材料的原料为金属合金粉末；其中，金属合金粉末的合金成分及各个成分的质量百分比为：C：0～8.0％、Mo:0～50％、Mn:0～40％、Cr:0～50％、V:0～10％、Ti:0～20％、Si:0.1％～4.0％、Ni:0～15％、W:0～15％、Nb:0～5.0％，余量为Fe及不可避免的杂质，其粒径范围为60～400目。3.如权利要求1所述的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料，其特征在于，优化粒径陶瓷增强金属基复合材料基体硬度≥900HV，金属基体材料和陶瓷颗粒的界面硬度≥1100HV，陶瓷颗粒硬度≥1400HV。4.如权利要求1-3中任意一项所述的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：增强相陶瓷颗粒的选取与预处理：(1)根据制备的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料称量增强相陶瓷颗粒；(2)去除增强相陶瓷颗粒杂质，烘干，得到预处理后的增强相陶瓷颗粒；步骤2：优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的制备(1)按配比，称量原料，将预处理后的增强相陶瓷颗粒和金属基体材料进行混粉，混合均匀，得到混合后的物料；其中，按体积比，预处理后的增强相陶瓷颗粒：金属基体材料＝1:(2～5)；(2)将混合后的物料放入压实模具中，采用200～300MPa压力进行压制，保压10～30s，得到压实的陶瓷增强块体；(3)将压实的陶瓷增强块体放入坩埚中，再置于气氛保护炉中，采用程序控温液相烧结法进行预烧结，得到优化粒径陶瓷增强金属基复合材料。5.如权利要求4所述的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述的步骤2(1)中，施加压力过程中，当达到20～50MPa压力时，保压2s～5s。6.一种优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的应用，为应用于制备高耐磨粉碎设备衬板或高耐磨粉碎设备辊套。7.如权利要求6所述的优化粒径陶瓷增强金属基复合材料的应用，其特征在于，所述的高耐磨粉碎设备衬板或高耐磨粉碎设备辊套，包括优化粒径陶瓷增强金属基复合材...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟伟平，李萍，李笑，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21