一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，包括耐磨钢基体、陶瓷层和搪瓷层，搪瓷层位于耐磨钢基体和陶瓷层的中间，还提供了上述复合材料的制备方法：将耐磨钢基体脱碳处理得到耐磨钢基体，制备搪瓷粉末和陶瓷颗粒，然后将上述材料依次放入磨具中，双向加压然后在常压烧结得到氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料。本发明专利技术的搪瓷层既可以润湿陶瓷层，又可以改善与耐磨钢基体的润湿性，形成化学键结合，部分搪瓷粉末填充到陶瓷层的孔隙中，耐磨钢基体与搪瓷层之间不易形成气泡，陶瓷层中的TiO2‑x和CuO作为烧结助剂能降低烧结温度，防止耐磨钢基体氧化，并提高制备效率，降低制备成本。

A Composite Material of Alumina Ceramics and Wear-resistant Steel and Its Preparation Method

The invention provides a composite material of alumina ceramics and wear-resistant steel, including wear-resistant steel matrix, ceramic layer and enamel layer. The enamel layer is located in the middle of the wear-resistant steel matrix and ceramic layer. The preparation method of the composite material is also provided: the wear-resistant steel matrix is obtained by decarburizing the wear-resistant steel matrix, enamel powder and ceramic particles are prepared, and then the above materials are put into the abrasive tool in turn. The composite material of alumina ceramics and wear-resistant steel was obtained by bi-directional pressing and sintering at atmospheric pressure. The enamel layer can not only wet the ceramic layer, but also improve the wettability with the wear-resistant steel matrix and form chemical bonds. Some enamel powder is filled into the pore of the ceramic layer. It is not easy to form bubbles between the wear-resistant steel matrix and the enamel layer. As sintering aids, the titanium dioxide X and CuO in the ceramic layer can reduce the sintering temperature, prevent the oxidation of the wear-resistant steel matrix and improve the preparation efficiency. To reduce the cost of preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料及其制备方法
本专利技术属于耐磨钢基体改性
，具体涉及一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料及其制备方法。
技术介绍
耐磨钢基体主要应用于矿山、冶金和电力等行业内物料的输送或破碎，如衬板、磨辊、铲齿及破碎壁等零件，由于服役工况条件恶劣，造成了严重的磨损，致使零件失效。为了进一步提高耐磨钢基体的耐磨性，单一材质的耐磨钢基体无法满足企业的要求，因此，开发以耐磨钢基体为基体的复合耐磨材料成为行业急需解决的课题。目前提高耐磨钢基体耐磨性的工艺主要有镶嵌硬质合金块、双金属复合铸造、热处理和钎焊等工艺。通过将硬质合金块镶嵌在耐磨钢基体易磨损部位制造双金属复合耐磨材料，虽然具有耐磨、耐腐蚀等良好的综合性能，但镶嵌材料易从基体上脱落；采用双金属复合铸造的工艺不易生产大面积和曲面的耐磨铸件；耐磨钢基体的热处理消耗大量能源，同时还具有生产周期长等不利的因素。而将氧化铝陶瓷与耐磨钢基体复合，即可获得陶瓷的机械强度、高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性、化学稳定性和较低的成本，同时利用金属基体的韧性克服陶瓷固有的脆性，在性能上形成一种互补关系，使之成为理想的结构和工程材料，以满足耐磨材料对性能的要求。但也存在着陶瓷与耐磨钢基体复合工艺的复杂性、成本较高、界面会产生较大的残余应力，且化学稳定性较差等问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，该复合材料在耐磨钢基体和陶瓷层中间设置了搪瓷层，搪瓷层既可以润湿陶瓷层，又可以改善与耐磨钢基体的润湿性，熔化后分别与陶瓷层和耐磨钢基体发生扩散，形成良好的化学键结合，烧结时陶瓷颗粒的PVA会挥发后形成微小的孔隙，随着温度的升高，部分搪瓷粉末会逐渐渗入填充到陶瓷层的孔隙中，使得搪瓷层和陶瓷层界面处结合致密，微孔缺陷较小，则该复合材料连接强度高，耐磨性好。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，包括耐磨钢基体、陶瓷层和搪瓷层，搪瓷层位于耐磨钢基体和陶瓷层的中间，所述搪瓷层的厚度为1mm～5mm；所述陶瓷层的厚度为5mm～35mm；所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO240％～60％、B2O35％～20％、Na2O1％～15％、K2O1％～10％、CoO1％～5％、NiO1％～5％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x1％～10％、CuO1％～10％、余量为Al2O3。优选地，所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO245％～55％、B2O38％～18％、Na2O5％～12％、K2O4％～8％、CoO1％～3％、NiO1％～3％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x1％～5％、CuO0.5％～5％、余量为Al2O3。优选地，所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO250％、B2O316％、Na2O12％、K2O6％、CoO1.5％、NiO1.5％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x4％、CuO2％、余量为Al2O3。本专利技术还提供了上述的氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：步骤一、耐磨钢基体的前处理：将耐磨钢基体在温度为910℃～970℃的条件下脱碳10min～20min，再保温5min～30min，然后在空气中自然冷却至室温，去掉表面的氧化皮，用砂纸打磨20min～40min，最后用酸溶液清洗1min～3min；步骤二、搪瓷粉末的制备：将SiO2、B2O3、Na2O、K2O、CoO、NiO和Al2O3混合得到预处理粉1，将预处理粉1和无水乙醇放入磨球磨罐中进行湿混，研磨4h～8h后，在温度为80℃～120℃的条件下干燥12h～24h，得到搪瓷粉末；步骤三、陶瓷颗粒的制备：将TiO2-x、CuO和Al2O3陶瓷粉末混合得到预处理粉2，将预处理粉2和无水乙醇放入磨球磨罐中进行湿混，研磨4h～8h后，在温度为80℃～120℃的条件下干燥12h～24h，得到陶瓷粉末，将陶瓷粉末中加入PVA混合后造粒，得到陶瓷颗粒；步骤四、氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料的制备：将步骤一中经酸洗后的耐磨钢基体放入磨具中，然后在耐磨钢基体上平铺步骤二得到的搪瓷粉末，再在搪瓷粉末上平铺步骤三得到的陶瓷颗粒，在常压的条件下进行烧结，烧结后得到氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料；所述烧结的制度为：首先以3℃/min的升温速率将温度从室温升至600℃，然后以5℃/min的升温速率继续升温至1150℃～1350℃，保温30min～60min，最后自然冷却降至室温。优选地，步骤二中所述预处理粉1、无水乙醇和研磨球的质量比为1:0.8:2；步骤三中所述预处理粉2、无水乙醇和研磨球的质量比为1:0.8:2。优选地，步骤三中所述Al2O3陶瓷粉末为粒度为1μm～100μm的α-Al2O3陶瓷粉末。优选地，步骤三中所述陶瓷颗粒中PVA的质量分数为1％～10％；陶瓷颗粒的粒度为1μm～100μm。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术在耐磨钢基体和陶瓷层之间设置了搪瓷层，搪瓷层既可以润湿陶瓷层，又可以改善与耐磨钢基体的润湿性，搪瓷层使得陶瓷层与搪瓷层、搪瓷层与耐磨钢基体的界面结合区组织致密，裂纹、微孔缺陷较少，熔化后分别与陶瓷层和耐磨钢基体发生扩散，形成了良好的化学键结合，陶瓷层与耐磨钢基体的连接强度高，且耐磨性好；而耐磨钢基体直接与陶瓷层结合则界面结合处残余应力较大，易生成脆性相，降低陶瓷层与耐磨钢基体的连接强度，服役的稳定性变差。2、本专利技术将陶瓷粉末中加入PVA混合后造粒，得到陶瓷颗粒，后期在耐磨钢基体、搪瓷粉末和陶瓷颗粒烧结时，陶瓷颗粒中的PVA会挥发后形成微小的孔隙，随着温度的升高，部分搪瓷粉末会逐渐渗入填充到陶瓷层的孔隙中，使得搪瓷层和陶瓷层界面处结合致密，微孔缺陷较小，不易产生裂纹。同时耐磨钢基体若不进行脱碳处理，则耐磨钢基体表层中的碳向外扩散，与空气中的氢或氧发生反应生成甲烷、二氧化碳和一氧化碳等气体，在与搪瓷层的烧结过程中会形成气泡，导致搪瓷层的脱落。3、本专利技术的陶瓷层中TiO2-x和CuO作为复配的烧结助剂与Al2O3陶瓷粉末混合，降低了Al2O3陶瓷粉末的烧结温度，为陶瓷层与耐磨钢基体的复合提供工艺基础，同时还能防止耐磨钢基体在烧结过程中表面过度氧化，为耐磨钢基体的低温烧结创造复合基础。现有CuO常作为Al2O3陶瓷粉末的烧结助剂使用，烧结温度难以降低，但是加入TiO2-x可降低Al2O3陶瓷粉末的烧结温度，这主要是因为TiO2-x为独特的核壳结构，存在着Ti4+和Ti3+两种离子，Ti4+的离子半径为0.62埃米，Ti3+的离子半径为0.68埃米，Al3+的离子半径为0.57埃米，可见Ti4+和Ti3+的离子半径均大于Al3+离子的离子半径。当Ti3+和Ti4+与氧化铝发生固熔反应生成置换固溶体时，由于Ti4+、Ti3+离子和Al3+离子的配位数、电价、离子半径等存在差别，当Ti4+、Ti3+置换了Al3+后，氧化铝的晶格常数由1.14724埃米变为1.14739埃米，晶格畸变的程度由原来的30％，提高到40％，加剧了晶格畸变，并伴随着阳离子空位的产生，从而使活性更高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，其特征在于，包括耐磨钢基体、陶瓷层和搪瓷层，搪瓷层位于耐磨钢基体和陶瓷层的中间，所述搪瓷层的厚度为1mm～5mm；所述陶瓷层的厚度为5mm～35mm；所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO2 40％～60％、B2O3 5％～20％、Na2O 1％～15％、K2O 1％～10％、CoO 1％～5％、NiO 1％～5％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2‑x 1％～10％、CuO 1％～10％、余量为Al2O3。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，其特征在于，包括耐磨钢基体、陶瓷层和搪瓷层，搪瓷层位于耐磨钢基体和陶瓷层的中间，所述搪瓷层的厚度为1mm～5mm；所述陶瓷层的厚度为5mm～35mm；所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO240％～60％、B2O35％～20％、Na2O1％～15％、K2O1％～10％、CoO1％～5％、NiO1％～5％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x1％～10％、CuO1％～10％、余量为Al2O3。2.根据权利要求1所述的一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，其特征在于，所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO245％～55％、B2O38％～18％、Na2O5％～12％、K2O4％～8％、CoO1％～3％、NiO1％～3％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x1％～5％、CuO0.5％～5％、余量为Al2O3。3.根据权利要求2所述的一种氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料，其特征在于，所述搪瓷层包括以下质量百分数的组分：SiO250％、B2O316％、Na2O12％、K2O6％、CoO1.5％、NiO1.5％、余量为Al2O3；所述陶瓷层包括以下质量百分数的组分：TiO2-x4％、CuO2％、余量为Al2O3。4.一种制备如权利要求1、2或3所述的氧化铝陶瓷与耐磨钢的复合材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、耐磨钢基体的前处理：将耐磨钢基体在温度为910℃～970℃的条件下脱碳10min～20min，再保温5min～30min，然后在空气中自然冷却至室温，去掉表面的氧化皮，用砂纸打磨20min～40min，最后用酸溶液清...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦仁宝，荣守范，李洪波，王迪，张圳炫，朱永长，刘力，
申请(专利权)人：佳木斯大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23