一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，包括：1)将Ti‑Cu‑Ni金属粉末球磨混合均匀；2)将陶瓷颗粒表面包裹上粘结剂后再均匀包裹Ti‑Cu‑Ni金属粉末，并进行烘干处理；3)将Ti‑Cu‑Ni金属改性陶瓷颗粒与金属基体粉末混合压制成型复合材料压坯，采用真空烧结或铸造方法制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料或表面局部强化复合材料。本发明专利技术制备的复合材料中陶瓷颗粒与金属基体间形成冶金结合，显著提高了复合材料的抗冲击和磨损性能。本发明专利技术的技术工艺简单、成本低、无环境污染。

【技术实现步骤摘要】
一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法
：本专利技术涉及一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，属于颗粒增强耐磨复合材料制备领域。
技术介绍
：陶瓷颗粒具有密度低、强度高、耐磨损及耐腐蚀的优点，金属材料具有良好的塑性和韧性，通过粉末金属冶金的方法将两者烧结结合会产生一种新型的低成本、高耐磨的优质耐磨材料。然而，由于陶瓷颗粒与金属材料之间的相容性差(主要是陶瓷颗粒与铁熔体之间的润湿性差)和分散均匀性差(陶瓷颗粒与铁的密度差较大而导致二者之间不易分散均匀)，使得在最终制备的复合材料中ZTA陶瓷颗粒与铁基体间界面结合不好，存在较多的孔隙等缺陷，影响了复合材料的致密度及力学性能。目前对陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性的方法可以大致分为三种：①在陶瓷颗粒表面化学镀镍。②向金属基体中加入金属元素。③原位反应生成陶瓷相。但这些方法存在着工艺复杂、改善效果有限、反应过程难以控制、产生的化学废液对环境污染大等问题。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服上述技术问题，提供一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法。该方法工艺简单、成本低，通过将陶瓷颗粒表面包裹Ti-Cu-Ni金属粉末，可使陶瓷颗粒与金属基体之间界面形成冶金结合，加强金属基体对陶瓷颗粒的有力包裹和支撑，陶瓷颗粒能充分发挥抵抗冲击和磨损的作用，复合材料的耐磨性得到明显提高。本专利技术采用的技术方案包括以下步骤:(1)陶瓷颗粒预处理：将陶瓷颗粒浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗，清洗后的陶瓷颗粒放入真空碳管烧结炉中进行预烧，去除陶瓷颗粒表面杂质及油污。(2)Ti-Cu-Ni金属粉末混合：分别称取一定质量的Ti、Cu、Ni金属粉末，将其置入行星式球磨机中球磨，使金属粉末混合均匀。(3)改性陶瓷颗粒制备：先将陶瓷颗粒与高粘度的液态粘结剂混合，当陶瓷颗粒表面充分包裹上粘结剂后再加入混合均匀的金属粉末，并对其进行机械搅拌，当陶瓷颗粒表面完整包裹上改性粉末Ti-Cu-Ni时搅拌结束，烘干处理。(4)改性陶瓷颗粒增强铁基复合材料的制备：改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备根据实际需要采用三种方法：①将金属基体粉末与粘结剂进行球磨，球磨后与改性陶瓷颗粒采用机械搅拌的方式进行混合，混合均匀后冷压成型成压坯，再将压坯置于真空碳管烧结炉中进行真空烧结。②将粉末冶金复合材料压坯直接进行复合铸造，浇铸金属液制备成局部强化复合材料。③将改性ZTA颗粒与水玻璃进行混合，经真空烘干形成预制体，采用铸渗法浇铸金属液，冷却后得到ZTA颗粒增强金属基复合材料方法。本专利技术所述陶瓷颗粒为ZTA、Al2O3、TiC、VC、ZrO2、SiC中的任一或多种组合，颗粒尺寸在0.5-4mm。本专利技术所述陶瓷颗粒预处理的预烧温度为1000～1200℃，保温时间为60～120min。本专利技术所述Ti-Cu-Ni混合金属粉末中Ti所占含量为10～80％(质量分数)，Cu和Ni的质量比为1:1。本专利技术所述Ti-Cu-Ni混合金属粉末行星球磨时间为30～120min，转速为30～300r/min。本专利技术所述高粘度的液态粘结剂为PVA(聚乙烯醇)水溶液，PVA溶液的质量分数为1％～20％，且PVA溶液与陶瓷颗粒按1：100～10：100的质量比混合均匀。本专利技术所述Ti-Cu-Ni金属粉末与陶瓷颗粒混合，Ti-Cu-Ni金属粉末的添加量占陶瓷颗粒质量的5～25％。本专利技术所述金属基体粉末主要成分为Fe-Cr、Fe-Cr-Ni、Fe-Cr-B-Si、Ni-Cr、Ni-Cr-B-Si中的任一或多种组合。本专利技术所述金属基体粉末与粘结剂行星球磨，液态粘结剂为聚乙烯醇、固体石蜡、环氧树脂的任一或多种组合，行星球磨时间为30min～600min，转速为30～300r/min。本专利技术所述冷压成型工艺采用分级加压的方式，加压载荷为200～600MPa，保压时间为2min～5min。本专利技术所述粉末冶金烧结工艺为自室温开始5～10℃/min的速率进行升温，在240～300℃保温30min，目的是使粘结剂充分分解并排出，在900～1300℃进行烧结，保温时间为30～120min，保温结束后随炉冷得到Ti-Cu-Ni改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料。本专利技术所述预制体烘干温度为100～300℃，保温30～120min，浇铸金属液为铸钢、铸铁、Ni合金中的一种。铸铁和高锰钢浇铸温度为1350～1700℃。本专利技术的原理：Ti-Cu-Ni金属粉末中Ti作为活性金属元素能通过与陶瓷发生反应来改善陶瓷与金属间的润湿行为，并且Cu、Ni元素能与Ti形成低熔共晶，从而降低Ti元素的熔化温度，达到提高其活性效果，使其与陶瓷颗粒连接牢固，能极大的提高陶瓷颗粒与金属基体间的润湿性。本专利技术的优异效果：(1)本专利技术在陶瓷颗粒表面包裹Ti-Cu-Ni金属粉末可极大提高改性陶瓷颗粒与金属熔体之间的润湿性，制备的复合材料界面结合致密，颗粒分布均匀，并且经改性处理后陶瓷颗粒与金属基体的界面结合有机械结合转变为冶金结合，界面结合强度得到极大提高。(2)本专利技术通过Ti-Cu-Ni金属粉末对复合材料进行改性，复合材料界面改性层的厚度可以通过陶瓷颗粒表面所包裹Ti-Cu-Ni金属粉末的量来进行调节，可以满足不同实际工况的需要。(3)本专利技术使用Ti-Cu-Ni金属粉末对复合材料进行改性的方法，此工艺过程简单、效率高、实验周期短、材料利用率高，一次可以包裹很多陶瓷颗粒，并且整个实验过程无污染，不会产生对环境有害的化学废液。附图说明(1)图1ZTA颗粒增强Fe45基复合材料界面形貌及元素分布(2)图2ZTA颗粒增强Fe45基复合材料冲击断口形貌(3)图3Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Fe45基复合材料冲击断口形貌(4)图4ZTA颗粒增强Fe45基复合材料冲击磨损形貌(5)图5Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Fe45基复合材料冲击磨损形貌图中：1-金属基体，2-陶瓷颗粒，3-脱落坑，4-界面具体实施方式：实施例1本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Fe45基复合材料，具体包括以下步骤：(1)将粒径0.5～2mm的ZTA陶瓷颗粒浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗3次，清洗后的ZTA颗粒放入真空碳管烧结炉中进行1000℃预烧，保温1h，去除陶瓷颗粒表面杂质及油污。(2)称取质量比为80：10：10的Ti、Cu、Ni金属粉末，将其置入行星球磨机中进行球磨，球磨时加入混合金属粉末总质量10％的无水乙醇，防止金属粉末在球磨时氧化，球磨时间为120min，转速为300r/min，得到混合均匀的Ti-Cu-Ni金属粉末。(3)将ZTA陶瓷颗粒与5wt.％PVA粘结剂混合均匀，粘结剂的加入量占ZTA陶瓷颗粒总质量的2％，将步骤(2)混合的Ti-Cu-Ni金属粉末与ZTA颗粒按质量比为15：100的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后烘干处理。(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属粉末改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：/n(1)陶瓷颗粒预处理：将陶瓷颗粒浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗，清洗后的陶瓷颗粒放入真空碳管烧结炉中进行预烧，去除陶瓷颗粒表面杂质及油污。/n(2)金属粉末混合：分别称取一定质量的Ti、Cu、Ni金属粉末置入行星式球磨机中进行球磨，将金属粉末混合均匀。/n(3)改性陶瓷颗粒制备：先将陶瓷颗粒与高粘度的液态粘结剂混合，当陶瓷颗粒表面充分包裹上粘结剂后再加入混合均匀的Ti-Cu-Ni金属粉末，并对其进行机械搅拌，当陶瓷颗粒表面完整包裹上Ti-Cu-Ni粉末时搅拌结束，并进行烘干处理。/n(4)改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备：改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备根据实际需要采用三种方法：①将金属基体粉末与粘结剂进行球磨，球磨后与改性陶瓷颗粒采用机械搅拌的方式进行混合，混合均匀后冷压成型成复合材料压坯，再将压坯置在真空碳管烧结炉中进行真空烧结成复合材料，②将粉末冶金复合材料压坯直接进行复合铸造，浇铸金属液制备成局部强化复合材料，③将改性ZTA颗粒与水玻璃进行混合，经真空烘干形成预制体，采用铸渗法浇铸金属液，冷却后得到ZTA颗粒增强金属基复合材料方法。/n...

【技术特征摘要】
1.一种金属粉末改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)陶瓷颗粒预处理：将陶瓷颗粒浸泡在无水乙醇中，使用超声波清洗，清洗后的陶瓷颗粒放入真空碳管烧结炉中进行预烧，去除陶瓷颗粒表面杂质及油污。
(2)金属粉末混合：分别称取一定质量的Ti、Cu、Ni金属粉末置入行星式球磨机中进行球磨，将金属粉末混合均匀。
(3)改性陶瓷颗粒制备：先将陶瓷颗粒与高粘度的液态粘结剂混合，当陶瓷颗粒表面充分包裹上粘结剂后再加入混合均匀的Ti-Cu-Ni金属粉末，并对其进行机械搅拌，当陶瓷颗粒表面完整包裹上Ti-Cu-Ni粉末时搅拌结束，并进行烘干处理。
(4)改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备：改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备根据实际需要采用三种方法：①将金属基体粉末与粘结剂进行球磨，球磨后与改性陶瓷颗粒采用机械搅拌的方式进行混合，混合均匀后冷压成型成复合材料压坯，再将压坯置在真空碳管烧结炉中进行真空烧结成复合材料，②将粉末冶金复合材料压坯直接进行复合铸造，浇铸金属液制备成局部强化复合材料，③将改性ZTA颗粒与水玻璃进行混合，经真空烘干形成预制体，采用铸渗法浇铸金属液，冷却后得到ZTA颗粒增强金属基复合材料方法。


2.根据权利1要求所述，其特征在于，所述陶瓷颗粒为ZTA、Al2O3、TiC、VC、ZrO2、SiC中的任一或多种组合，颗粒尺寸在0.5-4mm。


3.根据权利1要求所述，其特征在于，所述陶瓷颗粒预处理时预烧温度为1000～1200℃，保温时间为60～120min。


4.根据权利1要求所述，其特征在于，所述Ti-Cu-Ni金属粉末中Ti所占含量为10～80％(质量分数)，Cu和Ni的质量比为1:1。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华辉，付道仁，范磊，曹洪治，马峰，李国华，黄啸，
申请(专利权)人：中国矿业大学北京，
类型：发明
国别省市：北京;11