專利名稱：一種陶瓷－金屬復合材料的制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種陶瓷-金屬復合材料的制備方法，具體地說，涉及一種軋鋼加熱爐滑塊用陶瓷-金屬復合材料的制備方法。
背景技術：
在軋鋼生產(chǎn)中，板坯在軋制前都要在加熱爐中加熱。支撐被加熱板坯的滑塊要求既能承受1250-1400℃氧化-硫化氣氛的爐氣熱蝕，又能承受重板坯的高溫滑動摩擦。
目前，軋鋼加熱爐中的滑塊使用的是鑄造2Cr33Ni48W10Mo高溫合金，但它導熱系數(shù)較高，易在鋼坯表層形成“黑帶”進而導致所軋制的鋼板組織結(jié)構和產(chǎn)品性能的不均勻，影響了中厚板產(chǎn)品的質(zhì)量。
為了解決這一問題，人們期待著一種強度較高、高溫性能優(yōu)越、導熱能力較低同時又不顯著增加綜合成本的新型滑塊材料。
由于氧化鋁陶瓷具有陶瓷的諸多優(yōu)點又具有原料來源廣、價格便宜等特點，因此，經(jīng)常作為金屬陶瓷復合材料的首選原料。但Al2O3同樣也具有陶瓷最大的弱點，就是韌性較差，而這一點又嚴重阻礙了它在工程上的應用，因此改善其脆性成為其進入更廣泛的應用領域所必須解決的問題。眾所周知，金屬及其合金具有延展性好，導電、導熱性能優(yōu)良以及其它一些優(yōu)良性能，如磁性、吸波性等，然而其相對硬度和強度較低，密度相對較高。如果能把陶瓷和金屬結(jié)合起來，揚長避短，無疑將有可能得到一種非常理想的材料。
Al2O3基復合材料可用作切削工具，適于高速切削。用Cr作金屬粘結(jié)相的Al2O3基復合材料比Al2O3陶瓷機械強度高，并隨組成中Cr含量增加，抗折和抗張強度有所增加。采用Cr-Mo合金效果更好，可在許多高溫條件下應用。例如作為噴氣火焰控制器、導彈噴管的襯套、熔融金屬流量控制針、“T”形澆口、爐管、火焰防護桿以及熱電偶保護套管和機械密封環(huán)等。Al2O3-Fe復合材料硬度高、耐磨、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性高，廣泛用作機械密封環(huán)以及農(nóng)用潛水泵機械密封，另外還可以在要求耐高溫、導熱、導電場合下作為高溫部件使用。該環(huán)使用壽命長，而且不會因臨時啟動產(chǎn)生大量的熱而使環(huán)破碎。
經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)有多種工藝用來制備Al2O3-金屬復合材料。常見的有粉末冶金法、直接氧化法、液態(tài)金屬注入法、原位復合法、3A法以及濕化學法等。粉末冶金法操作相對簡單，但缺點是基體與第二相材料混合不均勻，以及在燒結(jié)過程中由于基體發(fā)生體積收縮，易導致復合材料產(chǎn)生裂紋。
Al2O3基復合材料作為一種具有廣泛應用的材料體系，對其研究的主要目的就是通過合理的組元、成分、顯微結(jié)構及工藝設計，使Al2O3與金屬的性能特點互相補充，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，克服各自的不足，獲得具有理想性能的Al2O3-金屬復合材料，提高材料的可靠性，最終實現(xiàn)結(jié)構功能一體化，從而進一步擴大其應用范圍。
日本關西電力與名古屋大學、日立制作所用鎳基單晶超合金共同開發(fā)出世界最高水平的具有高溫耐熱特性的燃氣輪機機翼。這種合金以鎳為主體，通過鈷、鉻、鎢、鋁、鈦、鉭、錸、鉿等合金元素的合理的組成比例實現(xiàn)了性能最佳化。
有研究采用包覆工藝和熱壓工藝制備了Al2O3-Ni復合材料。在1450℃熱壓Ni包覆Al2O3復合粉體得到相對密度＞98％的金屬陶瓷復合材料，當溫度＞1400℃時，隨著Ni含量的增加致密度下降。Ni顆粒位于三角晶界，隨著含量的增加，斷裂方式由沿晶轉(zhuǎn)為穿晶斷裂；在Al2O3基體中引入Ni顆粒能夠降低晶粒尺寸，提高強度和韌性。與單相Al2O3的力學性能相比，綜合力學性能較好的NA4金屬陶瓷復合材料的抗彎強度和斷裂韌性分別提高了19％和35％。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術問題就在于克服現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種軋鋼加熱爐滑塊用陶瓷-金屬復合材料的制備方法，本發(fā)明制備的陶瓷-金屬復合材料導熱能力較低、高溫性能優(yōu)越、力學強度能夠達到軋鋼加熱爐滑塊的使用要求，是一種適合于軋鋼加熱爐滑塊用的新型材料。本發(fā)明制備的新型陶瓷-金屬復合材料還可廣泛應用于其它抗高溫耐磨損部件。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術方案本發(fā)明涉及一種陶瓷-金屬復合材料的制備方法，所述方法包括下列步驟1)、基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬中的成分配比(重量比)將Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均勻制備成基體合金料；2)、復合陶瓷相顆粒的制備所述復合陶瓷相顆粒為Ti粉包覆的Al2O3顆粒；3)、配料及造粒按照基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.15～0.45的比例，將基體合金料與復合陶瓷相顆?；旌蠑嚢杈鶆颍辉跀嚢柽^程中，滴加橡膠溶液成型劑，進行造粒；成型劑的加入量為每100克混合料中加入10～15毫升成型劑；4)、壓制成型采用壓力機將造粒料進行坯體的壓制成型，成型壓力為100～200MPa；保壓時間為40～100秒；5)、真空干燥成型后的坯體60～90℃真空干燥；6)、真空燒結(jié)燒結(jié)溫度1250～1380℃，燒結(jié)真空度為1.0×10-1～1.0×10-3Pa。
本發(fā)明所述復合陶瓷相顆粒的制備方法為按照Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.01～0.05的比例，將Ti粉加入到Al2O3顆粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇縮丁醛)酒精溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入量為每100克原料中滴加5～10毫升，攪拌混合，使Ti粉均勻包覆在氧化鋁顆粒表面，制備成粒徑為0.5～1.0毫米、Ti粉包覆的Al2O3復合陶瓷相顆粒。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.03。所述基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.25。
優(yōu)選的，本發(fā)明所述真空燒結(jié)分三步來完成1)、脫脂預燒階段燒結(jié)溫度為0～400℃，升溫速度為10℃/分鐘；2)、燒結(jié)階段燒結(jié)階段由下列步驟完成A、保溫階段，溫度為400℃，保溫時間30分鐘；B、預燒結(jié)階段，溫度為400℃～1000℃，升溫速度10℃/分鐘；C、保溫階段，溫度為1000℃，保溫時間30分鐘；D、燒結(jié)階段，溫度為1000℃～燒結(jié)溫度，升溫速度10℃/分鐘；E、燒結(jié)溫度保溫，溫度為1250～1380℃，保溫30分鐘；3)、冷卻階段隨爐冷卻。
本發(fā)明具有以下特點1、采用本發(fā)明的方法所制備的材料具有較低的導熱系數(shù)，強度達到使用要求。
2、包覆氧化鋁陶瓷顆粒與鎳基合金基體具有較好的潤濕性，兩者能夠較好的結(jié)合在一起。
3、采用本發(fā)明的方法所制備材料的高溫性能優(yōu)越。
4、采用本發(fā)明的制備方法制備的復合滑塊材料，綜合性能好，工藝簡單，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。
本發(fā)明制備的陶瓷-金屬復合材料導熱能力較低、高溫性能優(yōu)越、力學強度能夠達到軋鋼加熱爐滑塊的使用要求，是一種適合于軋鋼加熱爐滑塊用的新型材料。本發(fā)明制備的新型陶瓷-金屬復合材料還可廣泛應用于其它抗高溫耐磨損部件。
為了獲得高溫力學性能優(yōu)越、導熱性能較低的陶瓷-金屬復合材料，通常選用耐高溫、抗磨性能好的高溫合金作為基體材料。
陶瓷-金屬復合材料的物理化學問題是復合材料研制中的關鍵問題。材料組分的選擇、工藝過程的控制對材料的最終性能起決定性的作用。相界面的潤濕性、化學反應以及組分的溶解對相界面的結(jié)合有著重要的影響。相界面的物理和化學相容性決定了陶瓷-金屬復合材料在廣泛溫度范圍內(nèi)的工作性能。
本發(fā)明以相間熱膨脹系數(shù)的匹配性、潤濕性及盡量少的相間反應作為選材的首要原則，以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，以Ti粉包覆的Al2O3顆粒作為復合陶瓷相顆粒。
復合材料中基體金屬和復合陶瓷相之間的物理匹配非常重要。所謂物理匹配是指兩種材料在物理性能上的相容性，主要包括熱膨脹系數(shù)和彈性模量。不同相之間的物理匹配將對界面應力、載荷傳遞和整個材料的性能產(chǎn)生很大的影響。材料的熱膨脹系數(shù)取決于它的化學組成和晶體結(jié)構。當二者確定以后，很難加以改變和調(diào)整。熱膨脹系數(shù)差異過大會造成基體和復合相在冷卻階段產(chǎn)生應力，降低復合材料的強度，甚至會使材料產(chǎn)生裂紋。
實踐證明，二元陶瓷基復合材料中兩相熱膨脹系數(shù)的差異不應過大，如對于金屬陶瓷復合材料，系統(tǒng)中兩相熱膨脹系數(shù)差值達10×10-6K-1時，制品會被破壞，而差值為5×10-6K-1時，制品尚能承受。
從降低殘余應力、提高材料的強度來說，應使金屬基體的彈性模量較小，且與復合相的熱膨脹系數(shù)接近。高的彈性模量將使復合相分擔更大的載荷，也有助于強度的改善。因此存在一個最優(yōu)匹配，可以使材料的強度和韌性同時得到提高。
除了極少數(shù)的方法外，金屬基復合材料都在較高的溫度下制造，溫度范圍通常稍低于或稍高于基體的熔點，因此基體和增強物之間的相互作用不可避免，易于生成嚴重影響復合材料性能的化合物。這就是基體和增強物的化學相容性問題。它包括熱力學相容性和動力學相容性兩個方面。因此，在選擇基體合金時要充分考慮這兩個方面，既能夠滿足其溫度要求，又要盡量避免一些化合物的生成。
另外，在選擇基體合金時，也要充分考慮其對復合相的潤濕性。但是，在實際應用中，潤濕性有時不能滿足要求，這就需要進行一些處理。對于金屬基復合材料可以采取下列措施來改善金屬基體對復合相的潤濕性。
1)改變復合相的表面狀態(tài)與結(jié)構以增大表面張力，即對復合相進行表面處理，包括機械、物理和化學清洗，電化學拋光和涂覆。最有效的辦法是進行表面涂覆處理。
2)改變金屬基體的化學成分以降低界面張力，最有效的辦法是向基體中添加合金元素。如在Ni-Al2O3系中向Ni中添加Ti、Cr等能改善Ni對Al2O3的潤濕性。
3)改變溫度，通常升高溫度能減小液態(tài)基體與固態(tài)復合相間的接觸角，但溫度不能過高，否則將促進基體與增強物間化學反應，嚴重影響復合材料的性能。
4)改變環(huán)境氣氛，如在氧化氣氛中制造Ni-Al2O3復合材料時也能降低接觸角而提高材料的性能。
制備性能良好的復合材料，應根據(jù)所要求的材料性能進行最優(yōu)設計，選擇合適的材料組元在使用中承擔一定的功能。首先根據(jù)復合材料所需的性能來選擇組成復合材料的材料體系，即選擇基體粘結(jié)相和復合相。要綜合考慮組元之間的物理、化學相容性和潤濕性。表1為鎳基合金和幾種可作為基體粘結(jié)相的材料的性能比較。
表1普通鎳基合金、Ti3Al和TiAl合金Ti合金性能比較


由表1可見，鎳基合金的抗蠕變和抗氧化性比普通鈦合金好得多，與TiAl基合金相當，但綜合性能更優(yōu)越，因為其具有更高的高溫強度、高溫抗氧化性。鎳基合金的主要應用優(yōu)勢在于(1)鎳基合金比其他常用結(jié)構合金的比剛性高約50％。
(2)鎳基合金800～1090℃的良好抗蠕變性能，使其可以更好地作為高溫合金部件來使用。
(3)鎳基合金的高屈服強度、高抗氧化極限、優(yōu)良的高溫塑性以及抗耐磨性都是其他材料不能代替的。
但是，和其它金屬合金一樣，鎳基合金也存在導熱系數(shù)高，而且價格昂貴等問題，因此本發(fā)明設計加入氧化鋁顆粒做復合相，即可利用氧化鋁陶瓷導熱系數(shù)低的特點，又可降低復合材料的價格。
鎳、鉻是基體合金的主要成分，由鎳-鉻二元相圖1所示在鎳占27.3％～53％之間的時候鎳鉻系統(tǒng)具有低共熔點，且鎳的綜合性能優(yōu)于鉻，所以在鎳和鉻的含量分別選取48％和33％。
鉬粉呈銀白色，密度10.22g/cm3，熔點為2610℃。鉬粉的顆粒均勻，流動性較差。鉬粉的少量加入主要是為了增加基體合金對陶瓷顆粒的潤濕性和提高基體合金的耐高溫性能。
選用還原鐵粉為原料，因為它相對來說經(jīng)濟便宜，且實驗發(fā)現(xiàn)對復合材料性能的影響并不大。鐵粉的加入主要是因為它易與其它金屬發(fā)生共晶，且有較好的潤濕性。
碳化鎢由金屬鎢粉(三氧化鎢)在高溫下(1400～1800℃)與炭黑化合而成。碳化鎢晶格呈立方體，密度為15.5～15.7克/厘米3，具有高硬度(顯微硬度1700公斤/毫米2)和高熔點(2720℃)并能溶介于多種難熔碳化物中。碳化鎢作為骨架材料主要用于硬質(zhì)合金等各類硬面材料之中。碳化鎢加入基體合金中可以提供材料的硬度和耐磨性，并有效降低高熔點材料的液相燒結(jié)溫度。
本發(fā)明進行的氧化鋁包覆和基體合金與氧化鋁之間的配比的實驗見表2。氧化鋁復合相材料選用氧化鋁微球(粒徑約0.5～1mm)。
實驗采用Ti粉作為氧化鋁微球表面包覆劑。實驗發(fā)現(xiàn)Ti粉對Al2O3-Ni復合材料相界面的潤濕及力學性能有更好的影響。
對于以Ni基合金為基體的氧化鋁復合材料，由于Ni不潤濕Al2O3，Al2O3-Ni相界面潤濕性不夠好，界面結(jié)合強度較低，氧化鋁顆粒在材料斷裂過程中易于拔出，基體合金的增韌作用未得到充分發(fā)揮。采用對氧具有較高化學活性的Ti粉為添加劑，其作用有以下三點。(1)Ti粉添加劑由于對氧具有高的化學活性而在Al2O3-Ni相界面附近富集，通過改善相界面潤濕性而強化了相界面結(jié)合，從而顯著提高Al2O3-Ni基合金復合材料的力學性能。(2)實驗的成分范圍內(nèi)，隨Ti粉含量增加，復合材料的燒結(jié)致密度和三點彎曲強度提高；斷裂韌性在Ti粉的包覆量為氧化鋁顆粒質(zhì)量的3％時具有最大值。(3)Al2O3(Ti粉包覆)-Ni基合金復合材料的增韌機理以橋接機理為主。
表2復合材料制備第二部分實驗的配料方案

在常溫下，以規(guī)定的裝填系數(shù)，將混合原料粉末送入模腔中，通過模沖用壓力把粉末壓實成具有預定形狀和尺寸的壓坯，并用壓力將壓坯脫出模具的過程，稱為模壓成型。通常由裝粉、壓制、脫模3個工序完成。
采用壓力機進行壓制成型，成型壓力100～200MPa，選擇保壓時間為40～100秒鐘。
干燥成型后的坯體60～90℃真空干燥。
在高溫環(huán)境下金屬易氧化，所以采用真空燒結(jié)。真空燒結(jié)有保護氣氛、還原、脫氣、促進液相對固相的潤濕、活化燒結(jié)等作用，適用于忌避氣體作保護氣體的場合。
本發(fā)明真空燒結(jié)分三步來完成1.脫脂這一階段是脫除成形劑階段也可稱為預燒階段，在這階段在某一溫度要保溫一段時間，其目的一是使成形劑充分排除，二是進行自身的氧化還原反應。通過這一階段的預燒應使成形劑分解，氣體充分排除。
2.燒結(jié)燒結(jié)階段設定的溫度即是燒結(jié)所需要的溫度。由于真空燒結(jié)具有活化燒結(jié)的作用，其燒結(jié)溫度比氣氛燒結(jié)要低50℃～100℃。
3.冷卻隨爐冷卻。
燒結(jié)時，400℃附近有一段平穩(wěn)區(qū)，原因是覆層坯體中加入的有機成形添加劑的分解、揮發(fā)、脫除。
為了避免由于成形添加劑成分的過于快速的分解、揮發(fā)而在坯體內(nèi)形成氣泡、層裂、縫隙，或?qū)ε黧w造成其它破壞，在此階段的升溫速度不宜過快，實驗表明，以10℃/min為宜。為了使PVB等料漿添加劑比較充分、完全的分解、揮發(fā)，在400℃進行30min的保溫。而在1000℃附近許多金屬元素在這一溫度點開始進行合金化，為了使合金化能夠比較充分的進行，所以在這個溫度點也保溫30分鐘，而到1370℃有一個吸熱峰，說明在這個溫度點液相開始大量出現(xiàn)，因此本實驗將燒結(jié)溫度定在1250-1340℃，這個溫度區(qū)域為最佳燒結(jié)溫度。在燒結(jié)溫度保溫30分鐘。


圖1為本發(fā)明復合材料燒結(jié)溫度示意圖。
圖2為原料的DTA-TG分析曲線圖。
圖3a、圖3b、圖3c和圖3d為本發(fā)明制備的陶瓷-金屬復合材料斷面的掃描電鏡照片，其中圖3a和圖3b為斷面掃描電鏡照片40×；圖3c為斷面拋光后的掃描電鏡照片40×；圖3d為氧化鋁顆粒和基體合金燒結(jié)后界面結(jié)合情況5000×。
具體實施例方式
實施例1 陶瓷-金屬復合材料的制備1)、基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬中的成分配比(重量比)將Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均勻制備成基體合金料；2)、復合陶瓷相顆粒的制備按照Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.03的比例，將Ti粉加入到Al2O3顆粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇縮丁醛)酒精溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入量為每100克原料中滴加5～10毫升，攪拌混合，使Ti粉均勻包覆在氧化鋁顆粒表面，制備成粒徑為0.8毫米、Ti粉包覆的Al2O3復合陶瓷相顆粒。
3)、配料及造粒按照基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.25的比例，將基體合金料與復合陶瓷相顆?；旌蠑嚢杈鶆?；在攪拌過程中，滴加橡膠溶液成型劑，進行造粒；成型劑的加入量為每100克混合料中加入12毫升成型劑；4)、壓制成型采用壓力機將造粒料進行坯體的壓制成型，成型壓力為150MPa；保壓時間為70秒；5)、真空干燥成型后的坯體80℃真空干燥；6)、真空燒結(jié)燒結(jié)真空度為1.0×10-2Pa，燒結(jié)過程為a、脫脂預燒階段燒結(jié)溫度為0～400℃，升溫速度為10℃/分鐘；b、燒結(jié)階段燒結(jié)階段由下列步驟完成A、保溫階段，溫度為400℃，保溫時間30分鐘；B、預燒結(jié)階段，溫度為400℃～1000℃，升溫速度10℃/分鐘；C、保溫階段，溫度為1000℃，保溫時間30分鐘；D、燒結(jié)階段，溫度為1000℃～1300℃，升溫速度10℃/分鐘；
E、燒結(jié)溫度保溫，溫度為1300℃，保溫30分鐘；c、冷卻階段隨爐冷卻。
實施例2 陶瓷-金屬復合材料的制備1)、基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬中的成分配比(重量比)將Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均勻制備成基體合金料；2)、復合陶瓷相顆粒的制備按照Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.01的比例，將Ti粉加入到Al2O3顆粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇縮丁醛)酒精溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入量為每100克原料中滴加5毫升，攪拌混合，使Ti粉均勻包覆在氧化鋁顆粒表面，制備成粒徑為1.0毫米、Ti粉包覆的Al2O3復合陶瓷相顆粒。
3)、配料及造粒按照基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.15的比例，將基體合金料與復合陶瓷相顆?；旌蠑嚢杈鶆颍辉跀嚢柽^程中，滴加橡膠溶液成型劑，進行造粒；成型劑的加入量為每100克混合料中加入15毫升成型劑；4)、壓制成型采用壓力機將造粒料進行坯體的壓制成型，成型壓力為100MPa；保壓時間為100秒；5)、真空干燥成型后的坯體60℃真空干燥；6)、真空燒結(jié)燒結(jié)真空度為1.0×10-1Pa，燒結(jié)升溫如下a、脫脂預燒階段燒結(jié)溫度為0～400℃，升溫速度為10℃/分鐘；b、燒結(jié)階段燒結(jié)階段由下列步驟完成A、保溫階段，溫度為400℃，保溫時間30分鐘；B、預燒結(jié)階段，溫度為400℃～1000℃，升溫速度10℃/分鐘；C、保溫階段，溫度為1000℃，保溫時間30分鐘；D、燒結(jié)階段，溫度為1000℃～1250℃，升溫速度10℃/分鐘；
E、燒結(jié)溫度保溫，溫度為1250，保溫30分鐘；c、冷卻階段隨爐冷卻。
實施例3 陶瓷-金屬復合材料的制備1)、基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬中的成分配比(重量比)將Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均勻制備成基體合金料；2)、復合陶瓷相顆粒的制備按照Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.05的比例，將Ti粉加入到Al2O3顆粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇縮丁醛)酒精溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入量為每100克原料中滴加10毫升，攪拌混合，使Ti粉均勻包覆在氧化鋁顆粒表面，制備成粒徑為0.5毫米、Ti粉包覆的Al2O3復合陶瓷相顆粒。
3)、配料及造粒按照基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.45的比例，將基體合金料與復合陶瓷相顆?；旌蠑嚢杈鶆?；在攪拌過程中，滴加橡膠溶液成型劑，進行造粒；成型劑的加入量為每100克混合料中加入10毫升成型劑；4)、壓制成型采用壓力機將造粒料進行坯體的壓制成型，成型壓力為200MPa；保壓時間為40秒；5)、真空干燥成型后的坯體90℃真空干燥；6)、真空燒結(jié)燒結(jié)真空度為1.0×10-3Pa，燒結(jié)升溫過程如下a、脫脂預燒階段燒結(jié)溫度為0～400℃，升溫速度為10℃/分鐘；b、燒結(jié)階段燒結(jié)階段由下列步驟完成A、保溫階段，溫度為400℃，保溫時間30分鐘；B、預燒結(jié)階段，溫度為400℃～1000℃，升溫速度10℃/分鐘；C、保溫階段，溫度為1000℃，保溫時間30分鐘；D、燒結(jié)階段，溫度為1000℃～1380℃，升溫速度10℃/分鐘；
E、燒結(jié)溫度保溫，溫度為1380℃，保溫30分鐘；c、冷卻階段隨爐冷卻。
實施例4 試驗例1、抗彎強度的測試將燒結(jié)試樣磨平拋光后，再將試樣切割成尺寸為4mm×20mm×40mm的規(guī)則試條，倒角約0.3mm，材料的室溫抗彎強度采用三點彎曲法測定，跨距約15mm，抗彎強度實驗在INSTRON電子萬能材料試驗機上進行，壓頭下移速度為0.5mm/min，每組試樣測5根材料的抗彎強度計算公式如下σf＝3PL/(2bh2)式中σf-彎曲強度，MPa；L-支點的跨距，mm；P-斷裂的載荷，N；b-試樣的寬度，mm；h-試樣的厚度，mm根據(jù)表4-表6測試數(shù)據(jù)，氧化鋁顆粒加入后復合材料的抗彎強度有比較明顯的降低，但還是可以控制在使用允許的抗彎強度范圍內(nèi)。
表4物料配方1∶0.25的抗彎強度測試數(shù)據(jù)

表5物料配方1∶0.3的抗彎強度測試數(shù)據(jù)

表6基體合金的抗彎強度測試數(shù)據(jù)


復合材料試樣的抗彎強度隨著基體合金的含量增加而增加，隨著氧化鋁顆粒含量的增加而減小。純合金的抗彎強度明顯高于復合材料；純合金的強度測試數(shù)據(jù)波動比較小，表明粒度分布比較均勻，在燒結(jié)合金體內(nèi)留有的空隙比較少。而含有氧化鋁顆粒的復合材料，強度測試數(shù)據(jù)波動比較大，則說明了燒結(jié)的材料均勻性還不夠好。造成這種情況的主要原因是基體合金和氧化鋁顆粒的潤濕及結(jié)合情況不夠好，在它們的界面結(jié)合中還存在著相當部分的機械結(jié)合，而溶解和潤濕結(jié)合以及反應結(jié)合不夠理想。在以后的試驗中，還需進一步改善潤濕性。復合材料是通過壓制成型再經(jīng)燒結(jié)制成，但該法的缺點是基體原料與復合相材料混合不夠均勻，會影響材料的強度；鎳基合金和復合相之間的熱膨脹系數(shù)有差異，在冷卻階段會產(chǎn)生一定的界面應力，從而影響復合材料的強度。
2、硬度測試表7為復合材料的硬度測試結(jié)果。
表7復合材料的硬度(HRB)測試數(shù)據(jù)

注HRB測試中采用1.588mm鋼球壓頭，總負荷為100kg測試數(shù)據(jù)表明，同一種復合材料試樣硬度值變化比較大，這主要是因為試樣的密度不均勻所致。而純合金的硬度值變化幅度比較小，說明純合金密度較均勻。對于含有顆粒的復合材料，當壓頭壓在空隙上時，硬度值比較??；而壓在氧化鋁顆粒上時，硬度值將變大。
3、抗氧化性測試抗氧化性試驗在電阻爐中空氣氣氛下通過加熱氧化增重進行，升溫制度為每分鐘5℃，最高1250℃，保溫1小時，隨爐冷卻。表8為復合材料的抗氧化性測試結(jié)果。
所制備的復合材料的高溫抗氧化性的規(guī)律如下同一溫度下的復合材料，高溫抗氧化性隨基體合金百分比含量的增加而增強，隨氧化鋁顆粒含量的增加而降低。實驗現(xiàn)象表明，隨著氧化鋁顆粒復合相的增多，復合材料的配料均勻性不是太好，燒結(jié)致密度情況不夠好，燒結(jié)體內(nèi)有更多空隙，給了氧氣與合金基體更多的接觸面積，導致復合材料抗高溫氧化性能下降。
表8復合材料的抗氧化性測試數(shù)據(jù)

4、復合材料導熱系數(shù)的分析鎳基合金與氧化鋁的導熱率如表9所示表9鎳基合金與氧化鋁陶瓷的導熱率(W/m.k)

經(jīng)計算氧化鋁陶瓷/高溫合金復合材料在1000℃與1100℃時的熱導率如表10所示。
表10氧化鋁陶瓷/高溫合金復合材料導熱率(W/m.k)

由表9與表10可以看出，隨著氧化鋁顆粒加入量的增加，氧化鋁陶瓷/高溫合金復合材料的熱導率不斷降低，復合材料的熱導率高于氧化鋁的熱導率；但低于鎳基合金的熱導率，呈明顯的線性變化。
5、相關因素對復合材料力學性能的影響氧化鋁陶瓷的影響測試表明，鎳基合金試樣抗彎強度的平均值可以達到2065.56，而加入氧化鋁顆粒的復合材料試樣的強度分別是993.55MPa和904.36MPa?？梢钥闯鲅趸X顆粒的加入顯著降低了鎳基合金材料的抗彎強度。
鎳基合金試樣的HRB平均值可以達到79，而加入氧化鋁顆粒的試樣的HRB的2個平均值分別是67和62，可以看出氧化鋁顆粒的加入降低了鎳基合金材料的硬度。
氧化鋁顆粒的加入對鎳基燒結(jié)合金材料力學性能方面的影響主要有以下幾點1.氧化鋁顆粒的加入使混合的難度增加，混合不均勻?qū)Τ尚秃蜔Y(jié)后的材料強度的影響都很大；2.Ni的膨脹系數(shù)(15×10-6/℃)要比Al2O3(8.4×10-6/℃)大，冷卻時會在Al2O3/Ni界面形成空隙，降低高溫燒結(jié)材料的力學性能；3.因Ni的含量較多，在燒結(jié)過程中Ni會通過短程擴散，導致Ni顆粒團聚、長大，不利于燒結(jié)，也會降低和Al2O3顆粒的潤濕性，降低材料強度；4.氧化鋁金屬陶瓷復合材料在真空燒結(jié)過程中，由于坯體發(fā)生不均勻體積收縮，會導致復合材料產(chǎn)生裂紋，進而影響材料的強度；5.粘結(jié)劑的加入在高溫燒結(jié)后留下氣孔，也會影響材料的強度。
雖然氧化鋁顆粒的加入降低了鎳基合金材料的力學性能。但這些性能的降低是在材料使用允許范圍內(nèi)的降低。本研究是通過實驗得到金屬陶瓷復合材料的高溫力學性能和低導熱性能的之間的最佳匹配點。
燒結(jié)溫度的影響燒結(jié)溫度對復合材料性能有比較重要的影響。當燒結(jié)溫度低于1300℃時，真空燒結(jié)后的試樣的金屬光澤很差，基體燒結(jié)不完全；而當溫度達到1330℃時，基體的大部分就已經(jīng)開始熔化，可見這種氧化鋁/鎳基合金復合材料的燒結(jié)溫度范圍不是很寬。
燒結(jié)真空度的影響本研究在前期進行時，燒結(jié)爐真空度不夠高，坯體容易被氧化，對復合材料的燒結(jié)質(zhì)量產(chǎn)生了很大的不利影響。后期實驗，燒結(jié)爐的高真空改造已經(jīng)完成，所燒結(jié)試樣的性能得到顯著提高。
粘結(jié)劑的影響粘結(jié)劑的作用，在于使合金粉末與合金粉末之間及合金粉末與氧化鋁顆粒之間能夠互相牢固的粘結(jié)在一起。在材料燒結(jié)后能燃燒、氣化，不留殘渣，不形成孔洞。粘結(jié)劑加入量不宜過多，以能粘結(jié)增強體顆粒，使基體具有一定粘結(jié)性和干坯強度為宜。若加入量過多，易在合金粉末和氧化鋁顆粒上包覆一層厚厚的粘結(jié)劑膜，從而影響相互之間的接觸反應，以至影響合金的質(zhì)量。另外，過多的粘結(jié)劑也會使原料在壓制成型時產(chǎn)生的氣體量增加，從而在高溫狀態(tài)下，極大地增加了氣體在合金內(nèi)部的體積，氣泡不能及時排除，形成較多的孔洞，影響了合金的質(zhì)量。
實施例5 復合材料顯微組織結(jié)構分析材料，特別是復合材料的性能與其成分、組織結(jié)構有著十分密切的關系。一般地，材料的成分決定其組織結(jié)構，而組織結(jié)構又決定其性能。因此，在進行材料設計的過程中，首先要選擇合適的成分，才有可能形成理想的組織結(jié)構；同樣，只有對組成成分和組織結(jié)構進行合理設計，才能使復合材料的性能達到設計要求。
掃描電鏡主要采用二次電子成像。二次電子對試樣表面特征比較敏感。可以利用掃描電鏡結(jié)合能譜分析觀察材料斷口的微觀組織形貌、晶粒大小、晶粒間的結(jié)合狀態(tài)、夾雜物和氣孔的分布特點等。
圖3a、圖3b、圖3c和圖3d為本發(fā)明制備的陶瓷-金屬復合材料斷面的掃描電鏡照片。從圖3a、圖3b中可以看出，氧化鋁顆粒和基體合金之間還是具有一定的潤濕性結(jié)合，但是基體中也還存在著一定量的氣孔和裂痕。從圖3c斷面拋光照片可以看到圓形、顏色較深的氧化鋁顆粒和顏色較淺的基體材料之間的結(jié)合性較好，其間較大的、可見的縫隙很少，但基體上還有明顯的氣孔存在。由3d可以看出氧化鋁顆粒和基體合金之間具有較好的潤濕性結(jié)合，兩者可以比較緊密地粘結(jié)在一起。
本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人在本發(fā)明的啟示下得出的其他任何與本發(fā)明相同或相近似的產(chǎn)品，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種陶瓷-金屬復合材料的制備方法，其特征在于所述方法包括下列步驟1)、基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金，按照2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬中的成分配比(重量比)將Cr粉2份、Ni粉33份、WC粉48份、Mo粉10份和Fe粉8份混合均勻制備成基體合金料；2)、復合陶瓷相顆粒的制備所述復合陶瓷相顆粒為Ti粉包覆的Al2O3顆粒；3)、配料及造粒按照基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.15～0.45的比例，將基體合金料與復合陶瓷相顆?；旌蠑嚢杈鶆?；在攪拌過程中，滴加橡膠溶液成型劑，進行造粒；成型劑的加入量為每100克混合料中加入10～15毫升成型劑；4)、壓制成型采用壓力機將造粒料進行坯體的壓制成型，成型壓力為100～200MPa；保壓時間為40～100秒；5)、真空干燥成型后的坯體60～90℃真空干燥；6)、真空燒結(jié)燒結(jié)溫度1250～1380℃，燒結(jié)真空度為1.0×10-1～1.0×10-3Pa。
2.如權利要求1所述的陶瓷-金屬復合材料的制備方法，其特征在于所述復合陶瓷相顆粒的制備方法為按照Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.01～0.05的比例，將Ti粉加入到Al2O3顆粒料中，滴入PVB(聚乙烯醇縮丁醛)酒精溶液粘結(jié)劑，粘結(jié)劑加入量為每100克原料中滴加5～10毫升，攪拌混合，使Ti粉均勻包覆在氧化鋁顆粒表面，制備成粒徑為0.5～1.0毫米、Ti粉包覆的Al2O3復合陶瓷相顆粒。
3.如權利要求2所述的陶瓷-金屬復合材料的制備方法，其特征在于所述Ti粉與球形Al2O3顆粒重量比為1∶0.03。
4.如權利要求3所述的陶瓷-金屬復合材料的制備方法，其特征在于所述基體合金料與復合陶瓷相顆粒的體積比為1∶0.25。
5.如權利要求1-4之任一所述的陶瓷-金屬復合材料的制備方法，其特征在于所述真空燒結(jié)分三步來完成1)、脫脂預燒階段燒結(jié)溫度為0～400℃，升溫速度為10℃/分鐘；2)、燒結(jié)階段燒結(jié)階段由下列步驟完成A、保溫階段，溫度為400℃，保溫時間30分鐘；B、預燒結(jié)階段，溫度為400℃～1000℃，升溫速度10℃/分鐘；C、保溫階段，溫度為1000℃，保溫時間30分鐘；D、燒結(jié)階段，溫度為1000℃～燒結(jié)溫度，升溫速度10℃/分鐘；E、燒結(jié)溫度保溫，溫度為1250～1380℃，保溫30分鐘；3)、冷卻階段隨爐冷卻。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陶瓷－金屬復合材料的制備方法，所述方法包括下列步驟1)基體合金料配比以2Cr33Ni48WC10MoFe8鎳基金屬作為基體合金；2)復合陶瓷相顆粒的制備以Ti粉包覆的Al
文檔編號B22F3/16GK101063187SQ20071010761
公開日2007年10月31日 申請日期2007年5月23日 優(yōu)先權日2007年5月23日
發(fā)明者劉福田, 陳啟祥, 杜文華, 周波, 李文虎, 趙正, 李兆前 申請人:濟南鋼鐵股份有限公司, 濟南大學