專利名稱：多尺度陶瓷／金屬復合耐磨材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及高性能耐磨材料的制備技術，具體地說是一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料及其制備方法。
背景技術：
磨損是工件失效的主要形式之一，造成了能源和原材料的大量消耗。據不完全統計，平均每年消耗了世界各工業國家3%左右的鋼鐵，20-30%的能源。我國平均每年消耗耐磨鋼大約為300-400萬噸，價值在600億元以上。耐磨鋼作為降低磨損的有效手段，廣泛用于能源、建材、冶金、礦山、交通、裝備制造、環保及國防等領域。例如，火電、水泥、礦山、冶金等行業大量使用的粉磨機械的磨輥、磨盤和球磨機的磨球、襯板，挖掘機的斗齒、鏟斗，各種破碎機的破碎壁、齒板、風扇磨機的打擊板等都需要使用高性能耐磨鋼。隨著我國工業的快速發展，對基礎產業，如電力、建材、礦山等行業的產能需求不斷擴大，每年需要磨14-15億噸原煤、40-50億噸水泥原料、6-8億噸礦石。粉磨機械作為各類礦石制粉的主要設備，有球磨、立磨、和輥壓機等，每年消耗耐磨鋼100萬噸以上、消耗的電力占企業耗能總量的60%以上。耐磨鋼是耐磨損性能強的鋼鐵材料的總稱，是當今耐磨材料中用量最大的一種。 耐磨鋼的發展經歷了從高錳鋼、普通白口鑄鐵、鎳硬鑄鐵、高鉻鑄鐵以及中高合金白口鑄鐵、耐磨合金鋼等幾個階段。目前，高錳鋼、高鉻鑄鐵、中低合金鋼等是粉碎裝備中用量最多的幾類耐磨鋼。廣泛應用于粉碎裝備的高錳鋼、高鉻鑄鐵、中低合金鋼等耐磨鋼都存在高耐磨性與高強韌性準以高度統一的問題。盡管經過幾十年的努力，人們已通過合金化方法并結合冶煉、鑄造、變形加工、熱處理等手段，使上述耐磨鋼的綜合性能得到顯著提高，但高耐磨性與高強韌性之間的矛盾仍未從根本上得到解決。同時，利用合金化方法提高耐磨鋼綜合性能，都需使用大量稀缺金屬元素，鑒于耐磨鋼磨損導致資源不可回收再利用的特點，稀缺金屬資源的大量消耗，已成為制約耐磨鋼發展的一個新問題。因此，開發出高耐磨性與高強韌性統一、不用或少用稀缺合金元素的資源節約型高性能耐磨鋼，已成為耐磨鋼材料的發展趨勢。除繼續探索新的合金化技術外，利用復合材料技術可實現多種材料性能最佳組合的特點，通過研發耐磨鋼的復合材料技術適應耐磨鋼技術發展趨勢的努力，正日益受到學術界和產業界的重視。目前，國際上耐磨鋼的復合材料技術主要涉及均質鋼基耐磨復合材料、層狀及鑲嵌式復合結構耐磨鋼、我國原創的基于材料與結構多級復合的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料等三種技術途徑。現已發展的均質鋼基耐磨復合材料，是以鋼為粘結金屬，以難熔金屬碳化物作硬質相的結合材料，在一些嚴酷的磨損工況中得到了工業應用。其組織特點是微細硬質晶粒均勻分散于鋼基體中，兼有硬質化合物的硬度、耐磨性，以及鋼的強度和韌性，處于普通硬質合金和鋼的中間地位。但粘結劑最常使用的添加元素有鎳、鉻等稀缺金屬，且需要粉末冶金方法、浸漬法、熱壓法、熱等靜壓法、噴射成形法、混合攪拌鑄造法及等離子熔融粉末法等加工方法制備，致使現有鋼鐵基耐磨復合材料不具備明顯的性價比優勢，其推廣應用受到較大限制。層狀及鑲嵌式復合結構耐磨鋼，以兩種或多種耐磨性和強韌性不同的材料并通過熔合、壓合、燒結、噴涂、鑲嵌等方法獲得，結構復合是其基本特點。與均質鋼基耐磨復合材料相比，這類耐磨復合鋼能獲得更好的使用性能，但也存在許多亟待解決的問題。對于層狀復合結構耐磨鋼，內部高強韌結構鋼與外層高耐磨鋼在膨脹系數和塑性方面的顯著差別， 往往導致外層高耐磨鋼在制備和使用過程中出現開裂而加劇磨損，使其高耐磨性優勢未得到很好發揮。對于鑲嵌式復合結構耐磨鋼，鑲嵌在高韌性鋼中的柱狀、球狀陶瓷或硬質合金具有很強的耐磨性，能顯著提高材料的耐磨性能，但在制備、使用和成本方面仍面臨一系列限制其推廣應用的問題。當采用硬質合金作為耐磨基元時，由于硬質合金自身價格高，加之硬質合金與金屬基體的可靠結合往往需要利用釬焊手段，大規模推廣應用將因過高的成本壓力而受到限制。當采用陶瓷耐磨基元時，如何在復合過程中保證陶瓷與鋼的可靠結合而又不產生過大的內應力、如何在使用過程中防止陶瓷的破碎脫落，至今也未得到很好解決
發明內容
本發明提供了一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料及其制備方法，有效解決了由于陶瓷與金屬膨脹系數差異過大而導致的界面開裂的現象，實現了良好的界面結合，避免了陶瓷塊與金屬復合存在的大塊剝落現象，進而明顯提高了多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的使用壽命。本發明的技術方案是一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，以泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料為耐磨基元、以高韌性金屬為約束框架，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料和高韌性金屬通過鑄造方法復合成耐磨材料。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料是泡沫陶瓷與金屬在微米和毫米兩個尺度上的材料復合，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料與高韌性金屬約束框的復合，是在進行泡沫陶瓷與金屬復合時同時實現的兩種材料在厘米尺度上的結構復合。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料是泡沫陶瓷與金屬在毫米尺度上的材料復合，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料與高韌性金屬約束框的復合，是在進行泡沫陶瓷與金屬復合時同時實現的兩種材料在厘米尺度上的結構見合。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，將泡沫陶瓷鑲嵌到高韌性金屬約束框內，利用常壓鑄造、擠壓鑄造、真空鑄造或負壓吸鑄方法，使熔融的金屬進入到泡沫陶瓷中的三維連通網孔內，實現泡沫陶瓷與金屬從微米到毫米再到厘米三個尺度的復合，或者實現泡沫陶瓷與金屬從毫米到厘米兩個尺度的復合。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，所述泡沫陶瓷是泡沫碳化硅、泡沫氮化硅、泡沫氧化鋁、泡沫氧化鋯或泡沫玻璃，網孔的平均尺寸為0. 5mm-5mm，泡沫陶瓷的體積分數為5% -70%，平均晶粒尺寸在10ηπι-300μπι ；泡沫陶瓷是致密的或多孔的
4泡沫陶瓷骨架。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，所述熔融的金屬是鑄鐵、鑄鋼、銅合金、鋁合金或鑄造鎂合金。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，鑄鐵是球墨鑄鐵或灰鐵，鑄鋼是鑄造碳鋼或鑄造合金鋼，銅合金是鑄造錫青銅、鋁青銅或鉛青銅，鋁合金是鋁硅合金、 鋁銅合金、鋁鎂合金或鋁鋅合金。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，高韌性金屬約束框是單孔或多孔結構，孔形是方形、圓形、六邊形或其它多邊形，高韌性金屬約束框為通孔或半通孔；對于半通孔，孔底面有一個或數個倒錐形小孔；約束框壁厚或孔壁厚根據需要設計成泡沫陶瓷最大橫向尺寸的1/100-1/2 ；約束框的材質是鋼、銅合金或鋁合金；約束框采用精密鑄造、計算機輔助快速成型以及機加工方法獲得。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，鋼框材質是16Mn鋼、20#鋼、 35#鋼、45#鋼或其它結構鋼；銅合金框材質是錫青銅、鋁青銅或鉛青銅框；鋁合金框材質是鋁硅合金、鋁銅合金或鋁鎂合金。所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，在泡沫陶瓷網孔內填加陶瓷粉，陶瓷粉是SiC、SiO2或Al2O3，粒度為200nm-lmm，加入量為泡沫陶瓷重量的 Owt% -50wt%，加入方法為將陶瓷粉灌入泡沫陶瓷網孔中，通過機械振動的方法將陶瓷粉振實。本發明具有如下有益效果1.多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料是一種資源節約型耐磨鋼。以高性能泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料為耐磨基元、以高韌性金屬為約束框架，利用鑄造方法獲得的資源節約型高性能耐磨材料。多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料不使用稀缺金屬元素(Cr、Ni、Mo)，可以節約大量稀缺金屬元素。因此，一方面可以實現基礎產業節能、降耗、減排，促進耐磨材料技術進步，實現可持續發展；另一方面在大型高效節能粉碎裝備使用資源節約型高性能耐磨鋼，具有明顯的示范性和帶動性。2.多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料具有優良的耐磨性能和良好的強韌性。將碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等制備成泡沫陶瓷，既能保持陶瓷的耐磨性能的優勢， 同時又能發揮三維網絡的整體增強特性，是一種具有結構增強的陶瓷材料。將金屬熔液壓注或灌注到泡沫陶瓷網孔中獲得陶瓷/金屬雙連續相復合材料，成為多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的耐磨單元。該耐磨單元具有很強的耐磨能力、高的抗壓強度和斷裂韌性。該耐磨單元與高韌性金屬約束框的結合，使多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料同時具備優良的耐磨性能和良好的強韌性。測試結果表明以35號鋼為約束框、泡沫碳化硅/球墨鑄鐵雙連續相復合材料為耐磨單元的多尺度復合耐磨鋼的耐磨性能是高鉻鑄鐵的7倍、高錳鋼的30倍，沖擊韌性是高鉻鑄鐵10倍。因此，在一些重要的應用領域替代高鉻鑄鐵將產生可觀的經濟效益和和社會效益。例如，我國火電、水泥、礦山是耐磨鋼的使用大戶。目前使用的大型粉磨裝備正朝著高效、節能化方向發展，立磨、輥壓磨逐步占據了主導地位，急需高性能耐磨鋼予以支撐。 現有立磨、輥壓機的磨輥、磨盤等關鍵耐磨構件大多采用鋼中耐磨性能很好的高鉻鑄鐵，并以鑄件或堆焊方式予以使用。高耐磨性與高強韌性矛盾、稀缺資源過度消耗的耐磨鋼兩大共性問題在高鉻鑄鐵上表現得尤為突出，2009年，使用高鉻鑄鐵的磨輥、磨盤的消耗量已達 30萬噸以上，價值70億元以上。隨著立磨、輥壓磨的大量推廣，高鉻鑄鐵將面臨的巨大市場壓力。具有優良耐磨和沖擊性能的多尺度復合耐磨鋼替代高鉻鑄鐵將產生可觀的社會和經濟效益。3.采用多尺度復合技術，提高了多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的使用壽命。泡沫陶瓷與金屬和高韌性約束框是在微米、毫米和厘米尺度的復合，有效解決了由于陶瓷與金屬膨脹系數差異過大而導致的界面開裂的現象，實現了良好的界面結合，避免了陶瓷塊與金屬復合存在的大塊剝落現象，進而明顯提高了多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的使用壽命。4.成本低、使用方便采用反應燒結工藝和空氣氣氛中燒結工藝制造出的碳化硅、氧化鋁、氧化鋯等泡沫陶瓷，能夠充分利用燒結爐的有效空間，可以實現批量化生產；利用在空氣氣氛中的擠壓鑄造工藝具有復合工藝簡單、成型速度快并且可以近終型制造等特點，能夠進行連續化低成本制造。多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料可以根據實際生產需要生產出多尺度耐磨整體構件和分體部件，采用螺栓、鉚釘或焊接方式安裝，安裝方便并且便于更換。總之，本發明提出了一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法。用該方法制備的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料具有優良的耐磨性能和抗沖擊性能、成本低、使用方便等特點。
圖1 (a)為多尺度復合耐磨鋼樣件示意圖。圖1(b)為不同樣件的失重率與磨損距離關系圖。圖2為多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料制備工藝流程圖。圖3(a)_(b)為35#鋼約束框示意圖；其中，圖3(a)為俯視圖；圖3(b)為仰視圖。 圖中，1約束框；2倒錐孔；3方孔；4橫筋。圖4為泡沫碳化硅陶瓷塊示意圖。圖5為鑲嵌泡沫碳化硅陶瓷塊的約束框示意圖。圖6為中速磨磨輥構件正面示意圖。圖7為中速磨磨輥構件側面示意圖。圖8為實施例7的35#鋼約束框俯視圖；圖中，1約束框；2倒錐孔；3方孔；4橫筋。圖9為實施例8的16錳鋼約束框示意圖；圖中，1約束框；2倒錐孔；3方孔；4橫筋。圖10為泡沫碳化硅陶瓷塊示意圖。圖11為鑲嵌泡沫碳化硅陶瓷塊的約束框示意圖。圖12為多尺度復合耐磨鋼構件-正面示意圖。
具體實施例方式中國科學院金屬研究所利用其在高性能泡沫陶瓷/金屬雙連續相材料技術(中國專利申請，申請號200610046242. X)方面的經驗積累和技術優勢，在國際上率先提出“利用材料多尺度復合技術，發展不依賴于Cr、Mo、M及其它稀缺金屬的、能很好實現高耐磨性與高強韌性統一的新型耐磨材料”的設想，并研制出以泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料為高強耐磨基元、以高韌性金屬為約束框架的多尺度復合耐磨材料。在多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料中，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料是泡沫陶瓷與金屬在微米和毫米兩個尺度上的材料復合，具有很高的抗壓強度和耐磨性，而泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料與高韌性金屬約束框的復合，是在進行泡沫陶瓷與金屬復合時同時實現的兩種材料在厘米尺度上的結構復合。本發明中，微米尺度是指0. 1-100微米(不含100微米)，毫米尺度是指0. 1_10毫米(不含10毫米)，厘米尺度是指1-10厘米。泡沫陶瓷與金屬在微米和毫米兩個尺度上的材料復合，使兩種材料之間有著很強的相互約束作用，同時大幅度減小了復合材料的內應力，因而能在充分發揮陶瓷耐磨性的前提下，很好地避免鑲嵌式復合結構耐磨材料中陶瓷耐磨單元破碎脫落的問題。高韌性金屬框架對雙連續相復合材料的約束使多尺度復合耐磨材料具備很好的抗沖擊性能。測試結果表明其中的泡沫碳化硅陶瓷/鑄鐵(鑄鋼)/高韌性鋼三相構成的多尺度復合耐磨鋼較高錳鋼和高鉻鑄鐵分別具有三十倍以上和七倍以上的耐磨性，其沖擊韌性也達到高鉻鑄鐵的10倍以上，同時也證實了多尺度復合耐磨鋼能在不利用Cr、Mo、Ni及其它稀缺金屬的前提下實現高耐磨性與高強韌性理想結合的優勢。性能測試結果表明其中的泡沫碳化硅陶瓷/鑄鐵(鑄鋼)/高韌性鋼三相構成的多尺度復合耐磨鋼的抗壓強度超過650MPa，沖擊韌性超過50J/cm2，耐磨性能達到高鉻鑄鐵的7倍，顯示出實現材料高耐磨性與高強韌性理想配合的優勢，如圖l(a)-(b)所示。本發明還提供了多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，制備工藝流程如圖2所示，主要包括泡沫陶瓷塊制備、高韌性約束框制造、泡沫陶瓷塊鑲嵌、預熱、金屬熔煉、復合、機加工修整等，形成多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料。制備過程如下(1)高韌性約束框制造采用精密鑄造(機加工)的方法鑄造(加工)出需要形狀和尺寸的高韌性鋼約束框。高韌性約束框的材質可以是鋼框，如16Mn鋼、20#鋼、35#鋼、45#鋼或其它結構鋼等；可以是銅合金框，如錫青銅、鋁青銅或鉛青銅框等；可以是鋁合金框，如鋁硅合金、鋁銅合金、 鋁鎂合金等。在約束框底面開倒錐孔，以便在復合過程中，熔融的金屬液體在壓力的作用下，充型至倒錐孔內，凝固后形成鉚釘作用，提高雙連續相復合材料與約束框的結合強度。(2)泡沫陶瓷塊制備泡沫碳化硅陶瓷塊制備參見專利1. 一種高強度碳化硅泡沫陶瓷及其制備方法(專利號ZL00110479. 9)，以熱解后能保持高殘碳率的高分子材料為原料，以聚胺酯泡沫塑料為骨架，經掛漿、固化、熱解、滲硅處理，獲得致密泡沫碳化硅陶瓷塊。所述泡沫陶瓷網孔的平均尺寸為0.5mm-5mm;泡沫陶瓷的體積分數為 5% -70%，平均晶粒尺寸在ΙΟηπΗΒΟΟμπι，泡沫陶瓷筋的相對密度大于98%。2. 一種雙尺度碳化硅泡沫陶瓷材料及其制備方法(申請號200910Μ8558. 0)，碳化硅泡沫陶瓷具有三維連通網絡結構，宏觀上具有毫米級尺度相互連通的網孔，孔徑范圍為0. 5mm-5mm ；陶瓷骨架筋內部具有微米級尺度相互連通的網孔，孔徑范圍為5 100 μ m。 所述碳化硅泡沫陶瓷以多邊型封閉環為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網絡，泡沫陶瓷的體積分數為5% -70%，碳化硅平均晶粒尺寸在ΙΟηπΗΒΟΟμπι。利用上述兩個專利制備出所需尺寸和形狀的泡沫碳化硅陶瓷塊。首先，切割出相應尺寸的聚氨脂泡沫，浸掛碳化硅料漿并擠出多余料漿后，放入烘箱中加溫固化定型，取出后重復浸掛碳化硅料漿直至達到需要的體積分數，然后經過熱解、機加工切割成需要形狀和尺寸的泡沫陶瓷碳塊，再經過反應燒結滲硅、高溫除硅處理，獲得多孔泡沫碳化硅陶瓷塊。其它泡沫陶瓷的制備方法在成型方面與泡沫碳化硅陶瓷成型方法一樣，同樣采用料漿浸掛的方法制備，制備過程如下第一步，料漿配制按重量百分比計，將陶瓷微粉A(wt% ) 30-50、穩定劑B (wt % )2_10、燒結助劑 C(wt%) 2-10、溶劑D (wt% ) 66-30混合后，經機械攪拌后球磨，過濾，得料漿，所述料漿溶液為溶質總重量的5-60% ；其中陶瓷微粉A 陶瓷微粉為氮化硅、氧化鋁、氧化鋯或玻璃微粉等，粒度為 200nm-lmm ；穩定劑B 氧化鎂、氧化鈰或稀土等，粒度為IOnm-IO μ m ；燒結助劑C 氧化鈦或氧化釔等，粒度為IOnm-IO μ m ；溶劑D 硅溶膠、硅酸乙脂或水玻璃等。第二步，浸掛將聚胺脂泡沫剪裁成所需形狀和尺寸，均勻地浸入料漿中、拿出后擠去多余料漿、 采用氣吹或離心的方式除去多余料漿，加熱半固化，重復多次，至達到所需要的體積分數， 得到泡沫陶瓷前驅體。其中，半固化是在100_250°C溫度下熱固化，時間10分鐘_2小時。第三步，熱解將泡沫陶瓷前驅體在氬氣、氮氣或其它惰性氣體的保護下熱解，生成泡沫陶瓷骨架；其中，升溫速率每分鐘1_5°C，升溫至800-1200°C，保溫0. 5-2小時。第四步，燒結成型在空氣氣氛中，對泡沫陶瓷骨架燒結成型，升溫速率為每分鐘5_15°C，燒結溫度為1400°C _1750°C，保溫時間為0. 5-8小時，得泡沫陶瓷材料。所述泡沫陶瓷以多邊型封閉環為基本單元，各基本單元相互連接形成三維連通網絡，泡沫陶瓷網孔的平均尺寸為0. 5mm-5mm ；泡沫陶瓷的體積分數為5% -70%，平均晶粒尺寸在 10nm-300 μ m。其宏觀上可以具有毫米級尺度相互連通的網孔，孔徑范圍為0. 5mm-5mm ；陶瓷骨架筋內部可以具有微米級尺度相互連通的網孔，孔徑范圍為5 100 μ m。本發明中，在泡沫陶瓷網孔內可以填加陶瓷粉，加入方法為將陶瓷粉灌入泡沫陶瓷網孔中，通過機械振動的方法將陶瓷粉振實。陶瓷粉是Sic、SiO2或Al2O3，粒度為 200nm-lmm，加入量為泡沫陶瓷重量的Owt% -50wt%。
(3)鑲嵌首先，將高韌性金屬約束框表面毛化處理，如噴砂毛化等，表面處理的目的在于提高界面結合質量。然后，將泡沫陶瓷塊鑲嵌到高韌性金屬約束框中。(4)金屬熔煉將鑄鐵或鑄鋼或銅合金或鋁合金放入中頻感應熔煉爐或坩堝熔煉爐內，按照相應的技術要求熔煉。例如，熔煉球墨鑄鐵，采用蓋澆法熔煉。首先，將生鐵進行熔煉，熔煉溫度為 1300°C -1400°C;然后，將定量的球化劑(稀土硅鐵鎂合金)和孕育劑(硅鐵)加入到澆注坩堝底部；然后，倒入生鐵液體，等充分反應后再澆注到模具中，球墨鑄鐵成分見表2。表2球墨鑄鐵成分
權利要求
1.一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，其特征在于以泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料為耐磨基元、以高韌性金屬為約束框架，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料和高韌性金屬通過鑄造方法復合成耐磨材料。
2.按權利要求1所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，其特征在于泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料是泡沫陶瓷與金屬在微米和毫米兩個尺度上的材料復合，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料與高韌性金屬約束框的復合，是在進行泡沫陶瓷與金屬復合時同時實現的兩種材料在厘米尺度上的結構復合。
3.按權利要求1所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料，其特征在于泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料是泡沫陶瓷與金屬在毫米尺度上的材料復合，泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料與高韌性金屬約束框的復合，是在進行泡沫陶瓷與金屬復合時同時實現的兩種材料在厘米尺度上的結構復合。
4.按權利要求1所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于將泡沫陶瓷鑲嵌到高韌性金屬約束框內，利用常壓鑄造、擠壓鑄造、真空鑄造或負壓吸鑄方法，使熔融的金屬進入到泡沫陶瓷中的三維連通網孔內，實現泡沫陶瓷與金屬從微米到毫米再到厘米三個尺度的復合，或者實現泡沫陶瓷與金屬從毫米到厘米兩個尺度的復合。
5.按權利要求4所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于所述泡沫陶瓷是泡沫碳化硅、泡沫氮化硅、泡沫氧化鋁、泡沫氧化鋯或泡沫玻璃，網孔的平均尺寸為0. 5mm-5mm，泡沫陶瓷的體積分數為5% -70 %，平均晶粒尺寸在10nm_300ym ；泡沫陶瓷是致密的或多孔的泡沫陶瓷骨架。
6.按權利要求4所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于所述熔融的金屬是鑄鐵、鑄鋼、銅合金、鋁合金或鑄造鎂合金。
7.按權利要求5所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于鑄鐵是球墨鑄鐵或灰鐵，鑄鋼是鑄造碳鋼或鑄造合金鋼，銅合金是鑄造錫青銅、鋁青銅或鉛青銅，鋁合金是鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金或鋁鋅合金。
8.按權利要求4所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于高韌性金屬約束框是單孔或多孔結構，孔形是方形、圓形、六邊形或其它多邊形，高韌性金屬約束框為通孔或半通孔；對于半通孔，孔底面有一個或數個倒錐形小孔；約束框壁厚或孔壁厚根據需要設計成泡沫陶瓷最大橫向尺寸的1/100-1/2 ；約束框的材質是鋼、銅合金或鋁合金；約束框采用精密鑄造、計算機輔助快速成型以及機加工方法獲得。
9.按權利要求8所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于鋼框材質是16Mn鋼、20#鋼、35#鋼、45#鋼或其它結構鋼；銅合金框材質是錫青銅、鋁青銅或鉛青銅框；鋁合金框材質是鋁硅合金、鋁銅合金或鋁鎂合金。
10.按權利要求4所述的多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料的制備方法，其特征在于在泡沫陶瓷網孔內填加陶瓷粉，陶瓷粉是Sic、SiO2或Al2O3，粒度為200nm-lmm，加入量為泡沫陶瓷重量的-50wt%，加入方法為將陶瓷粉灌入泡沫陶瓷網孔中，通過機械振動的方法將陶瓷粉振實。
全文摘要
本發明涉及高性能耐磨材料的制備技術，具體地說是一種多尺度陶瓷/金屬復合耐磨材料及其制備方法。以高性能泡沫陶瓷/金屬雙連續相復合材料為耐磨基元、以高韌性金屬為約束框架，利用鑄造方法獲得的資源節約型高性能耐磨材料。該耐磨材料具有多尺度復合結構特征，耐磨單元在微米和毫米尺度復合，耐磨單元與約束框在厘米尺度的復合。這種結構能夠很好地實現材料高耐磨性與高強韌性合理匹配，耐磨性能和沖擊韌性分別是高鉻鑄鐵的7倍和10倍以上，同時不使用稀缺合金元素(Cr、Ni、Mo等)。本發明應用于粉碎、挖掘、輸運等大型工程裝備，其耐磨性能優良、成本低、使用方便，大幅度提高使用壽命和生產效率，產生良好的社會效益和經濟效益。
文檔編號B22D19/00GK102357652SQ20111025324
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月30日 優先權日2011年8月30日
發明者付超, 全鋒厚, 張勁松, 曹小明, 楊振明, 田沖, 金鵬, 馬得舉 申請人:遼寧卓異新材料有限公司