一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法

一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法
【專利摘要】一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，采用化學氣相沉積方法可以在各種形狀的陶瓷單體上制備均勻連續、純度較高的金屬活化涂層，并通過改變涂層的種類和結構，以改善復合過程中陶瓷與金屬間的潤濕性，提高復合質量。最后通過消失模鑄造工藝，即將沉積好金屬活化涂層的陶瓷增強體固定于聚苯乙烯泡沫模型中，然后進行金屬液澆鑄成型。本發明采用實體陶瓷作為增強體，并對陶瓷增強體進行合理的結構設計，控制增強體體積分數與分布；通過陶瓷增強體表面形成活化涂層，改善了陶瓷與金屬的界面結合狀況；操作簡單易行、成本低廉，可制備出綜合性能良好，能應對各種復雜工況條件的鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
【專利說明】
一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于耐磨材料領域，具體涉及一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法。
【背景技術】
[0002]耐磨材料廣泛應用于冶金、礦山、港口、電力、煤炭、建材等各個工業領域，覆蓋面廣且消耗量巨大。許多工件及設備由于磨損而迅速失效。磨損損失了世界一次能源的1/3，據不完全統計，我國每年因磨損造成的經濟損失在1000億元人民幣以上，僅磨料磨損每年就要消耗300多萬噸金屬耐磨材料，且還以每年15%的速度在增長。高壽命耐磨材料的研制和使用，關系到國民經濟的長期穩定發展。目前國內外廣泛應用的傳統耐磨鋼鐵材料包括尚猛鋼、絡系抗磨鑄鐵、銀硬鑄鐵、球墨鑄鐵、合金鋼等，往往尚硬度和尚初性等性能相互制約，綜合性能較差，這是傳統耐磨材料部件存在的共性問題。因此，由以上單一材料制備的襯板很難應對復雜工況條件下各種磨損的共同作用，達不到既抗沖擊又耐磨損的綜合性能要求。
[0003]隨著復合材料制備技術的迅猛發展，陶瓷/金屬耐磨復合材料成為新的研究方向。目前隨著對陶瓷顆粒增強鋼鐵基耐磨復合材料研究的不斷深入，其應用過程中暴露出了越來越多的缺點:采用陶瓷顆粒彌散均勻分布在金屬材料易磨損部位，在設備或零件的易磨損部位形成耐磨復合層時，制備的復合層厚度偏小，在應用過程中，易產生斷裂或者整層剝落，不適于強沖擊、高應力等惡劣條件下。將陶瓷顆粒制備成多孔蜂窩狀預制體，形成蜂窩狀復合層結構，可以一定程度上改善整層復合存在的問題，但是陶瓷顆粒粒度、粒形及其分布狀況均能影響復合層性能且影響因素復雜不易控制；同時，陶瓷顆粒制備成陶瓷預制體仍存在制備工藝復雜，制作成本較高，預制體強度不足等缺點；制備的耐磨件復合層在使用過程中，陶瓷顆粒易脫落，復合材料的抗沖擊和高應力摩擦磨損性能仍然較差。
[0004]采用鑲鑄法制備陶瓷/金屬耐磨復合材料，耐磨鑲塊可根據零件的使用要求取用不同形狀、不同厚度、不同材質的預制塊，可在零件的一個或多個部位按照設計鑲鑄耐磨鑲塊，鑲鑄件表面質量較易控制，工藝過程簡單。
[0005]中國實用新型專利CN202100925U公開了一種陶瓷/鋼鐵復合襯板，該復合襯板金屬襯板內設置有若干沖壓或機鉆的孔洞，所述孔洞內通過膠粘劑層固定安裝有陶瓷塊。但機械造孔成本高且形狀受到限制，復合襯板易在基體與陶瓷增強體界面處產生缺陷。
[0006]中國發明專利CN101791894A公開了一種陶瓷/金屬基復合抗磨襯板的生產方法，選用一種高溫粘結劑將橫截面為規則對稱的正多邊形或圓形陶瓷抗磨單體逐一與鑄造模型型腔粘結，再將已熔煉好的高溫金屬液澆鑄到鑄造模型內，冷卻。該方法并未解決金屬熔液與陶瓷潤濕性差的問題，且陶瓷單體與金屬膨脹系數不同，使得界面處結合較差。
[0007]中國發明專利CN102139362A公開了一種陶瓷/鋼鐵特種復合襯板，所述復合襯板通過鑄造或翻砂工藝將特種陶瓷塊澆鑄到金屬襯板中，陶瓷塊與金屬襯板融合成一整體，該復合襯板具有良好的熱穩定性、抗沖擊性和抗震動性。但制作該襯板需要配制特種陶瓷且需要高溫燒結，難以大規模推廣應用。
[0008]中國實用新型專利CN201346896Y公開了一種一體化復合抗磨襯板。該襯板采用柱狀、條狀或片狀Al2O3陶瓷作為抗磨體，呈規則排列鑲嵌在襯板基體中，該復合襯板具有較好的抗沖擊和耐磨性能。然而，陶瓷/金屬復合材料的設計與制備涉及到諸如增強體體積分數與分布，陶瓷/金屬界面控制等問題，現有技術還未能完全解決這些問題。

【發明內容】

[0009]本發明的目的為了克服現有技術問題，提供一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，在預先做出合理結構設計的陶瓷增強體表面形成金屬活化涂層，實現陶瓷增強體與金屬基體的良好結合，從而提高襯板的綜合性能。
[0010]為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案:
[0011 ] 一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，包括如下步驟:
[0012](I)用砂紙對陶瓷增強體進行打磨并反復清洗，然后烘干;采用化學氣相沉積方法在陶瓷增強體表面形成金屬活化涂層；
[0013](2)采用消失模鑄造工藝:采用聚苯乙烯泡沫模型，將若干沉積有金屬活化涂層的陶瓷增強體固定在聚苯乙烯泡沫模型上，再進行金屬液澆鑄成型，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0014]本發明進一步的改進在于，所述陶瓷增強體為氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。
[0015]本發明進一步的改進在于，所述的金屬液采用的金屬為高鉻鑄鐵、高錳鋼或合金鋼。
[0016]本發明進一步的改進在于，陶瓷增強體在陶瓷/金屬耐磨復合層中所占體積分數20%?50%。
[0017]本發明進一步的改進在于，所述金屬活化涂層為鈦涂層或鎳涂層。
[0018]本發明進一步的改進在于，所述金屬活化涂層的厚度為10?40μηι。
[0019]本發明進一步的改進在于，陶瓷增強體為圓柱狀、長方體狀或C型橫截面的陶瓷增強體。
[0020]本發明進一步的改進在于，所述陶瓷增強體為圓柱狀時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈蜂窩狀分布，陶瓷增強體為長方體狀時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈若干正三角形分布，陶瓷增強體為具有C型橫截面的陶瓷增強體時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈若干彎曲的條狀分布。
[0021]本發明進一步的改進在于，所述步驟(2)具體過程如下:聚苯乙烯泡沫模型上具有若干與陶瓷增強體形狀相對應的凹部；將聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇后，再將若干鍍有金屬活化涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，再用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘;對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷消失模涂料，并使涂層厚度為I?2mm;每涂刷一遍涂料后將消失模烘干，然后將消失模埋入砂箱中且每個陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，將砂箱封閉，抽真空至0.05MPa，然后澆注金屬液，消失模隨著金屬液的流入而消失，冷卻后，金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，最后進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0022]相對于現有技術，本發明具有的有益效果:本發明采用陶瓷塊體鑲嵌于金屬基體易受磨損部位的方法中，陶瓷增強體制備簡單，成本低，可以按照需要，對陶瓷增強體形狀、尺寸和分布進行設計，避免了陶瓷顆粒增強鐵基耐磨材料中存在問題，如:選取的陶瓷顆粒對復合層性能影響因素復雜不易控制，預制體制備工藝復雜，強度不足，制備的耐磨件易出現鑄造缺陷，陶瓷顆粒易脫落，抗沖擊能力差等問題，且耐磨材料復合層厚度不受限制。
[0023]采用化學氣相沉積方法在陶瓷增強體表面制備金屬活化涂層，可改善陶瓷增強體與金屬基體的潤濕性。化學氣相沉積方法具有較好的繞鍍性，可在各種形狀陶瓷增強體表面形成金屬活化涂層，涂層均勻連續，純度高;通過改變涂層的種類和厚度來調整陶瓷與金屬間的界面結合強弱，可將界面結合強度由不足IMPa提升到1MPa以上，可有效避免陶瓷增強體易脫落的問題，實現了對陶瓷/金屬復合材料的界面控制，提高了陶瓷/金屬界面結合質量;通過對簡單形狀陶瓷增強體搭接形成所需較復雜形狀陶瓷增強體，可簡化陶瓷增強體制備過程，操作重復性強，易推廣應用。通過采用以上方法，保證了增強體在磨損過程中不脫落以保護金屬，同時金屬對增強體形成有效支撐。能適當提高陶瓷增強體體積分數，提高復合材料耐磨性能，且缺陷較少。該制備工藝簡單，成本較低，綜合性能良好，可適用于各種復雜工況條件所需的鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0024]本發明通過預先設計陶瓷增強體形狀及其在金屬基體中的排布方式，采用繞鍍性較好的化學氣相沉積法，在各種形狀陶瓷增強體表面形成均勻連續且純度很高的金屬活化涂層，改善陶瓷與金屬的潤濕性，從而保證陶瓷增強體在鑄造過程中與金屬之間產生良好的結合，制備出能應對各種復雜工況條件，綜合性能良好的鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0025]進一步的，采用圓柱形結構的陶瓷增強單體，復合層結構中金屬基體則呈蜂窩狀分布。該方案的陶瓷單體形狀簡單，易于制備;棱角較少，減少了復合層結構中的應力集中；可應對來自各個方向磨料的磨損，充分利用其宏觀“陰影效應”，保護金屬基體。采用長方體結構的陶瓷增強單體，將其排布成若干正三角形，分布在金屬基體中，復合層結構中金屬基體韌性區則呈三棱柱結構。該方案陶瓷單體制備簡單，避免了大塊陶瓷預制體易碎，制備工藝復雜等問題;若干貫穿于復合層且相互連接的三棱柱狀金屬區可以受到周圍陶瓷增強體的陰影保護，并實現了復合材料的強韌化結合，從而提高了復合層抗沖擊磨損能力。采用具有“C”形橫截面的陶瓷增強體，該方案設計分布的陶瓷單體把金屬韌性區域分割成若干狹窄彎曲的條狀，更有利于實現陶瓷增強體對金屬基體“陰影效應”的保護效果，且具有曲面的陶瓷增強體也可從一定程度上減小磨料對陶瓷增強體的沖擊與磨損，提高復合材料的使用壽命。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發明制得的鑲嵌經過表面改性的圓柱型氧化鋁陶瓷發明復合耐磨襯板結構示意圖；其中，圖(a)為圓柱狀氧化鋁陶瓷示意圖，圖(b)為復合耐磨襯板的剖視圖，圖(C)為圖(a)中沿A-A線的剖視圖。
[0027]圖2為本發明制得的鑲嵌經過表面改性的長方體型氧化鋁陶瓷發明復合耐磨襯板結構示意圖；其中，圖(a)為長方體型氧化鋁陶瓷示意圖，圖(b)為復合耐磨襯板的剖視圖，圖(C)為圖(a)中沿B-B線的剖視圖。
[0028]圖3為本發明制得的鑲嵌經過表面改性的具有“C”形橫截面的氧化鋁陶瓷發明復合耐磨襯板結構示意圖。其中，圖(a)為具有“C”形橫截面的氧化鋁陶瓷示意圖，圖(b)為復合耐磨襯板的剖視圖，圖(C)為圖(a)中沿C-C線的剖視圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖通過具體實例對本發明作進一步的描述。
[0030]以下實例是以較簡單形狀的Al2O3質量含量為99%的Al2O3陶瓷為增強體，高鉻鑄鐵為金屬基體為例進行說明，但不應視為對本發明的限定。
[0031]實施例1
[0032](I)參見圖1，將高為5_，直徑為5_的圓柱體型氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0033](2)稱取1.5g I2和0.5g Ti，將反應物料(I2和Ti)和陶瓷增強體置于石英管尾部，然后將石英管置于程控爐中，抽真空并通入Ar氣，反復三次，使石英管內獲得較高的無氧狀態以及較純的Ar氣保護氣氛，之后將氬氣流量調至80mL/min，充當保護氣體和載氣；以15?20°C/min升溫至沉積溫度1150°C，保溫60min，隨爐冷卻至室溫，取出陶瓷并對其表面反復清洗烘干，獲得表面具有均勻連續，厚度為10?40μπι的Ti涂層的陶瓷增強體。
[0034](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸，即具有多個圓柱體型凹部的消失模。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。將鍍有鈦涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，并使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。然后將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400°C，澆注操作過程采用慢一快一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0035]實施例2
[0036](I)將高為5mm，直徑為5mm的圓柱體型氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0037](2)稱取1.5g NiCl2.6H20進行脫水，首先在135°C溫度下脫水4h;研磨后在250°C高溫下脫水2h，脫水后為黃褐色的無水氯化鎳。將脫水后的氯化鎳，放入料舟中，并將其和陶瓷增強體放置于石英管中，然后將石英管置于程控爐中，抽真空后通入Ar氣，上述過程反復進行三次，使石英管內獲得較純的Ar氣氣氛，之后將Ar氣調至200mL/min。以20°C/min升溫至最終沉積溫度1150 °C，當溫度升高到600 0C時，開始通入氫氣(氫氣的流量為150mL/min)，保溫60min使原料反應完全，之后關閉氫氣和氬氣，隨爐冷卻至室溫，取出施鍍后的陶瓷增強體并對其表面反復清洗烘干，陶瓷表面獲得均勻連續，厚度為10?40μπι的金屬Ni涂層。
[0038](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸，即具有多個圓柱體型凹部的消失模。將鍍有鎳涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，并使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。然后將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400°C，澆注操作過程采用慢一快一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0039]實施例3
[0040](I)參見圖2，制取長度為6mm，寬為2_，高為5_的長方體型氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙對陶瓷增強體進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0041 ] (2)稱取1.2g I2和0.4g Ti，將反應物料(I2和Ti)和陶瓷增強體置于石英管尾部，然后將石英管置于程控爐中，抽真空并通入Ar氣，反復三次，使石英管內獲得較高的無氧狀態以及較純的Ar氣保護氣氛，之后將氬氣流量調至80mL/min，充當保護氣體和載氣；以15?20°C/min升溫至沉積溫度1150°C，保溫60min，隨爐冷卻至室溫，取出陶瓷并對其表面反復清洗烘干，獲得表面具有均勻連續，厚度為10?40μπι Ti涂層的陶瓷增強體。
[0042](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸，即具有多個長方體型凹部的消失模。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。將鍍有鈦涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，并使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，并將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400°C，澆注操作過程采用慢一一』決一一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0043]實施例4
[0044](I)制取長度為6_，寬為2_，高為5mm的長方體型氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙對陶瓷增強體進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0045](2)稱取1.4g NiCl2.6H20進行脫水，首先在135°C溫度下脫水4h;研磨后在250°C高溫下脫水2h，脫水后為黃褐色的無水氯化鎳。將脫水后的氯化鎳，放入料舟中，并將其和陶瓷增強體放置于石英管中，然后將石英管置于程控爐中，抽真空后通入Ar氣，上述過程反復進行三次，使石英管內獲得較純的Ar氣氣氛，之后將Ar氣調至200mL/min。以20°C/min升溫至最終沉積溫度1150°C，當溫度升高到600°C時開始通入氫氣(氫氣的流量為150mL/min)，保溫60min使原料反應完全，之后關閉氫氣和氬氣，隨爐冷卻至室溫，取出施鍍后的陶瓷增強體并對其表面反復清洗烘干，陶瓷表面獲得均勻連續，厚度為10?40μπι的金屬Ni涂層。
[0046](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸，即具有多個長方體型凹部的消失模。將鍍有鎳涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，并將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400 °C，澆注操作過程采用慢一一』決一一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0047]實施例5
[0048](I)參見圖3，制取長度為5mm，內徑為5mm，外徑1mm的“C”形橫截面的氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙對陶瓷增強體進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0049](2)稱取2.1g I2和0.7g Ti，將反應物料(I2和Ti)和陶瓷增強體置于石英管尾部，然后將石英管置于程控爐中，抽真空并通入Ar氣，反復三次，使石英管內獲得較高的無氧狀態以及較純的Ar氣保護氣氛，之后將氬氣流量調至80mL/min，充當保護氣體和載氣；以15?20°C/min升溫至沉積溫度1150°C，保溫60min，隨爐冷卻至室溫，取出陶瓷并對其表面反復清洗烘干，獲得表面具有均勻連續，厚度為10?40μπι Ti涂層的陶瓷增強體。
[0050](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。將鍍有鈦涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，并將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400°C，澆注操作過程采用慢一一』決一一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0051 ] 實施例6
[0052](I)制取長度為5mm，內徑為5mm，外徑1mm的“C”形橫截面的氧化鋁陶瓷增強體，用砂紙對陶瓷增強體進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，然后在干燥箱中烘干待用；
[0053](2)稱取2.7g NiCl2.6H20進行脫水，首先在135°C溫度下脫水4h;研磨后在250°C高溫下脫水2h，脫水后為黃褐色的無水氯化鎳。將脫水后的氯化鎳，放入料舟中，并將其和陶瓷增強體放置于石英管中，然后將石英管置于程控爐中，抽真空后通入Ar氣，上述過程反復進行三次，使石英管內獲得較純的Ar氣氣氛，之后將Ar氣調至200mL/min。以20°C/min升溫至最終沉積溫度1150°C，當溫度升高到600°C時開始通入氫氣(氫氣的流量為150mL/min)，保溫60min使原料反應完全，之后關閉氫氣和氬氣，隨爐冷卻至室溫，取出施鍍后的陶瓷增強體并對其表面反復清洗烘干，陶瓷表面獲得均勻連續，厚度為10?40μπι的金屬Ni涂層。
[0054](3)采用電阻絲切割聚苯乙烯泡沫板材，根據要求設計好消失模外形尺寸。再將加工好的聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇。將鍍有鈦涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，為保證澆注過程中陶瓷增強體不產生漂移，用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘。對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷兩遍消失模涂料，使涂層厚度為I?2mm。每涂刷一遍涂料后將消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。將消失模埋入砂箱中且陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，并將其封閉，抽真空至約0.05MPa，便于金屬液迅速沖型和消失模快速消失，然后澆注高鉻鑄鐵金屬液，澆注的溫度約為1400°C，澆注操作過程采用慢---決一一慢，并保持連續澆注，消失模隨著高鉻鑄鐵金屬液的流入而消失。在整個澆注過程中及澆注后10?20min真空系統仍然保持開啟狀態，便于氣體及時排出，冷卻后，直接從砂箱中取出鑄件，鑄件與干砂自然分離。冷卻后的金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到陶瓷金屬復合耐磨材料，最后對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
[0055]在發生磨損的過程中，陶瓷增強體和金屬基體是相輔相成的。陶瓷以其高硬度高耐磨性抵抗磨料的磨損，充分發揮其“陰影效應”保護金屬基體不受磨料的磨削；同時，金屬基體又給嵌入的陶瓷提供有力的支撐，使其不易發生碎裂。本發明對金屬基體中的陶瓷增強體做出了如下設計:參見圖1，實施例1和2均采用圓柱形結構的陶瓷增強單體，復合層結構中金屬基體則呈蜂窩狀分布。該方案的陶瓷單體形狀簡單，易于制備;棱角較少，減少了復合層結構中的應力集中；可應對來自各個方向磨料的磨損，充分利用其宏觀“陰影效應”，保護金屬基體。參見圖2，實施例3和4均采用長方體結構的陶瓷增強單體，將其排布成若干正三角形，分布在金屬基體中，復合層結構中金屬基體韌性區則呈三棱柱結構。該方案陶瓷單體制備簡單，避免了大塊陶瓷預制體易碎，制備工藝復雜等問題;若干貫穿于復合層且相互連接的三棱柱狀金屬區可以受到周圍陶瓷增強體的陰影保護，并實現了復合材料的強韌化結合，從而提高了復合層抗沖擊磨損能力。參見圖3，實施例5和6則改用具有“C”形橫截面的陶瓷增強體，該方案設計分布的陶瓷單體把金屬韌性區域分割成若干狹窄彎曲的條狀，更有利于實現陶瓷增強體對金屬基體“陰影效應”的保護效果，且具有曲面的陶瓷增強體也可從一定程度上減小磨料對陶瓷增強體的沖擊與磨損，提高復合材料的使用壽命。
[0056]本發明首先，用砂紙對陶瓷增強體進行機械粗加工，精確所需陶瓷增強體尺寸。先后將其放入蒸餾水和無水乙醇中，在超聲波清洗器中清洗15分鐘，清洗干凈之后，用干燥箱烘干;稱取所需氣相沉積反應原料用量，將陶瓷增強體與反應原料置于氣氛程控加熱爐中。加熱前，首先抽真空，抽真空后在氬氣保護的條件下進行氣相沉積，最后取出陶瓷，并對表面清洗、烘干，獲取表面鍍有均勻連續金屬活化涂層的陶瓷增強體。本發明要求陶瓷增強體在聚苯乙烯泡沫模型中按照預定設計分布，將每個陶瓷增強體進行固定，再在砂型中澆注鋼液。冷卻成型后，直接從砂箱中吊出鑄件，對鑄件進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊。
[0057]本發明中陶瓷增強體為氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷;所述的金屬基耐磨材料為尚絡鑄鐵、尚猛鋼或合金鋼。
[0058]本發明中陶瓷單體形狀以及在金屬基體分布狀態可按照需求進行合理設計，陶瓷增強體在陶瓷/金屬耐磨復合層中所占體積分數20%?50%，復合層厚度不受限制。本發明中金屬涂層在陶瓷增強體表面均勻連續分布，厚度為10?40μπι。
[0059]本發明采用化學氣相沉積方法，在各種形狀陶瓷增強體表面形成不同種類，均勻連續且純度較高的金屬活化涂層，從而改善陶瓷增強體與金屬基體的潤濕性。通過改變活化涂層的種類和結構，調整陶瓷與金屬間的界面結合強弱，實現了對陶瓷/金屬復合材料的界面控制。即使在陶瓷增強體體積分數較高情況下，制備的復合材料中陶瓷和金屬界面結合良好，缺陷較少，沒有出現陶瓷增強體的脫落現象，耐磨性能顯著提高。
[0060]通過以上方法，改善了陶瓷與金屬界面結合狀況，將陶瓷與金屬界面結合強度提升十倍以上，并可通過對陶瓷增強體做出合理的結構設計，能夠保證陶瓷增強體在磨損過程中不脫落并以最大限度的保護金屬基體，同時金屬對增強體形成有效支撐。從而制備出加工操作簡單，可重復性強，成本較低，綜合性能良好，能應對各種復雜工況條件的鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
【主權項】
1.一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)用砂紙對陶瓷增強體進行打磨并反復清洗，然后烘干;采用化學氣相沉積方法在陶瓷增強體表面形成金屬活化涂層； (2)采用消失模鑄造工藝:采用聚苯乙烯泡沫模型，將若干沉積有金屬活化涂層的陶瓷增強體固定在聚苯乙烯泡沫模型上，再進行金屬液澆鑄成型，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，從而得到鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板。2.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述陶瓷增強體為氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。3.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述的金屬液米用的金屬為尚絡鑄鐵、尚猛鋼或合金鋼。4.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，陶瓷增強體在陶瓷/金屬耐磨復合層中所占體積分數20 %?50 %。5.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述金屬活化涂層為鈦涂層或鎳涂層。6.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述金屬活化涂層的厚度為10?40μηι。7.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述陶瓷增強體為圓柱狀、長方體狀或C型橫截面的陶瓷增強體。8.根據權利要求7所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述陶瓷增強體為圓柱狀時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈蜂窩狀分布，陶瓷增強體為長方體狀時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈若干正三角形分布，陶瓷增強體為具有C型橫截面的陶瓷增強體時，陶瓷/金屬耐磨復合層中金屬呈若干彎曲的條狀分布。9.根據權利要求1所述的一種鑄造鑲嵌陶瓷/金屬耐磨復合襯板的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)具體過程如下:聚苯乙烯泡沫模型上具有若干與陶瓷增強體形狀相對應的凹部;將聚苯乙烯泡沫模型與澆冒口模型組合粘結在一起，形成模型簇后，再將若干鍍有金屬活化涂層的陶瓷增強體放入相應的消失模凹部，再用鐵漿糊在每個陶瓷增強體露出的表面粘結固定一根鐵釘;對固定好陶瓷增強體的消失模先后涂刷消失模涂料，并使涂層厚度為1?2mm;每涂刷一遍涂料后將消失模烘干，然后將消失模埋入砂箱中且每個陶瓷增強體上的鐵釘插入砂箱以實現整個澆注過程中對陶瓷增強體的固定，將砂箱封閉，抽真空至.0.05MPa，然后澆注金屬液，消失模隨著金屬液的流入而消失，冷卻后，金屬將陶瓷增強體緊緊包裹，陶瓷與金屬基體部凝固成一體，形成陶瓷/金屬耐磨復合層，最后進行表面清理，打磨去除澆鑄毛邊，得到陶瓷/金屬耐磨復合襯板。
【文檔編號】B22D19/08GK106077582SQ201610676898
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月16日 公開號201610676898.3, CN 106077582 A, CN 106077582A, CN 201610676898, CN-A-106077582, CN106077582 A, CN106077582A, CN201610676898, CN201610676898.3
【發明人】桑可正, 曾德軍, 高超飛, 李紅偉
【申請人】長安大學