耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、AlN和Al2O3粉，重量百分比為12-28﹪Ti粉、3-7﹪Ni粉、13-35﹪AlN粉和30-60﹪Al2O3粉，Ti粉與Ni粉的重量比=4:1，所述的制備方法包括以下步驟：⑴配料混合球磨，⑵粉碎干燥，⑶壓制成形，⑷燒結(jié)，燒結(jié)后隨爐冷卻出爐、脫模。該材料組織致密，具有較高的耐腐蝕性能，尤其是耐鋁液腐蝕性能，在鋁液中的耐腐蝕性能具有十分重要的工程應(yīng)用價值；該制備方法簡化、生產(chǎn)成本低。
【專利說明】耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料及其制備方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】:
本發(fā)明涉及耐鋁液腐蝕材料領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬陶瓷材料及其制備方法。
[0002]【背景技術(shù)】:
隨著鋁制品需求量的增加，造成裝金屬鋁液、鋁合金液的容器、液態(tài)鋁輸送管道以及測溫保護套管等用材料的損耗量隨之增加，獲得較優(yōu)良的耐鋁液腐蝕的材料具有十分重要的工程應(yīng)用價值。液態(tài)鋁與鋁合金由于其強烈的腐蝕性，對裝鋁合金液、鋁合金液輸送管道以及測鋁液熱電偶保護套管等材料的耐蝕性提出了更高的要求。
[0003]氧化鋁是一種研究較早的陶瓷材料，以氧化鋁為基體的復(fù)合陶瓷材料具有高硬度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能，因此被廣泛應(yīng)用于冶金、化工、機械、電子和航空航天等領(lǐng)域；但是純氧化鋁脆性大、韌性低，如何解決這一缺陷也成為眾多國內(nèi)外研究學(xué)者一直研究的熱點。材料研究者通過將金屬加入氧化鋁基體材料中，使得氧化鋁基體的脆性問題得到了很大程度的改善，大量研究報道表明，在改善氧化鋁材料韌性的同時，往往會伴隨其成本的提高，因此如何降低材料的制備成本也成為人們研究的關(guān)鍵性問題。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了 201110094542.6 一種氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料的制備方法，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，通過以下方法制備:(1)在普通中頻感應(yīng)爐中1000~1300°C，將鈦粉和硼粉加入鋁液，保溫5~10分鐘，制備鋁鈦硼中間合金；按重量百分比計鋁鈦硼中間合金組成為 ，硼0.5~2.0 %，鈦3.0~7.0 %，鋁為余量；(2)以氧化鋁陶瓷作為基體材料，以鋁鈦硼中間合金、稀有金屬為增韌補強添加相，按照氧化鋁86%~95%、鋁鈦硼中間合金3%~8%、稀有金屬2%~6%的質(zhì)量百分比稱取原料；⑶將稱好的原料混合，以乙醇為介質(zhì)強化球磨100~120小時后，放置真空干燥箱干燥并過200目篩，制得均勻混合粉體必)采用熱壓燒結(jié)工藝，以氮氣作為燒結(jié)氣氛，燒結(jié)溫度1480~1580°C，燒結(jié)壓力28~35 M P a，保溫時間25~35分鐘，即可制備高韌性、高強度的氧化鋁基陶瓷復(fù)合材料。
[0004]陶瓷金屬復(fù)合材料特點是將陶瓷的優(yōu)點如耐高溫、高強度、和抗氧化性等與金屬的優(yōu)點如良好的韌性和抗彎強度等相結(jié)合，獲得一種具有良好綜合性能的材料；另外，金屬相的加入還可以改善陶瓷相的燒結(jié)性能和脆性。用來制備陶瓷-金屬復(fù)合材料最常用的陶瓷有耐高溫的氧化物、硅化物、硼化物、碳化物和氮化物等；其中，碳化硼因具有優(yōu)異的綜合性能，越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。碳化硼具有超高硬度，低密度的特性。目前密實燒結(jié)的純B4C陶瓷片多是采用在2300°C下高溫加壓燒結(jié)的方式得到。由于陶瓷的致密化過程較困難，所以最終得到的材料致密度在95%左右，要想獲得高致密度(> 98% )的陶瓷材料對設(shè)備和工藝的要求極高。目前所能制得的B4C陶瓷抗壓強度一般在1.7GPa~2.8GPa之間，HV能達(dá)到1220~1250，抗彎強度在280MPa~400MPa之間。由于碳化硼的性能與陶瓷的致密度相關(guān)，而致密度則與燒結(jié)溫度，保溫時間及加壓壓力密切相關(guān)，因此要獲得高性能的致密陶瓷材料由于對成型設(shè)備和工藝過程都要求很高，造成了產(chǎn)品成本過高，且最終成型的產(chǎn)品因為陶瓷高硬度的限制而無法進行正常切削加工，因此，其產(chǎn)品的應(yīng)用也受到了極大的限制。針對陶瓷制備要求高，脆性大及不易機加工的缺點開發(fā)了無壓浸滲制備的B4C/A1金屬陶瓷材料技術(shù)。采用相對于密實燒結(jié)來說較低的燒結(jié)溫度(2000°C左右)來制備陶瓷骨架，降低了對設(shè)備的要求，減少了制備時間；且金屬鋁的加入能改善陶瓷的韌性。選擇金屬鋁是因為碳化硼與鋁的密度相近，且純鋁的延展性，流動性較佳，可在一定溫度下通過毛細(xì)吸力自動浸滲入碳化硼骨架的空隙中，無需再額外加壓。而鋁的加入使最終成型的金屬陶瓷產(chǎn)品具有導(dǎo)電性，可以利用線切割機加工成任意所需形狀。目前對于B4C/A1的研究取得較大的進展是降低了陶瓷的燒結(jié)溫度(在1900°C~2000°C之間燒結(jié))，鋁的加入將陶瓷材料的抗彎強度提高到300GPa~600GPa之間，斷裂韌性也得到改善，國內(nèi)李青等人制備的B4C/A1復(fù)合材料的抗彎強度達(dá)601MPa，斷裂韌性為9.2MPa.πι1/2，但是卻相應(yīng)的降低了其硬度(HV900~1050之間)和抗壓強度(1.2GPa~1.5GPa)，并且性能受金屬鋁量的影響較大(其中陶瓷骨架的孔隙率，金屬鋁的流動性決定了金屬鋁量的多少)。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了 201110453215.5 一種高抗壓強度低密度的陶瓷金屬復(fù)合材料的制備方法，步驟如下:⑴造粒成型:以摻雜碳化硅陶瓷粉末和碳化硼粉末為陶瓷物料，將質(zhì)量百分比為5~50%的摻雜碳化硅陶瓷粉末和余量碳化硼粉末加入三維行星式混粉機進行混粉；在混勻后的陶瓷物料中加入質(zhì)量濃度為4%的粘結(jié)劑PVA并混合造粒，粘結(jié)劑P V A的加入量為陶瓷物料總質(zhì)量的2~10% ;造粒后，再采用24~60目篩子過篩；靜置12小時后再將所造粒子置于鑄鐵模具中加壓成型，得到預(yù)制坯，模壓壓力為50~120 M P a，保壓30~150 s，⑵無壓燒結(jié):將預(yù)制坯置于真空燒結(jié)爐中，抽真空，真空為10-2 P a，以5~IO0C / m i η速度升溫至1600~1900°C燒結(jié)，保溫0.5~2 h，得到B 4 C- S i C基多孔預(yù)燒體，⑶無壓浸滲:將鋁塊放在B 4 C-S i C基多孔預(yù)燒體上，并共同放置在真空燒結(jié)爐中升溫至1000~1200°C，保溫0.5~2 h，得到陶瓷金屬，⑷熱處理:將陶瓷金屬放置熱處理爐中，并加熱至650~900°C溫度，保溫8~24 h后取出，并置于水中做淬火處理。
[0005]金屬陶瓷材料是由一種或多種陶瓷相與金屬或合金組成的多相復(fù)合材料。按性能和用途可分為耐熱型、耐磨型和耐腐蝕型等。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局公開了CN200610053348.2 一種金屬/金屬陶瓷復(fù)合材料，其是在低合金鋼基材上復(fù)合金屬陶瓷而成，所述金屬陶瓷為金屬基碳化鈦，其包括粘結(jié)相金屬和分散在粘結(jié)相金屬中的硬質(zhì)顆粒相碳化鈦；所述低合金鋼與金屬陶瓷之間為冶金結(jié)合，結(jié)合界面處的粘結(jié)相金屬與所述低合金鋼之間存在擴散互溶區(qū)，擴散互溶區(qū)內(nèi)存在硬質(zhì)顆粒相的梯度過渡層；所述的粘結(jié)相金屬為鎳基自熔合金，所述的碳化鈦由自蔓延高溫合成反應(yīng)體系中的鈦和碳在澆鑄所述低合金鋼時所引發(fā)的自蔓延高溫合成反應(yīng)生成；所述的自蔓延高溫合成反應(yīng)體系以質(zhì)量百分比計其組成為:鎳基自熔合金35~45%，鈦Ti44~52%，碳C 11~13%。
[0006]賽隆陶瓷具有較好的韌性，很高的硬度和耐磨性，以及非常高的高溫抗氧化性。制備賽隆陶瓷的原始物料為Si3N4、A1203、A1N、Y203及其他金屬氧化物，燒結(jié)時容易通過液相繞結(jié)達(dá)到致密化，制備工藝可以采用無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)或氣壓燒結(jié)。盡管賽隆等陶瓷材料具有很強的耐鋁液腐蝕能力，但是其脆性大，尤其在冷、熱交變的工況條件極易開裂限制了其使用。金屬與陶瓷復(fù)合材料可有效的改善單一陶瓷材料的脆性，使整體的強、韌性得到改善，為制備既具有優(yōu)良強韌性又具有高耐鋁液腐蝕性能的材料提高了條件。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明的目的在于提供一種制備過程簡單，材料組織致密，具有較好的韌性、硬度、耐磨性和高溫抗氧化性能，尤其具有耐鋁液腐蝕性能的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料及其制備方法。
[0008]本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、AlN和A1203粉，重量百分比為12-28 % Ti 粉、3-7 % Ni 粉、13-35 % AlN 粉和 30-60 % A1203 粉，Ti 粉與 Ni 粉的重量比=4:1，所述的Ti粉、Ni粉、AlN粉和A1203粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成。
[0009]耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料還包括TiN，其重量百分比為5-10 %。
[0010]耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料還包括Y203，其重量百分比為2-10 %。
[0011]所述的Ti粉和Ni粉的純度> 97.8%，粒度< 20微米。
[0012]所述的AIN、TiN、Y203和A1203粉的純度> 97.8%，粒度< 50微米。
[0013]所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法包括以下步驟:
⑴配料混合球磨:按照重量百分比配料混合球磨，球磨介質(zhì)為乙醇，球磨時間為10-16小時；
⑵粉碎干燥:將球磨后混合均勻的粉料粉碎、干燥；
⑶壓制成形:將上述混合粉末裝入模具壓制成所需形狀的坯料；
⑷燒結(jié):對上述坯料進行電場激活熱壓輔助燒結(jié)，所述的燒結(jié)在氬氣保護氣氛下真空燒結(jié)，所述的真空度< 10Pa，燒結(jié)溫度為1150°C _1250°C，保溫時間為5~10分鐘，燒結(jié)后隨爐冷卻出爐、脫模。
[0014]所述的步驟⑴中混合球磨按照:粉末混合料:球:乙醇的重量比為1: 2:1的方式進行。
[0015]所述的步驟⑶中的模具為石墨模具。
[0016]所述的步驟⑷中加熱、保溫過程中對坯料電場激活熱壓輔助施加的壓強為55-65MPa。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下列有益效果:
本發(fā)明為低溫?zé)Y(jié)金屬陶瓷復(fù)合材料，簡化了生產(chǎn)工藝、降低生產(chǎn)成本、大大提高了金屬陶瓷復(fù)合材料的致密性，具有較好的韌性、硬度、耐磨性和高溫抗氧化性能，從而提高了金屬陶瓷復(fù)合材料的耐腐蝕性能，同時提高了金屬陶瓷材料的使用壽命，該材料在鋁液中的耐腐蝕性能具有十分重要的工程應(yīng)用價值。
[0018]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發(fā)明實施例一耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料掃描電子顯微照片；
圖2為本發(fā)明實施例一耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的XRD衍射圖譜。
[0019]【具體實施方式】:
下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步說明:
實施例一:參見圖1和圖2，一種耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，包括Ti粉、Ni粉、AlN粉、TiN粉、Y203粉和A1203粉，重量百分比為16 % Ti粉、4 % Ni粉、17 % AlN粉、8 %TiN 粉、5 % Y203 粉和 50 % A1203 粉，所述的 Ti 粉、Ni 粉、AlN 粉、TiN 粉、Y203 粉和 A1203粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成；其制備方法包括以下步驟:(1)配料混合球磨:以Ti粉、Ni粉、AlN粉、TiN粉、Y203粉和A1203粉為原料，AlN和A1203粉的純度> 99.8%、粒度I微米，TiN粉、Y203粉、Ti和Ni粉的純度> 99.8%、粒度0.5微米，按照重量百分比裝入球磨機，球磨介質(zhì)為乙醇，按照粉末混合料:球:乙醇的重量比為1:2:1配料，開機球磨，球磨時間為16小時，球磨采用間隙式球磨，即球磨I小時，停機半小時；(2)粉碎干燥:球磨完成后，將混合均勻的粉料取出，并在120°C下烘干、研碎；⑶壓制成形:將上述混合粉末充填到石墨模具，放于小型壓力機上，將其壓制成所需形狀的壓坯；⑷燒結(jié):最后將該壓好壓坯的石墨模具放入電場激活熱壓輔助燃燒爐中進行燒結(jié)，燒結(jié)是在氬氣保護氣氛下進行，加熱、保溫過程中對壓坯施加60MPa壓強，爐內(nèi)真空度維持在IOPa以下，燒結(jié)溫度為1250°C，保溫時間為5~10分鐘，燒結(jié)完畢后隨燃燒爐一同冷卻至100°C以下時出爐，然后從燃燒爐中取出、脫模。
[0020]本發(fā)明球磨過程主要作用是使粘接金屬T1、Ni粉細(xì)化并均勻包裹AlN粉、TiN粉、Y203粉、A1203粉末顆粒。本發(fā)明耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料致密度高、耐鋁液腐蝕性能好。本發(fā)明耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料在熔融的鋁液中進行腐蝕試驗，較其他金屬材料，如不銹鋼、鑄鐵等耐腐蝕性能明顯提高。本發(fā)明耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料試樣用排水法測試致密度為99.6%，本發(fā)明耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料試樣掃描電子顯微組織如圖1所示，本發(fā)明耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料試樣的XRD衍射圖譜如圖2所示。
[0021]兩種不同材料在700°C鋁液腐蝕8小時后的平均腐蝕速率，如表一所示。
[0022]表一兩種不同材料的耐鋁液腐蝕性能比較
【權(quán)利要求】
1.耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，其特征在于:包括Ti粉、Ni粉、AlN和A1203粉，重量百分比為12-28 % Ti粉、3-7 % Ni粉、13-35 % AlN粉和30-60 % A1203粉，Ti粉與Ni粉的重量比=4:1，所述的Ti粉、Ni粉、AlN粉和A1203粉經(jīng)過混合球磨、壓制、電場激活熱壓輔助燃燒爐燒結(jié)而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，其特征在于:其還包括TiN，其重量百分比為5-10 %。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，其特征在于:其還包括Y203，其重量百分比為2-10 %。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的Ti粉和Ni粉的純度> 97.8%，粒度< 20微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料，其特征在于:所述的A1N、TiN、Y203和A1203粉的純度> 97.8%，粒度< 50微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或5所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法包括以下步驟: ⑴配料混合球磨:按照重量百分比配料混合球磨，球磨介質(zhì)為乙醇，球磨時間為10-16小時； ⑵粉碎干燥:將球磨后混合均勻的粉料粉碎、干燥； ⑶壓制成形:將上述混合粉末裝入模具壓制成所需形狀的坯料； ⑷燒結(jié):對上述坯料進行電場激活熱壓輔助燒結(jié)，所述的燒結(jié)在氬氣保護氣氛下真空燒結(jié)，所述的真空度< 10Pa，燒結(jié)溫度為1150°C _1250°C，保溫時間為5~10分鐘，燒結(jié)后隨爐冷卻出爐、脫模。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟⑴中混合球磨按照:粉末混合料:球:乙醇的重量比為1: 2:1的方式進行。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟⑶中的模具為石墨模具。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟⑷中加熱、保溫過程中對坯料電場激活熱壓輔助施加的壓強為55-65MPa。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的耐鋁液腐蝕高密度金屬陶瓷材料的制備方法，其特征在于:所述的步驟⑷中加熱、保溫過程中對坯料電場激活熱壓輔助施加的壓強為55-65MPa。
【文檔編號】C22C1/05GK103938051SQ201310019103
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月20日
【發(fā)明者】何兆龍 申請人:江蘇兆龍電氣有限公司