一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法
阅读说明：本技术 一种金属改性陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法 (Preparation method of metal modified ceramic particle reinforced metal matrix composite material ) 是由 陈华辉 付道仁 范磊 曹洪治 马峰 李国华 黄啸 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明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。本发明的技术工艺简单、成本低、无环境污染。(The invention provides a preparation method of a metal modified ceramic particle reinforced metal matrix composite, which comprises the following steps: 1) ball-milling and uniformly mixing Ti-Cu-Ni metal powder; 2) coating the surfaces of the ceramic particles with a binder, then uniformly coating Ti-Cu-Ni metal powder, and drying; 3) mixing Ti-Cu-Ni metal modified ceramic particles with metal matrix powder, pressing to form a composite material pressed compact, and preparing the ceramic particle reinforced metal matrix composite material or the surface local reinforced composite material by adopting a vacuum sintering or casting method. The composite material prepared by the invention has the advantages that the metallurgical bonding is formed between the ceramic particles and the metal matrix, and the impact resistance and the abrasion resistance of the composite material are obviously improved. The invention has simple technical process, low cost and no environmental pollution.)
技术领域：本发明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。
背景技术：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。
发明内容
：本发明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。本发明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。
本发明所述陶瓷颗粒为ZTA、Al2O3、TiC、VC、ZrO2、SiC中的任一或多种组合，颗粒尺寸在0.5-4mm。
本发明所述陶瓷颗粒预处理的预烧温度为1000～1200℃，保温时间为60～120min。
本发明所述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。
本发明所述Ti-Cu-Ni混合金属粉末行星球磨时间为30～120min，转速为30～300r/min。
本发明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。
本发明所述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％。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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。
本发明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℃。
本发明的原理：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。
本发明的优异效果：
(1)本发明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)本发明通过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)本发明使用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
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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)将Fe45金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Fe45基体粉末与改性ZTA颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，随后将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，自室温开始以5℃/min的速率升温至250℃，并保温30min，保温结束后以10℃/min的速率升温至1200℃，并在1200℃保温40min，保温结束后随炉冷至室温，得到Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Fe45基复合材料。
实施例2
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性ZTA和Al2O3混合颗粒增强Fe45基复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径1～2mm的ZTA和Al2O3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Al2O3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Al2O3陶瓷颗粒与10％wtPVA粘结剂混合均匀，粘结剂的加入量占Al2O3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和Al2O3混合颗粒按质量比为20：100的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后烘干处理。
(4)将Fe45金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Fe45基体粉末与改性ZTA和Al2O3混合颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，随后将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，自室温开始以5℃/min的速率升温至250℃，并保温30min，保温结束后以10℃/min的速率升温至1200℃，并在1200℃保温40min，保温结束后随炉冷至室温，得到Ti-Cu-Ni改性ZTA和Al2O3混合颗粒增强Fe45基复合材料。
实施例3
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Ni55基复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径2～3mm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20：40：40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10wt.％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10：100的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后烘干处理。
(4)将Ni55金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Ni55基体粉末与改性ZTA颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，随后将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，自室温开始以5℃/min的速率升温至250℃，并保温30min，保温结束后以10℃/min的速率升温至980℃，并在980℃保温40min，保温结束后随炉冷至室温，得到Ti-Cu-Ni改性Al2O3颗粒增强Ni55基复合材料。
实施例4
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性Al2O3颗粒增强Ni55基复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径2～3mm的Al2O3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Al2O3颗粒放入真空碳管烧结炉中进行1200℃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30：35：35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Al2O3陶瓷颗粒与10wt.％PVA粘结剂混合均匀，粘结剂的加入量占Al2O3陶瓷颗粒总质量的2％，将步骤(2)混合的Ti-Cu-Ni金属粉末与Al2O3颗粒按质量比为25：100的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后烘干处理。
(4)将Ni55金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Ni55基体粉末与改性Al2O3颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，随后将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，自室温开始以5℃/min的速率升温至250℃，并保温30min，保温结束后以10℃/min的速率升温至980℃，并在980℃保温40min，保温结束后随炉冷至室温，得到Ti-Cu-Ni改性Al2O3颗粒增强Ni55基复合材料。
实施例5
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性Al2O3颗粒增强Fe45基复合材料压柸后，浇注钢液凝固成型制备局部强化复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径1～2mm的Al2O3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Al2O3颗粒放入真空碳管烧结炉中进行1200℃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Al2O3陶瓷颗粒与10wt.％PVA粘结剂混合均匀，粘结剂的加入量占Al2O3陶瓷颗粒总质量的2％，将步骤(2)混合的Ti-Cu-Ni金属粉末与Al2O3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)将Fe45金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Fe45基体粉末与改性Al2O3颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，将压柸放入铸造模型中固定，浇注钢液凝固成型制备局部强化复合材料。
实施例6
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强Fe45基复合材料压柸后，浇注铁液凝固成型制备局部强化复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径2～3mm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Al2O3颗粒放入真空碳管烧结炉中进行1200℃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Al2O3陶瓷颗粒与10wt.％PVA粘结剂混合均匀，粘结剂的加入量占Al2O3陶瓷颗粒总质量的2％，将步骤(2)混合的Ti-Cu-Ni金属粉末与Al2O3颗粒按质量比为20：100的比例进行机械搅拌，搅拌均匀后烘干处理。
(4)将Fe45金属粉末与1wt.％PVA溶液置于行星球磨机中球磨120min，转速为300r/min，球磨后的Fe45基体粉末与改性Al2O3颗粒采用机械搅拌的方式搅拌均匀，混合均匀后在500MPa的压力下进行分级压制，每次达到最大压力后保压5min，得到压坯，将压柸放入铸造模型中固定，浇注铁液凝固成型制备局部强化复合材料。
实施例7
本实例所示方法用来制备Ti-Cu-Ni改性ZTA颗粒增强高铬铸铁基复合材料，具体包括以下步骤：
(1)将粒径2～3mm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Al2O3颗粒放入真空碳管烧结炉中进行1200℃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70：15：15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颗粒、Ti-Cu-Ni金属粉末、粘结剂三者均匀混合混合，随后放入特定形状的模具中，并对其进行烘干处理，烘干温度为150℃，烘干时间为60min。
(4)将预制体置于热处理炉中，以10℃/min的升温速率加热至300℃保温120min。
(5)将预制体固定到砂型型腔中，选着传统的铸渗法浇铸高铬铸铁金属液，浇铸温度为1400℃。
以上内容仅为说明本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提供的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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