一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法
【专利摘要】一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，采用化学气相沉积方法可以在各种形状的陶瓷单体上制备均匀连续、纯度较高的金属活化涂层，并通过改变涂层的种类和结构，以改善复合过程中陶瓷与金属间的润湿性，提高复合质量。最后通过消失模铸造工艺，即将沉积好金属活化涂层的陶瓷增强体固定于聚苯乙烯泡沫模型中，然后进行金属液浇铸成型。本发明采用实体陶瓷作为增强体，并对陶瓷增强体进行合理的结构设计，控制增强体体积分数与分布；通过陶瓷增强体表面形成活化涂层，改善了陶瓷与金属的界面结合状况；操作简单易行、成本低廉，可制备出综合性能良好，能应对各种复杂工况条件的镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。
【专利说明】
一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法
技术领域
[0001]本发明属于耐磨材料领域，具体涉及一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法。
【背景技术】
[0002]耐磨材料广泛应用于冶金、矿山、港口、电力、煤炭、建材等各个工业领域，覆盖面广且消耗量巨大。许多工件及设备由于磨损而迅速失效。磨损损失了世界一次能源的1/3，据不完全统计，我国每年因磨损造成的经济损失在1000亿元人民币以上，仅磨料磨损每年就要消耗300多万吨金属耐磨材料，且还以每年15%的速度在增长。高寿命耐磨材料的研制和使用，关系到国民经济的长期稳定发展。目前国内外广泛应用的传统耐磨钢铁材料包括尚猛钢、络系抗磨铸铁、银硬铸铁、球墨铸铁、合金钢等，往往尚硬度和尚初性等性能相互制约，综合性能较差，这是传统耐磨材料部件存在的共性问题。因此，由以上单一材料制备的衬板很难应对复杂工况条件下各种磨损的共同作用，达不到既抗冲击又耐磨损的综合性能要求。
[0003]随着复合材料制备技术的迅猛发展，陶瓷/金属耐磨复合材料成为新的研究方向。目前随着对陶瓷颗粒增强钢铁基耐磨复合材料研究的不断深入，其应用过程中暴露出了越来越多的缺点:采用陶瓷颗粒弥散均匀分布在金属材料易磨损部位，在设备或零件的易磨损部位形成耐磨复合层时，制备的复合层厚度偏小，在应用过程中，易产生断裂或者整层剥落，不适于强冲击、高应力等恶劣条件下。将陶瓷颗粒制备成多孔蜂窝状预制体，形成蜂窝状复合层结构，可以一定程度上改善整层复合存在的问题，但是陶瓷颗粒粒度、粒形及其分布状况均能影响复合层性能且影响因素复杂不易控制；同时，陶瓷颗粒制备成陶瓷预制体仍存在制备工艺复杂，制作成本较高，预制体强度不足等缺点；制备的耐磨件复合层在使用过程中，陶瓷颗粒易脱落，复合材料的抗冲击和高应力摩擦磨损性能仍然较差。
[0004]采用镶铸法制备陶瓷/金属耐磨复合材料，耐磨镶块可根据零件的使用要求取用不同形状、不同厚度、不同材质的预制块，可在零件的一个或多个部位按照设计镶铸耐磨镶块，镶铸件表面质量较易控制，工艺过程简单。
[0005]中国实用新型专利CN202100925U公开了一种陶瓷/钢铁复合衬板，该复合衬板金属衬板内设置有若干冲压或机钻的孔洞，所述孔洞内通过胶粘剂层固定安装有陶瓷块。但机械造孔成本高且形状受到限制，复合衬板易在基体与陶瓷增强体界面处产生缺陷。
[0006]中国发明专利CN101791894A公开了一种陶瓷/金属基复合抗磨衬板的生产方法，选用一种高温粘结剂将横截面为规则对称的正多边形或圆形陶瓷抗磨单体逐一与铸造模型型腔粘结，再将已熔炼好的高温金属液浇铸到铸造模型内，冷却。该方法并未解决金属熔液与陶瓷润湿性差的问题，且陶瓷单体与金属膨胀系数不同，使得界面处结合较差。
[0007]中国发明专利CN102139362A公开了一种陶瓷/钢铁特种复合衬板，所述复合衬板通过铸造或翻砂工艺将特种陶瓷块浇铸到金属衬板中，陶瓷块与金属衬板融合成一整体，该复合衬板具有良好的热稳定性、抗冲击性和抗震动性。但制作该衬板需要配制特种陶瓷且需要高温烧结，难以大规模推广应用。
[0008]中国实用新型专利CN201346896Y公开了一种一体化复合抗磨衬板。该衬板采用柱状、条状或片状Al2O3陶瓷作为抗磨体，呈规则排列镶嵌在衬板基体中，该复合衬板具有较好的抗冲击和耐磨性能。然而，陶瓷/金属复合材料的设计与制备涉及到诸如增强体体积分数与分布，陶瓷/金属界面控制等问题，现有技术还未能完全解决这些问题。
【发明内容】
[0009]本发明的目的为了克服现有技术问题，提供一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，在预先做出合理结构设计的陶瓷增强体表面形成金属活化涂层，实现陶瓷增强体与金属基体的良好结合，从而提高衬板的综合性能。
[0010]为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0011 ] 一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，包括如下步骤:
[0012](I)用砂纸对陶瓷增强体进行打磨并反复清洗，然后烘干;采用化学气相沉积方法在陶瓷增强体表面形成金属活化涂层；
[0013](2)采用消失模铸造工艺:采用聚苯乙烯泡沫模型，将若干沉积有金属活化涂层的陶瓷增强体固定在聚苯乙烯泡沫模型上，再进行金属液浇铸成型，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0014]本发明进一步的改进在于，所述陶瓷增强体为氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。
[0015]本发明进一步的改进在于，所述的金属液采用的金属为高铬铸铁、高锰钢或合金钢。
[0016]本发明进一步的改进在于，陶瓷增强体在陶瓷/金属耐磨复合层中所占体积分数20%?50%。
[0017]本发明进一步的改进在于，所述金属活化涂层为钛涂层或镍涂层。
[0018]本发明进一步的改进在于，所述金属活化涂层的厚度为10?40μηι。
[0019]本发明进一步的改进在于，陶瓷增强体为圆柱状、长方体状或C型横截面的陶瓷增强体。
[0020]本发明进一步的改进在于，所述陶瓷增强体为圆柱状时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈蜂窝状分布，陶瓷增强体为长方体状时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈若干正三角形分布，陶瓷增强体为具有C型横截面的陶瓷增强体时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈若干弯曲的条状分布。
[0021]本发明进一步的改进在于，所述步骤(2)具体过程如下:聚苯乙烯泡沫模型上具有若干与陶瓷增强体形状相对应的凹部；将聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇后，再将若干镀有金属活化涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，再用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉;对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷消失模涂料，并使涂层厚度为I?2mm;每涂刷一遍涂料后将消失模烘干，然后将消失模埋入砂箱中且每个陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，将砂箱封闭，抽真空至0.05MPa，然后浇注金属液，消失模随着金属液的流入而消失，冷却后，金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，最后进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0022]相对于现有技术，本发明具有的有益效果:本发明采用陶瓷块体镶嵌于金属基体易受磨损部位的方法中，陶瓷增强体制备简单，成本低，可以按照需要，对陶瓷增强体形状、尺寸和分布进行设计，避免了陶瓷颗粒增强铁基耐磨材料中存在问题，如:选取的陶瓷颗粒对复合层性能影响因素复杂不易控制，预制体制备工艺复杂，强度不足，制备的耐磨件易出现铸造缺陷，陶瓷颗粒易脱落，抗冲击能力差等问题，且耐磨材料复合层厚度不受限制。
[0023]采用化学气相沉积方法在陶瓷增强体表面制备金属活化涂层，可改善陶瓷增强体与金属基体的润湿性。化学气相沉积方法具有较好的绕镀性，可在各种形状陶瓷增强体表面形成金属活化涂层，涂层均匀连续，纯度高;通过改变涂层的种类和厚度来调整陶瓷与金属间的界面结合强弱，可将界面结合强度由不足IMPa提升到1MPa以上，可有效避免陶瓷增强体易脱落的问题，实现了对陶瓷/金属复合材料的界面控制，提高了陶瓷/金属界面结合质量;通过对简单形状陶瓷增强体搭接形成所需较复杂形状陶瓷增强体，可简化陶瓷增强体制备过程，操作重复性强，易推广应用。通过采用以上方法，保证了增强体在磨损过程中不脱落以保护金属，同时金属对增强体形成有效支撑。能适当提高陶瓷增强体体积分数，提高复合材料耐磨性能，且缺陷较少。该制备工艺简单，成本较低，综合性能良好，可适用于各种复杂工况条件所需的镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0024]本发明通过预先设计陶瓷增强体形状及其在金属基体中的排布方式，采用绕镀性较好的化学气相沉积法，在各种形状陶瓷增强体表面形成均匀连续且纯度很高的金属活化涂层，改善陶瓷与金属的润湿性，从而保证陶瓷增强体在铸造过程中与金属之间产生良好的结合，制备出能应对各种复杂工况条件，综合性能良好的镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0025]进一步的，采用圆柱形结构的陶瓷增强单体，复合层结构中金属基体则呈蜂窝状分布。该方案的陶瓷单体形状简单，易于制备;棱角较少，减少了复合层结构中的应力集中；可应对来自各个方向磨料的磨损，充分利用其宏观“阴影效应”，保护金属基体。采用长方体结构的陶瓷增强单体，将其排布成若干正三角形，分布在金属基体中，复合层结构中金属基体韧性区则呈三棱柱结构。该方案陶瓷单体制备简单，避免了大块陶瓷预制体易碎，制备工艺复杂等问题;若干贯穿于复合层且相互连接的三棱柱状金属区可以受到周围陶瓷增强体的阴影保护，并实现了复合材料的强韧化结合，从而提高了复合层抗冲击磨损能力。采用具有“C”形横截面的陶瓷增强体，该方案设计分布的陶瓷单体把金属韧性区域分割成若干狭窄弯曲的条状，更有利于实现陶瓷增强体对金属基体“阴影效应”的保护效果，且具有曲面的陶瓷增强体也可从一定程度上减小磨料对陶瓷增强体的冲击与磨损，提高复合材料的使用寿命。
【附图说明】
[0026]图1为本发明制得的镶嵌经过表面改性的圆柱型氧化铝陶瓷发明复合耐磨衬板结构示意图；其中，图(a)为圆柱状氧化铝陶瓷示意图，图(b)为复合耐磨衬板的剖视图，图(C)为图(a)中沿A-A线的剖视图。
[0027]图2为本发明制得的镶嵌经过表面改性的长方体型氧化铝陶瓷发明复合耐磨衬板结构示意图；其中，图(a)为长方体型氧化铝陶瓷示意图，图(b)为复合耐磨衬板的剖视图，图(C)为图(a)中沿B-B线的剖视图。
[0028]图3为本发明制得的镶嵌经过表面改性的具有“C”形横截面的氧化铝陶瓷发明复合耐磨衬板结构示意图。其中，图(a)为具有“C”形横截面的氧化铝陶瓷示意图，图(b)为复合耐磨衬板的剖视图，图(C)为图(a)中沿C-C线的剖视图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图通过具体实例对本发明作进一步的描述。
[0030]以下实例是以较简单形状的Al2O3质量含量为99%的Al2O3陶瓷为增强体，高铬铸铁为金属基体为例进行说明，但不应视为对本发明的限定。
[0031]实施例1
[0032](I)参见图1，将高为5_，直径为5_的圆柱体型氧化铝陶瓷增强体，用砂纸进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0033](2)称取1.5g I2和0.5g Ti，将反应物料(I2和Ti)和陶瓷增强体置于石英管尾部，然后将石英管置于程控炉中，抽真空并通入Ar气，反复三次，使石英管内获得较高的无氧状态以及较纯的Ar气保护气氛，之后将氩气流量调至80mL/min，充当保护气体和载气；以15?20°C/min升温至沉积温度1150°C，保温60min，随炉冷却至室温，取出陶瓷并对其表面反复清洗烘干，获得表面具有均匀连续，厚度为10?40μπι的Ti涂层的陶瓷增强体。
[0034](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸，即具有多个圆柱体型凹部的消失模。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。将镀有钛涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，并使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。然后将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400°C，浇注操作过程采用慢一快一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0035]实施例2
[0036](I)将高为5mm，直径为5mm的圆柱体型氧化铝陶瓷增强体，用砂纸进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0037](2)称取1.5g NiCl2.6H20进行脱水，首先在135°C温度下脱水4h;研磨后在250°C高温下脱水2h，脱水后为黄褐色的无水氯化镍。将脱水后的氯化镍，放入料舟中，并将其和陶瓷增强体放置于石英管中，然后将石英管置于程控炉中，抽真空后通入Ar气，上述过程反复进行三次，使石英管内获得较纯的Ar气气氛，之后将Ar气调至200mL/min。以20°C/min升温至最终沉积温度1150 °C，当温度升高到600 0C时，开始通入氢气(氢气的流量为150mL/min)，保温60min使原料反应完全，之后关闭氢气和氩气，随炉冷却至室温，取出施镀后的陶瓷增强体并对其表面反复清洗烘干，陶瓷表面获得均匀连续，厚度为10?40μπι的金属Ni涂层。
[0038](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸，即具有多个圆柱体型凹部的消失模。将镀有镍涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，并使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。然后将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400°C，浇注操作过程采用慢一快一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0039]实施例3
[0040](I)参见图2，制取长度为6mm，宽为2_，高为5_的长方体型氧化铝陶瓷增强体，用砂纸对陶瓷增强体进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0041 ] (2)称取1.2g I2和0.4g Ti，将反应物料(I2和Ti)和陶瓷增强体置于石英管尾部，然后将石英管置于程控炉中，抽真空并通入Ar气，反复三次，使石英管内获得较高的无氧状态以及较纯的Ar气保护气氛，之后将氩气流量调至80mL/min，充当保护气体和载气；以15?20°C/min升温至沉积温度1150°C，保温60min，随炉冷却至室温，取出陶瓷并对其表面反复清洗烘干，获得表面具有均匀连续，厚度为10?40μπι Ti涂层的陶瓷增强体。
[0042](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸，即具有多个长方体型凹部的消失模。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。将镀有钛涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，并使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，并将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400°C，浇注操作过程采用慢一一』决一一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0043]实施例4
[0044](I)制取长度为6_，宽为2_，高为5mm的长方体型氧化铝陶瓷增强体，用砂纸对陶瓷增强体进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0045](2)称取1.4g NiCl2.6H20进行脱水，首先在135°C温度下脱水4h;研磨后在250°C高温下脱水2h，脱水后为黄褐色的无水氯化镍。将脱水后的氯化镍，放入料舟中，并将其和陶瓷增强体放置于石英管中，然后将石英管置于程控炉中，抽真空后通入Ar气，上述过程反复进行三次，使石英管内获得较纯的Ar气气氛，之后将Ar气调至200mL/min。以20°C/min升温至最终沉积温度1150°C，当温度升高到600°C时开始通入氢气(氢气的流量为150mL/min)，保温60min使原料反应完全，之后关闭氢气和氩气，随炉冷却至室温，取出施镀后的陶瓷增强体并对其表面反复清洗烘干，陶瓷表面获得均匀连续，厚度为10?40μπι的金属Ni涂层。
[0046](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸，即具有多个长方体型凹部的消失模。将镀有镍涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，并将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400 °C，浇注操作过程采用慢一一』决一一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0047]实施例5
[0048](I)参见图3，制取长度为5mm，内径为5mm，外径1mm的“C”形横截面的氧化铝陶瓷增强体，用砂纸对陶瓷增强体进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0049](2)称取2.1g I2和0.7g Ti，将反应物料(I2和Ti)和陶瓷增强体置于石英管尾部，然后将石英管置于程控炉中，抽真空并通入Ar气，反复三次，使石英管内获得较高的无氧状态以及较纯的Ar气保护气氛，之后将氩气流量调至80mL/min，充当保护气体和载气；以15?20°C/min升温至沉积温度1150°C，保温60min，随炉冷却至室温，取出陶瓷并对其表面反复清洗烘干，获得表面具有均匀连续，厚度为10?40μπι Ti涂层的陶瓷增强体。
[0050](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。将镀有钛涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，并将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400°C，浇注操作过程采用慢一一』决一一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0051 ] 实施例6
[0052](I)制取长度为5mm，内径为5mm，外径1mm的“C”形横截面的氧化铝陶瓷增强体，用砂纸对陶瓷增强体进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，然后在干燥箱中烘干待用；
[0053](2)称取2.7g NiCl2.6H20进行脱水，首先在135°C温度下脱水4h;研磨后在250°C高温下脱水2h，脱水后为黄褐色的无水氯化镍。将脱水后的氯化镍，放入料舟中，并将其和陶瓷增强体放置于石英管中，然后将石英管置于程控炉中，抽真空后通入Ar气，上述过程反复进行三次，使石英管内获得较纯的Ar气气氛，之后将Ar气调至200mL/min。以20°C/min升温至最终沉积温度1150°C，当温度升高到600°C时开始通入氢气(氢气的流量为150mL/min)，保温60min使原料反应完全，之后关闭氢气和氩气，随炉冷却至室温，取出施镀后的陶瓷增强体并对其表面反复清洗烘干，陶瓷表面获得均匀连续，厚度为10?40μπι的金属Ni涂层。
[0054](3)采用电阻丝切割聚苯乙烯泡沫板材，根据要求设计好消失模外形尺寸。再将加工好的聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇。将镀有钛涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，为保证浇注过程中陶瓷增强体不产生漂移，用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉。对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷两遍消失模涂料，使涂层厚度为I?2mm。每涂刷一遍涂料后将消失模置于50°C的烘干房中烘干5h。将消失模埋入砂箱中且陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，并将其封闭，抽真空至约0.05MPa，便于金属液迅速冲型和消失模快速消失，然后浇注高铬铸铁金属液，浇注的温度约为1400°C，浇注操作过程采用慢---决一一慢，并保持连续浇注，消失模随着高铬铸铁金属液的流入而消失。在整个浇注过程中及浇注后10?20min真空系统仍然保持开启状态，便于气体及时排出，冷却后，直接从砂箱中取出铸件，铸件与干砂自然分离。冷却后的金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到陶瓷金属复合耐磨材料，最后对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
[0055]在发生磨损的过程中，陶瓷增强体和金属基体是相辅相成的。陶瓷以其高硬度高耐磨性抵抗磨料的磨损，充分发挥其“阴影效应”保护金属基体不受磨料的磨削；同时，金属基体又给嵌入的陶瓷提供有力的支撑，使其不易发生碎裂。本发明对金属基体中的陶瓷增强体做出了如下设计:参见图1，实施例1和2均采用圆柱形结构的陶瓷增强单体，复合层结构中金属基体则呈蜂窝状分布。该方案的陶瓷单体形状简单，易于制备;棱角较少，减少了复合层结构中的应力集中；可应对来自各个方向磨料的磨损，充分利用其宏观“阴影效应”，保护金属基体。参见图2，实施例3和4均采用长方体结构的陶瓷增强单体，将其排布成若干正三角形，分布在金属基体中，复合层结构中金属基体韧性区则呈三棱柱结构。该方案陶瓷单体制备简单，避免了大块陶瓷预制体易碎，制备工艺复杂等问题;若干贯穿于复合层且相互连接的三棱柱状金属区可以受到周围陶瓷增强体的阴影保护，并实现了复合材料的强韧化结合，从而提高了复合层抗冲击磨损能力。参见图3，实施例5和6则改用具有“C”形横截面的陶瓷增强体，该方案设计分布的陶瓷单体把金属韧性区域分割成若干狭窄弯曲的条状，更有利于实现陶瓷增强体对金属基体“阴影效应”的保护效果，且具有曲面的陶瓷增强体也可从一定程度上减小磨料对陶瓷增强体的冲击与磨损，提高复合材料的使用寿命。
[0056]本发明首先，用砂纸对陶瓷增强体进行机械粗加工，精确所需陶瓷增强体尺寸。先后将其放入蒸馏水和无水乙醇中，在超声波清洗器中清洗15分钟，清洗干净之后，用干燥箱烘干;称取所需气相沉积反应原料用量，将陶瓷增强体与反应原料置于气氛程控加热炉中。加热前，首先抽真空，抽真空后在氩气保护的条件下进行气相沉积，最后取出陶瓷，并对表面清洗、烘干，获取表面镀有均匀连续金属活化涂层的陶瓷增强体。本发明要求陶瓷增强体在聚苯乙烯泡沫模型中按照预定设计分布，将每个陶瓷增强体进行固定，再在砂型中浇注钢液。冷却成型后，直接从砂箱中吊出铸件，对铸件进行表面清理，打磨去除浇铸毛边。
[0057]本发明中陶瓷增强体为氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氮化硅陶瓷;所述的金属基耐磨材料为尚络铸铁、尚猛钢或合金钢。
[0058]本发明中陶瓷单体形状以及在金属基体分布状态可按照需求进行合理设计，陶瓷增强体在陶瓷/金属耐磨复合层中所占体积分数20%?50%，复合层厚度不受限制。本发明中金属涂层在陶瓷增强体表面均匀连续分布，厚度为10?40μπι。
[0059]本发明采用化学气相沉积方法，在各种形状陶瓷增强体表面形成不同种类，均匀连续且纯度较高的金属活化涂层，从而改善陶瓷增强体与金属基体的润湿性。通过改变活化涂层的种类和结构，调整陶瓷与金属间的界面结合强弱，实现了对陶瓷/金属复合材料的界面控制。即使在陶瓷增强体体积分数较高情况下，制备的复合材料中陶瓷和金属界面结合良好，缺陷较少，没有出现陶瓷增强体的脱落现象，耐磨性能显著提高。
[0060]通过以上方法，改善了陶瓷与金属界面结合状况，将陶瓷与金属界面结合强度提升十倍以上，并可通过对陶瓷增强体做出合理的结构设计，能够保证陶瓷增强体在磨损过程中不脱落并以最大限度的保护金属基体，同时金属对增强体形成有效支撑。从而制备出加工操作简单，可重复性强，成本较低，综合性能良好，能应对各种复杂工况条件的镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。
【主权项】
1.一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)用砂纸对陶瓷增强体进行打磨并反复清洗，然后烘干;采用化学气相沉积方法在陶瓷增强体表面形成金属活化涂层； (2)采用消失模铸造工艺:采用聚苯乙烯泡沫模型，将若干沉积有金属活化涂层的陶瓷增强体固定在聚苯乙烯泡沫模型上，再进行金属液浇铸成型，形成陶瓷/金属耐磨复合层，从而得到镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板。2.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷增强体为氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷或氮化硅陶瓷。3.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述的金属液米用的金属为尚络铸铁、尚猛钢或合金钢。4.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，陶瓷增强体在陶瓷/金属耐磨复合层中所占体积分数20 %?50 %。5.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述金属活化涂层为钛涂层或镍涂层。6.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述金属活化涂层的厚度为10?40μηι。7.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷增强体为圆柱状、长方体状或C型横截面的陶瓷增强体。8.根据权利要求7所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述陶瓷增强体为圆柱状时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈蜂窝状分布，陶瓷增强体为长方体状时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈若干正三角形分布，陶瓷增强体为具有C型横截面的陶瓷增强体时，陶瓷/金属耐磨复合层中金属呈若干弯曲的条状分布。9.根据权利要求1所述的一种铸造镶嵌陶瓷/金属耐磨复合衬板的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)具体过程如下:聚苯乙烯泡沫模型上具有若干与陶瓷增强体形状相对应的凹部;将聚苯乙烯泡沫模型与浇冒口模型组合粘结在一起，形成模型簇后，再将若干镀有金属活化涂层的陶瓷增强体放入相应的消失模凹部，再用铁浆糊在每个陶瓷增强体露出的表面粘结固定一根铁钉;对固定好陶瓷增强体的消失模先后涂刷消失模涂料，并使涂层厚度为1?2mm;每涂刷一遍涂料后将消失模烘干，然后将消失模埋入砂箱中且每个陶瓷增强体上的铁钉插入砂箱以实现整个浇注过程中对陶瓷增强体的固定，将砂箱封闭，抽真空至.0.05MPa，然后浇注金属液，消失模随着金属液的流入而消失，冷却后，金属将陶瓷增强体紧紧包裹，陶瓷与金属基体部凝固成一体，形成陶瓷/金属耐磨复合层，最后进行表面清理，打磨去除浇铸毛边，得到陶瓷/金属耐磨复合衬板。
【文档编号】B22D19/08GK106077582SQ201610676898
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月16日 公开号201610676898.3, CN 106077582 A, CN 106077582A, CN 201610676898, CN-A-106077582, CN106077582 A, CN106077582A, CN201610676898, CN201610676898.3
【发明人】桑可正, 曾德军, 高超飞, 李红伟
【申请人】长安大学