一种耐磨ZrO2‑Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用与流程

本发明涉及陶瓷复合材料制备技术领域，特别是涉及一种耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。

背景技术：

ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷由于具有高的强韧性、一定的硬度、耐磨性、热膨胀系数可调，可用作高铬铸铁、合金钢、球墨铸铁增强体，对于大块状表面光滑的陶瓷，由于传统增强相与金属基体的结合性差等原因，在复合材料制备及应用过程中陶瓷出现裂纹及剥落影响复合材料的使用性能。因此制备表面粗糙、一定粒度大小、具有高抗磨性的陶瓷颗粒并应用于钢铁基复合材料增强体意义重大。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种表面粗糙、高抗磨性用于制备钢铁基复合材料增强体的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。

为达上述目的，本发明提供一种耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒，其成分重量百分比组成为：10-90％的稳定ZrO₂以及10-90％的Al₂O₃；

其中稳定ZrO₂包含选自MgO₂、TiO₂、Y₂O₃中的一种或两种以上任意比例混合的稳定剂，所述稳定剂含量不超过ZrO₂重量的5％；

所述ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒为0.5-7mm粒径的表面粗糙的复相陶瓷颗粒。

本发明还提供一种制备所述的耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒的方法，包括以下步骤：

(1)根据ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒成分要求将稳定ZrO₂和Al₂O₃粉末放入电炉中熔融，所述稳定ZrO₂和Al₂O₃粉末用量重量百分比分别为稳定ZrO₂10-90％以及Al₂O₃10-90％；

(2)、将熔融ZrO₂-Al₂O₃熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，过筛，获得0.5-7mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒。

进一步的，作为优选还包括将步骤(2)制得的复相陶瓷颗粒进行热处理及空冷的步骤。

进一步的，作为优选热处理及空冷包括以下步骤：

将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温至1200-1300℃，保温1-2小时，冷却到500-600℃出炉空冷。

进一步的，作为优选将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温的升温速度＜60℃/h，保温后冷却速度＜100℃/h。

进一步的，作为优选所述步骤(1)中熔融温度2000-2100℃。

进一步的，作为优选所述步骤(2)中通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比不少于ZrO₂-Al₂O₃熔体的10倍。

本发明还提供所述耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒在制备ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强高铬铸铁基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与高铬铸铁复合，ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒与高铬铸铁体积比小于1:1。

本发明还提供所述耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒在制备ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强合金钢基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与合金钢复合，ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒与合金钢体积比小于1:1。

本发明还提供所述耐磨ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒在制备ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强球墨铸铁基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与球墨铸铁复合，ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒与球墨铸铁体积比小于1:1。

本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：

本发明采用电熔融、水冷制备表面粗糙、一定粒度大小ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒，生产效率高，性能稳定；ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒经热处理并控制冷却速度便于ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒获得更多的四方相，提高ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒韧性。因此通过电熔融、水冷、热处理及控制冷却速度即可得到表面粗糙、一定粒度大小、具有高抗磨性的陶瓷颗粒并应用于钢铁基复合材料增强体的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒。

综上所述，采用本发明制备的陶瓷颗粒具有如下优点：

1、复相陶瓷颗粒断裂韧性≥6J/cm²，硬度＞HV1300；

2、作为增强材料与高铬铸铁、合金钢、球墨铸铁复合结合良好，其复合材料耐磨性是其对应基体的3-6倍。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒；

图2为本发明实施例1制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒X衍射图；

图3为为本发明实施例1制备ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料显微照片。

具体实施方式

以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

按ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷重量百分比75％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比4％的MgO₂)和25％Al₂O₃成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度2010℃；将熔融的ZrO₂-Al₂O₃熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO₂-Al₂O₃熔体的11倍，过筛，获得1mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将1mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度50℃/h，升温至1210℃，保温1.5小时，冷却速度80℃/h，冷却到530℃出炉空冷，断裂韧性8.7J/cm²，硬度HV1310。图1为本实施例1制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒；图2为本实施例1制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒X衍射图；

将制得的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与高铬铸铁(陶瓷颗粒与高铬铸铁体积比为1:1)复合制得高铬铸铁基结合良好的抗磨复合材料如图3所示的显微照片，其复合材料抗磨性是高铬铸铁基体的5倍。

实施例2

按ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷重量百分比45％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比4.5％的TiO₂)和55％Al₂O₃成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度2030℃；将熔融的ZrO₂-Al₂O₃熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO₂-Al₂O₃熔体的12倍，过筛，获得3mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将3mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度54℃/h，升温至1230℃，保温1.5小时，冷却速度85℃/h，冷却到550℃出炉空冷，断裂韧性7.1J/cm²，硬度HV1380。将制得的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与高锰钢(陶瓷颗粒与高锰钢体积比为1:1)复合制得高锰钢基结合良好的抗磨复合材料，其复合材料抗磨性是高锰钢基体的4倍。

实施例3

按ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷重量百分比15％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比Y₂O₃)和85％Al₂O₃成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度2050℃；将熔融ZrO₂-Al₂O₃熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO₂-Al₂O₃熔体的13倍，过筛，获得5mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将5mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度58℃/h，升温至1250℃，保温1.5小时，冷却速度90℃/h，冷却到570℃出炉空冷，断裂韧性6.2J/cm²，硬度HV1470。将制得的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与球墨铸铁(陶瓷颗粒与球墨铸铁体积比为1:2)复合制得球墨铸铁基结合良好的抗磨复合材料，其复合材料抗磨性是球墨铸铁基体的4.5倍。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。