专利名称：一种耐磨件、陶瓷金属复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及工程机械领域，特别涉及一种陶瓷金属复合材料及其制备方法，以及应用该陶瓷金属 复合材料的耐磨件。
背景技术：
混凝土输送泵可以实现混凝土的远距离输送，通过将混凝土输送至预定的施工地点进行浇注作业，包括泵车、车载泵、拖泵等类型。在混凝土输送泵的泵送机构中，耐磨板安装在两个输送缸的进出料处，耐磨环安装在分配阀的进料处，在输送混凝土时，分配阀在摇摆机构的驱动下往复摆动，分配阀交替与两个输送缸连通实现混凝土的连续输送，在上述分配阀的动作过程中，耐磨环和耐磨板相互切割。耐磨板和耐磨环作为混凝土输送泵的关键易损零部件，其使用寿命一直是影响泵送设备整体品质的重要指标。基于耐磨板和耐磨环的恶劣工况，要求耐磨板和耐磨环具有较高的耐磨性能和较高的抗冲击性能，所以制作软硬结合性能的复合材料一直是该耐磨件性能改进的热点。现有技术中，耐磨板和耐磨环的工作面多采用整块或分块硬质合金环作为支撑骨架，内外侧堆焊成型。但是，无论采用硬质合金整环或硬质合金块，在进行加工成型时，钎焊工艺的结合强度低，工艺性差，无法保证接头饱满，焊缝部分存在明显的薄弱环节(软基体)，容易夹带沙粒而磨损失效；同时，硬质合金的抗冲击能力差，即使块状结合仍不足以避免工作面脆裂崩块失效，因此现有耐磨板和耐磨环的使用寿命较低。因此，对耐磨板和耐磨板的材料和结构进行设计，使其具有较高的耐磨性能和较高的抗冲击性能，从而提高其使用寿命，是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种陶瓷金属复合材料及其制备方法，应用该陶瓷金属复合材料的耐磨件，在耐磨件具有较高的耐磨性能的同时，保持较高的抗冲击性能，提高其使用寿命。本发明提供了一种陶瓷金属复合材料，包括陶瓷骨架和金属基体，所述陶瓷骨架成三维网络结构，所述金属基体浸透复合在所述陶瓷骨架的网络结构中。进一步地,所述陶瓷骨架由95wt% 85wt%的陶瓷颗粒和5wt% 15wt%的润湿剂烧结而成，其中，所述陶瓷颗粒为Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述两种或两种以上材料的混合颗粒；所述金属基体为铸铁、铸钢或合金钢。进一步地，按体积分数计，所述陶瓷金属复合材料由25% 75%陶瓷骨架和75% 25%的金属基体复合而成。本发明提供一种陶瓷金属复合材料的制备方法，包括以下步骤制备三维网络结构的陶瓷骨架；将金属基体和所述陶瓷骨架置于成型模具中进行加热，加热温度高于所述金属基体的熔点温度50°C 120°C，保温冷却，金属基体浸透复合在所述陶瓷骨架的网络结构中得到所述陶瓷金属复合材料；其中，陶瓷骨架的体积分数在25%-75%之间，金属基体的体积分数在75% 25%之间。在具体实施例中，陶瓷骨架可以采用有机泡沫浸溃工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、溶胶-凝胶工艺或自蔓延高温合成工艺制备；所述金属基体与所述陶瓷骨架的复合采用压力浸渗工艺和无压浸渗工艺，其中，压力浸透工艺包括挤压铸造工艺和真空压力浸透工艺。上述陶瓷金属复合材料中，金属基体浸透复合在陶瓷骨架的网络结构中制备三维网络陶瓷增强金属基复合材料，将耐磨性能优良的陶瓷与韧性、塑性良好的金属复合形成互穿结构存在于该复合材料中，通过陶瓷和金属的优良性能相互补充，获得综合性能优良的陶瓷金属复合材料，其具有较高的强度、韧性的同时，又具有较高的硬度、耐磨性能以及良好的抗冲击性能。
本发明提供一种耐磨件，应用于混凝土输送泵，采用上述的陶瓷金属复合材料加工而成，所述耐磨件为具有两个通孔的耐磨板或具有一个通孔的耐磨环。本发明提供一种耐磨件，应用于混凝土输送泵，包括耐磨层和本体，所述耐磨层设置在所述本体上，所述耐磨层采用上述的陶瓷金属复合材料加工而成，所述耐磨件为具有两个通孔的耐磨板或具有一个通孔的耐磨环。进一步地，所述耐磨层覆盖在本体的耐磨端面，或者，所述耐磨层镶嵌在所述耐磨板本体的耐磨端面。进一步地，当所述耐磨件为耐磨板，所述耐磨层包括设置在所述本体的耐磨端面的第一耐磨层以及设置在两个所述通孔的内壁面的第二耐磨层，所述第一耐磨层和所述第二耐磨层一体成型或分体成型。进一步地，当所述耐磨件为耐磨环，所述耐磨层包括设置在所述本体的耐磨端面的第一耐磨层以及设置在所述通孔的内壁面的第二耐磨层，所述第一耐磨层和所述第二耐磨层一体成型或分体成型。进一步地，所述耐磨层还设置在所述本体的外周面的第三耐磨层，所述第三耐磨层与所述第一耐磨层一体成型或分体成型。可以理解的，应用上述陶瓷金属复合材料的耐磨件，也具有上述陶瓷金属复合材料的有益效果。
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图I (a)为本发明第一实施例中耐磨板的结构示意图，图I (b)为耐磨板的A-A首1J视图。图2 Ca)为本发明第二实施例中耐磨板的结构示意图，图2 (b)为耐磨板的A_A首1J视图。图3 Ca)为本发明第三实施例中耐磨板的结构示意图，图3 (b)为耐磨板的A_A剖视图。
图4 (a)为本发明第四实施例中耐磨板的结构示意图，图4(b)为耐磨板的A-A首1J视图。图5 Ca)为本发明第五实施例中耐磨环的结构示意图，图5(b)为耐磨环的B_B首1J视图。图6 Ca)为本发明第六实施例中耐磨环的结构示意图，图6(b)为耐磨环的B_B首1J视图。图7 Ca)为本发明第七实施例中耐磨环的结构示意图，图7(b)为耐磨环的B_B首1J视图。图8 Ca)为本发明第八实施例中耐磨环的结构示意图，图8(b)为耐磨环的B_B首1J视图。图9 Ca)为本发明第九实施例中耐磨环的结构示意图，图9(b)为耐磨环的B-B剖视图。
具体实施例方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。本发明实施例提供一种陶瓷金属复合材料，参见图I和图5，该陶瓷金属复合材料包括陶瓷骨架I和金属基体2，陶瓷骨架I成三维网络结构，金属基体2浸透复合在陶瓷骨架I的网络结构中。按体积分数计，该陶瓷金属复合材料由25% 75%陶瓷骨架I和75% 25%的金属基体2复合而成。在本实施例中，金属基体2浸透复合在陶瓷骨架I的网络结构中制备三维网络陶瓷增强金属基复合材料，将耐磨性能优良的陶瓷与韧性、塑性良好的金属复合形成互穿结 构存在于该复合材料中，通过陶瓷和金属的优良性能相互补充，获得综合性能优良的陶瓷金属复合材料，其具有较高的强度、韧性的同时，又具有较高的硬度、耐磨性能以及良好的抗冲击性能。上述陶瓷金属复合材料中，可以采用浸透法将液态金属浸透到预制的陶瓷骨架I的三维网络连续孔隙中并凝固，实现金属基体2与三维网络结构的陶瓷骨架I的复合。在该复合材料中，陶瓷相与金属相在空间呈交织的三维双连续的拓扑网络结构，可引起结构互锁效应，使得该复合材料具有更高的承载能力和抗冲击能力，并且陶瓷相与金属相之间形成牢固的冶金结合，两相之间的结合力很强。高硬度的陶瓷相呈三维连续分布，可以在摩擦表面形成硬的微突体并起到承载作用，抑制了金属基体2的塑性变形和高温软化，减少了偶件同金属基体2的接触，减轻了粘着磨损，并保护在磨损表面形成的氧化膜，使得陶瓷金属复合材料的耐磨性能大大提高；陶瓷相在三维空间连续分布，使得该复合材料可以容纳更高体积分数的陶瓷相，可显著提高复合材料的耐磨性。高韧性、塑性的金属相在三维空间连续分布，在受力时有利于将集中在点或面上的应力迅速在空间体范围内分散和传递，显著提高该复合材料的受力性能。陶瓷相在失效前能够提供较高的弹性刚度，金属相具有较高的失效应变。通过将陶瓷骨架I和金属基体2进行复合，制成的陶瓷金属复合材料具有较高的强度、韧性的同时，又具有较高的硬度、耐磨性能以及良好的抗冲击性能。上述陶瓷金属复合材料可应用在混凝土输送泵中，例如采用上述陶瓷金属复合材料制成的耐磨件，该耐磨件包括耐磨板和耐磨环，能够满足各种复杂工况的要求，进而显著提高耐磨板和耐磨环的使用寿命；基于上述陶瓷金属复合材料优良的可设计性能，还可以广泛地推广到耐磨、耐蚀、采矿等技术领域中。在本实施例中，陶瓷骨架I由95wt% 85wt%的陶瓷颗粒和5wt% 15wt%的润湿剂烧结而成，其中，陶瓷颗粒为Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述两种或两种以上材料的混合颗粒，润湿剂为Ni、B、Ti、Si、稀土或其他可以提高陶瓷骨架I润湿性的合金元素；陶瓷金属复合材料中金属基体2选用铸铁、铸钢或合金钢。在制备陶瓷骨架I时在陶瓷颗粒中加入润湿剂Ni粉，Ni粉可以提高陶瓷颗粒的表面能，从而提高陶瓷骨架I的润湿性。在优选实施例中，当Ni粉比例在5wt% 15wt%，烧结而成的三维网络陶瓷骨架I的组织细小均匀，并且有充足的Ni颗粒均匀分布在三维网络陶瓷骨架I上，改善三维陶瓷骨架I表面的润湿性，有利于金属基体2浸渗复合到陶瓷骨架I的空隙中，以形成致密的陶瓷金属复合材料。陶瓷骨架I的三维网络结构的孔 隙率为25% 55%，孔径为O. Imm 5mm。上述实施例中公开的陶瓷金属复合材料，其制备方法包括以下步骤首先制备三维网络结构的陶瓷骨架I ;然后将金属基体2和所述陶瓷骨架I置于成型模具中进行加热，加热温度高于所述金属基体2的熔点温度50°C 120°C，保温冷却，金属基体2浸透复合在所述陶瓷骨架I的网络结构中得到所述陶瓷金属复合材料；其中，陶瓷骨架I的体积分数在25%-75%之间，金属基体2的体积分数在75% 25%之间。在制备上述陶瓷金属复合材料的过程中，采用三维网络结构的陶瓷骨架1，陶瓷骨架I的体积分数范围在25%-75%之间；将金属基体2加热到其熔点温度以上50°C 120°C，金属液通过自重和毛细作用浸渗到三维网络陶瓷骨架I预留的孔隙里，在保温过程中金属液与陶瓷骨架I发生互溶和扩散，最终形无宏观缺陷、界面结合良好、并以扩散层冶金结合和机械啮合的三维网络陶瓷增强金属基复合材料。复合材料的三维连续网络结构可阻碍金属相晶粒的粗化和生长，由于陶瓷/金属界面的表面曲率处接近于零而具有最小的表面积，是一种具有最低能量面的形状，没有纯弯曲的驱动力来驱动界面迁移，所以难以使金属相晶粒粗化和长大，使得制备的陶瓷金属复合材料具有更加优异的性能。在具体实施例中，陶瓷骨架I可以采用有机泡沫浸溃工艺、发泡工艺、添加造孔剂工艺、溶胶-凝胶工艺或自蔓延高温合成工艺制备；所述金属基体2与所述陶瓷骨架I的复合采用压力浸渗工艺和无压浸渗工艺，其中，压力浸透工艺包括挤压铸造工艺和真空压力浸透工艺。以Al2O3陶瓷增强高铬铸铁为例说明陶瓷金属复合材料的制备过程，其中，三维网络结构的陶瓷骨架I采用有机泡沫浸溃法，陶瓷骨架I与金属基体2的复合采用真空压力浸渗法，其中，表I为陶瓷原料与添加剂的含量及作用。SI，将 6. 5Kg 的 Ni 粉(10wt%)与 58. 5Kg 的 Al2O3 粉(90wt%)加入球磨机中球磨 40小时，以保证两种原料混合均匀并避免出现团聚现象。在球磨过程中，Ni与Al2O3颗粒可以被硬质磨球反复撞击、粉碎、研磨，而变圆变细，使两相的晶粒尺寸变小，表面能增加，有助于后期的烧结，其中，球磨时间越长、均匀性和烧结性能越好，生产中一般是十几个小时到几十小时不等。S2，向球磨机里加入2kg的纳米氧化铝颗粒、I. 5Kg的粘土、IKg的高岭土、O. 5Kg的长石、IOKg的PVA制剂、8Kg的去离子水、5Kg的无水乙醇、2Kg的聚丙烯酸铵和O. 5Kg的聚丙酰胺，继续球磨4小时，使各种原料混合均匀。S3,向球磨机里加入4Kg (溶液的质量分数为2wt%)的羧甲基纤维素(CMC)溶液作稳定剂，继续球磨10小时，制备出具有较好流动性和触变性的陶瓷浆料。S4，将软质聚氨酯泡沫材料加工成预定的结构，例如加工成耐磨板或耐磨环的结构，用低浓度氢氧化钠清洗，除去软质聚氨酯泡沫材料中的网络间膜，然后在室内晾干表面的低浓度氢氧化钠清洗液。S5，将清洗完的软质聚氨酯泡沫放在陶瓷浆料中，保证陶瓷浆料完全浸溃到软质聚氨酯泡沫中。S6，将浸溃完的软质聚氨酯泡沫从浆料中取出，并通过人工挤压的方法将多余的浆料挤出泡沫体。
S7，将浸溃好的泡沫体置于物料架上，放置24小时阴干，阴干后的坯体放入60°C的干燥箱内，保温10小时。S8，将软质聚氨酯泡沫放入烧结炉，采用5°C /min的加热速度升温至650°C保温Ih,之后升温到1480°C保温2h，保证聚氨酯泡沫的完全分解，不导致坯体的破坏，并使多孔陶瓷充分烧结，形成结构稳定、具有较好抗弯强度的三维网络结构的陶瓷骨架。S9，将制备好的三维网络结构的陶瓷骨架与金属基体放入模具中，然后将模具整体放入真空炉中，充入惰性气体，在气氛保护条件下进行加热，加热温度为1620°C，保温时间为2h ;随炉冷却得到陶瓷金属复合材料。表1，陶瓷原料与添加剂的含量及作用
陶瓷骨料及添加剂含量(wt%)在陶瓷料浆中作用
A1203粉58 5陶瓷骨料
Ni粉^金属掺杂
粘土L5流变剂
高岭土 助烧剂
长石O. 5助烧剂
A1203纳米粉2表面活性剂
PVA10粘结齐U
合成电解质解凝剂
聚丙烯酸铵2分散剂
聚丙烯酰胺05絮凝剂
权利要求
1.一种陶瓷金属复合材料，其特征在于，包括陶瓷骨架(I)和金属基体(2)，所述陶瓷骨架(I)成三维网络结构，所述金属基体(2)浸透复合在所述陶瓷骨架(I)的网络结构中。
2.根据权利要求I所述的陶瓷金属复合材料，其特征在于，所述陶瓷骨架(I)由95wt% 85wt%的陶瓷颗粒和5wt% 15wt%的润湿剂烧结而成，其中，所述陶瓷颗粒为Al2O3粉末、ZrO2粉末、TiC粉末、TiN粉末、WC粉末、SiC粉末、BC粉末、VC粉末，或者上述两种或两种以上材料的混合颗粒；所述金属基体(2)为铸铁、铸钢或合金钢。
3.根据权利要求I或2所述的陶瓷金属复合材料，其特征在于，按体积分数计，所述陶瓷金属复合材料由25% 75%陶瓷骨架(I)和75% 25%的金属基体(2)复合而成。
4.一种陶瓷金属复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 制备三维网络结构的陶瓷骨架(I);将金属基体(2)和所述陶瓷骨架(I)置于成型模具中进行加热，加热温度高于所述金属基体(2)的熔点温度50°C 120°C，保温冷却，金属基体(2)浸透复合在所述陶瓷骨架(I)的网络结构中得到所述陶瓷金属复合材料；其中，陶瓷骨架(I)的体积分数在25%-75%之间，金属基体(2 )的体积分数在75% 25%之间。
5.一种耐磨件，应用于混凝土输送泵，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的陶瓷金属复合材料加工而成，所述耐磨件为具有两个通孔的耐磨板或具有一个通孔的耐磨环。
6.一种耐磨件，应用于混凝土输送泵，其特征在于，包括耐磨层和本体，所述耐磨层设置在所述本体上，所述耐磨层采用权利要求1-3任一项所述的陶瓷金属复合材料加工而成，所述耐磨件为具有两个通孔的耐磨板或具有一个通孔的耐磨环。
7.根据权利要求6所述的耐磨件，其特征在于，所述耐磨层覆盖在本体的耐磨端面，或者，所述耐磨层镶嵌在所述耐磨板本体的耐磨端面。
8.根据权利要求6所述的耐磨件，其特征在于，当所述耐磨件为耐磨板，所述耐磨层包括设置在所述本体的耐磨端面的第一耐磨层以及设置在两个所述通孔的内壁面的第二耐磨层，所述第一耐磨层和所述第二耐磨层一体成型或分体成型。
9.根据权利要求6所述的耐磨件，其特征在于，当所述耐磨件为耐磨环，所述耐磨层包括设置在所述本体的耐磨端面的第一耐磨层以及设置在所述通孔的内壁面的第二耐磨层，所述第一耐磨层和所述第二耐磨层一体成型或分体成型。
10.根据权利要求9所述的耐磨件，其特征在于，所述耐磨层还设置在所述本体的外周面的第三耐磨层，所述第三耐磨层与所述第一耐磨层一体成型或分体成型。
全文摘要
本发明公开了一种陶瓷金属复合材料及其制备方法，该陶瓷金属复合材料包括陶瓷骨架和金属基体，所述陶瓷骨架成三维网络结构，所述金属基体浸透复合在所述陶瓷骨架的网络结构中。本发明还公开了一种应用该陶瓷金属复合材料的耐磨件，所述耐磨件为耐磨板或耐磨环，在耐磨板或耐磨环具有较高的耐磨性能的同时，保持较高的抗冲击性能，提高其使用寿命。
文档编号C22C29/00GK102912173SQ20121034392
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月17日 优先权日2012年9月17日
发明者卢尚文, 张凯, 周水波 申请人:三一重工股份有限公司