一种抗磨用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，特别是涉及一种抗磨用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、高抗磨性、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现象，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金属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，本发明提供一种抗磨用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％。

本发明还提供制备抗磨用ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒的方法，包括以下步骤：

(1)将稳定ZrO₂和Al₂O₃粉末按比例装入球磨罐中球磨，所述稳定ZrO₂和Al₂O₃粉末用量质量百分比分别为稳定ZrO₂10-90％以及Al₂O₃10-90％；

(2)将球磨后的混合物放入模具中等静压成型制得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体；

(3)将复相陶瓷坯体放入电炉中烧结，烧结温度1100℃-1200℃，保温2-3小时；

(4)将经烧结后的复相陶瓷坯体经破碎、分筛，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0.5-7mm的陶瓷颗粒放入电炉中烧结及冷却的步骤，烧结升温速度＜60℃/h，烧结温度1500-1600℃，保温2-3小时，冷却速度＜100℃/h，冷却到500-600℃出炉空冷。

进一步的，作为优选所述步骤(1)中料球比3：1，球磨用ZrO₂硬质球，球磨罐用聚酯材料制得，球磨机转速100-200转/分钟，球磨12-36小时。

进一步的，作为优选所述步骤(2)中，成型压力250-300MPa，保压时间0.5-1h。

进一步的，作为优选所述步骤(3)进行烧结的升温速度＜80℃/h。

进一步的，作为优选所述步骤(3)中破碎采用颚式破碎机。

本发明还提供所述抗磨用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。

本发明还提供所述抗磨用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。

本发明还提供所述抗磨用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ZrO₂-Al₂O₃复合粉经等静压成型在初烧成坯体，获得一定的强度但不是太高便于破碎；破碎后的陶瓷颗粒再高温烧结可获得高的强度、硬度，同时破碎后的陶瓷颗粒所产生的微裂纹在高温烧结过程中愈合，烧结后控制冷却速度便于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。因此通过坯体成型、初烧、破碎、高温烧结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≥7J/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2制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒照片；

图2为本发明实施例2制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒X衍射图；

图3为本发明实施例2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

(1)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体：

(a)、将重量百分比75％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比4％的MgO₂)和25％Al₂O₃粉末按比例装入球磨罐中，料球比3：1，球磨25小时，球磨机转速150转/分钟，球磨用ZrO₂硬质球，球磨罐用聚酯材料制得；

(b)、将球磨后的混合物放入模具中等静压成型，成型压力260MPa，保压时间0.6h，制得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体；

(c)、将复相陶瓷坯体放入电炉中烧结，烧结温度1130℃，保温2.5小时，升温速度70℃/h。

(2)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒制备：

(d)、将经烧结后的复相陶瓷坯体经颚式破碎机破碎、分筛，获得1mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；

(e)、将1mm的陶瓷颗粒放入电炉中烧结，升温速度50℃/h，烧结温度1550℃，保温2.5小时，冷却速度90℃/h，冷却到550℃出炉空冷，断裂韧性9.1J/cm²，硬度HV1310。

(3)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒应用:将上述ZrO₂-Al₂O₃陶瓷颗粒用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，获得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强高铬铸铁基结合良好的抗磨复合材料，其复合材料抗磨性是高铬铸铁基体的5.8倍。

实施例2

(1)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体：

(a)将重量百分比45％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比4.5％的TiO₂)和55％Al₂O₃粉末按比例装入球磨罐中，料球比3：1，球磨30小时，球磨机转速160转/分钟，球磨用ZrO₂硬质球，球磨罐用聚酯材料制得；

(b)、将球磨后的混合物放入模具中等静压成型，成型压力270MPa，保压时间0.7h，制得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体；

(c)、将复相陶瓷坯体放入电炉中烧结，烧结温度1150℃，保温2.5小时，升温速度65℃/h。

(2)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒制备：

(d)、将经烧结后的复相陶瓷坯体经颚式破碎机破碎、分筛，获得3mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；

(e)、将3mm的陶瓷颗粒放入电炉中烧结，升温速度55℃/h，烧结温度1560℃，保温2.5小时，冷却速度95℃/h，冷却到560℃出炉空冷，断裂韧性8.4J/cm²，硬度HV1390。

图1为本实施例2制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒照片；

图2为本实施例2制备的ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒X衍射图。

(3)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒应用:将上述ZrO₂-Al₂O₃陶瓷颗粒用重力浇铸的方法与高锰钢(陶瓷颗粒与高锰钢体积比为1:1.1)复合，获得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强高锰钢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锰钢基体的4倍。

实施例3

(1)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体：

(a)将重量百分比15％稳定ZrO₂(稳定ZrO₂中含其质量百分比5％的Y₂O₃)和85％Al₂O₃粉末按比例装入球磨罐中，料球比3：1，球磨35小时，球磨机转速180转/分钟，球磨用ZrO₂硬质球，球磨罐用聚酯材料制得；

(b)、将球磨后的混合物放入模具中等静压成型，成型压力280MPa，保压时间0.8h，制得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷坯体；

(c)、将复相陶瓷坯体放入电炉中烧结，烧结温度1170℃，保温2.5小时，升温速度55℃/h。

(2)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒制备：

(d)、将经烧结后的复相陶瓷坯体经颚式破碎机破碎、分筛，获得5mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；

(e)、将5mm的陶瓷颗粒放入电炉中烧结，升温速度50℃/h，烧结温度1570℃，保温2.5小时，冷却速度85℃/h，冷却到570℃出炉空冷，断裂韧性7.9J/cm²，硬度HV1460。

(3)、ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒应用:将上述ZrO₂-Al₂O₃陶瓷颗粒用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1:1.2)复合，获得ZrO₂-Al₂O₃复相陶瓷颗粒增强体增强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。