一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及陶瓷金属复合耐磨材料的，具体是一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、现有技术中，陶瓷增强金属基耐磨件上的陶瓷预制体通常采用圆形孔蜂窝结构或实心陶瓷条结构，多为固定整体式，金属基体强度低，无法根据浸渗需求调整镂空形态，适配性差；且陶瓷预制体尺寸多为固定整体式，无法模块化拼接，难以适应大尺寸耐磨件如磨环、衬板、搅拌臂等多样化尺寸需求，产业化生产效率低。同时圆形孔蜂窝结构的陶瓷预制体在铸造过程中，金属液浸渗路径单一，易出现局部浸渗不充分的情况，且金属凝固收缩时对陶瓷的抱合效果有限，易出现缩松缩孔等宏观缺陷，界面结合强度低，容易剥离。甚至大面积实心陶瓷结构中陶瓷占比过高，金属液无法渗透，导致金属与陶瓷结合力差，而陶瓷材料受到冲击磨损时，韧性与抗冲击性能不足，使得陶瓷材料容易破碎。

2、金属约束陶瓷颗粒耐磨复合材料结合了陶瓷和金属各组分材料的主要特点，还可通过材料设计使各组分的性能相互补充并彼此联系，从而获得新的优越性能。但采用金属铸造工艺制备金属约束陶瓷颗粒复合材料时，陶瓷颗粒容易漂浮在钢液上部，设计定位难度大，同时难以满足不同耐磨抗冲击结构件规格的复合材料制备成型及保证复合材料板材的尺寸精度要求。为了解决这个问题，中国专利申请cn110773720b中提供了一种陶瓷增强耐磨件的制备方法，该方法通过采用不少于六个面的多面体陶瓷颗粒，可以有效的将陶瓷颗粒均匀的分布在金属相中。但是，这种多面的陶瓷颗粒非常容易割裂金属机体，造成应力集中，导致耐磨件整体的抗冲击防破碎性能下降。

技术实现思路

1、本申请提供了一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料及其制备方法，用于解决现有金属约束陶瓷颗粒耐磨复合材料中陶瓷颗粒容易割裂金属机体的技术问题。

2、本申请提供的一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，包括：陶瓷骨架以及包覆在陶瓷骨架外的金属包覆层和填充在陶瓷骨架内的金属填充层，金属包覆层和金属填充层一体成型；陶瓷骨架包括陶瓷颗粒，陶瓷颗粒为圆形陶瓷颗粒、椭圆形陶瓷颗粒、多边形陶瓷颗粒中的至少一种，多边形陶瓷颗粒经圆角处理。

3、可选的，陶瓷颗粒为氧化铝、氧化锆的质量分数为5%-30%的氧化锆增韧氧化铝、氮化硅中的至少一种。

4、可选的，圆形陶瓷颗粒和多边形陶瓷颗粒的粒径在3.5mm-5.5mm，椭圆形陶瓷颗粒的长轴小于等于5.5mm、短轴大于等于3.5mm。

5、可选的，陶瓷骨架上设置有多个贯穿陶瓷骨架的镂空孔。

6、可选的，陶瓷骨架的厚度在5mm-30mm，镂空孔的直径在10mm-50mm，相邻镂空孔之间的间距在5mm-35mm。

7、可选的，陶瓷骨架的边缘以及镂空孔的开口处均为流线型圆弧。

8、本申请还提供一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料的制备方法，用于制备上述模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，具体制备方法如下：

9、s1：对陶瓷骨架进行预热，并将陶瓷骨架加热至750℃-1500℃；

10、s2：对预热后的陶瓷骨架进行浇筑，控制浇筑温度在1450℃-1580℃，得到模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料。

11、可选的，陶瓷骨架通过如下方法制备得到：

12、s10：将陶瓷颗粒与液体胶粘剂混合，搅拌均匀后，得到混合料；

13、s20：将混合料注入镂空结构的条形泡沫型腔中，梯度高温烧结，泡沫燃烧气化，得到陶瓷骨架。

14、可选的，陶瓷骨架通过如下方法制备得到：

15、按照设计编织金属丝网，然后将陶瓷颗粒装入金属丝网中，金属丝网将陶瓷颗粒完全包裹，得到陶瓷骨架。

16、可选的，陶瓷颗粒的体积占金属丝网内部空腔体积的1/3-5/6。

17、本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

18、（1）本申请的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料中使用椭圆形、圆形、无尖角多边形的陶瓷颗粒，可以有效防止陶瓷颗粒对金属机体的破坏，提升了材料整体的抗冲击防破碎性能；

19、（2）本申请提供了两种陶瓷骨架，一种是通过液体胶粘剂连结陶瓷颗粒成型，另一种是通过编织的金属丝网固定成型，在金属浇注时，两种陶瓷骨架中的陶瓷颗粒分散开来，使得金属机体不仅包覆在陶瓷骨架的外侧，还穿插在陶瓷骨架中，增强了陶瓷相与金属相之间的结合强度，进而使得耐磨性得到大幅提升；

20、（3）本申请的陶瓷骨架上设置有多个镂空孔，镂空孔的设计一方面可以增加陶瓷骨架与金属的接触面积，提升陶瓷相和金属相之间的结合强度，另一方面还能将陶瓷颗粒呈区块的分散间隔开来，减少由于陶瓷颗粒和金属之间结合力差导致的陶瓷颗粒摩擦易脱落的问题，而且镂空设计既能保证陶瓷骨架自身结构的连续性，又能让金属熔体填充到陶瓷间隙中和外围分隔区域，形成连续、均匀的金属约束层，强化金属对陶瓷的紧固效果；

21、（4）本申请提供的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，是可以模块化拼接和安装的块状材料，可广泛应用于矿山磨盘、破碎机衬板、煤炭搅拌臂、岩石破碎锤头等耐磨部件，能显著提升产品耐磨性能与抗冲击性能，使用寿命较传统产品提升2倍以上，具有显著的经济与技术价值；

22、（5）本申请的铸造过程采用金属倾渗结合抽真空的低压浸渗工艺，使金属液充分渗透进预制体的镂空结构及陶瓷条形间隙，金属在铸造后非连续分布于镂空区域，金属凝固收缩时因密度变化对陶瓷条形结构内部分隔约束和整体紧密抱合，形成高强度的机械互锁与冶金包覆结合一体化复合结构；该铸造方式能够提升金属液浸渗程度，避免缩孔、夹渣等缺陷，保证复合铸件质量，适配高铬铸铁、高锰钢多种基体材料，应用范围广。

1.一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，包括：陶瓷骨架以及包覆在所述陶瓷骨架外的金属包覆层和填充在所述陶瓷骨架内的金属填充层，所述金属包覆层和所述金属填充层一体成型；所述陶瓷骨架包括陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒为圆形陶瓷颗粒、椭圆形陶瓷颗粒、多边形陶瓷颗粒中的至少一种，所述多边形陶瓷颗粒经圆角处理。

2.如权利要求1所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷颗粒为氧化铝、氧化锆的质量分数为5%-30%的氧化锆增韧氧化铝、氮化硅中的至少一种。

3.如权利要求1所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，所述圆形陶瓷颗粒和所述多边形陶瓷颗粒的粒径在3.5mm-5.5mm，所述椭圆形陶瓷颗粒的长轴小于等于5.5mm、短轴大于等于3.5mm。

4.如权利要求1所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷骨架上设置有多个贯穿所述陶瓷骨架的镂空孔。

5.如权利要求4所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷骨架的厚度在5mm-30mm，所述镂空孔的直径在10mm-50mm，相邻所述镂空孔之间的间距在5mm-35mm。

6.如权利要求5所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，其特征在于，所述陶瓷骨架的边缘以及所述镂空孔的开口处均为流线型圆弧。

7.一种模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-6任一项所述的模块化金属约束流线型镂空陶瓷复合材料，具体制备方法如下：

8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷骨架通过如下方法制备得到：

9.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷骨架通过如下方法制备得到：

10.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷颗粒的体积占所述金属丝网内部空腔体积的1/3-5/6。