陶瓷颗粒及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种陶瓷颗粒及其制备方法和应用。


背景技术：

2.磨机、粉碎机等耐磨设备常见于工件加工中。磨机的耐磨板、磨辊、锤头等直接与待加工的工件接触的部件的工作面容易受到磨损，不仅影响设备寿命，而且容易导致工件加工精度下降，影响产品品质。因此，亟需提高耐磨部件工作面的耐磨性。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的是提出一种陶瓷颗粒及其制备方法和应用，旨在提高耐磨部件工作面的耐磨性。
4.为实现上述目的，本发明提出一种陶瓷颗粒，用于金属-陶瓷复合材料，所述陶瓷颗粒包括以下重量百分含量的组分：4％～69％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；
5.其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于80％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种。
6.可选地，所述其他组分为镍和钨的混合物。
7.可选地，所述陶瓷颗粒中，所述氧化锆的重量百分含量为75％～80％。
8.可选地，所述陶瓷颗粒的粒径为1～5mm。
9.此外，本发明提出一种陶瓷颗粒的制备方法，所述陶瓷颗粒的制备方法包括以下步骤：
10.取氧化铝、氧化锆以及其他组分混合后，球磨粉碎至粒径小于0.5μm，得到粉料；
11.将所述粉料滚圆成颗粒后，于1400℃～1600℃烧结成陶瓷颗粒。
12.可选地，所述将所述粉料滚圆成颗粒后，于1400℃～1600℃烧结成陶瓷颗粒的步骤包括：
13.将所述粉料滚圆成颗粒；
14.将所述颗粒置于真空热压烧结装置中，在8～12pa真空度条件下，以8～12℃/min升温速率升温至200℃，然后以45～55℃/min升温速率升温至1400℃～1600℃，调节压力至30mpa后保温1.8～2.2h烧结；
15.降温至800℃并保温1.8～2.2h后，快速冷却得到陶瓷颗粒。
16.此外，本发明还提出一种金属-陶瓷复合材料，所述金属-陶瓷复合材料包括：
17.陶瓷结构，包括多个陶瓷颗粒，多个所述陶瓷颗粒相互粘结以在所述多个陶瓷颗粒之间形成隙孔，其中，所述陶瓷颗粒包括以下重量百分含量的组分：4％～70％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于95％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种；以及，
18.金属填充物，填充在所述隙孔内。
19.可选地，所述金属填充物的材质包括高铬白口铸铁或马氏体钢。
20.此外，本发明还提出一种金属-陶瓷复合材料的制备方法，所述金属-陶瓷复合材料的制备方法包括以下步骤：
21.提供模具，所述模具形成有模腔；
22.将多个陶瓷颗粒和粘结剂搅拌混匀后，填充到所述模腔中，成型为陶瓷结构；
23.将金属熔融呈液态后，倒入所述模腔中，使得所述陶瓷结构的隙孔被液态金属填充，冷却得到金属-陶瓷复合材料。
24.此外，本发明还提出一种耐磨设备，所述耐磨设备包括耐磨结构，所述耐磨结构包括：
25.金属基层，具有用于与工件接触的工作面；以及，
26.金属-陶瓷复合材料，设于所述工作面上，所述金属-陶瓷复合材料包括陶瓷结构和金属填充物，所述陶瓷结构包括多个陶瓷颗粒，多个所述陶瓷颗粒相互粘结以在所述多个陶瓷颗粒之间形成隙孔，其中，所述陶瓷颗粒包括以下重量百分含量的组分：4％～69％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于80％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种；所述金属填充物填充在所述隙孔内。
27.本发明的技术方案中，通过将氧化铝、氧化锆以及由镍钨钛其中至少一个组成的其他组分作为主要组分，按照一定的比例混合制成陶瓷颗粒，该陶瓷颗粒易于加工，且具有较好的强度、硬度和稳定性，耐磨性极强；此外，本陶瓷颗粒与金属复合制成的复合材料兼具金属材料的高强度和陶瓷材料的高耐磨性，覆于金属基层的工作面时，有助于提高金属基层的耐磨性，进而延长其寿命，提高加工产品的合格率。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
29.图1为本发明提供的耐磨结构的一实施例的结构示意图；
30.图2为图1中金属-陶瓷复合材料的结构示意图。
31.附图标号说明：
32.标号名称标号名称100金属-陶瓷复合材料20金属填充物10陶瓷结构200金属基层1陶瓷颗粒
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33.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基
于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
36.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
37.磨机、粉碎机等耐磨设备常见于工件加工中。磨机的耐磨板、磨辊、锤头等直接与待加工的工件接触的部件的工作面容易受到磨损，不仅影响设备寿命，而且容易导致工件加工精度下降，影响产品品质。因此，亟需提高耐磨部件工作面的耐磨性。
38.鉴于此，本发明提供一种陶瓷颗粒1，用于制备金属-陶瓷复合材料100。所述陶瓷颗粒1包括以下重量百分含量的组分：4％～69％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于80％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种。具体地，本陶瓷颗粒1的主要成分包括氧化铝、氧化锆以及其他组分，其中其他组分为镍、钨或钛，或者，镍、钨和钛中的两种或三种的混合物。本陶瓷颗粒1中，氧化铝的重量百分含量为4％～69％，例如，4％、10％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、69％等；氧化锆的重量百分含量为30％～95％，例如，30％、40％、50％、60％、70％、75％、76％、78％、80％、90％、95％等；其他组分的重量百分含量为0.1％～20％，例如，0.1％、0.5％、1％、2％、5％、10％、20％等；需要说明的是，陶瓷颗粒1中，氧化铝和氧化锆的总量不得低于80％，例如，当氧化铝的重量百分含量为10％时，氧化锆的重量百分含量至少为70％。
39.本发明的技术方案中，镍能够提高陶瓷颗粒1的硬度，钛和钨能够改善陶瓷颗粒1中氧化铝和氧化锆混合体系的稳定性，提高陶瓷颗粒1的强度和耐磨性，本发明通过将氧化铝、氧化锆以及由镍钨钛其中至少一个组成的其他组分作为主要组分，将氧化铝和氧化锆的特性与其他组份的特性结合，并通过将几种组分按照一定的比例混合，使得陶瓷颗粒1具有高于一般陶瓷材料的强度、硬度和稳定性，具有较高的耐磨性；而且该陶瓷颗粒1易于加工，制造难度较低；此外，本陶瓷颗粒1与金属复合制成的复合材料兼具金属材料的高强度和陶瓷材料的高耐磨性，覆于金属基层200的工作面时，有助于提高金属基层200的耐磨性，进而延长其寿命，提高加工产品的合格率。
40.其中，其他组分可以是镍、钨或钛，也可以是镍、钨和钛中的任意两种或三种的混合物。作为优选，本实施例中，所述其他组分为镍和钨的混合物。其中，镍能够提高陶瓷颗粒1的硬度；钨能够改善陶瓷颗粒1中氧化铝和氧化锆混合体系的稳定性，提高陶瓷颗粒1的强度和耐磨性，且成本低于钛，本实施例选用镍和钨的混合物作为其他组分，得到的陶瓷颗粒1具有最佳的综合性能。
41.此外，在本发明一优选实施例中，所述陶瓷颗粒1中，所述氧化锆的重量百分含量
为75％～80％，也就是说，所述氧化锆的重量百分含量可以为75％、76％、77％、77.7％、78％、79％、79.5％、80％等。
42.此外，所述陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。当陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm，不仅加工难度适中，而且具有较强的耐磨性能。
43.基于上述陶瓷颗粒1的实施例，本发明进一步提出一种陶瓷颗粒1的制备方法。本实施例陶瓷颗粒1的制备方法包括以下步骤：
44.步骤s10，取氧化铝、氧化锆以及其他组分混合后，球磨粉碎至粒径小于0.5μm，得到粉料。
45.其中，氧化锆、氧化铝以及其他组分的具体取用量为：氧化锆30％～95％，且优选为75％～80％；氧化铝4％～69％，且氧化铝和氧化锆的重量百分含量之和不小于80％；其他组分0.1％～20％，其中，其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种，且其他组分为至少两种金属的混合物时，其他组分中各金属组分可以以任意比例混合，实际应用时，可以根据产品性能需求进行调整。
46.步骤s20，将所述粉料滚圆成颗粒后，于1400℃～1600℃烧结成陶瓷颗粒1。
47.具体实施时，步骤s20可以按照如下步骤制备：
48.步骤s21，将所述粉料滚圆成颗粒；
49.步骤s22，将所述颗粒置于真空热压烧结装置中，在8～12pa真空度条件下，以8～12℃/min升温速率升温至200℃，然后以45～55℃/min升温速率升温至1400℃～1600℃，调节压力至30mpa后保温1.8～2.2h烧结；
50.步骤s23，降温至800℃并保温1.8～2.2h后，快速冷却得到陶瓷颗粒1。
51.其中，陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
52.本发明制备方法步骤简洁，条件易于控制，制得的陶瓷颗粒1具有高于一般陶瓷材料的强度、硬度和稳定性，具有较高的耐磨性。
53.此外，本发明进一步提出一种金属-陶瓷复合材料100，该金属-陶瓷复合材料100兼具金属材料的高强度和陶瓷材料的高耐磨性。图2所示为本发明提出的金属-陶瓷复合材料100的具体实施例。
54.参阅图2，所述金属-陶瓷复合材料100包括陶瓷结构10和金属填充物20。所述陶瓷结构10包括多个陶瓷颗粒1，多个所述陶瓷颗粒1相互粘结以在所述多个陶瓷颗粒1之间形成隙孔，其中，所述陶瓷颗粒1包括以下重量百分含量的组分：4％～69％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于80％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种；所述金属填充物20填充在所述隙孔内。
55.具体地，陶瓷结构10由多个陶瓷颗粒1粘结而成，由于陶瓷颗粒1大致为球状，多个陶瓷颗粒1之间形成隙孔结构，通过将液态金属填充在这些隙孔内，使其冷却形成金属填充物20，金属填充物20将陶瓷颗粒1均匀包裹住，当该金属-陶瓷复合材料100受到作用力时，由多个陶瓷颗粒1构成的陶瓷相承受的机械应力被金属填充物20分散，从而使得复合材料具有较高的耐磨性；同时，金属填充物20均匀分布在陶瓷颗粒1之间，也进一步获得了强化，具有相较单一的金属材料更强的强度。本发明提出的金属-陶瓷复合材料100既有陶瓷的耐磨性能，同时又具备了金属材料良好的机械性能，不易破裂、脱落。
56.其中，所述金属填充物20的材质包括高铬白口铸铁或马氏体钢。相较其他金属材料，高铬白口铸铁和马氏体钢具有较好的强度和硬度。
57.进一步地，本发明提出一种金属-陶瓷复合材料100的制备方法，用于制备上述实施例的金属-陶瓷复合材料100。本实施例金属-陶瓷复合材料100的制备方法包括以下步骤：
58.步骤s100，提供模具，所述模具形成有模腔。
59.模腔的具体形状本发明不做限制，实际应用时，可以根据需要的金属-陶瓷复合材料100的形状进行设置。模具可以是独立的，能够制备出独立的金属-陶瓷复合材料100，也可以成型于待附着金属-陶瓷复合材料100的部件的工作面上，实际应用时，可以根据需要进行调整。
60.步骤s200，将多个陶瓷颗粒1和粘结剂搅拌混匀后，填充到所述模腔中，成型为陶瓷结构10。
61.其中，粘结剂为无机粘结剂，例如，水玻璃、矿物粘土、硅酸钠、硅酸铝等。
62.步骤s300，将金属熔融呈液态后，倒入所述模腔中，使得所述陶瓷结构10的隙孔被液态金属填充，冷却得到金属-陶瓷复合材料100。
63.其中，金属可以为高铬白口铸铁或马氏体钢。本发明方法将陶瓷颗粒1粘结呈陶瓷结构10预制体后，注入液态金属，通过利用液态金属的流体特性，使得金属能够充分填充到陶瓷结构10内部的隙孔内，使得陶瓷颗粒1被金属充分包裹。
64.此外，本发明还提出一种耐磨设备，例如，磨机、破碎机、粉碎机等耐磨设备。所述耐磨设备包括耐磨结构，例如，磨机的耐磨衬板、磨辊等。所述耐磨结构包括金属基层200和金属-陶瓷复合材料100。图1为本发明提出的耐磨结构的一实施例。
65.参阅图1，所述耐磨结构包括金属基层200和金属-陶瓷复合材料100。所述金属基层200具有用于与工件接触的工作面；所述金属-陶瓷复合材料100设于所述工作面上，所述金属-陶瓷复合材料100包括陶瓷结构10和金属填充物20，所述陶瓷结构10包括多个陶瓷颗粒1，多个所述陶瓷颗粒1相互粘结以在所述多个陶瓷颗粒1之间形成隙孔，其中，所述陶瓷颗粒1包括以下重量百分含量的组分：4％～69％氧化铝、30％～95％氧化锆以及0.1％～20％其他组分；其中，所述氧化铝和所述氧化锆的重量百分含量之和不小于80％，且所述其他组分包括镍、钨和钛中的至少一种；所述金属填充物20填充在所述隙孔内。
66.本发明提出的耐磨结构，以金属为基层，其面向工件的一侧为工作面，能够对金属-陶瓷复合材料100起到固定和支撑作用，防止金属-陶瓷复合材料100在较大冲击载荷下脱落，能够提高金属-陶瓷复合材料100的冲击韧性；金属-陶瓷复合材料100具有hv2100的超高硬度和很强的耐磨、耐腐蚀性，能够有效避免表层金属-陶瓷复合材料100在受到较高磨损工况下对金属基层200的磨损，提高耐磨结构的使用寿命，提高工件加工的合格率。
67.其中，金属基层200的材质包括高铬白口铸铁或马氏体钢。
68.此外，作为优选，在制备时，先提供用于制备陶瓷结构10的模具，然后向模具中倒入混拌过的陶瓷颗粒1和粘结剂的混合物，待陶瓷结构10成型后，取出陶瓷结构10，利用工装把陶瓷结构10固定在金属基层200的工作面上。向陶瓷结构10直接倒入液态金属，以直接在工作面上形成金属-陶瓷复合材料100，如此，能够使得金属-陶瓷复合材料100与金属基层200紧密结合，避免了金属-陶瓷复合材料100在使用过程中的剥落。
69.以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
70.为便于理解，下述实施例均以磨煤机的耐磨衬板为例进行描述。
71.实施例1
72.陶瓷颗粒1：15％氧化铝、80％氧化锆以及5％其他组分(镍和钨)；陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
73.陶瓷颗粒1的制备方法：按照上述比例称取氧化铝、氧化锆以及其他组分，并混合；利用球磨机将配制好的混合物进行球磨，球磨10h，确保球磨后的粉料的粒径小于0.5μm；将粉料滚圆成粒径为1～5mm的颗粒；将颗粒置于真空热压烧结装置中，在10pa真空度条件下，以10℃/min升温速率升温至200℃，然后以50℃/min升温速率升温至1500℃，调节压力至30mpa后保温2h烧结；降温至800℃并保温2h，快速冷却得到陶瓷颗粒1。检测陶瓷颗粒1的硬度和强度，结果记入表1中。
74.实施例2
75.陶瓷颗粒1：22％氧化铝、75％氧化锆以及3％其他组分(镍、钨、钛)；陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
76.陶瓷颗粒1的制备方法：按照上述比例称取氧化铝、氧化锆以及其他组分，并混合；利用球磨机将配制好的混合物进行球磨，球磨10h，确保球磨后的粉料的粒径小于0.5μm；将粉料滚圆成粒径为1～5mm的颗粒；将颗粒置于真空热压烧结装置中，在10pa真空度条件下，以10℃/min升温速率升温至200℃，然后以50℃/min升温速率升温至1500℃，调节压力至30mpa后保温2h烧结；降温至800℃并保温2h，快速冷却得到陶瓷颗粒1。检测陶瓷颗粒1的硬度和强度，结果记入表1中。
77.实施例3
78.陶瓷颗粒1：4％氧化铝、76％氧化锆以及20％其他组分(镍和钨)；陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
79.陶瓷颗粒1的制备方法：按照上述比例称取氧化铝、氧化锆以及其他组分，并混合；利用球磨机将配制好的混合物进行球磨，球磨10h，确保球磨后的粉料的粒径小于0.5μm；将粉料滚圆成粒径为1～5mm的颗粒；将颗粒置于真空热压烧结装置中，在8pa真空度条件下，以8℃/min升温速率升温至200℃，然后以45℃/min升温速率升温至1400℃，调节压力至30mpa后保温1.8h烧结；降温至800℃并保温1.8h，快速冷却得到陶瓷颗粒1。检测陶瓷颗粒1的硬度和强度，结果记入表1中。
80.实施例4
81.陶瓷颗粒1：69％氧化铝、30％氧化锆以及1％其他组分(钨)；陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
82.陶瓷颗粒1的制备方法：按照上述比例称取氧化铝、氧化锆以及其他组分，并混合；利用球磨机将配制好的混合物进行球磨，球磨10h，确保球磨后的粉料的粒径小于0.5μm；将粉料滚圆成粒径为1～5mm的颗粒；将颗粒置于真空热压烧结装置中，在12pa真空度条件下，以12℃/min升温速率升温至200℃，然后以55℃/min升温速率升温至1600℃，调节压力至30mpa后保温2.2h烧结；降温至800℃并保温2.2h，快速冷却得到陶瓷颗粒1。检测陶瓷颗粒1的硬度和强度，结果记入表1中。
83.实施例5
84.陶瓷颗粒1：4.9％氧化铝、95％氧化锆以及0.1％其他组分(镍)；陶瓷颗粒1的粒径为1～5mm。
85.陶瓷颗粒1的制备方法：按照上述比例称取氧化铝、氧化锆以及其他组分，并混合；利用球磨机将配制好的混合物进行球磨，球磨10h，确保球磨后的粉料的粒径小于0.5μm；将粉料滚圆成粒径为1～5mm的颗粒；将颗粒置于真空热压烧结装置中，在10pa真空度条件下，以10℃/min升温速率升温至200℃，然后以55℃/min升温速率升温至1500℃，调节压力至30mpa后保温2h烧结；降温至800℃并保温2h，快速冷却得到陶瓷颗粒1。检测陶瓷颗粒1的硬度和强度，结果记入表1中。
86.对比例1
87.除将陶瓷颗粒1的组分改为“20％氧化铝和80％氧化锆”外，其他步骤均与实施例1相同。
88.提供用于制备陶瓷结构10的模具，然后向模具中倒入混拌过的陶瓷颗粒1和粘结剂的混合物，待陶瓷结构10成型后，取出陶瓷结构10，利用工装把陶瓷结构10固定在耐磨衬板金属基层200(高铬白口铸铁)的工作面上；将金属(高铬白口铸铁)熔融呈液态，向陶瓷结构10上倾倒液态金属，待金属冷却成型后，即在工作面上直接形成金属-陶瓷复合材料100，该金属-陶瓷复合材料100与金属基层200紧密结合。将制得的耐磨衬板安装至磨煤机上，运行磨煤机，在运行时间为2000h和4500h时，测量金属-陶瓷复合材料100层被磨损掉的厚度值，记入表1中。
89.表1陶瓷颗粒1性能
[0090][0091]
从上表可以看出，相较对比例，本发明提出的陶瓷颗粒1具有较强的强度和硬度，且将其制备成金属-陶瓷复合材料100后，制得的耐磨衬板的磨损情况得到了明显的改善。
[0092]
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。