[发明专利]一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

由于金属基复合材料优异的抗磨性、高温性能，较低的成本等，逐渐在高温结构材料、耐磨材料、工模具材料等领域获得应用。但陶瓷颗粒与金属基体界面结合强度往往较差，导致复合材料宏观力学性能不理想。目前，提高复合材料中增强相和基体界面结合的方法基本有三类：①在增强相表面镀层。②在基体金属中加入能与增强相反应的合金元素。③原位反应自生成增强相。为了解决金属基复合材料界面结合强度差的问题：

中国发明专利CN103302268A提出首先用陶瓷粉末制备带孔隙的陶瓷预制件；再通过化学镀镍的方式在陶瓷预制件上镀镍，镀镍层的厚度为10μm-200μm；将镀镍后的陶瓷预制件固定在铸型中，负压浇铸基体金属液得到金属陶瓷复合耐磨材料。本发明制作比较简单，特别适合大件板块件的生产。成品率高，性能稳定，基体与预制体的结合能形成良好的冶金结合。但是此方法通过化学镀镍的方式，成本较高，对设备要求较高。

中国发明专利CN101899631A公开了一种金属基复合材料增强体表面高润湿性涂层改性方法，包括如下步骤：①利用常规的涂层制备方法在增强体表面涂覆还性低于镁的金属氧化物涂层；②将涂覆金属氧化物涂层的增强体和纯镁放入真空炉中，纯镁置于炉底，增强体置于纯镁上方，抽真空，保持真空度低于10Pa，升温至600－700℃，保温5-60分钟，使镁蒸气与增加体表面金属氧化物涂层发生氧化－还原反应，生成由化合物组成的内层和被还原金属组成的外层构成的复合层即可。但是此方法需要在真空环境中完成，而且操作比较复杂，对于工业生产的可能性较低。

中国发明专利CN103193507A涉及一种提高金属对SiC陶瓷润湿性的方法。本发明通过在SiC陶瓷表面注入一定剂量的金属离子，降低金属对SiC陶瓷表面的接触角，改善金属与陶瓷的界面结合，提高SiC陶瓷与金属接触界面的热、电性能。此方法虽然能够提高金属对陶瓷的润湿性，但只局限于SiC，应用范围不是很广。

目前这些提高金属基复合材料陶瓷颗粒与金属基体之间的结合强度的方法，或多或少都会存在成本较高，操作复杂，效果不明显，不适用工业生产，应用范围不广等问题。

发明内容

为了解决金属基复合材料制备过程中金属基体与陶瓷颗粒结合强度差，复合材料性能较差的关键性问题，本发明的目的在于提供一种陶瓷颗粒增强金属基复合材料界面改性层的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）混料：将陶瓷颗粒、改性元素粉末、粘接剂混合均匀得到混合物，在混合物中陶瓷颗粒的质量百分比为75%~95%，改性元素的质量百分比为5%~25%，粘接剂质量百分比为3%~5%；

（2）预制体的制备：取出陶瓷颗粒，在5~40MPa压力下压制成所需形状的预制体；

（3）铸造：将预制体在100℃~1200℃焙烧30min~120min，出炉后快速置于铸型型腔中，浇铸金属液基体，采用压力铸造，使得金属液浸渗到陶瓷颗粒之间的间隙中，获得复合材料界面改性层。

本发明步骤（1）中所述混料可以在球磨机中进行混合，混合时间为30min~120min，转速为50~300r/min。

本发明所述陶瓷颗粒为A1₂O₃、ZrO₂、SiO₂、SiC、B₄C、TiC、TiN、TiB₂中的一种或几种，其颗粒度为10-300目。

本发明所述改性元素为Ni、Ti、Cr、Cu、Si、B、Co、Al元素中的一种，其颗粒度为100-500目。

本发明所述金属液基体材质为铸钢、铸铁、Al合金、Cu合金、Zn合金、Mg合金、Ti合金、Ni合金中的一种。

本发明所述步骤A中粘接剂为水玻璃溶液、硅溶胶、偏磷酸铝溶液、聚乙烯醇溶液的一种或几种。

本发明所述改性元素的熔点比金属基体的熔点高100-400℃，因为改性元素的熔点略高于金属液的熔点，在金属液被浇铸在型腔中，改性元素处于熔融状态，再在压力的作用下跟着金属液一起运动，当遇到陶瓷颗粒的阻碍作用时，会绕着陶瓷颗粒表面，在其表面形成一层微米级的界面改性层可以改善陶瓷颗粒和金属界面的结合强度。