一种高温耐磨复合材料的体系及制备方法

摘要

本发明涉及一种以Fe-FeAl2O4为主要物相的新型高温耐磨材料，该材料中金属相和陶瓷相的质量百分含量分别为33-45％和67-55％，具有高硬度、高韧性和低磨损率，能够抵抗冶金、材料和热能等领域中1100℃以下固体颗粒的表面磨损侵蚀，特别适用于保护高温热交换器风管、旋风分离器内衬和含粉尘通风管路等设备。本发明还涉及这种高温耐磨复合材料的制备方法，采用氧化铁粉末、碳粉和铝氧化合物粉末为原料，在高温下通过原位合成方法，制备出高温耐磨的新型金属陶瓷材料。工艺简单、参数可控、成本低、金属相和陶瓷相比例可控，相界面纯净、结合良好。

权利要求

1.一种高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，所述高温耐磨复合材料以Fe-FeAl2O4为主要物相体系，增强相为FeAl2O4，粘结相为FeO-Al2O3固熔相，韧性相为Fe；

所述复合材料的金属物相质量百分比为33-45％，非金属物相质量百分比为67-55％；

将氧化铁粉末、炭粉和铝氧化合物粉末混合均匀，使其在高温下发生化学反应和热压烧结，原位合成致密Fe-FeAl2O4系复合材料；

方法包括以下步骤：

步骤1、配料：取氧化铁粉末、炭粉和铝氧化合物粉末按照一定比例放入球磨机中，润磨混匀；

步骤2、压片：将步骤1润磨好的物料在一定压力下压制成圆柱形；

步骤3、化学反应和高温原位合成：将步骤2压片置于热压炉，在高温下发生化学反应和热压烧结，原位合成致密Fe-FeAl2O4复合材料。

2.根据权利要求1所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，所述氧化铁为Fe3O4和/或Fe2O3，所述炭粉为活性炭粉和/或焦炭粉，所述铝氧化合物粉末为Al2O3和/或Al(OH)3，混合反应原料摩尔配比为MFe/MAl＝0.9-1.2，MO/MC＝1.0-1.5。

3.根据权利要求1所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，球磨工艺参数球料比为

3:1-10:1，球磨时间为24-48小时，球磨机转速为100-250转/分。

4.根据权利要求1所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，压片的成形压力5-

30MPa，保压时间1-5分钟。

5.根据权利要求1所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，反应和原位合成气氛为氩气和/或氮气，或真空；温度为1300-1500℃，时间为5-25分钟，热压烧结压力为10-40MPa。

6.根据权利要求2所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，原料Fe3O4/Fe2O3的摩尔比为1:2-2:1。

7.根据权利要求1-6任一所述高温耐磨复合材料的体系，其特征在于，原料粒度小于20微米。

说明书

一种高温耐磨复合材料的体系及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属陶瓷复合材料及其制备技术领域，尤其涉及一种新体系金属陶瓷复合材料及其制备方法。

背景技术

[0002] 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

[0003] 先进陶瓷材料中应用最广泛的是素有“陶瓷王”之称的Al2O3陶瓷。氧化铝陶瓷原料分布广、产品性能优良、价格低。由于具有耐高温、硬度大、强度高、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等优良性能，是目前氧化物陶瓷中用途最广、产量最大的陶瓷新材料：可用于切削刀具、磨环、模具；是理想的集成电路基板材料；还可用作催化剂载体、热交换管、阀门、化学泵等。但是与其他陶瓷材料一样，该陶瓷具有脆性这一固有的致命弱点，使得目前Al2O3陶瓷材料的使用范围及其寿命受到了相当大的限制。改善氧化铝陶瓷材料脆性的方法很多，如提高材料的密度、纯度、晶体完整性，以及改变晶形、晶粒尺寸、晶界状况等，或通过微裂纹韧化、ZrO2相变增韧、颗粒弥散、纤维增韧方法等。

[0004] 金属陶瓷是由陶瓷硬质相与金属或合金粘结相组成的复合材料，因此兼有金属和陶瓷的优点。它密度小、硬度高、耐磨、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。既具有金属的韧性、高导热性和良好的热稳定性，又具有陶瓷的耐高温、耐腐蚀和耐磨损等特性。金属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。随着我国机械、冶金、能源等领域的高速、可持续发展，对材料综合性能的要求越来越高。由于陶瓷-金属基复合材料能够将金属良好的塑性、高导热性与陶瓷的高温耐磨损及耐腐蚀性有效的结合起来，因而得到了广泛关注。

[0005] 目前，金属陶瓷分为氧化物体系(Al2O3、ZrO2、MgO)、碳化物体系(TiC、SiC、WC)、硼化物体系(TiB、ZrB、CrB)和氮化物体系(TiN、BN、Si3N4、TaN)等，其中氧化物体系应用最广泛。氧化物金属陶瓷以氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍等为基体，与金属钨、铬或钴复合而成，具有耐高温、抗化学腐蚀、导热性好、机械强度高等特点，可用作导弹喷管衬套、熔炼金属的坩埚和金属切削刀具。

[0006] 通常来讲，金属陶瓷要求各物相间有良好的物理相容性和化学相容性，因此，选择合适金属相和陶瓷相组合是制备新型金属陶瓷的先决条件。

[0007] Al2O3基金属陶瓷在所有氧化物金属陶瓷的研究和应用中最为广泛。但Al2O3韧性差，为改善其弊端，常加入延性金属颗粒。常见的Fe由于润湿性差而不能直接作为Al2O3增韧金属。文献1(王志，刘健飞，丁寅森，等.Fe/Al2O3复合材料的制备和性能[J].材料研究学报，2012,26(2)：206-210)报道了一种Fe与Al2O3陶瓷的复合方法，该方法的缺点是需添加金属Al来改善Fe与Al2O3陶瓷的润湿性，但是金属粉末与Al2O3陶瓷粉末不易完全混合均匀，影响各物相的物理相容性和化学相容性。专利CN02245580.9报道一种高温耐磨管件的制备方法，其采用在本钢制外壳焊接龟甲网，然后将刚玉、烧结矾土或石英为骨料分散在复合磷酸盐聚合物和促凝剂固化物中所形成的耐高温耐磨衬里，该方法不足为需先焊接龟甲网，形成的耐高温耐磨衬里形状不易控制、成型精度低，断裂韧性差。文献2(臧国鹏.反应等离子喷涂Fe-Al2O3-FeAl2O4复合涂层形成机理的研究[D].天津：河北工业大学，2011)介绍一种反应等离子喷涂Fe-Al2O3-FeAl2O4复合涂层的方法，该方法以工业铝粉和氧化铁粉为原料，通过喷雾造粒法，制备出适合于等离子喷涂的复合粉体，并通过等离子喷涂技术将复合粉体制备成金属陶瓷复合涂层，该专利的不足为铝粉还原氧化铁反应速度不易控制，涂层薄而耐磨性差。到目前为止，世界上未报到关于采用原位反应合成Fe-FeAl2O4系金属陶瓷复合材料。

[0008] 原位合成法是一种最近发展起来制备复合材料的新方法。其基本原理是利用不同元素或化学物之间在一定条件下发生化学反应，而在材料基体内生成一种或几种物相颗粒，以达到改善单一材料性能的目的。通过这种方法制备的复合材料，增强体是在基体内形核、自发长大，因此，增强体表面无污染，基体和增强体的相溶性良好，界面结合强度较高。同时，不像其它复合材料，省去了繁琐的增强体预处理工序，简化了制备工艺。

发明内容

[0009] 为解决以上技术问题，本发明提供一种高温耐磨复合材料的体系，以Fe-FeAl2O4为主要物相的新金属陶瓷体系，该材料具有高硬度、高韧性和低磨损率，能够抵抗冶金、材料和热能等领域中1100℃以下固体颗粒的表面磨损侵蚀，特别适用于保护高温热交换器风管、旋风分离器内衬和含粉尘通风管路等设备。

[0010] 本发明还提供了一种高温耐磨复合材料的制备方法，以氧化铁粉末、碳粉和铝化合物粉末为原料在高温下通过原位合成，制备出Fe-FeAl2O4系高温耐磨的金属陶瓷复合材料，该材料中金属相和陶瓷相的质量百分含量分别为33-45％和67-55％，与自蔓延烧结、等离子喷涂、固相烧结、液相烧结和浸渗法等工艺比较，原位反应合成具有如下优点：工艺简单、参数可控、成本低、金属相和陶瓷相比例可控，相界面纯净、结合良好等。

[0011] 本发明通过以下技术方案实现。

[0012] 一种高温耐磨复合材料的体系，所述高温耐磨复合材料以Fe-FeAl2O4为主要物相，增强相为FeAl2O4，粘结相为FeO-Al2O3固熔相，韧性相为Fe。

[0013] 所述高温耐磨复合材料的金属物相质量百分比为33-45％，非金属物相质量百分比为67-55％。

[0014] 一种高温耐磨复合材料的制备方法，其特征在于，将氧化铁粉末、炭粉和铝氧化合物粉末混合均匀，使其在高温下发生化学反应和热压烧结，原位合成致密Fe-FeAl2O4复合材料。

[0015] 方法包括以下步骤：

[0016] 步骤1、配料：取氧化铁粉末、炭粉和铝氧化合物粉末按照一定比例放入球磨机中，加入适量分散剂润磨混匀，低温真空下烘干；分散剂的种类和用法属于本领域常用技术手段，可以参照一般氧化铝陶瓷制备方法。

[0017] 步骤2、压片：将步骤1中润磨好的物料加入适量粘结剂，在一定压力下压制成圆柱形，低温真空下烘干；粘结剂的种类和用法属于本领域常用技术手段，可以参照一般氧化铝陶瓷制备方法。

[0018] 步骤3、化学反应和高温原位合成：将步骤2中压片置于热压炉，在高温下发生化学反应和热压烧结，利用固体碳还原氧化铁生成部分金属铁和FeOx，FeOx和Al2O3反应生产FeAl2O4和Fe-Al-O固熔体，原位合成致密Fe-FeAl2O4复合材料。

[0019] 本发明方法所述所述氧化铁为Fe3O4和/或Fe2O3，所述碳粉为活性炭粉和/或焦炭粉，所述铝氧化合物粉末为Al2O3和/或Al(OH)3，混合反应原料摩尔配比优选为：MFe/MAl＝0.9-1.2，MO/MC＝1.071-1.483。Al2O3和Al(OH)3混合使用时对混合比例无要求，主要是提供铝源，Al(OH)3高温下可以分解成Al2O3。

[0020] 本发明中MFe、MAl指反应原料中Fe和Al的物质的量(mol)，MO指氧化铁中的氧的物质的量(mol)，MC指反应原料中碳的物质的量(mol)；原料粒度均小于20微米，颗粒形状任意。

[0021] 本发明球磨工艺参数的球料比为优选3:1-10:1，球磨时间为24-48小时，球磨机转速优选为100-250转/分，球磨的目的是使用原料混合更均匀。

[0022] 本发明压片的成形压力优选5-30MPa，保压时间1-5分钟。

[0023] 本发明反应和原位合成气氛为真空，或者氩气和/或氮气的惰性气体条件下；温度为1300-1500℃，保温时间为5-25分钟，热压烧结辅助压力为10-40MPa。

[0024] 本发明以Fe3O4和Fe2O3为原料时，Fe3O4/Fe2O3的摩尔比优选为1:2-2:1。

[0025] 本发明高温耐磨复合材料，是一种新金属陶瓷体系，采用原位反应合成制备金属陶瓷技术，与现有技术相比，本发明具有以下特点：

[0026] 1、本发明高温耐磨复合材料是以Fe-FeAl2O4为主要物相的新金属陶瓷体系，该材料增强相为FeAl2O4，粘结相为FeO-Al2O3固熔相，韧性相为Fe，具有高硬度、高韧性和低磨损率，能够抵抗冶金、材料和热能等领域中1100℃以下固体颗粒的表面磨损侵蚀，特别适用于保护高温热交换器风管、旋风分离器内衬和含粉尘通风管路等设备。

[0027] 2、本发明原位反应合成Fe、FeAl2O4和Fe-Al-O固熔体，不需要单独制备，也不需与其他物相粉末混合，物相润湿角小，界面结合良好。

[0028] 3、本发明高温耐磨复合材料陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。

[0029] 4、本发明高温耐磨复合材料陶瓷物相与金属相分布均匀，杂质含量可控；工艺方法简单，省去了繁琐的增强体预处理工序，易于制备，参数可控，成本低。

[0030] 5、本发明制备金属陶瓷的抗折强度大于350MPa，洛氏硬度大于4000MPa，磨损率小于0.04％。

附图说明

[0031] 图1为本发明高温耐磨复合材料制备方法工艺流程图

具体实施方式

[0032] 以下通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。

[0033] 实施例1

[0034] 取粒度小于20微米的Fe3O4粉末、Al2O3粉末和活性炭粉末，按照MFe/MAl＝0.9、MO/MC＝1.5比例配料。将配好的粉料加入适量分散剂在球磨机内润磨混合24小时，球料比为3:1，球磨机转速：100转/分，物料混合均匀，取出低温真空下烘干，加入适量粘结剂后，成形压力5MPa，保压时间5分钟，压制成φ25.5±0.5mm圆柱，低温真空下烘干。将压好的圆柱形片在氮气和氩气体积比为1:1气氛下在1300℃烧结，辅助压力为10MPa，保温时间为5分钟，冷却至室温，即得Fe-FeAl2O4金属陶瓷。对所得产品进行检测，金属相与非金属物相的质量百分比分别为33％和67％。

[0035] 物相润湿角小，界面结合良好，陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。工艺方法简单，省去了繁琐的增强体预处理工序，易于制备，参数可控，成本低。测试该金属陶瓷的抗折强度为365MPa，洛氏硬度为4050MPa，磨损率为0.038％。

[0036] 实施例2

[0037] 取粒度小于20微米的Fe2O3、Al2O3粉末和焦炭粉，按照MFe/MAl＝1.2、MO/MC＝1.0比例配料。将配好的粉料加入适量分散剂在球磨机内润磨混合48小时，球料比为10:1，球磨机转速：250转/分，物料混合均匀，取出低温真空下烘干，加入适量粘结剂后，成形压力30MPa，保压时间1分钟，压制成φ25.5±0.5mm圆柱，低温真空下烘干。在氩气气氛下在1400℃烧结，辅助压力为40MPa，烧结时间为25分钟，其他制备方法同实施例1，即得Fe-FeAl2O4金属陶瓷。对所得产品进行检测，金属相与非金属物相的质量百分比分别为45％和55％。

[0038] 物相润湿角小，界面结合良好，陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。测试该金属陶瓷的抗折强度为352MPa，洛氏硬度为4120MPa，磨损率为0.035％。

[0039] 实施例3

[0040] 取粒度小于20微米的Fe3O4、Fe2O3、Al(OH)3粉末和活性炭粉，按照MFe/MAl＝1.1、MO/MC＝1.2比例配料，其中Fe3O4/Fe2O3的摩尔比为2:1。将配好的粉料加入适量分散剂在球磨机内润磨混合36小时，球料比为8:1，球磨机转速200转/分，物料混合均匀，取出低温真空下烘干，加入适量粘结剂后，成形压力20MPa，保压时间3分钟，压制成φ25.5±0.5mm圆柱，低温真空下烘干。在氮气气氛下在1500℃烧结，辅助压力为20MPa，烧结时间为25分钟，其他制备方法同实施例1，即得Fe-FeAl2O4金属陶瓷。对所得产品进行检测，金属相与非金属物相的质量百分比分别为41％和59％。

[0041] 物相润湿角小，界面结合良好，陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。测试该金属陶瓷的抗折强度为367MPa，洛氏硬度为4008MPa，磨损率为0.039％。

[0042] 实施例4

[0043] 取粒度小于20微米的取Fe3O4、Fe2O3、Al2O3粉末和活性炭粉。按照MFe/MAl＝1.0、MO/MC＝1.3比例配料，其中Fe3O4/Fe2O3的摩尔比为1:2。将配好的粉料加入适量分散剂在球磨机内润磨混合30小时，球料比为5:1，球磨机转速：150转/分，物料混合均匀，取出低温真空下烘干，加入适量粘结剂后，成形压力30MPa，保压时间3分钟，压制成φ25.5±0.5mm圆柱，低温真空下烘干。在真空下在1500℃烧结，辅助压力为30MPa，烧结时间为15分钟，其他制备方法同实施例1，即得Fe-FeAl2O4金属陶瓷。对所得产品进行检测，金属相与非金属物相的质量百分比分别为39％和61％。

[0044] 物相润湿角小，界面结合良好，陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。测试该金属陶瓷的抗折强度为353MPa，洛氏硬度为4035MPa，磨损率为0.032％。

[0045] 实施例5

[0046] 取粒度小于20微米的取Fe3O4、Fe2O3、Al2O3、Al(OH)3粉末和活性炭粉。按照MFe/MAl＝1.10、MO/MC＝1.4比例配料，其中Fe3O4/Fe2O3的摩尔比为1:1。将配好的粉料加入适量分散剂在球磨机内润磨混合36小时，球料比为6:1，球磨机转速：200转/分，物料混合均匀，取出低温真空下烘干，加入适量粘结剂后，成形压力30MPa，保压时间3分钟，压制成φ25.5±0.5mm圆柱，低温真空下烘干。在真空下在1450℃烧结，辅助压力为30MPa，烧结时间为15分钟，其他制备方法同实施例1，即得Fe-FeAl2O4金属陶瓷。对所得产品进行检测，金属相与非金属物相的质量百分比分别为35％和65％。

[0047] 物相润湿角小，界面结合良好，陶瓷颗粒表面纯净，基体和增强体的相溶性良好，相结合强度高，陶瓷物相与金属物相分布均匀。测试该金属陶瓷的抗折强度为372MPa，洛氏硬度为4065MPa，磨损率为0.035％。

[0048] 以上实施例，仅以说明为目的，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。