一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法

摘要

本发明公开一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，属于金属基复合材料技术领域。以九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物等为原料制备透明溶胶；在溶胶中加入钢铁基粉末进行液固掺杂，搅拌至凝固后依次进行真空干燥和还原ZTA/钢铁混合粉体；将ZTA/钢铁混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将钢铁基粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经过压制、烧结后即可获得原位自生ZTA陶瓷颗粒增强钢铁基蜂窝构型复合材料。本发明中的ZTA陶瓷为原位生成，陶瓷颗粒表面无污染并与钢铁基体的相容性良好，界面结合强度较高；蜂窝壁由硬度较高的复合区组成，能显著降低硬度较软的蜂窝孔受到的磨损作用，耐磨性较传统钢铁材料提高3倍以上，具有广阔的应用前景。

权利要求

1.一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：（1）将九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，滴入柠檬酸得到混合溶液，调节混合溶液的pH值在1 3之间，然后加入乙二醇充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热，得到透~明溶胶；

（2）在透明溶胶中加入钢铁基粉末，快速搅拌至完全凝固，然后在真空条件下干燥得到ZTA与钢铁基粉末氧化物的混合粉体，将混合粉体放入还原炉中通过还原气体还原得到ZTA/钢铁混合粉体；

（3）将ZTA/钢铁混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将钢铁基粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经过压制、烧结后得到原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料；

步骤（1）所述混合溶液中九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩比为1:(0.1 0.3):~

(0.1 0.26)，pH值调节后的混合溶液中乙二醇添加的摩尔百分比为0.5% 2.0%；

~ ~

所述钢铁基粉末与步骤（2）中透明溶胶的摩尔比为(0.3 0.7):1。

~

2.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：步骤（1）用硝酸和氨水共同调节混合溶液的pH。

3.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：步骤（1）恒温水浴锅中加热的条件为：60‑90℃，加热6 10h。

~

4.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：步骤（2）中钢铁基粉末为高铬铸铁、高锰钢或合金钢粉末，粉末粒径为20 100μm。

~

5.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中干燥条件为：在真空干燥箱中于100 140℃，干燥10 16h。

~ ~

6.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中还原过程所用还原气体为氢气，还原炉的温度为600 800℃，氢气流量为~3

1.0 2.0m/h，时间为5 8h。

~ ~

7.根据权利要求1所述原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中烧结的温度为900 1400℃，时间为2 8h。

~ ~

说明书

一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，属于金属基复合材料技术领域。

背景技术

[0002] 陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料由于其兼具陶瓷材料的高硬度、高耐磨性能和金属的高强度、良好塑性及韧性，已成为当前国内外科研及产业化领域关注焦点。氧化锆增韧氧化铝（ZTA）陶瓷颗粒具有强韧性好，耐磨性高和成分低等优点，采用其制备的钢铁基复合材料具有优异的磨损性能，是目前耐磨材料领域的研究热点。

[0003] 但ZTA陶瓷颗粒与铁的润湿角为130 140°，基本不润湿。国内外关于非浸润型陶瓷~颗粒增强钢铁基复合材料的相关研究，如钢铁基体中加入活化元素、在颗粒表面镀覆金属以改善润湿性等，这些方法制备的复合材料中的陶瓷颗粒与钢铁基体之间的界面结合方式仍均为机械结合，结合强度低，复合材料力学性能较差。此外，传统的ZTA颗粒增强铁基表层复合材料在制备过程中铁基体对ZTA陶瓷的浸渗深度不足，复合层厚度薄，并且由于复合区与基体区热物性参数的差异较大，造成复合层在使用时易整层剥落。上述两种因素导致复合材料在抗磨损服役过程中的可靠性和耐磨性能急剧下降；如突破以上技术瓶颈，提高材料耐磨性能，则可显著延长设备使用寿命。

发明内容

[0004] 为了解决ZTA陶瓷颗粒与钢铁熔体润湿性差，界面结合强度低，使用过程中表层复合材料复合区易整层剥落，耐磨性不足的难题，本发明的目的在于提供一种原位自生ZTA颗粒增强钢铁基构型复合材料制备方法，该复合材料为蜂窝状宏观异构复合材料，具体包括以下步骤：

[0005] （1）将九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，滴入柠檬酸得到混合溶液，调节混合溶液的pH值在1 3之间，然后加入乙二醇充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热，~得到透明溶胶。

[0006] （2）在透明溶胶中加入钢铁基粉末，快速搅拌至完全凝固（一般为0.1 0.4h），然后~在真空条件下干燥得到ZTA/Fe2O3混合粉体，将混合粉体放入还原炉中通过还原气体还原得到ZTA/钢铁混合粉体。

[0007] （3）将ZTA/钢铁混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将钢铁基粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经过压制、烧结后得到原位自生ZTA陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料。

[0008] 优选的，本发明步骤（1）所述混合溶液中九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩比为1:(0.1 0.3):(0.1 0.26)，在pH值调节后的混合溶液中乙二醇添加的摩尔百分比为~ ~0.5% 2.0%（摩尔百分比是指：乙二醇的摩尔量与九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩~
尔量之和的比值）。

[0009] 优选的，本发明步骤（1）用硝酸和氨水共同调节混合溶液的pH。

[0010] 优选的，本发明步骤（1）恒温水浴锅中加热的条件为：60‑90℃，加热6 10h。~

[0011] 优选的，本发明步骤（2）中钢铁基粉末为高铬铸铁、高锰钢或合金钢粉末，粉末粒径为20 100μm，其中，钢铁基粉末与步骤（2）中透明溶胶的摩尔比为(0.3 0.7):1（摩尔比是~ ~指：钢铁基粉末的摩尔量与形成溶胶的所有物质的摩尔量之和的比值）。

[0012] 优选的，本发明所述步骤（2）中真空条件下干燥的条件为：在真空干燥箱中于100~140℃，干燥10 16h。
~

[0013] 优选的，本发明所述步骤（2）中还原过程所用还原气体为氢气，还原炉的温度为3
600 800℃，氢气流量为1.0 2.0m/h，时间为5 8h。
~ ~ ~

[0014] 优选的，本发明所述步骤（3）中烧结的温度为900 1400℃，时间为2 8h。~ ~

[0015] 本发明所述压制、烧结方式可以为冷等静压压制+空气炉烧结、热等静压烧结、快速烧结或放电等离子烧结中的任意一种。

[0016] 本发明与现有技术相比的有益效果是：

[0017] （1）本发明所述方法中ZTA（氧化锆增韧氧化铝）陶瓷颗粒为原位自生，避免了传统外加陶瓷颗粒增强体繁琐的颗粒表面预处理工序，大大提高了生产效率，并且由于ZTA增强体是在钢铁基体内形核和长大，所以陶瓷颗粒表面无污染，基体和颗粒之间的相容性良好，界面结合强度较高。

[0018] （2）本发明所述蜂窝状宏观异构复合材料的蜂窝壁由硬度较高的复合区组成，蜂窝孔由硬度较低的金属区组成，在磨损过程中，硬度较高的复合区可阻止硬度较低的金属基体的磨损，综合了金属材料的韧性和陶瓷颗粒的耐磨性，且复合层不易剥落，耐磨性较传统钢铁材料提高3倍以上。

附图说明

[0019] 图1为本发明制备的原位自生ZTA/高铬铸铁混合粉体；

[0020] 图2为本发明涉及的蜂窝状宏观异构复合材料模具示意图；

[0021] 图3为本发明制备的蜂窝状宏观异构复合材料复合区微观组织图；

[0022] 图4为本发明制备的蜂窝状宏观异构复合材料磨损过程中各区域的磨损情况示意图。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明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做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。

[0024] 实施例1

[0025] 本实施例涉及一种原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料制备方法，具体步骤如下：

[0026] （1）取九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，然后滴入柠檬酸获得混合溶液，其中，九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩尔比为1:0.1:0.1。

[0027] （2）用硝酸和氨水调节混合溶液的pH值为2，在混合溶液中加入1.0%（摩尔分数）的乙二醇作为分散剂充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热8h，获得具有一定粘度的透明溶胶。

[0028] （3）在溶胶中加入粒径为50μm的高铬铸铁粉末，高铬铸铁粉末与透明溶胶的摩尔比为0.5:1，快速搅拌0.2h至完全凝固，然后将其放入真空干燥箱内，真空干燥箱的温度为120℃，干燥时间为12h，得到ZTA/Fe2O3混合粉体，将混合粉体再放入氢气还原炉中，氢气还
3
原炉的温度为700℃，氢气流量为1.5m/h，时间为6h，得到ZTA/高铬铸铁混合粉体，如图1所示，由图1可以看出，采用上述方法可以获得原位自生的ZTA与高铬铸铁的混合粉体，且粉体粒径的均匀性较好，陶瓷颗粒表面无污染，基体和颗粒之间的相容性良好。

[0029] （4）将ZTA/高铬铸铁混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将高铬铸铁粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，蜂窝状宏观异构复合材料模具示意图如图2所示，经冷等静压压制+空气炉烧结后（烧结温度1400℃，时间为4h）即可获得原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料，复合区微观组织图如图3所示，由图3可以看出，复合材料的复合区中原位自生的ZTA陶瓷颗粒均匀弥散的分布，复合区中无明显缺陷，陶瓷颗粒与铁基体之间微观界面之间无杂质且界面结合良好。

[0030] 采用本发明制备的原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料，耐磨性较传统高铬铸铁提高了5倍，磨损示意图如图4所示，由图4可以看出，由于蜂窝壁复合区是由高铬铸铁基体和弥散分布其中的高硬度ZTA陶瓷颗粒组成（如图中①位置所示），其宏观硬度显著高于蜂窝孔的基体（如图中②位置所示），因此在磨损过程中，硬度较低的蜂窝孔首先被磨耗，而高硬度的蜂窝壁则磨耗较少，在磨损方向上，硬度较高的复合区可以保护其后硬度较低的基体的磨损，从而提高材料的耐磨性和使用寿命。

[0031] 实施例2

[0032] 本实施例涉及一种原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基蜂窝状宏观异构复合材料制备方法，具体步骤如下：

[0033] （1）取九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，然后滴入柠檬酸获得混合溶液，其中，九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩尔比为1:0.2:0.15。

[0034] （2）用硝酸和氨水调节混合溶液的pH值为1，在混合溶液中加入0.5%（摩尔分数）的乙二醇作为分散剂充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热6h，获得具有一定粘度的透明溶胶。

[0035] （3）在溶胶中加入粒径为20μm的高锰钢粉末，高锰钢粉末与透明溶胶的摩尔比为0.3:1，快速搅拌0.1h至完全凝固，然后将其放入真空干燥箱内，真空干燥箱的温度为100℃，干燥时间为16h，得到ZTA/Fe2O3混合粉体，将混合粉体再放入氢气还原炉中，氢气还原炉
3
的温度为600℃，氢气流量为1.0m/h，时间为5h，得到ZTA/高锰钢混合粉体。

[0036] （4）将ZTA/高锰钢混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将高锰钢粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经热等静压压制和烧结后（烧结温度900℃，时间为8h）即可获得原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基蜂窝状宏观异构复合材料。

[0037] 采用本发明制备的原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高锰钢基蜂窝状宏观异构复合材料，耐磨性较传统高锰钢提高了3倍。

[0038] 实施例3

[0039] 本实施例涉及一种原位自生ZTA陶瓷颗粒增强合金钢基蜂窝状宏观异构复合材料制备方法，具体步骤如下：

[0040] （1）取九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，然后滴入柠檬酸获得混合溶液，其中，九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩尔比为1:0.3:0.2。

[0041] （2）用硝酸和氨水调节混合溶液的pH值为3，在混合溶液中加入2.0%（摩尔分数）的乙二醇作为分散剂充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热10h，获得具有一定粘度的透明溶胶。

[0042] （3）在溶胶中加入粒径为100μm的合金钢粉末，合金钢粉末与与透明溶胶的摩尔比为0.6:1，快速搅拌0.4h至完全凝固，然后将其放入真空干燥箱内，真空干燥箱的温度为140℃，干燥时间为10h，得到ZTA/Fe2O3混合粉体，将混合粉体再放入氢气还原炉中，氢气还原炉3
的温度为800℃，氢气流量为2.0m /h，时间为8h，得到ZTA/合金钢混合粉体，结构与实施例1相似。

[0043] （4）将ZTA/合金钢混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将合金钢粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经快速烧结后（烧结温度1400℃，时间为2h）即可获得原位自生ZTA陶瓷颗粒增强合金钢基蜂窝状宏观异构复合材料，结构与实施例1相似。

[0044] 采用本发明制备的原位自生ZTA陶瓷颗粒增强合金钢基蜂窝状宏观异构复合材料，耐磨性较传统合金钢提高了3.5倍。

[0045] 实施例4

[0046] 本实施例涉及一种原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料制备方法，具体步骤如下：

[0047] （1）取九水硝酸铝和硝酸氧锆水合物溶解于去离子水中，然后滴入柠檬酸获得混合溶液，其中，九水硝酸铝、硝酸氧锆水合物、柠檬酸的摩尔比为1:0.16:0.13。

[0048] （2）用硝酸和氨水调节混合溶液的pH值为2.5，在混合溶液中加入1.5%（摩尔分数）的乙二醇作为分散剂充分搅拌后放入恒温水浴锅中加热7h，获得具有一定粘度的透明溶胶。

[0049] （3）在溶胶中加入粒径为80μm的高铬铸铁粉末，高铬铸铁粉末与与与透明溶胶的摩尔比为0.7:1，快速搅拌0.3h至完全凝固，然后将其放入真空干燥箱内，真空干燥箱的温度为130℃，干燥时间为11h，得到ZTA/Fe2O3混合粉体，将混合粉体再放入氢气还原炉中，氢3
气还原炉的温度为650℃，氢气流量为1.5m/h，时间为7h，得到ZTA/高铬铸铁混合粉体。

[0050] （4）将ZTA/高铬铸铁混合粉体填充入蜂窝状模具的蜂窝壁中，将高铬铸铁粉末填充入蜂窝状模具的蜂窝孔处，经放电等离子烧结（烧结温度1200，时间为4h）后即可获得原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料，结构与实施例1相似。

[0051] 采用本发明制备的原位自生ZTA陶瓷颗粒增强高铬铸铁基蜂窝状宏观异构复合材料，耐磨性较传统高铬铸铁提高了4.5倍。