CN101618617B - 一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺 - Google Patents

一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺 Download PDF

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一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺，该金属/陶瓷三层复合材料包括金属层、陶瓷层、金属/陶瓷过渡层，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间。该金属/陶瓷三层复合材料的制备工艺包括以下步骤：1)将粉末原料进行细化处理，控制粒径0.5-2μm，再加入到粘结剂中，混合均匀，静置、陈化；2)将混合料通过挤出机挤出造粒；3)用尼龙薄膜将模具型腔分隔成三个空腔，将三种混合料通过三台注射机分别注入三个空腔，制成坯体，静置；4)对坏体进行热脱脂；5)将脱脂坯置于高温高压电炉中，烧结形成致密工件。本发明金属/陶瓷三层复合材料耐磨损，耐高温，耐腐蚀，成型零件尺寸精度和表面光洁度高，生产成本低。

Description

一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及一种金属/陶瓷复合材料及其制备工艺，尤其是涉及一种金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺。
背景技术
多项物理与化学性能在同一种材料上的统一是现代材料研究的热点之一。
陶瓷是一种集耐磨、耐高温、高硬度和抗腐蚀等多种优良性能于一体的高性能材料，但是在常温下，韧性差，成型困难；金属则恰恰相反，具有陶瓷所没有的可塑性和韧性，将这两种材料通过一定的工艺复合在一起，构成一种新结构材料，应当可以兼备两者的优点。
陶瓷注射成型(CMI)技术与金属注射成型(MIM)技术均是粉末注射成型(PIM)技术的主要分支，都是在聚合物注射成型技术比较成熟的基础上发展而来的。三层金属/陶瓷复合材料可以保证在材料高硬度、耐高温、耐磨损的同时，增加断裂韧性、抗疲劳和抗热冲击性能，使之可以应用于安全系数要求较高的领域。要充分发挥层状金属/陶瓷复合材料的优异性能，关键是获得高致密度、整体性能良好的层状复合结构，但陶瓷层与金属层的性能有很大差别，烧结过程发生的反应有所不同，这样就导致材料存在宏观的残余应力，极容易在层间或坏体内部形成裂纹或孔洞，从而降低材料的物理力学性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种耐磨、耐高温、耐腐蚀，并兼具较好的可塑性和韧性的金属/陶瓷三层复合材料及其制备工艺。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明之金属/陶瓷三层复合材料由金属层、陶瓷层、金属/陶瓷过渡层构成，金属/陶瓷过渡层位于金属层和陶瓷层之间。
所述金属/陶瓷过渡层的厚度，占材料总厚度的40-60％，金属层厚度占材料总厚度的20-30％，陶瓷层厚度占材料总厚度的20-30％；优选方案：所述金属层与陶瓷层厚度相等。本发明复合材料由于金属/陶瓷过渡层厚度较大，金属层与陶瓷层厚度较小，从而减少了金属层与陶瓷层之间结构与性能的差异，改善了复合层结构的界面相容性。
金属层和陶瓷层分别由金属粉末和陶瓷粉末分别添加粘结剂烧结形成；金属/陶瓷过渡层由金属粉末和陶瓷粉末的混合物添加粘结剂烧结形成。所述金属粉末和陶瓷粉末的混合物中，金属粉末含量为30-40wt％，陶瓷粉末含量为60-70wt％；各层粉末原料与粘结剂的重量配比为60-75％。
所述金属粉末优选铝镁合金粉末；所述陶瓷粉末优选氧化铝陶瓷粉末。
所述粘结剂可选用现有公知烧结用粘结剂，但优选以下组分配制而成的粘结剂：高密度聚乙烯30-45wt％，硬脂酸5-10wt％，石蜡30-40wt％，聚乙烯蜡8-12wt％，聚丙烯8-12wt％。
本发明之金属/陶瓷三层复合材料的制备工艺为：1)将粉末原料进行细化处理，控制粒径0.5-2μm，将粉末原料加入到粘结剂中，用搅拌机搅拌均匀，(优选方案是，将粉末原料分成3-5等份，分次加入，将添加的没等份搅拌均匀后，再添加另一等份，直至添加完毕)；待充分混匀后，再将混合料在烘箱中静置22-26小时，陈化；2)将陈化后的混合料通过挤出机挤出造粒，制成长3-5mm，直径1.5-2.5mm的条状；3)用尼龙6/6薄膜将模具型腔按预定尺寸分隔成三部分，将所述三种混合料通过三台注射机分别同步注入同一模具型腔被用尼龙6/6薄膜分隔成的三个空腔内，制成坯体，静置23-25小时；4)在345-255℃下对坏体进行热脱脂18-22小时；5)将脱脂坯置于高温高压电炉中，在空气气氛中于1540-1560℃烧结形成致密工件，在室温至500℃、1100℃-1560℃间升温速率为0.5-1.5℃/min，其它区间升温速率可为4-6℃/min，压强可为245-255MPa。
在粉体中加入粘结剂有助于陶瓷和金属颗粒界面处的结合，使材料在加热时易流动，可以向型腔注射。在烧结过程中陶瓷粉体和金属粉体会发生原位反应形成陶瓷与金属复合体。烧结过程中升温速率快慢结合，从室温到500℃左右过程中，成型体中有水分挥发、有机粘结剂长链断裂，及有机物碳化燃烧等物理化学过程，伴随有较大体积收缩和气孔产生，必须慢速升温，以保证材料有足够的时间进行结构调整，避免开裂和大量气孔出现；1100℃以后是烧结物发生相变阶段，应该给予足够的时间进行相变。
金属/陶瓷过渡层的理化性质介于金属层与陶瓷层之间，一方面缓和了两种不同材料不同性能的冲突，另一方面通过物理渗透和化学反应的方式使金属层与陶瓷层可以很好的结合在一起，增强界面性能，促进两种不同材料之间力与热的传递，有效提高材料的复合性能。陶瓷的模量远大于金属，金属的韧性远好于陶瓷，复合中间的陶瓷/金属复合层既含有金属成分又含有陶瓷成分，减弱了内外两层结构上的突变，削弱了中间过渡层的总体模量与金属层、陶瓷层之间的差距，减小了两层结构在外力作用下产生的残余应力，提高了材料的振动性能。
本发明金属/陶瓷三层复合材料耐磨损，耐高温，耐腐蚀，并兼具较好的可塑性和韧性；采用粉末注射成型工艺实现了成型过程的机械化和自动化，保证了成型零件形状的多样化，成型零件尺寸精度和表面光洁度高，不需进行二次机加工或少加工，生产成本低。
附图说明
图1为本发明实施例的金属/陶瓷三层复合材料结构示意图。
图中：1、铝镁合金层；2、金属/陶瓷过渡层；3、氧化铝陶瓷层。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照图1，本发明之金属/陶瓷三层复合材料实施例由铝镁合金层1、铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层2、氧化铝陶瓷层3构成，铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层2位于铝镁合金层1和氧化铝陶瓷层3之间。
本实施例铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层2厚8毫米，陶瓷层厚3毫米，金属层厚3毫米。
铝镁合金层1、氧化铝陶瓷层3分别由铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末分别添加粘结剂烧结形成；铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层2由铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物添加粘结剂烧结形成。所述铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物中，铝镁合金粉末质量占35wt％，氧化铝陶瓷粉末质量占65wt％；各层粉末原料重量占粉末原料与粘结剂总重量的70％。
粘结剂的配方为：高密度聚乙烯40wt％，硬脂酸8wt％，石蜡32wt％，聚乙烯蜡10wt％，聚丙烯10wt％。
制备：1)将粉末原料进行细化处理，控制粒径0.5-2μm，将粉末原料分成4等份，分次加入，搅拌均匀；充分混合后，再将混合料在烘箱中静置24小时，陈化；2)将陈化的混合料通过挤出机挤出造粒，将混合料制成长4mm，直径2mm的条状；3)用尼龙6/6薄膜将模具型腔按预定尺寸分隔成三个空腔，将所述三种混合料通过三台注射机分别同步注入同一模具型腔被用尼龙6/6薄膜分隔成的三个空腔内，制成坯体，静置24小时；4)在350℃下对坏体进行热脱脂20小时；5)将脱脂坯置于高温高压电炉中，在空气气氛中于1550℃烧结形成致密工件，在室温至500℃、1100℃-1550℃区间升温速率为1℃/min，其它区间升温速率为5℃/min，压强为250MPa。
粘结剂配制：先将称取的高密度聚乙烯加热到190℃，使其由白色粒状变为无色的稠状物质，再加入硬脂酸，温度控制在170℃；待硬脂酸溶解后冷却至148℃，加入液体石蜡及聚乙烯蜡，继续加热，温度控制在148℃，直至全部混合均匀，呈白色粘稠状物质。
本实施例金属/陶瓷三层复合材料产品，用硬度实验机来测试复合材料的力学性能，复合材料综合硬度HB大于350，耐热温度高达1200℃，同时保持了陶瓷层较高的耐摩度、抗腐蚀性强以及铝镁合金良好的延展性，当受到严重冲击或静压时这种结构可以有效地吸收冲击能量，减少冲击和过高静压对氧化铝陶瓷层的损坏。
实施例2
本金属/陶瓷三层复合材料实施例，铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层厚6毫米，陶瓷层厚3毫米，金属层厚3毫米。余同实施例1。
所述铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物中，铝镁合金粉末质量占30wt％，氧化铝陶瓷粉末质量占70wt％；各层粉末原料重量占粉末原料与粘结剂总重量的60％。
粘结剂的配方为：高密度聚乙烯30wt％，硬脂酸10wt％，石蜡38wt％，聚乙烯蜡11wt％，聚丙烯11wt％。
制备方法同实施例1。
本实施例金属/陶瓷三层复合材料产品，用硬度实验机来测试复合材料的力学性能，复合材料综合硬度HB大于400，陶瓷面耐热温度高达1370℃，同时保持了陶瓷层较高的耐摩度、抗腐蚀性强以及铝镁合金良好的延展性，当受到严重冲击或静压时这种结构可以有效地吸收冲击能量，减少冲击和过高静压对氧化铝陶瓷层的损坏。
实施例3
本金属/陶瓷三层复合材料实施例，铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层厚8.8毫米，陶瓷层厚5.6毫米，金属层厚5.6毫米。余同实施例1。
所述铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物中，铝镁合金粉末质量占40wt％，氧化铝陶瓷粉末质量占60wt％；各层粉末原料重量占粉末原料与粘结剂总重量的75％。
粘结剂的配方为：高密度聚乙烯38wt％，硬脂酸9wt％，石蜡35wt％，聚乙烯蜡9wt％，聚丙烯9wt％。
制备方法同实施例1。
本实施例金属/陶瓷三层复合材料产品，用硬度实验机来测试复合材料的力学性能，复合材料综合硬度HB大于320，耐热温度高达1320℃，同时保持了陶瓷层较高的耐摩度、抗腐蚀性强以及铝镁合金良好的延展性，当受到严重冲击或静压时这种结构可以有效地吸收冲击能量，减少冲击和过高静压对氧化铝陶瓷层的损坏。

Claims (1)

1. 一种金属/陶瓷三层复合材料，其特征在于，由铝镁合金层、氧化铝陶瓷层、铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层构成，铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层位于铝镁合金层和氧化铝陶瓷层之间；
所述铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层厚8毫米，陶瓷层厚3毫米，铝镁合金金属层厚3毫米；
铝镁合金层、氧化铝陶瓷层分别由铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末分别添加粘结剂烧结形成；
所述铝镁合金/氧化铝陶瓷过渡层由铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物添加粘结剂烧结形成；所述铝镁合金粉末和氧化铝陶瓷粉末的组合物中，铝镁合金粉末质量占35wt%，氧化铝陶瓷粉末质量占65wt%；各层粉末原料重量占粉末原料与粘结剂总重量的70%；
粘结剂的配方为：高密度聚乙烯40wt%, 硬脂酸8wt%, 石蜡32wt%, 聚乙烯蜡10wt%，聚丙烯10wt%；
制备方法：1)将粉末原料进行细化处理，控制粒径0.5-2                                               
Figure 2009103051080100001DEST_PATH_IMAGE002
，将粉末原料分成4等份，分次加入，搅拌均匀；充分混合后, 再将混合料在烘箱中静置24小时，陈化；2)将陈化的混合料通过挤出机挤出造粒，将混合料制成长４mm, 直径2mm的条状； 3)用尼龙6/6薄膜将模具型腔按预定尺寸分隔成三个空腔，将三种混合料通过三台注射机分别同步注入同一模具型腔被用尼龙6/6薄膜分隔成的三个空腔内，制成坯体，静置24小时；4)在350℃下对坏体进行热脱脂20小时；5）将脱脂坯置于高温高压电炉中, 在空气气氛中于1550℃烧结形成致密工件，在室温至500℃、1100℃-1550℃区间升温速率为1℃/min，其它区间升温速率为5℃/min，压强为250MPa。
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