CN102357652B

CN102357652B - 多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料及其制备方法

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Publication number: CN102357652B
Application number: CN2011102532447A
Authority: CN
Inventors: 张劲松; 曹小明; 杨振明; 田冲; 金鹏; 全锋厚; 马得举; 付超
Original assignee: LIAONING ZHUOYI NEW MATERIAL CO Ltd
Current assignee: LIAONING ZHUOYI NEW MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: CN102357652A

Abstract

本发明涉及高性能耐磨材料的制备技术，具体地说是一种多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料及其制备方法。以高性能泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料为耐磨基元、以高韧性金属为约束框架，利用铸造方法获得的资源节约型高性能耐磨材料。该耐磨材料具有多尺度复合结构特征，耐磨单元在微米和毫米尺度复合，耐磨单元与约束框在厘米尺度的复合。这种结构能够很好地实现材料高耐磨性与高强韧性合理匹配，耐磨性能和冲击韧性分别是高铬铸铁的7倍和10倍以上，同时不使用稀缺合金元素(Cr、Ni、Mo等)。本发明应用于粉碎、挖掘、输运等大型工程装备，其耐磨性能优良、成本低、使用方便，大幅度提高使用寿命和生产效率，产生良好的社会效益和经济效益。

Description

多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高性能耐磨材料的制备技术，具体地说是一种多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料及其制备方法。

背景技术

磨损是工件失效的主要形式之一，造成了能源和原材料的大量消耗。据不完全统计，平均每年消耗了世界各工业国家3％左右的钢铁，20-30％的能源。我国平均每年消耗耐磨钢大约为300-400万吨，价值在600亿元以上。耐磨钢作为降低磨损的有效手段，广泛用于能源、建材、冶金、矿山、交通、装备制造、环保及国防等领域。例如，火电、水泥、矿山、冶金等行业大量使用的粉磨机械的磨辊、磨盘和球磨机的磨球、衬板，挖掘机的斗齿、铲斗，各种破碎机的破碎壁、齿板、风扇磨机的打击板等都需要使用高性能耐磨钢。

随着我国工业的快速发展，对基础产业，如电力、建材、矿山等行业的产能需求不断扩大，每年需要磨14-15亿吨原煤、40-50亿吨水泥原料、6-8亿吨矿石。粉磨机械作为各类矿石制粉的主要设备，有球磨、立磨、和辊压机等，每年消耗耐磨钢100万吨以上、消耗的电力占企业耗能总量的60％以上。

耐磨钢是耐磨损性能强的钢铁材料的总称，是当今耐磨材料中用量最大的一种。耐磨钢的发展经历了从高锰钢、普通白口铸铁、镍硬铸铁、高铬铸铁以及中高合金白口铸铁、耐磨合金钢等几个阶段。目前，高锰钢、高铬铸铁、中低合金钢等是粉碎装备中用量最多的几类耐磨钢。

广泛应用于粉碎装备的高锰钢、高铬铸铁、中低合金钢等耐磨钢都存在高耐磨性与高强韧性准以高度统一的问题。尽管经过几十年的努力，人们已通过合金化方法并结合冶炼、铸造、变形加工、热处理等手段，使上述耐磨钢的综合性能得到显著提高，但高耐磨性与高强韧性之间的矛盾仍未从根本上得到解决。同时，利用合金化方法提高耐磨钢综合性能，都需使用大量稀缺金属元素，鉴于耐磨钢磨损导致资源不可回收再利用的特点，稀缺金属资源的大量消耗，已成为制约耐磨钢发展的一个新问题。

因此，开发出高耐磨性与高强韧性统一、不用或少用稀缺合金元素的资源节约型高性能耐磨钢，已成为耐磨钢材料的发展趋势。除继续探索新的合金化技术外，利用复合材料技术可实现多种材料性能最佳组合的特点，通过研发耐磨钢的复合材料技术适应耐磨钢技术发展趋势的努力，正日益受到学术界和产业界的重视。

目前，国际上耐磨钢的复合材料技术主要涉及均质钢基耐磨复合材料、层状及镶嵌式复合结构耐磨钢、我国原创的基于材料与结构多级复合的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料等三种技术途径。

现已发展的均质钢基耐磨复合材料，是以钢为粘结金属，以难熔金属碳化物作硬质相的结合材料，在一些严酷的磨损工况中得到了工业应用。其组织特点是微细硬质晶粒均匀分散于钢基体中，兼有硬质化合物的硬度、耐磨性，以及钢的强度和韧性，处于普通硬质合金和钢的中间地位。但粘结剂最常使用的添加元素有镍、铬等稀缺金属，且需要粉末冶金方法、浸渍法、热压法、热等静压法、喷射成形法、混合搅拌铸造法及等离子熔融粉末法等加工方法制备，致使现有钢铁基耐磨复合材料不具备明显的性价比优势，其推广应用受到较大限制。

层状及镶嵌式复合结构耐磨钢，以两种或多种耐磨性和强韧性不同的材料并通过熔合、压合、烧结、喷涂、镶嵌等方法获得，结构复合是其基本特点。与均质钢基耐磨复合材料相比，这类耐磨复合钢能获得更好的使用性能，但也存在许多亟待解决的问题。对于层状复合结构耐磨钢，内部高强韧结构钢与外层高耐磨钢在膨胀系数和塑性方面的显著差别，往往导致外层高耐磨钢在制备和使用过程中出现开裂而加剧磨损，使其高耐磨性优势未得到很好发挥。对于镶嵌式复合结构耐磨钢，镶嵌在高韧性钢中的柱状、球状陶瓷或硬质合金具有很强的耐磨性，能显著提高材料的耐磨性能，但在制备、使用和成本方面仍面临一系列限制其推广应用的问题。当采用硬质合金作为耐磨基元时，由于硬质合金自身价格高，加之硬质合金与金属基体的可靠结合往往需要利用钎焊手段，大规模推广应用将因过高的成本压力而受到限制。当采用陶瓷耐磨基元时，如何在复合过程中保证陶瓷与钢的可靠结合而又不产生过大的内应力、如何在使用过程中防止陶瓷的破碎脱落，至今也未得到很好解决。

发明内容：

本发明提供了一种多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料及其制备方法，有效解决了由于陶瓷与金属膨胀系数差异过大而导致的界面开裂的现象，实现了良好的界面结合，避免了陶瓷块与金属复合存在的大块剥落现象，进而明显提高了多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料，以泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料为耐磨基元、以高韧性金属为约束框架，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料和高韧性金属通过铸造方法复合成耐磨材料。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料是泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的两种材料在厘米尺度上的结构复合。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料是泡沫陶瓷与金属在毫米尺度上的材料复合，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的两种材料在厘米尺度上的结构复合。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，将泡沫陶瓷镶嵌到高韧性金属约束框内，利用常压铸造、挤压铸造、真空铸造或负压吸铸方法，使熔融的金属进入到泡沫陶瓷中的三维连通网孔内，实现泡沫陶瓷与金属从微米到毫米再到厘米三个尺度的复合，或者实现泡沫陶瓷与金属从毫米到厘米两个尺度的复合。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，所述泡沫陶瓷是泡沫碳化硅、泡沫氮化硅、泡沫氧化铝、泡沫氧化锆或泡沫玻璃，网孔的平均尺寸为：0.5mm-5mm，泡沫陶瓷的体积分数为：5％-70％，平均晶粒尺寸在10nm-300μm；泡沫陶瓷是致密的或多孔的泡沫陶瓷骨架。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，所述熔融的金属是铸铁、铸钢、铜合金、铝合金或铸造镁合金。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，铸铁是球墨铸铁或灰铁，铸钢是铸造碳钢或铸造合金钢，铜合金是铸造锡青铜、铝青铜或铅青铜，铝合金是铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金或铝锌合金。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，高韧性金属约束框是单孔或多孔结构，孔形是方形、圆形、六边形或其它多边形，高韧性金属约束框为通孔或半通孔；对于半通孔，孔底面有一个或数个倒锥形小孔；约束框壁厚或孔壁厚根据需要设计成泡沫陶瓷最大横向尺寸的1/100-1/2；约束框的材质是钢、铜合金或铝合金；约束框采用精密铸造、计算机辅助快速成型以及机加工方法获得。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，钢框材质是16Mn钢、20#钢、35#钢、45#钢或其它结构钢；铜合金框材质是锡青铜、铝青铜或铅青铜框；铝合金框材质是铝硅合金、铝铜合金或铝镁合金。

所述的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，在泡沫陶瓷网孔内填加陶瓷粉，陶瓷粉是SiC、SiO₂或Al₂O₃，粒度为：200nm-1mm，加入量为泡沫陶瓷重量的0wt％-50wt％，加入方法为：将陶瓷粉灌入泡沫陶瓷网孔中，通过机械振动的方法将陶瓷粉振实。

本发明具有如下有益效果：

1.多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料是一种资源节约型耐磨钢。

以高性能泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料为耐磨基元、以高韧性金属为约束框架，利用铸造方法获得的资源节约型高性能耐磨材料。多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料不使用稀缺金属元素(Cr、Ni、Mo)，可以节约大量稀缺金属元素。因此，一方面可以实现基础产业节能、降耗、减排，促进耐磨材料技术进步，实现可持续发展；另一方面在大型高效节能粉碎装备使用资源节约型高性能耐磨钢，具有明显的示范性和带动性。

2.多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料具有优良的耐磨性能和良好的强韧性。

将碳化硅、氧化铝、氧化锆等制备成泡沫陶瓷，既能保持陶瓷的耐磨性能的优势，同时又能发挥三维网络的整体增强特性，是一种具有结构增强的陶瓷材料。将金属熔液压注或灌注到泡沫陶瓷网孔中获得陶瓷/金属双连续相复合材料，成为多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的耐磨单元。该耐磨单元具有很强的耐磨能力、高的抗压强度和断裂韧性。该耐磨单元与高韧性金属约束框的结合，使多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料同时具备优良的耐磨性能和良好的强韧性。

测试结果表明：以35号钢为约束框、泡沫碳化硅/球墨铸铁双连续相复合材料为耐磨单元的多尺度复合耐磨钢的耐磨性能是高铬铸铁的7倍、高锰钢的30 倍，冲击韧性是高铬铸铁10倍。因此，在一些重要的应用领域替代高铬铸铁将产生可观的经济效益和和社会效益。

例如，我国火电、水泥、矿山是耐磨钢的使用大户。目前使用的大型粉磨装备正朝着高效、节能化方向发展，立磨、辊压磨逐步占据了主导地位，急需高性能耐磨钢予以支撑。现有立磨、辊压机的磨辊、磨盘等关键耐磨构件大多采用钢中耐磨性能很好的高铬铸铁，并以铸件或堆焊方式予以使用。高耐磨性与高强韧性矛盾、稀缺资源过度消耗的耐磨钢两大共性问题在高铬铸铁上表现得尤为突出，2009年，使用高铬铸铁的磨辊、磨盘的消耗量已达30万吨以上，价值70亿元以上。随着立磨、辊压磨的大量推广，高铬铸铁将面临的巨大市场压力。具有优良耐磨和冲击性能的多尺度复合耐磨钢替代高铬铸铁将产生可观的社会和经济效益。

3.采用多尺度复合技术，提高了多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的使用寿命。

泡沫陶瓷与金属和高韧性约束框是在微米、毫米和厘米尺度的复合，有效解决了由于陶瓷与金属膨胀系数差异过大而导致的界面开裂的现象，实现了良好的界面结合，避免了陶瓷块与金属复合存在的大块剥落现象，进而明显提高了多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的使用寿命。

4.成本低、使用方便

采用反应烧结工艺和空气气氛中烧结工艺制造出的碳化硅、氧化铝、氧化锆等泡沫陶瓷，能够充分利用烧结炉的有效空间，可以实现批量化生产；利用在空气气氛中的挤压铸造工艺具有复合工艺简单、成型速度快并且可以近终型制造等特点，能够进行连续化低成本制造。多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料可以根据实际生产需要生产出多尺度耐磨整体构件和分体部件，采用螺栓、铆钉或焊接方式安装，安装方便并且便于更换。

总之，本发明提出了一种多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法。用该方法制备的多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料具有优良的耐磨性能和抗冲击性能、成本低、使用方便等特点。

附图说明

图1(a)为多尺度复合耐磨钢样件示意图。

图1(b)为不同样件的失重率与磨损距离关系图。

图2为多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料制备工艺流程图。

图3(a)-(b)为35#钢约束框示意图；其中，图3(a)为俯视图；图3(b)为仰视图。图中，1约束框；2倒锥孔；3方孔；4横筋。

图4为泡沫碳化硅陶瓷块示意图。

图5为镶嵌泡沫碳化硅陶瓷块的约束框示意图。

图6为中速磨磨辊构件正面示意图。

图7为中速磨磨辊构件侧面示意图。

图8为实施例7的35#钢约束框俯视图；图中，1约束框；2倒锥孔；3方孔；4横筋。

图9为实施例8的16锰钢约束框示意图；图中，1约束框；2倒锥孔；3方孔；4横筋。

图10为泡沫碳化硅陶瓷块示意图。

图11为镶嵌泡沫碳化硅陶瓷块的约束框示意图。

图12为多尺度复合耐磨钢构件-正面示意图。

具体实施方式

中国科学院金属研究所利用其在高性能泡沫陶瓷/金属双连续相材料技术(中国专利申请，申请号200610046242.X)方面的经验积累和技术优势，在国际上率先提出“利用材料多尺度复合技术，发展不依赖于Cr、Mo、Ni及其它稀缺金属的、能很好实现高耐磨性与高强韧性统一的新型耐磨材料”的设想，并研制出以泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料为高强耐磨基元、以高韧性金属为约束框架的多尺度复合耐磨材料。

在多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料中，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料是泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合，具有很高的抗压强度和耐磨性，而泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的两种材料在厘米尺度上的结构复合。

本发明中，微米尺度是指0.1-100微米(不含100微米)，毫米尺度是指0.1-10毫米(不含10毫米)，厘米尺度是指1-10厘米。

泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合，使两种材料之间有着很强的相互约束作用，同时大幅度减小了复合材料的内应力，因而能在充分发挥陶瓷耐磨性的前提下，很好地避免镶嵌式复合结构耐磨材料中陶瓷耐磨单元破碎脱落的问题。高韧性金属框架对双连续相复合材料的约束使多尺度复合耐磨材料具备很好的抗冲击性能。测试结果表明：其中的泡沫碳化硅陶瓷/铸铁(铸钢)/高韧性钢三相构成的多尺度复合耐磨钢较高锰钢和高铬铸铁分别具有三十倍以上和七倍以上的耐磨性，其冲击韧性也达到高铬铸铁的10倍以上，同时也证实了多尺度复合耐磨钢能在不利用Cr、Mo、Ni及其它稀缺金属的前提下实现高耐磨性与高强韧性理想结合的优势。

性能测试结果表明：其中的泡沫碳化硅陶瓷/铸铁(铸钢)/高韧性钢三相构成的多尺度复合耐磨钢的抗压强度超过650MPa，冲击韧性超过50J/cm²，耐磨性能达到高铬铸铁的7倍，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势，如图1(a)-(b)所示。本发明还提供了多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料的制备方法，制备工艺流程如图2所示，主要包括：泡沫陶瓷块制备、高韧性约束框制造、泡沫陶瓷块镶嵌、预热、金属熔炼、复合、机加工修整等，形成多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料。

制备过程如下：

(1)高韧性约束框制造

采用精密铸造(机加工)的方法铸造(加工)出需要形状和尺寸的高韧性钢约束框。高韧性约束框的材质可以是钢框，如16Mn钢、20#钢、35#钢、45#钢或其它结构钢等；可以是铜合金框，如锡青铜、铝青铜或铅青铜框等；可以是铝合金框，如铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金等。在约束框底面开倒锥孔，以便在复合过程中，熔融的金属液体在压力的作用下，充型至倒锥孔内，凝固后形成铆钉作用，提高双连续相复合材料与约束框的结合强度。

(2)泡沫陶瓷块制备

泡沫碳化硅陶瓷块制备参见专利：

1.一种高强度碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法(专利号ZL00110479.9)，以热解后能保持高残碳率的高分子材料为原料，以聚胺酯泡沫塑料为骨架，经挂浆、固化、热解、渗硅处理，获得致密泡沫碳化硅陶瓷块。

所述泡沫陶瓷网孔的平均尺寸为：0.5mm-5mm；泡沫陶瓷的体积分数为：5％-70％，平均晶粒尺寸在10nm-300μm，泡沫陶瓷筋的相对密度大于98％。

2.一种双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法(申请号200910248558.0)，碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为0.5mm-5mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为5～100μm。所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络，泡沫陶瓷的体积分数为：5％-70％，碳化硅平均晶粒尺寸在10nm-300μm。

利用上述两个专利制备出所需尺寸和形状的泡沫碳化硅陶瓷块。首先，切割出相应尺寸的聚氨脂泡沫，浸挂碳化硅料浆并挤出多余料浆后，放入烘箱中加温固化定型，取出后重复浸挂碳化硅料浆直至达到需要的体积分数，然后经过热解、机加工切割成需要形状和尺寸的泡沫陶瓷碳块，再经过反应烧结渗硅、高温除硅处理，获得多孔泡沫碳化硅陶瓷块。

其它泡沫陶瓷的制备方法：在成型方面与泡沫碳化硅陶瓷成型方法一样，同样采用料浆浸挂的方法制备，制备过程如下：

第一步，料浆配制

按重量百分比计，将陶瓷微粉A(wt％)30-50、稳定剂B(wt％)2-10、烧结助剂C(wt％)2-10、溶剂D(wt％)66-30混合后，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆，所述料浆溶液为溶质总重量的5-60％；其中：

陶瓷微粉A：陶瓷微粉为氮化硅、氧化铝、氧化锆或玻璃微粉等，粒度为200nm-1mm；

稳定剂B：氧化镁、氧化铈或稀土等，粒度为10nm-10μm；

烧结助剂C：氧化钛或氧化钇等，粒度为10nm-10μm；

溶剂D：硅溶胶、硅酸乙脂或水玻璃等。

第二步，浸挂

将聚胺脂泡沫剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或离心的方式除去多余料浆，加热半固化，重复多次，至达到所需要的体积分数，得到泡沫陶瓷前驱体。

其中，半固化是在100-250℃温度下热固化，时间10分钟-2小时。

第三步，热解

将泡沫陶瓷前驱体在氩气、氮气或其它惰性气体的保护下热解，生成泡沫陶瓷骨架；其中，升温速率每分钟1-5℃，升温至800-1200℃，保温0.5-2小时。

第四步，烧结成型

在空气气氛中，对泡沫陶瓷骨架烧结成型，升温速率为每分钟5-15℃，烧结温度为：1400℃-1750℃，保温时间为0.5-8小时，得泡沫陶瓷材料。

所述泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络，泡沫陶瓷网孔的平均尺寸为：0.5mm-5mm；泡沫陶瓷的体积分数为：5％-70％，平均晶粒尺寸在10nm-300μm。

其宏观上可以具有毫米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为0.5mm-5mm；陶瓷骨架筋内部可以具有微米级尺度相互连通的网孔，孔径范围为5～100μm。

本发明中，在泡沫陶瓷网孔内可以填加陶瓷粉，加入方法为：将陶瓷粉灌入泡沫陶瓷网孔中，通过机械振动的方法将陶瓷粉振实。陶瓷粉是SiC、SiO₂或Al₂O₃，粒度为：200nm-1mm，加入量为泡沫陶瓷重量的0wt％-50wt％。

(3)镶嵌

首先，将高韧性金属约束框表面毛化处理，如喷砂毛化等，表面处理的目的在于提高界面结合质量。然后，将泡沫陶瓷块镶嵌到高韧性金属约束框中。

(4)金属熔炼

将铸铁或铸钢或铜合金或铝合金放入中频感应熔炼炉或坩埚熔炼炉内，按照相应的技术要求熔炼。

例如，熔炼球墨铸铁，采用盖浇法熔炼。首先，将生铁进行熔炼，熔炼温度为1300℃-1400℃；然后，将定量的球化剂(稀土硅铁镁合金)和孕育剂(硅铁)加入到浇注坩埚底部；然后，倒入生铁液体，等充分反应后再浇注到模具中，球墨铸铁成分见表2。

表2球墨铸铁成分

(5)复合方法1-挤压铸造

挤压铸造的主要设备包括压力机、箱式炉和中频感应熔炼炉等。

首先将镶嵌有泡沫陶瓷块的高韧性金属约束框放入箱式炉内预热，预热温度为300℃-900℃。同时，将复合模具利用乙炔焰或喷灯等预热至200℃-400℃。

然后将经过预热的高韧性金属约束框放入复合模具中，同时利用坩埚将熔炼到相应温度金属熔液浇注到模具中，加压充型。所加压力为50MPa-120MPa，加压时间为5S-120S，保压时间为10S-120S。

出模后，机加工到需要的尺寸即可获得多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料。

(6)复合方法2-负压铸造

负压铸造的主要设备包括复合模具、箱式炉、中频感应熔炼炉和真空泵等。

复合模具底面或侧面开孔，用钢管与真空室联结，中间安装蝶阀控制通断，钢管与模具连接处通水冷却，防止金属熔液进入蝶阀或真空室，真空室的真空度为200-2000Pa。

然后将经过预热的高韧性金属约束框放入到复合模具中，同时利用坩埚将熔炼到相应温度金属熔液浇注到模具中，打开蝶阀使镶嵌有泡沫陶瓷块的高韧性金属约束框迅速形成真空，利用大气压力将金属熔液压到泡沫陶瓷网孔中。

下面通过实施例详述本发明。

实施例1

①高韧性钢约束框铸造

采用精密铸造方法，铸造出35#钢约束框，约束框1底面开有：上面尺寸为

下面尺寸为

的倒锥孔2，表面均匀分布21×21×20mm³的方孔3，中间横筋4宽度为3mm，如图3所示。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。

②泡沫碳化硅陶瓷块制备

按照专利：一种高强度碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法(ZL00110479.9)制备出碳化硅泡沫陶瓷块，网孔的平均尺寸为：1.0mm，体积分数为：60％，平均晶粒尺寸在5μm，尺寸为21×21×20mm³，泡沫陶瓷块经过高温处理，除掉残余硅，如图4所示。

③镶嵌

将制备出泡沫碳化硅陶瓷块镶嵌到高韧性钢约束框中，如图5所示。

④球墨铸铁熔炼

选用14#铸造生铁，放入中频感应熔炼炉，熔炼温度为1350℃。然后将定量的球化剂和孕育剂(见表3)加入到浇注坩埚底部，然后倒入生铁液体，等充分反应后获得球墨铸铁后，再浇注到模具中。

表3球墨铸铁成分

⑤挤压铸造

首先将镶嵌有碳化硅泡沫陶瓷块的高韧性钢约束框放入箱式炉内预热，预热温度为800℃。

同时，将复合模具利用乙炔焰或喷灯等预热至300℃。

然后将经过预热的高韧性钢约束框放入复合模具中，同时将反应后获得的球墨铸铁溶液浇注到模具中，加压充型。所加压力为100MPa；加压时间为10S；保压时间为10S。

⑥修型

出模后，机加工到需要的尺寸即可获得多尺度复合耐磨钢构件，如图6、7所示。

在多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料中，泡沫陶瓷与金属在毫米尺度上的材料复合，具有很高的抗压强度和耐磨性，而泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的两种材料在厘米尺度上的结构复合。本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/35#钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例2

与实施例1的不同之处在于高韧性钢约束框的制备。

采用精密铸造方法，铸造出16锰钢约束框。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/16锰钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例3

与实施例1的不同之处在于泡沫碳化硅陶瓷块的制备。按照专利：一种高强度碳化硅泡沫陶瓷及其制备方法(ZL00110479.9)制备出碳化硅泡沫陶瓷块，网孔的平均尺寸为：1.5mm，体积分数为：70％，平均晶粒尺寸在20μm。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/35#钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例4

与实施例1的不同之处在于挤压铸造的钢液的选择。

挤压铸造的钢液选用45#钢，熔炼温度为1520℃。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/45#钢/35#钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例5

与实施例1的不同之处在于泡沫陶瓷块的选择。泡沫陶瓷块为泡沫氧化铝陶瓷块，网孔的平均尺寸为：1.5mm，体积分数为：40％，平均晶粒尺寸在50nm。

本实施例中，泡沫氧化铝陶瓷/球墨铸铁/35#钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例6

与实施例1的不同之处在于高韧性金属约束框的选择和复合时金属熔体的选择。

采用精密铸造方法，铸造出663锡青铜约束框，约束框底面开有上面尺寸为

下面尺寸为的倒锥孔，表面均匀分布25×25×15mm³的方孔，中间横筋宽度为3mm。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。浇注合金为ZL101铸造铝合金，浇注温度为780℃。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/663锡青铜三相构成了多尺度复合耐磨材料，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例7

与实施例1的不同之处在于高韧性钢约束框尺寸。

采用精密铸造方法，铸造出35#钢约束框，约束框总厚度为20mm，约束框1底面开有：上面尺寸为

下面尺寸为

的倒锥孔2，表面均匀分布21×21×20mm³的方孔3，约束框1中的方孔3之间横筋宽度为3mm，如图8所示。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。

实施例8

①高韧性钢约束框铸造

采用机加工的方法，制备出16锰钢约束框，约束框总厚度为20mm，约束框1底面开有：上面尺寸为

下面尺寸为

的倒锥孔2，表面均匀分布30×30×10mm³的方孔3，约束框1中的方孔3之间横筋宽度为2mm，如图9所示。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。

②泡沫碳化硅陶瓷块制备

按照专利：一种双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法(200910248558.0)制备出碳化硅泡沫陶瓷块，泡沫碳化硅陶瓷块为经过高温处理除掉残余硅的多孔泡沫碳化硅陶瓷块，尺寸为30×30×10mm³；

本实施例中，碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，体积分数为：70％，碳化硅平均晶粒尺寸在8μm。所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络。宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：2.0mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：20μm，如图10所示。

③镶嵌

如图11所示，将制备出泡沫碳化硅陶瓷块镶嵌到高韧性钢约束框中。

④球墨铸铁熔炼

选用14#铸造生铁，放入中频感应熔炼炉，熔炼温度为1350℃。然后将定量的球化剂和孕育剂加入到浇注坩埚底部(见表4)，然后倒入生铁液体，等充分反应后获得球墨铸铁后，再浇注到模具中。

表4球墨铸铁成分

⑤挤压铸造

首先将镶嵌有泡沫碳化硅陶瓷块的高韧性钢约束框放入箱式炉内预热，预热温度为800℃。

同时将复合模具利用乙炔焰或喷灯等预热至250℃。

然后将经过预热的高韧性钢约束框放入复合模具中，同时将反应后获得的球墨铸铁溶液浇注到模具中，加压充型。所加压力为80MPa；加压时间为5S；保压时间为10S。

⑥修型

出模后，机加工到需要的尺寸即可获得多尺度复合耐磨钢构件，如图12所示。

本实施例中，在多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料中，泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合，具有很高的抗压强度和耐磨性，而泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的两种材料在厘米尺度上的结构复合。泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/16锰钢三相构成的多尺度复合耐磨钢的性能测试结果如下：

抗压强度620MPa，冲击韧性71J/cm²，耐磨性能是高铬铸铁的7倍、高锰钢的30倍(图1(b))，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例9

与实施例8的不同之处在于泡沫碳化硅陶瓷块的制备。

按照专利：一种双尺度碳化硅泡沫陶瓷材料及其制备方法(200910248558.0)制备出泡沫碳化硅陶瓷块，泡沫碳化硅陶瓷块为经过高温处理除掉残余硅的多孔泡沫碳化硅陶瓷块。本实施例中，碳化硅泡沫陶瓷具有三维连通网络结构，体积分数为：50％，碳化硅平均晶粒尺寸在50nm。所述碳化硅泡沫陶瓷以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络。宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：2.5mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：50μm。

实施例10

与实施例8的不同之处在于采用了负压铸造的方法。

首先将镶嵌有泡沫碳化硅陶瓷块的高韧性钢约束框放入箱式炉内预热，预热温度为850℃。同时将复合模具利用乙炔焰或喷灯等预热至200℃。

真空室的真空度为2000Pa。

然后将经过预热的高韧性钢约束框放入到复合模具中，同时利用坩埚将熔炼到相应温度铸铁液浇注到模具中，打开蝶阀使镶嵌有泡沫碳化硅陶瓷块的高韧性钢约束框迅速形成真空，利用大气压力将铁液或钢液压到泡沫陶瓷网孔中。

实施例11

与实施例8的不同之处在于泡沫陶瓷块的选择。泡沫陶瓷块为泡沫玻璃陶瓷块，泡沫玻璃陶瓷块的制备过程如下：

第一步，料浆配制

按重量百分比计，将玻璃微粉45wt％(粒度为10μm)、稳定剂氧化铈2wt％(粒度为5μm)、烧结助剂氧化钛2wt％(粒度为5μm)、溶剂硅溶胶51wt％混合后，经机械搅拌后球磨，过滤，得料浆。

第二步，浸挂

将聚胺脂泡沫剪裁成所需形状和尺寸，均匀地浸入料浆中、拿出后挤去多余料浆、采用气吹或离心的方式除去多余料浆，加热半固化，重复多次，至达到所需要的体积分数50％，得到泡沫陶瓷前驱体。

其中，半固化是在100℃温度下热固化，时间10分钟。

第三步，热解

将泡沫陶瓷前驱体在氩气保护下热解，生成泡沫陶瓷骨架；其中，升温速率每分钟1℃，升温至800℃，保温0.5小时。

第四步，烧结成型

在空气气氛中，对泡沫陶瓷骨架烧结成型，升温速率为每分钟5℃，烧结温度为1500℃，保温时间为0.5小时，得泡沫玻璃陶瓷材料。

本实施例中，泡沫玻璃陶瓷材料以多边型封闭环为基本单元，各基本单元相互连接形成三维连通网络，泡沫玻璃陶瓷材料体积分数为：50％。宏观上具有毫米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：3.0mm；陶瓷骨架筋内部具有微米级尺度相互连通的网孔，网孔的平均尺寸为：60μm。

在泡沫玻璃陶瓷材料网孔内添加粒度为20μm的碳化硅微粉，添加重量为泡沫陶瓷的30％，加入方法为：将陶瓷粉灌入泡沫陶瓷网孔中，通过机械振动的方法将陶瓷粉振实，使碳化硅微粉填充于泡沫玻璃陶瓷材料的微米级孔中，以进一步提高复合耐磨材料的刚度和耐磨性。

本实施例中，泡沫玻璃陶瓷/球墨铸铁/16锰钢三相构成了多尺度复合耐磨材料，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例12

与实施例8的不同之处在于高韧性金属约束框的选择和复合时金属熔体的选择。

采用精密铸造方法，铸造出ZL301铝约束框，约束框底面开有上面尺寸为

下面尺寸为

的倒锥孔，表面均匀分布15×15×10mm³的方孔，中间横筋宽度为2mm。然后利用喷砂的方法，将约束框内表面粗糙化处理。浇注金属熔体为ZL101铸造铝合金，浇注温度为670℃。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/球墨铸铁/ZL301铝三相构成了多尺度复合耐磨材料，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例13

与实施例8的不同之处在于挤压铸造的金属熔体的选择。

挤压铸造的金属熔体选用铸造不锈钢1Cr18Ni9Ti，熔炼温度为1520℃，熔炼过程中，通如Ar气保护，以防合金元素氧化烧蚀。

本实施例中，泡沫碳化硅陶瓷/不锈钢1Cr18Ni9Ti/16锰钢三相构成了多尺度复合耐磨钢，显示出实现材料高耐磨性与高强韧性理想配合的优势。

实施例结果表明，本发明多尺度陶瓷/金属复合耐磨材料可广泛应用于粉碎、挖掘、输运等大型工程装备，具有耐磨性能优良、成本低、使用方便等特点，能够大幅度提高粉碎、挖掘、输运等大型工程装备的使用寿命和生产效率，可产生良好的社会效益和经济效益。

Claims

1.一种多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：以泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料为耐磨基元、以高韧性金属为约束框架，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料和高韧性金属通过铸造方法复合成耐磨材料；

泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料是泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的耐磨基元与约束框架两种材料在厘米尺度上的结构复合；

或者，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料是泡沫陶瓷与金属在毫米尺度上的材料复合，泡沫陶瓷/金属双连续相复合材料与高韧性金属约束框的复合，是在进行泡沫陶瓷与金属复合时同时实现的耐磨基元与约束框架两种材料在厘米尺度上的结构复合;

将泡沫陶瓷镶嵌到高韧性金属约束框内，利用常压铸造、挤压铸造、真空铸造或负压吸铸方法，使熔融的金属进入到泡沫陶瓷中的三维连通网孔内，实现泡沫陶瓷与金属在微米和毫米两个尺度上的材料复合的同时，耐磨基元与约束框架在厘米尺度的复合，或者实现泡沫陶瓷与金属在毫米尺度上的材料复合的同时，耐磨基元与约束框架在厘米尺度的复合。

2.按权利要求1所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述泡沫陶瓷是泡沫碳化硅、泡沫氮化硅、泡沫氧化铝、泡沫氧化锆或泡沫玻璃，网孔的平均尺寸为：0.5mm-5mm，泡沫陶瓷的体积分数为：5%-70%，平均晶粒尺寸在10nm-300μm；泡沫陶瓷是致密的或多孔的泡沫陶瓷骨架。

3.按权利要求1所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：所述熔融的金属是铸铁、铸钢、铜合金、铝合金或铸造镁合金。

4.按权利要求3所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：铸铁是球墨铸铁或灰铁，铸钢是铸造碳钢或铸造合金钢，铜合金是铸造锡青铜、铝青铜或铅青铜，铝合金是铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金或铝锌合金。

5.按权利要求1所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：高韧性金属约束框是单孔或多孔结构，孔形是方形、圆形、六边形或其它多边形，高韧性金属约束框为通孔或半通孔；对于半通孔，孔底面有一个或数个倒锥形小孔；约束框壁厚或孔壁厚根据需要设计成泡沫陶瓷最大横向尺寸的1/100-1/2；约束框的材质是钢、铜合金或铝合金；约束框采用精密铸造、计算机辅助快速成型以及机加工方法获得。

6.按权利要求5所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：钢框材质是16Mn钢、20#钢、35#钢、45#钢或其它结构钢；铜合金框材质是锡青铜、铝青铜或铅青铜；铝合金框材质是铝硅合金、铝铜合金或铝镁合金。

7.按权利要求1所述的多尺度陶瓷／金属复合耐磨材料的制备方法，其特征在于：在泡沫陶瓷网孔内填加陶瓷粉，陶瓷粉是SiC、SiO₂或Al₂O₃，粒度为：200nm-1mm，加入量为泡沫陶瓷重量的0wt%-50wt%，加入方法为：将陶瓷粉灌入泡沫陶瓷网孔中，通过机械振动的方法将陶瓷粉振实。