專利名稱：陶瓷金屬復(fù)合物的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由金屬浸入多孔性陶瓷組成的陶瓷金屬復(fù)合物。
這種類型的陶瓷金屬復(fù)合物在歐洲專利O155 831(Lanxide)中揭示出。按照Lanxide專利的權(quán)利要求11，要使陶瓷體具有良好的滲透性，其小角晶粒周邊必須保持在一定的范圍內(nèi)。
1985年7月23日日本專利61/163224(Sumitomo Electric Industries)揭示，在壓力作用下，將鋁熔體浸入孔隙為85-90%的陶瓷體。
再者，1985年5月30日英國專利21 48 270(British Ceramic Research Association)揭示，在6.72Kpsi的壓力下，將在700℃熔化的鋁浸入孔隙率為39%的多孔性SiC陶瓷，可得到陶瓷合金。
此外，1983年10月1日捷克和斯洛伐克專利CS20 61 32中描述的陶瓷合金的制造方法為清除多孔性陶瓷材料中90-95%的Al2O3，剩余的是SiO2，并在壓力超過1Mpa的惰性氣體下，浸入700°-900℃的鋁或鋁復(fù)合物。浸入之前，模制陶瓷品的孔隙率為41%。
因此，將金屬熔體浸入這種高度多孔性陶瓷材料，以使其產(chǎn)品具有顯著的金屬特征。陶瓷金屬復(fù)合物的主要特征表現(xiàn)為金屬性特征，這樣它的硬度、耐溫性、耐磨性就大大低于嚴格的陶瓷材料。
本發(fā)明的目標是改善陶瓷材料的彎曲強度、剛度、彈性系數(shù)、硬度以及耐磨性。處理后的陶瓷材料的硬度、耐高溫性和耐磨性等特征優(yōu)于金屬材料。
實現(xiàn)該目標的方法是制成了由金屬侵入多孔性陶瓷組成的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征左右，陶瓷由幾層組成，層厚保持在10-150微米，平均孔徑保持在100-1000mm之間，開孔孔隙率為5-14%，總孔隙率為5-30%，除去剩余孔隙率之外填入金屬的孔隙體積為最新的孔隙率的0.1-10%。已查明，將熔化金屬浸入總孔隙率為5-30%的多層結(jié)構(gòu)的陶瓷，能夠得到想要的特征組合。此外，所謂總孔隙率就是陶瓷在浸入熔化金屬前的原有孔隙率。這里尤為重要的是，借助Carlo-Erba水銀孔率計測定的平均孔隙半徑為100-1000nm。
本發(fā)明中使用的金屬有鋁或鋁合金，尤其是鋁-硅合金，鎂，鉛，鋅或銅，鋼或灰鑄鐵，鈦或鈦合金。而用作陶瓷的有純氧化物陶瓷，預(yù)反應(yīng)態(tài)的以氧化物為基礎(chǔ)的多成份物料尤其是2種或多種純金屬氧化物在等離子流中就地反應(yīng)后的氧化物陶瓷。
借助多層結(jié)構(gòu)得到的陶瓷材料的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)使浸入熔化金屬的方法變的十分便利。按照本發(fā)明，可通過陶瓷材料的粒徑以及液態(tài)等離子流的流速來控制該孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
如果陶瓷具有由彼此相互連接的孔和孔道組成的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)，Lanxide專利中的小角晶粒周邊則不必借助實驗設(shè)備確定。按照本發(fā)明，如果陶瓷由幾個不同孔隙率的薄層依次組成，該特殊結(jié)構(gòu)就存在。
對于應(yīng)用像焊接或低溫焊接陶瓷/金屬這樣的金屬連接結(jié)構(gòu)來說，陶瓷材料的孔隙率由里向外增加以使金屬的比例朝外增加，被讓實是有效的。這樣的孔網(wǎng)結(jié)構(gòu)被稱為“梯度結(jié)構(gòu)”。其復(fù)合物的外部主要表現(xiàn)為金屬特征，內(nèi)部主要表現(xiàn)為陶瓷特征。
通過改變噴射到基體上的液態(tài)穩(wěn)定等離子流的粒徑獲得這種梯度結(jié)構(gòu)。例如，最新最好用d粒徑為20微米，陶瓷材料外層的粒徑增加到d值超過100微米。反之亦然，這取決于金屬表面的朝向，主要的是，陶瓷材料最接近金屬結(jié)構(gòu)的表面是用大粒徑粉產(chǎn)生的。
建立在氧化層基礎(chǔ)上的多層復(fù)合材料，在預(yù)反應(yīng)狀態(tài)下能夠有利地被用來增加硬度和改善耐磨性。多層復(fù)合材料被看成兩種或更多種陶瓷氧化材料，通過碾磨并在燒結(jié)溫度預(yù)反應(yīng)形成的粉末的混合物。此后，將它們加入等離子燃燒器的反應(yīng)區(qū)。
下面通過幾個操作例子更詳細地描述該發(fā)明。本發(fā)明的陶瓷金屬復(fù)合物的生產(chǎn)，先要經(jīng)過等離子噴射，然后將金屬浸入CMC。與通常的Lanxide專利的CMC材料相比，通過以上操作，本發(fā)明的CMC材料的特征被認為得到了顯著改善，如果他們的梯度結(jié)構(gòu)定義為復(fù)合物中不同層的陶瓷顆粒有不同的形狀系數(shù)，特別是有一個從內(nèi)到外增加或減少的形狀系數(shù)。陶瓷顆粒層形狀系數(shù)大于5。
密度和孔隙率通過DIN51056方法測定，維氏硬度用DIN50133方法測定。首先，Al2O3和Al2TiO5材料板通過等離子噴射產(chǎn)生，d50粒徑在60-70微米之間，等離子流速為300m/a，單層厚度為100微米，氧化鋁的總孔隙率達到18%，鈦酸鋁為15%。形成的噴射表面氧化鋁對于氧化鋁1∶5-1∶20，對于鈦酸鋁1∶15-1∶25。
從這些板塊中割取100×100×300mm大小的試樣測定材料的特征值，將試樣預(yù)熱到1000℃，并在壓力差為35巴、最多5秒鐘內(nèi)，浸入由Al Si 10Mg合金組成的溫度為750℃的金屬熔體。在程序控制爐內(nèi)，浸入后的冷卻速度為每小時200℃，以使試樣在5小時內(nèi)冷卻到室內(nèi)溫度。
在這之后，發(fā)現(xiàn)剩余的孔隙體積為氧化鋁陶瓷的最新孔隙率的5%，以及鈦酸鋁的7%。
進一步的實驗體產(chǎn)生于本發(fā)明的梯度結(jié)構(gòu)，制造方法同上;只是用40和100微米這兩種不同的d50粒徑分別通過兩孔道。d50值為40微米的顆粒連續(xù)從O增加到25kg/h，d50值為100微米的顆粒在25kg/h到O這個相同的范圍內(nèi)減少。從一個孔道轉(zhuǎn)換到另一個孔道的時間，取決于陶瓷體的大小和它的壁的厚度。這樣獲得的單層厚度保持在80-100微米，總孔隙率為12%。在用Al Si 10Mg合金浸入后，實驗體剩余孔隙體積為最新孔隙率的0.6%。
在實驗體上測定的(特征)值見表1。彎曲強度(4點裝置測定)，彈性模數(shù)，斷裂強度在大小為3.5×4.5∶45mm的標準抗彎樣品上測定。給定文獻中通常的Al2O3陶瓷燒結(jié)整體材料數(shù)據(jù)進行比較，結(jié)果是，按照本發(fā)明得到的金屬-陶瓷復(fù)合物的彎曲強度，斷裂強度和硬度值較好，與常規(guī)材料的復(fù)合材料特征值以及個別特征值相比較有明顯改善。
權(quán)利要求
1.由金屬侵入多孔性陶瓷組成的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征左右，陶瓷由幾層組成，層厚保持在10-150微米，平均孔徑保持在100-1000mm之間，開孔孔隙率為5-14%，總孔隙率為5-30%，除去剩余孔隙率之外填入金屬的孔隙體積為最新的孔隙率的0.1-10%。
2.權(quán)利要求1的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，由陶瓷顆粒形成的層的形狀系數(shù)大于5。
3.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)物，其特征在于，復(fù)合物中不同層的陶瓷顆粒有不同的形狀系數(shù)。
4.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，陶瓷顆粒有一個從內(nèi)到外增加的形狀系數(shù)。
5.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，提出顆粒具有一個從內(nèi)向外減少的形狀系數(shù)。
6.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的金屬為鋁或鋁合金。
7.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的金屬為鋁-硅合金。
8.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的金屬為鋁、鎂、鉛、鋅、銅。
9.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的金屬為鋼或灰鑄鐵。
10.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的金屬為鈦或鈦合金。
11.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的陶瓷為純氧化物陶瓷材料。
12.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，在預(yù)反應(yīng)狀態(tài)使用的陶瓷為建立在氧化層基礎(chǔ)之上的多層材料。
13.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的陶瓷為氧化物陶瓷材料-通過在等離子流中就地反應(yīng)的方法，由兩種或更多種純金屬氧化物形成。
14.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，使用的陶瓷為氧化鋁或鈦酸鋁。
15.用金屬結(jié)構(gòu)固接的陶瓷金屬復(fù)合物的應(yīng)用，其特征在于，面向金屬結(jié)構(gòu)的復(fù)合物。面與壁開金屬結(jié)構(gòu)的面相比較，前者富含金屬。
16.以上權(quán)利要求之一的陶瓷金屬復(fù)合物的應(yīng)用，其特征在于，陶瓷朝向金屬結(jié)構(gòu)的面與壁開金屬結(jié)構(gòu)的面相比較，前者具有一個大倍數(shù)的形狀系數(shù)。
全文摘要
由金屬侵入多孔性陶瓷組成的陶瓷金屬復(fù)合物，其特征在于，陶瓷由幾層組成，層厚保持在10-150微米，平均孔徑保持在100-1000mm之間，開孔孔隙率為5-14％，總孔隙率為5-30％，除去剩余孔隙率之外填入金屬的孔隙體積為最新的孔隙率的0.1-10％。
文檔編號C04B41/51GK1049647SQ9010477
公開日1991年3月6日 申請日期1990年7月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月22日
發(fā)明者史迪芬·辛德勒, 威爾納·舒爾策, 伏里德里希-迪森羅特 申請人:聯(lián)合鋁產(chǎn)品股份公司