專利名稱：一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
某些使用金屬結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，為了減輕重量而采用空心金屬結(jié)構(gòu)焊接而成，如自行車車架、行李箱拉桿、工程梁等。這些空心結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的使用性能和使用壽命，若使用強(qiáng)度較高的合金制造空心結(jié)構(gòu)會(huì)造成成本較高，而強(qiáng)度一般的空心結(jié)構(gòu)在承受較大的沖擊載荷時(shí)很難保證安全。但在某些場(chǎng)合使用金屬實(shí)心結(jié)構(gòu)時(shí)，雖然金屬實(shí)心結(jié)構(gòu)保證了承受載荷所需要的強(qiáng)度，但往往會(huì)存在重量大、成本高的問題，并且高的自重對(duì)整體結(jié)構(gòu)的性能會(huì)帶來一些安全隱患。陶瓷材料具有高的強(qiáng)度與硬度，但高的脆性卻極大地限制了其廣泛的應(yīng)用；將高韌性的金屬材料與陶瓷材料復(fù)合而成的復(fù)合材料，可充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，獲得較好的綜合性能，如高強(qiáng)、低重等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的某些金屬陶瓷的復(fù)合材料，金屬與陶瓷結(jié)合界面由粘結(jié)劑直接粘結(jié)而成，在使用過程中，結(jié)構(gòu)連接可靠性較差，特別是在受熱情況下，由于金屬與陶瓷的熱膨脹系數(shù)不同，界面往往會(huì)因金屬的膨脹而發(fā)生脫落，這將大大降低材料使用的周期與安全性。因此需要一種金屬和陶瓷之間結(jié)合可靠、力學(xué)性能好、重量輕的金屬陶瓷復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，所述金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高、重量輕，金屬和陶瓷之間結(jié)合可靠。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和陶瓷芯棒組成，所述金屬外套通過澆注工藝包覆在陶瓷芯棒外部；其中，優(yōu)選金屬外套材料為鋁合金，陶瓷芯棒材料為氧化鋁；一種本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，所述方法步驟如下步驟一、陶瓷芯棒制備將陶瓷材料粉末球磨后壓制成型，然后燒結(jié)制得陶瓷芯棒；其中球磨、成型和燒結(jié)工序，為陶瓷材料領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段；步驟二、澆注金屬(I)將陶瓷芯棒放置于模具中，在200 300° C下預(yù)熱3 5min ;(2)將金屬加熱至熔融狀態(tài)后，保溫2(T50min ；(3)將熔融的金屬澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上；自然冷卻后脫模，取出，得到復(fù)合材料； 其中，保溫目的是使熔融金屬與陶瓷芯棒表面完全金屬化結(jié)合，并排除熔融金屬中的空氣；
其中，澆注過程處于真空或惰性氣體條件下；步驟三、對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，得到金屬陶瓷復(fù)合材料；其中，熱處理是將復(fù)合材料在金屬熔點(diǎn)以下進(jìn)行加熱、保溫或冷卻，為材料領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)手段，如退火、淬火、固溶處理和時(shí)效處理，目的是消除金屬中的鋳造缺陷、提高金屬的力學(xué)性能；其中，所述陶瓷芯棒材料為材料領(lǐng)域的常規(guī)陶瓷材料，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化硼或氮化硼；所述金屬為材料領(lǐng)域的常規(guī)金屬材料，如鋼、銅合金、鈦合金或鎂合金；其中，優(yōu)選步驟一中陶瓷芯棒為氧化鋁陶瓷芯棒，制備過程如下將Al2O3粉末和MgO粉末混合后機(jī)械球磨l(Tl2h，烘干后在500Mpa壓カ下壓制成型得到坯體；將坯體進(jìn)行常壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750° C，得到氧化鋁陶瓷芯棒； 其中，Al2O3粉末的質(zhì)量:MgO粉末的質(zhì)量=95 :5 ;機(jī)械球磨介質(zhì)為こ醇；優(yōu)選步驟ニ中澆注金屬為鋁合金，澆注過程如下(I)將陶瓷芯棒放置于模具中，在200 300° C下預(yù)熱T5min ;(2 )將鋁合金加熱至熔融狀態(tài)后，保溫2(T50min ；(3)將熔融的鋁合金澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上；自然冷卻后脫模，取出，得到復(fù)合材料；其中，澆注過程處于真空條件下；優(yōu)選步驟三中對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，所述復(fù)合材料由鋁合金外套和氧化鋁陶瓷芯棒組成，所述鋁合金外套通過澆注エ藝包覆在氧化鋁陶瓷芯棒外部，熱處理過程如下(I)固溶處理開啟燒結(jié)爐，在爐子溫度300° C以下時(shí)將復(fù)合材料裝爐，以100° C/h的升溫速度升溫至530° C后，保溫O. 5h;然后以100° C/h的速度升溫至535° C后，保溫9h;出爐至80° C的水中淬火，淬火時(shí)間為15s ；優(yōu)選在固溶處理前，將澆注得到的復(fù)合材料進(jìn)行表面機(jī)械加工及打磨，得到表面平滑的復(fù)合材料；(2)時(shí)效處理將完成固溶處理的復(fù)合材料放入箱式循環(huán)空氣電阻爐中，190° C保溫3h后取出，在空氣中冷卻至室溫，得到金屬陶瓷復(fù)合材料；其中，固溶處理和時(shí)效處理均在氬氣或氦氣中進(jìn)行。有益效果I.本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料，與實(shí)心金屬結(jié)構(gòu)相比，具有質(zhì)量輕的特點(diǎn)；與空心金屬結(jié)構(gòu)相比，具有抗彎強(qiáng)度高，不易變形的特點(diǎn)；并且具有良好的界面冶金結(jié)合以及界面梯度效果，可有效地克服金屬與陶瓷機(jī)械結(jié)合或粘結(jié)結(jié)合界面弱的缺點(diǎn)；2.本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料，可采用鋁合金為金屬外套材料，氧化鋁為陶瓷芯棒材料，其中鋁合金和氧化鋁均為功能材料領(lǐng)域的常用材料，且具有較好力學(xué)性能；3.本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，在澆注完成后密封保溫，排除熔融金屬中的空氣；并且使熔融金屬與陶瓷芯棒表面完全金屬化結(jié)合，提高金屬和陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度；4.本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，通過熱處理工藝，消除了金屬中的鋳造缺陷，實(shí)現(xiàn)了外部金屬對(duì)陶瓷芯棒的預(yù)應(yīng)カ壓縮，從而實(shí)現(xiàn)了金屬與陶瓷界面的高強(qiáng)結(jié)合；5.本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，采用鋁合金為金屬外套材料，氧化鋁為陶瓷芯棒材料，在固溶處理前，將澆注得到的復(fù)合材料進(jìn)行表面機(jī)械加工及打磨，得到表面平滑的復(fù)合材料后，進(jìn)行時(shí)效處理，提高復(fù)合材料表面的平滑度。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。實(shí)施例
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ー種金屬陶瓷復(fù)合材料，所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和陶瓷芯棒組成，所述金屬外套通過澆注エ藝包覆在陶瓷芯棒外部；其中，金屬外套材料為鋁合金，型號(hào)為鋁硅系ZL101，熔點(diǎn)620° C ;陶瓷芯棒材料為氧化鋁；—種本發(fā)明所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，所述方法步驟如下步驟一、陶瓷芯棒制備將Al2O3粉末和MgO粉末混合后機(jī)械球磨12h，烘干后在500Mpa壓カ下等靜壓成型得到坯體；將坯體進(jìn)行常壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1750° C，得到氧化鋁陶瓷芯棒；其中，Al2O3粉末的質(zhì)量MgO粉末的質(zhì)量=95 :5 ;機(jī)械球磨介質(zhì)為こ醇；步驟ニ、澆注鋁合金(I)將陶瓷芯棒放置于模具中心，在250° C下預(yù)熱3min;其中,模具內(nèi)腔為圓柱形,直徑為30mm ;(2)將鋁合金在713° C下加熱至熔融狀態(tài)后，保溫30min ;(3)將熔融的鋁合金澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫40min ；自然冷卻后脫模，取出，得到復(fù)合材料；其中，澆注過程處于真空條件下；所述澆注過程在高真空單輥懸淬及噴鑄系統(tǒng)SKY08K-102 中進(jìn)行；步驟三、對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理(I)固溶處理開啟燒結(jié)爐，在爐子溫度300° C以下時(shí)將復(fù)合材料裝爐，以100° C/h的升溫速度升溫至530° C后，保溫O. 5h;然后以100° C/h的速度升溫至535° C后，保溫9h;出爐至80° C的水中淬火，淬火時(shí)間為15s ;優(yōu)選在固溶處理前，將澆注得到的復(fù)合材料進(jìn)行表面機(jī)械加工及打磨，得到表面平滑的復(fù)合材料；(2)時(shí)效處理將完成固溶處理的復(fù)合材料放入箱式循環(huán)空氣電阻爐中，190° C保溫3h后取出，在空氣中冷卻至室溫，得到金屬陶瓷復(fù)合材料；
其中，固溶處理和時(shí)效處理均在氬氣中進(jìn)行。
綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和陶瓷芯棒組成，所述金屬外套通過澆注工藝包覆在陶瓷芯棒外部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種金屬陶瓷復(fù)合材料，其特征在于金屬外套材料為鋁合金，陶瓷芯棒材料為氧化鋁。
3.—種如權(quán)利要求I或2所述的金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述方法步驟如下步驟一、陶瓷芯棒制備將陶瓷材料粉末球磨后壓制成型，然后燒結(jié)制得陶瓷芯棒；步驟二、燒注金屬(1)將陶瓷芯棒放置于模具中，在200 300°C下預(yù)熱T5min ；(2)將金屬加熱至熔融狀態(tài)后，保溫2(T50min；(3)將熔融的金屬澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上； 自然冷卻后脫模，取出，得到復(fù)合材料；其中，澆注過程處于真空或惰性氣體條件下；步驟三、對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，得到金屬陶瓷復(fù)合材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟一中陶瓷芯棒為氧化鋁陶瓷芯棒，制備過程如下將Al2O3粉末和MgO粉末混合后機(jī)械球磨 l(Tl2h，烘干后在500Mpa壓力下壓制成型得到坯體；將坯體進(jìn)行常壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度為 1750° C，得到氧化鋁陶瓷芯棒；其中，Al2O3粉末的質(zhì)量:MgO粉末的質(zhì)量=95 :5 ;機(jī)械球磨介質(zhì)為乙醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟二中金屬為鋁合金，澆注過程如下(1)將陶瓷芯棒放置于模具中，在200 300°C下預(yù)熱3 5min ；(2)將鋁合金加熱至熔融狀態(tài)后，保溫2(T50min；(3)將熔融的鋁合金澆注到放置有陶瓷芯棒的模具中，澆注完成后密封保溫30min以上；自然冷卻后脫模，取出，得到復(fù)合材料；其中，澆注過程處于真空條件下。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于步驟三對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，所述復(fù)合材料由鋁合金外套和氧化鋁陶瓷芯棒組成，所述鋁合金外套通過澆注工藝包覆在氧化鋁陶瓷芯棒外部，熱處理過程如下Cl)固溶處理開啟燒結(jié)爐，在爐子溫度300° C以下時(shí)將復(fù)合材料裝爐，以100° C/h的升溫速度升溫至530° C后，保溫O. 5h ;然后以100° C/h的速度升溫至535° C后，保溫9h;出爐至 80° C的水中淬火，淬火時(shí)間為15s ；(2)時(shí)效處理將完成固溶處理的復(fù)合材料放入箱式循環(huán)空氣電阻爐中，190° C保溫3h后取出，在空氣中冷卻至室溫，得到金屬陶瓷復(fù)合材料；其中，固溶處理和時(shí)效處理均在氬氣或氦氣中進(jìn)行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種金屬陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在固溶處理前，將澆注得到的復(fù)合材料進(jìn)行表面機(jī)械加工及打磨，得到表面平滑的復(fù)合材料后，進(jìn)行時(shí)效處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬陶瓷復(fù)合材料及其制備方法，屬于復(fù)合材料領(lǐng)域。所述金屬陶瓷復(fù)合材料由金屬外套和陶瓷芯棒組成，金屬外套通過澆注工藝包覆在陶瓷芯棒外部；所述方法包括陶瓷芯棒制備、澆注金屬和對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行熱處理的過程。其中，優(yōu)選金屬外套材料為鋁合金，陶瓷芯棒材料為氧化鋁。所述金屬陶瓷復(fù)合材料、質(zhì)量輕、抗彎強(qiáng)度高、不易變形，具有良好的界面冶金結(jié)合以及界面梯度效果。本發(fā)明所述制備方法，在澆注完成后密封保溫，排除熔融金屬中的空氣，使熔融金屬與陶瓷芯棒表面完全金屬化結(jié)合，提高金屬和陶瓷之間的結(jié)合強(qiáng)度；通過熱處理工藝，消除了金屬中的鑄造缺陷。
文檔編號(hào)B32B15/04GK102700192SQ201210211878
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者萬明明, 劉曉東, 姜全振, 孫川, 朱靈波, 李云凱, 李樹奎 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)