CN115612911B - 一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷领域，具体涉及一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤1，准备金属合金粉末；步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：（1）制作铈络合物；（2）制作多孔二硼化铪；（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末；步骤3，制备金属架构陶瓷材料：将金属粉末按照质量百分比混合后，加热至熔融态，再加入氮化铈/二硼化铪复合粉末，即得到金属架构陶瓷材料。本发明可以根据图纸设计需要制作成板材或者异形件，镶嵌铸造在金属板或者异形件中，延长设备的耐磨性和抗冲击性；也可以用于机械设备的表面修复，不仅具有非常高的耐磨性，而且还具有高韧性、高熔点和可塑性强度优点。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷领域，具体涉及一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法。
背景技术
众所周知，金属具有较好的韧性和力学性能，但高温下化学稳定性较差，易氧化。陶瓷能够耐高温，化学稳定性好，但脆性大，抗机械冲击能力差。金属陶瓷作为一种高温复合材料，其性能也是相当“硬核”，它兼顾了金属的高韧性、可塑性和陶瓷的高熔点、耐腐蚀和耐磨损等特性，在航空航天、温度测量、核能及加工制造等领域中拥有广阔的应用前景。
为了更好地弥散分布并与金属结合，金属陶瓷中的非金属相（陶瓷）通常是近于等轴状的细颗粒，粒度一般为1-100μm。而金属陶瓷制备成功与否，取决于在制备过程中能否生成一种对其陶瓷、金属组元都能润湿结合的“粘结剂”，并且这种“粘结剂”能够与陶瓷通过扩散生成有限固溶体。若“生成的粘结剂”与陶瓷发生强烈的化学反应，则会产生不良后果，造成材料性能降低，因为反应生成的通常是脆性的金属间化合物。现有技术中金属基陶瓷材料存在以下问题：金属基与陶瓷颗粒混合不均匀，导致耐磨性能在不同位置存在较大差异，另外金属基材料与陶瓷材料的结合效果较差，在使用时易出现陶瓷材料颗粒与金属基材料发生脱离的情况。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备金属合金粉末：
按照以下质量百分比，准备金属合金粉末的成分：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质；
步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
（1）制作铈络合物：利用铈盐与氨基羧酸制备出铈络合物；
（2）制作多孔二硼化铪：以硼氢化钠、铪粉与氯化锂作为原料，依次进行球磨和烧结，制备出多孔二硼化铪；
（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末：将铈络合物与多孔二硼化铪球磨后烧结，制备出氮化铈/二硼化铪复合粉末；
步骤3，制备金属架构陶瓷材料：
将金属粉末按照质量百分比混合后，加热至熔融态，再加入氮化铈/二硼化铪复合粉末，即得到金属架构陶瓷材料。
优选地，所述步骤2中，制作铈络合物的过程包括：
将铈盐混合在蒸馏水内，搅拌至完全溶解后，加入氨基羧酸，在室温条件下充分搅拌1-10h，然后缓慢地加入无水乙醇，逐渐有絮状沉淀产生，待絮状沉淀不再增加后，停止加入无水乙醇，滤出并收集沉淀，干燥，得到铈络合物；
其中，铈盐为氯化铈，氨基羧酸为乙二胺四乙酸（EDTA），铈盐、氨基羧酸与蒸馏水的质量比是0.6-0.8:1:10-12。
优选地，所述步骤2中，制作多孔二硼化铪的过程包括：
将硼氢化钠、铪粉与氯化锂混合于行星式球磨机内，加入正己烷，在惰性气体的保护下，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是4-6h，温度是室温，球料比是4-6:1，转速是200-400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物A；
将球磨混合物A干燥压片后放入管式炉内，通入惰性气体作为保护气，同时密封升温，升温速度是2-5℃/min，升至温度为800-900℃，高温烧结6-10h，自然降温至室温，使用蒸馏水不断地冲洗至检测不到钠离子，干燥处理，得到多孔二硼化铪；
优选地，硼氢化钠与氯化锂的粒径为20-30μm，铪粉的粒径为2-5μm，硼氢化钠、氯化锂与铪粉的重量比是1:0.8:4，正己烷加入量是固体总重量的2-5倍。
优选地，所述步骤2中，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
将铈络合物与多孔二硼化铪混合，加入正己烷，采用行星式球磨机进行球磨，行星式球磨机填充入惰性气体作为保护气，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是10-12h，温度是室温，球料比是4-6:1，转速是200-400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物B；
将球磨混合物B均匀化后放入管式炉内，通入氨气作为保护气，先升至温度为850-950℃，保温3-6h后，将管式炉内气体替换为氮气，再次升温至1550-1650℃，烧结2-4h，然后随炉降温至300℃，通入氧气除碳，得到氮化铈/二硼化铪复合粉末。
优选地，所述步骤2中，铈络合物、多孔二硼化铪与正己烷的0.2-0.6:1:6-10。
优选地，所述步骤3中，取金属合金粉末按照质量百分比混合后，在熔化炉内升温至高于各金属熔点至熔融状态，然后缓慢加入预热后的氮化铈/二硼化铪复合粉末，然后经过脱硫和脱磷处理，使S≤0.01%，P≤0.01%，然后再经过脱氧处理，在1650-1680℃下出炉，经过正火和回火处理，即完成金属架构陶瓷材料的制备。
优选地，所述正火处理的过程是：先在1030-1050℃温度下保温5h，然后以120℃/h的速度降温至350℃；所述回火处理的过程是：从350℃再次升温至650℃，保温6h，然后以60℃/h的速度降温至250℃，最后自然随炉冷却至室温。
优选地，所述步骤3中，氮化铈/二硼化铪复合粉末与金属合金粉末的质量比是0.4-0.6:1。
第二方面，本发明提供一种耐磨金属架构陶瓷在金属架构上的应用，所述应用的工艺为激光熔覆法，过程包括以下步骤：
（1）将金属架构陶瓷材料粉碎处理，制备成粉末状材料，备用；
（2）将待修复的机械设备的表面进行清灰处理，然后打磨除去损坏的界面，再使用有机溶剂清洗；
（3）使用粉末状的金属架构陶瓷材料，利用激光二极管仪器对清洗干燥后的机械设备表面进行激光熔覆修复处理；
（4）待激光熔覆修复完成后，退火处理，对修复的表面进行再次打磨，即可。
优选地，第（1）步中，粉末状材料的粒径为50-100μm。
优选地，第（2）步中，有机溶剂包括丙酮或乙醇，清洗除去表面的油污。
优选地，第（3）步中，激光二极管仪器的参数为：激光功率为1000-1500W，光斑直径为0.5-1mm，扫描速率为200-400mm/min，送粉速率为0-10g/min。
优选地，第（4）步中，退火处理的温度是300-350℃，冷却方式为空冷，退火处理后检查修复的表面是否有裂纹或未修复完成之处。
本发明的有益效果为：
1. 本发明可以根据图纸设计需要制作成板材或者异形件，镶嵌铸造在金属板或者异形件中，延长设备的耐磨性和抗冲击性；也可以用于机械设备的表面修复，不仅具有非常高的耐磨性，而且还具有高韧性、高熔点和可塑性强度优点。
本发明采用金属合金熔融后与制备的氮化铈/二硼化铪复合粉末复合，然后经过浇铸成型，从而得到金属架构陶瓷材料，该金属架构陶瓷材料经过粉碎成粉末后，能够用于机械设备的表面修复，根据使用要求的变化，进行激光熔覆和堆焊处理，从而更好的增加机械设备修复层的整体耐磨性，其中磨损量最低能够达到小于1×10-2mm3。
本发明的陶瓷材料可以做成多种形状结构，并具有三种用途：（1）粉末用来做激光融覆或堆焊使用；（2）多孔结构可以铸造在铸件或异形件中使用；（3）块状物可以镶嵌铸造在板状或异形件中使用。
2. 本发明中，制备的金属架构陶瓷材料不仅具有非常高的耐磨性，而且还具有高韧性、高熔点、耐腐蚀和可塑性强度优点。所选用的金属合金为高碳钒系高速钢，该钢材的最大优点在于具有较好的耐磨性。陶瓷粉末是在金属完全熔融后加入的，因此制备过程中与金属具有较好的结合性；而陶瓷粉末中的氮化铈本身属于半导体材料，其表面具有较好的润湿性，与金属之间能够形成更好的粘结，从而界面结合性更强；此外，二硼化铪本身具有的高硬度和稳定性强的优势，能够保证在受热时不会因变形过大而产生脱离现象。综合来看，本发明制备的氮化铈/二硼化铪复合粉末中的两种物质相辅相成，共同促进了金属材料与陶瓷材料的结合性。
3. 二硼化铪作为一种优良的高温陶瓷材料，具有很高的熔点，高硬度，高模量，化学性质稳定。主要应用在高温陶瓷、航空、航天等领域，常被用于高温氧化环境中。然而有研究表明，单一的二硼化铪作为抗氧化材料在1100℃以上的高温条件下，会出现玻璃相B2O3大量挥发，以及HfO2氧化物多孔骨架裸露的现象，导致抗氧化能力大大降低。为此，本发明通过对其改性处理，将自制的氮化铈复合进二硼化铪的内部，使其高温抗氧化性得到较好的改进。
4. 本发明的独特之处在于，制备的二硼化铪不仅具有多孔性，而且制备该多孔的方法具有较大的创新，在没有额外添加致孔剂的基础上，只是利用所选取的原料的反应产物即完成了多孔化处理。硼氢化钠和氯化锂作为原料，在球磨过程中逐渐会生成主产物硼氢化锂和副产物氯化钠，主产物继续作为原料使用，副产物作为致孔剂应用。相比较于直接加入硼氢化锂作为原料，本发明的优势在于，由于反应是直接在球磨过程中进行的，因此，会与其他材料更均匀地结合，能大幅度减少球磨所消耗的时间。
5. 此外，本发明在制备氮化铈/二硼化铪复合粉末时，先通过采用铈盐与氨基羧酸的方式制备铈的金属络合物，然后通过该络合物与多孔的二硼化铪结合，高温氮化处理，在多孔的二硼化铪表层以及微孔内生成氮化铈。相比较于直接添加氮化铈与二硼化铪结合，该方式制得的产物具有更好的结合性，能够发挥出其更好的性能。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例1制备的氮化铈/二硼化铪复合粉末的电镜扫描图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明，对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
关于本发明中氮化铈/二硼化铪复合粉末的制备过程，具体分析如下：
（1）在多孔二硼化铪的制备过程中，使用的原料为硼氢化钠、铪粉与氯化锂，其中，硼氢化钠与氯化锂能够在球磨的过程中发生反应，生成硼氢化锂与氯化钠，然后球磨结束得到硼氢化锂、氯化钠和铪粉三者的混合粉料；在经过高温烧结的过程中，硼氢化锂与铪粉会生成二硼化铪，同时氯化铝达到熔点会融化并逐渐与生成的二硼化铪均匀混合，粉碎成合适粒径后，经过水洗除去氯化钠，即得到多孔状的二硼化铪。
（2）在氮化铈/二硼化铪复合粉末时，铈络合物在球磨的过程内，有部分逐渐地填充在多孔二硼化铪的微孔中，也有部分包裹在二硼化铪的表面，在烧结的过程中，先通入氨气在850-950℃下反应，是为了使铈络合物中的有机材料热分解，铈络合物会逐渐生成氮化铈，而后续在氮气保护下升温至1550-1650℃，使氮化铈反应完全进行，最后得到填充以及包裹有氮化铈的二硼化铪复合物。
下面结合以下实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备金属合金粉末：
按照高碳钒系高速钢的质量百分比，准备金属合金粉末的成分：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质；
步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
（1）制作铈络合物：将氯化铈混合在蒸馏水内，搅拌至完全溶解后，加入乙二胺四乙酸（EDTA），在室温条件下充分搅拌6h，然后缓慢地加入无水乙醇，逐渐有絮状沉淀产生，待絮状沉淀不再增加后，停止加入无水乙醇，滤出并收集沉淀，干燥，得到铈络合物；氯化铈、乙二胺四乙酸（EDTA）与蒸馏水的质量比是0.7:1:10。
（2）制作多孔二硼化铪：将硼氢化钠、铪粉与氯化锂混合于行星式球磨机内，加入正己烷，在惰性气体的保护下，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是5h，温度是室温，球料比是5:1，转速是300r/min，球磨结束后，得到球磨混合物A；硼氢化钠与氯化锂的粒径为20-30μm，铪粉的粒径为2-5μm，硼氢化钠、氯化锂与铪粉的重量比是1:0.8:5，正己烷加入量是固体总重量的4倍。
将球磨混合物A干燥压片后放入管式炉内，通入惰性气体作为保护气，同时密封升温，升温速度是3℃/min，升至温度为800℃，高温烧结8h，自然降温至室温，使用蒸馏水不断地冲洗至检测不到钠离子，干燥处理，得到多孔二硼化铪。
（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末：将铈络合物与多孔二硼化铪混合，加入正己烷，采用行星式球磨机进行球磨，行星式球磨机填充入惰性气体作为保护气，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是10h，温度是室温，球料比是5:1，转速是300r/min，球磨结束后，得到球磨混合物B；铈络合物、多孔二硼化铪与正己烷的0.4:1:8；
将球磨混合物B均匀化后放入管式炉内，通入氨气作为保护气，先升至温度为900℃，保温4h后，将管式炉内气体替换为氮气，再次升温至1600℃，烧结3h，然后随炉降温至300℃，通入氧气除碳，得到氮化铈/二硼化铪复合粉末。
步骤3，制备金属架构陶瓷材料：
取金属合金粉末按照质量百分比混合后，在熔化炉内升温至高于各金属熔点至熔融状态，然后缓慢加入预热后的氮化铈/二硼化铪复合粉末，氮化铈/二硼化铪复合粉末与金属合金粉末的质量比是0.5:1，均匀化处理，然后经过脱硫和脱磷处理，使S≤0.01%，P≤0.01%，然后再经过脱氧处理，在1660℃下出炉，经过正火和回火处理，即完成金属架构陶瓷材料的制备。所述正火处理的过程是：先在1040℃温度下保温5h，然后以120℃/h的速度降温至350℃；所述回火处理的过程是：从350℃再次升温至650℃，保温6h，然后以60℃/h的速度降温至250℃，最后自然随炉冷却至室温。
实施例2
一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备金属合金粉末：
按照高碳钒系高速钢的质量百分比，准备金属合金粉末的成分：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质；
步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
（1）制作铈络合物：将氯化铈混合在蒸馏水内，搅拌至完全溶解后，加入乙二胺四乙酸（EDTA），在室温条件下充分搅拌6h，然后缓慢地加入无水乙醇，逐渐有絮状沉淀产生，待絮状沉淀不再增加后，停止加入无水乙醇，滤出并收集沉淀，干燥，得到铈络合物；氯化铈、乙二胺四乙酸（EDTA）与蒸馏水的质量比是0.6:1:10。
（2）制作多孔二硼化铪：将硼氢化钠、铪粉与氯化锂混合于行星式球磨机内，加入正己烷，在惰性气体的保护下，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是4h，温度是室温，球料比是4:1，转速是200r/min，球磨结束后，得到球磨混合物A；硼氢化钠与氯化锂的粒径为20-30μm，铪粉的粒径为2-5μm，硼氢化钠、氯化锂与铪粉的重量比是1:0.8:4，正己烷加入量是固体总重量的2-5倍。
将球磨混合物A干燥压片后放入管式炉内，通入惰性气体作为保护气，同时密封升温，升温速度是2℃/min，升至温度为800℃，高温烧结10h，自然降温至室温，使用蒸馏水不断地冲洗至检测不到钠离子，干燥处理，得到多孔二硼化铪。
（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末：将铈络合物与多孔二硼化铪混合，加入正己烷，采用行星式球磨机进行球磨，行星式球磨机填充入惰性气体作为保护气，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是10h，温度是室温，球料比是4:1，转速是200r/min，球磨结束后，得到球磨混合物B；铈络合物、多孔二硼化铪与正己烷的0.2:1:6；
将球磨混合物B均匀化后放入管式炉内，通入氨气作为保护气，先升至温度为850℃，保温6h后，将管式炉内气体替换为氮气，再次升温至1550℃，烧结4h，然后随炉降温至300℃，通入氧气除碳，得到氮化铈/二硼化铪复合粉末。
步骤3，制备金属架构陶瓷材料：
取金属合金粉末按照质量百分比混合后，在熔化炉内升温至高于各金属熔点至熔融状态，然后缓慢加入预热后的氮化铈/二硼化铪复合粉末，氮化铈/二硼化铪复合粉末与金属合金粉末的质量比是0.4:1，均匀化处理，然后经过脱硫和脱磷处理，使S≤0.01%，P≤0.01%，然后再经过脱氧处理，在1650℃下出炉，经过正火和回火处理，即完成金属架构陶瓷材料的制备。所述正火处理的过程是：先在1030℃温度下保温5h，然后以120℃/h的速度降温至350℃；所述回火处理的过程是：从350℃再次升温至650℃，保温6h，然后以60℃/h的速度降温至250℃，最后自然随炉冷却至室温。
实施例3
一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备金属合金粉末：
按照高碳钒系高速钢的质量百分比，准备金属合金粉末的成分：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质；
步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
制作铈络合物：将氯化铈混合在蒸馏水内，搅拌至完全溶解后，加入乙二胺四乙酸（EDTA），在室温条件下充分搅拌6h，然后缓慢地加入无水乙醇，逐渐有絮状沉淀产生，待絮状沉淀不再增加后，停止加入无水乙醇，滤出并收集沉淀，干燥，得到铈络合物；氯化铈、乙二胺四乙酸（EDTA）与蒸馏水的质量比是0.8:1:12。
（2）制作多孔二硼化铪：将硼氢化钠、铪粉与氯化锂混合于行星式球磨机内，加入正己烷，在惰性气体的保护下，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是6h，温度是室温，球料比是6:1，转速是400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物A；硼氢化钠与氯化锂的粒径为20-30μm，铪粉的粒径为2-5μm，硼氢化钠、氯化锂与铪粉的重量比是1:0.8:6，正己烷加入量是固体总重量的5倍。
将球磨混合物A干燥压片后放入管式炉内，通入惰性气体作为保护气，同时密封升温，升温速度是5℃/min，升至温度为900℃，高温烧结6h，自然降温至室温，使用蒸馏水不断地冲洗至检测不到钠离子，干燥处理，得到多孔二硼化铪。
（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末：将铈络合物与多孔二硼化铪混合，加入正己烷，采用行星式球磨机进行球磨，行星式球磨机填充入惰性气体作为保护气，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是12h，温度是室温，球料比是6:1，转速是400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物B；铈络合物、多孔二硼化铪与正己烷的0.6:1:10；
将球磨混合物B均匀化后放入管式炉内，通入氨气作为保护气，先升至温度为950℃，保温3h后，将管式炉内气体替换为氮气，再次升温至1650℃，烧结2h，然后随炉降温至300℃，通入氧气除碳，得到氮化铈/二硼化铪复合粉末。
步骤3，制备金属架构陶瓷材料：
取金属合金粉末按照质量百分比混合后，在熔化炉内升温至高于各金属熔点至熔融状态，然后缓慢加入预热后的氮化铈/二硼化铪复合粉末，氮化铈/二硼化铪复合粉末与金属合金粉末的质量比是0.6:1，均匀化处理，然后经过脱硫和脱磷处理，使S≤0.01%，P≤0.01%，然后再经过脱氧处理，在1680℃下出炉，经过正火和回火处理，即完成金属架构陶瓷材料的制备。所述正火处理的过程是：先在1050℃温度下保温5h，然后以120℃/h的速度降温至350℃；所述回火处理的过程是：从350℃再次升温至650℃，保温6h，然后以60℃/h的速度降温至250℃，最后自然随炉冷却至室温。
应用例
上述实施例1-3制备耐磨金属架构陶瓷在金属架构上的应用，所述应用的工艺为激光熔覆法，过程包括以下步骤：
（1）将金属架构陶瓷材料粉碎处理，制备成粉末状材料，粒径为50-100μm，备用；
（2）将待修复的机械设备的表面进行清灰处理，然后打磨除去损坏的界面，再使用丙酮或乙醇清洗除去表面的油污；
（3）使用粉末状的金属架构陶瓷材料，利用激光二极管仪器对清洗干燥后的机械设备表面进行激光熔覆修复处理，激光二极管仪器的参数为：激光功率为1000-1500W，光斑直径为0.5-1mm，扫描速率为200-400mm/min，送粉速率为0-10g/min；
（4）待激光熔覆修复完成后，退火处理，退火处理的温度是300-350℃，冷却方式为空冷，退火处理后检查修复的表面是否有裂纹或未修复完成之处，然后对修复的表面进行再次打磨，即可。
对比例1
与实施例1的区别是，直接使用高碳钒系高速钢，按照质量百分比，包括：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质。
对比例2
一种金属架构陶瓷的制备方法，与实施例1的区别是，使用相同粒径的二硼化铪替换掉氮化铈/二硼化铪复合粉末，其余与实施例1均相同。
对比例3
一种金属架构陶瓷的制备方法，与实施例1的区别是，使用相同粒径的氮化铈替换掉氮化铈/二硼化铪复合粉末，其余与实施例1均相同。
实验例
对于实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2和对比例3中制备的金属架构陶瓷材料进行性能检测，磨损量参考标准GB 12444.1，热膨胀系数是在温度范围为20-600℃的条件下检测。
结果如下表1中所示。
表1 不同方法得到的材料的性能比较
上表1内能够得到，本发明实施例1-3制备的金属架构陶瓷的硬度基本上与对比例1差不多，但是在磨损量上面有明显的差距，实施例1-3制备的金属架构陶瓷的耐磨损性能有明显增强，特别是实施例3的磨损量能够达到小于1×10-2mm3；另外，本发明实施例1-3在冲击韧性方面表现也有较大增强，说明其韧性有所增强，耐冲击性更好；本发明实施例1-3在20-600℃范围的热膨胀表现也更好，膨胀系数更低，最低能够达到4.1×10-6/℃，远低于对比例1中的数值，说明其耐热性和更好。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (10)
1.一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，准备金属合金粉末：
按照以下质量百分比，准备金属合金粉末的成分：
C：2.7%，Si：1.2%，Mn：1.3%，Cu：1.4%，Ni：2.8%，Cr：6.1%，Mo：3.5%，W：0.9%，V：5.4%，Nb：0.5%，余量为铁以及其他不可避免的杂质；
步骤2，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
（1）制作铈络合物：利用铈盐与氨基羧酸制备出铈络合物；
（2）制作多孔二硼化铪：以硼氢化钠、铪粉与氯化锂作为原料，依次进行球磨和烧结，制备出多孔二硼化铪；
（3）制作氮化铈/二硼化铪复合粉末：将铈络合物与多孔二硼化铪球磨后烧结，制备出氮化铈/二硼化铪复合粉末；
步骤3，制备金属架构陶瓷材料：
将金属粉末按照质量百分比混合后，加热至熔融态，再加入氮化铈/二硼化铪复合粉末，即得到金属架构陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制作铈络合物的过程包括：
将铈盐混合在蒸馏水内，搅拌至完全溶解后，加入氨基羧酸，在室温条件下充分搅拌1-10h，然后缓慢地加入无水乙醇，逐渐有絮状沉淀产生，待絮状沉淀不再增加后，停止加入无水乙醇，滤出并收集沉淀，干燥，得到铈络合物；其中，铈盐为氯化铈，氨基羧酸为乙二胺四乙酸。
3.根据权利要求2所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，铈盐、氨基羧酸与蒸馏水的质量比是0.6-0.8:1:10-12。
4.根据权利要求1所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制作多孔二硼化铪的过程包括：
将硼氢化钠、铪粉与氯化锂混合于行星式球磨机内，加入正己烷，在惰性气体的保护下，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是4-6h，温度是室温，球料比是4-6:1，转速是200-400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物A；
将球磨混合物A干燥压片后放入管式炉内，通入惰性气体作为保护气，同时密封升温，升温速度是2-5℃/min，升至温度为800-900℃，高温烧结6-10h，自然降温至室温，使用蒸馏水不断地冲洗至检测不到钠离子，干燥处理，得到多孔二硼化铪。
5.根据权利要求4所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，硼氢化钠与氯化锂的粒径为20-30μm，铪粉的粒径为2-5μm，硼氢化钠、氯化锂与铪粉的重量比是1:0.8:4，正己烷加入量是固体总重量的2-5倍。
6.根据权利要求1所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，制备氮化铈/二硼化铪复合粉末：
将铈络合物与多孔二硼化铪混合，加入正己烷，采用行星式球磨机进行球磨，行星式球磨机填充入惰性气体作为保护气，使用不锈钢的研磨球进行球磨，球磨时间是10-12h，温度是室温，球料比是4-6:1，转速是200-400r/min，球磨结束后，得到球磨混合物B；
将球磨混合物B均匀化后放入管式炉内，通入氨气作为保护气，先升至温度为850-950℃，保温3-6h后，将管式炉内气体替换为氮气，再次升温至1550-1650℃，烧结2-4h，然后随炉降温至300℃，通入氧气除碳，得到氮化铈/二硼化铪复合粉末。
7.根据权利要求1所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，取金属合金粉末按照质量百分比混合后，在熔化炉内升温至高于各金属熔点至熔融状态，缓慢加入预热后的氮化铈/二硼化铪复合粉末，然后经过脱硫和脱磷处理，使S≤0.01%，P≤0.01%，然后再经过脱氧处理，在1650-1680℃下出炉，经过正火处理和回火处理，即完成金属架构陶瓷材料的制备。
8.根据权利要求7所述的一种耐磨金属架构陶瓷的制备方法，其特征在于，所述正火处理的过程是：先在1030-1050℃温度下保温5h，然后以120℃/h的速度降温至350℃；所述回火处理的过程是：从350℃再次升温至650℃，保温6h，然后以60℃/h的速度降温至250℃，最后自然随炉冷却至室温。
9.一种耐磨金属架构陶瓷在金属架构上的应用，其特征在于，所述耐磨金属架构陶瓷是使用权利要求1所述的方法制备得到，所述应用的工艺为激光熔覆法，过程包括以下步骤：
（1）将金属架构陶瓷材料粉碎处理，制备成粉末状材料，备用；
（2）将待修复的机械设备的表面进行清灰处理，然后打磨除去损坏的界面，再使用有机溶剂清洗；
（3）使用粉末状的金属架构陶瓷材料，利用激光二极管仪器对清洗干燥后的机械设备表面进行激光熔覆修复处理；
（4）待激光熔覆修复完成后，退火处理，对修复的表面进行再次打磨，即可。
10.根据权利要求9所述的耐磨金属架构陶瓷在金属架构上的应用，其特征在于，第（1）步中，粉末状材料的粒径为50-100μm；第（2）步中，有机溶剂包括丙酮或乙醇，清洗除去表面的油污；第（3）步中，激光二极管仪器的参数为：激光功率为1000-1500W，光斑直径为0.5-1mm，扫描速率为200-400mm/min，送粉速率为0-10g/min；第（4）步中，退火处理的温度是300-350℃，冷却方式为空冷，退火处理后检查修复的表面是否有裂纹或未修复完成之处。
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2022
- 2022-12-19 CN CN202211630059.XA patent/CN115612911B/zh active Active
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Denomination of invention: A preparation method for wear-resistant metal structure ceramics Granted publication date: 20230314 Pledgee: Bank of Weifang Limited by Share Ltd. Weifang hope branch Pledgor: Weifang Changcheng wear resistant material Co.,Ltd. Registration number: Y2024980037033 |