CN106242565B - 一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐磨ZrO2‑Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用，属于陶瓷复合材料制备技术领域，本发明耐磨ZrO2‑Al2O3复相陶瓷颗粒成分重量百分比组成为：10‑90％的稳定ZrO2以及10‑90％的Al2O3；采用电熔融、水冷制备得表面粗糙、粒度大小0.5‑7mm的高耐磨性ZrO2‑Al2O3复相陶瓷颗粒，生产效率高，性能稳定，并将耐磨ZrO2‑Al2O3复相陶瓷颗粒应用于制备钢铁基复合材料的增强体，能显著增强复合材料耐磨性。

Description

一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及陶瓷复合材料制备技术领域，特别是涉及一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。
背景技术
ZrO2-Al2O3复相陶瓷由于具有高的强韧性、一定的硬度、耐磨性、热膨胀系数可调，可用作高铬铸铁、合金钢、球墨铸铁增强体，对于大块状表面光滑的陶瓷，由于传统增强相与金属基体的结合性差等原因，在复合材料制备及应用过程中陶瓷出现裂纹及剥落影响复合材料的使用性能。因此制备表面粗糙、一定粒度大小、具有高抗磨性的陶瓷颗粒并应用于钢铁基复合材料增强体意义重大。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种表面粗糙、高抗磨性用于制备钢铁基复合材料增强体的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒及其制备方法和应用。
为达上述目的，本发明提供一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒，其成分重量百分比组成为：10-90％的稳定ZrO2以及10-90％的Al2O3；
其中稳定ZrO2包含选自MgO2、TiO2、Y2O3中的一种或两种以上任意比例混合的稳定剂，所述稳定剂含量不超过ZrO2重量的5％；
所述ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒为0.5-7mm粒径的表面粗糙的复相陶瓷颗粒。
本发明还提供一种制备所述的耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒的方法，包括以下步骤：
(1)根据ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒成分要求将稳定ZrO2和Al2O3粉末放入电炉中熔融，所述稳定ZrO2和Al2O3粉末用量重量百分比分别为稳定 ZrO210-90％以及Al2O310-90％；
(2)、将熔融ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，过筛，获得0.5-7mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒。
进一步的，作为优选还包括将步骤(2)制得的复相陶瓷颗粒进行热处理及空冷的步骤。
进一步的，作为优选热处理及空冷包括以下步骤：
将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温至1200-1300℃，保温1-2 小时，冷却到500-600℃出炉空冷。
进一步的，作为优选将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温的升温速度＜60℃/h，保温后冷却速度＜100℃/h。
进一步的，作为优选所述步骤(1)中熔融温度2000-2100℃。
进一步的，作为优选所述步骤(2)中通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比不少于ZrO2-Al2O3熔体的10倍。
本发明还提供所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强高铬铸铁基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与高铬铸铁复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与高铬铸铁体积比小于1:1。
本发明还提供所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强合金钢基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与合金钢复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与合金钢体积比小于1:1。
本发明还提供所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强球墨铸铁基抗磨复合材料的应用，作为优选采用重力浇铸的方法与球墨铸铁复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与球墨铸铁体积比小于1:1。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：
本发明采用电熔融、水冷制备表面粗糙、一定粒度大小ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒，生产效率高，性能稳定；ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒经热处理并控制冷却速度便于ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒获得更多的四方相，提高ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒韧性。因此通过电熔融、水冷、热处理及控制冷却速度即可得到表面粗糙、一定粒度大小、具有高抗磨性的陶瓷颗粒并应用于钢铁基复合材料增强体的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒。
综上所述，采用本发明制备的陶瓷颗粒具有如下优点：
1、复相陶瓷颗粒断裂韧性≥6J/cm2，硬度＞HV1300；
2、作为增强材料与高铬铸铁、合金钢、球墨铸铁复合结合良好，其复合材料耐磨性是其对应基体的3-6倍。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒；
图2为本发明实施例1制备的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒X衍射图；
图3为为本发明实施例1制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强钢铁基复合材料显微照片。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
按ZrO2-Al2O3复相陶瓷重量百分比75％稳定ZrO2(稳定ZrO2中含其质量百分比4％的MgO2)和25％Al2O3成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度 2010℃；将熔融的ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO2-Al2O3熔体的 11倍，过筛，获得1mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将1mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度50℃/h，升温至1210℃，保温1.5小时，冷却速度 80℃/h，冷却到530℃出炉空冷，断裂韧性8.7J/cm2，硬度HV1310。图1为本实施例1制备的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒；图2为本实施例1制备的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒X衍射图；
将制得的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与高铬铸铁(陶瓷颗粒与高铬铸铁体积比为1:1)复合制得高铬铸铁基结合良好的抗磨复合材料如图3所示的显微照片，其复合材料抗磨性是高铬铸铁基体的5倍。
实施例2
按ZrO2-Al2O3复相陶瓷重量百分比45％稳定ZrO2(稳定ZrO2中含其质量百分比4.5％的TiO2)和55％Al2O3成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度2030℃；将熔融的ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO2-Al2O3熔体的12倍，过筛，获得3mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将3mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度54℃/h，升温至1230℃，保温1.5小时，冷却速度85℃/h，冷却到550℃出炉空冷，断裂韧性7.1J/cm2，硬度HV1380。将制得的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与高锰钢(陶瓷颗粒与高锰钢体积比为1:1)复合制得高锰钢基结合良好的抗磨复合材料，其复合材料抗磨性是高锰钢基体的4倍。
实施例3
按ZrO2-Al2O3复相陶瓷重量百分比15％稳定ZrO2(稳定ZrO2中含其质量百分比Y2O3)和85％Al2O3成分要求，将原料放入电炉中熔融，熔融温度2050℃；将熔融ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比为ZrO2-Al2O3熔体的13倍，过筛，获得5mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；将5mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热，升温速度58℃/h，升温至1250℃，保温1.5小时，冷却速度90℃/h，冷却到570℃出炉空冷，断裂韧性6.2J/cm2，硬度HV1470。将制得的ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒通过重力浇铸的方法与球墨铸铁(陶瓷颗粒与球墨铸铁体积比为 1:2)复合制得球墨铸铁基结合良好的抗磨复合材料，其复合材料抗磨性是球墨铸铁基体的4.5倍。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒，其特征在于其成分重量百分比组成为：10-90％的稳定ZrO2以及10-90％的Al2O3；
其中稳定ZrO2包含选自MgO、TiO2、Y2O3中的一种或两种以上任意比例混合的稳定剂，所述稳定剂含量不超过ZrO2重量的5％；
所述ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒为0.5-7mm粒径的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；
其制备方法包括以下步骤：
(1)、根据ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒成分要求将稳定ZrO2和Al2O3粉末放入电炉中熔融，所述稳定ZrO2和Al2O3粉末用量重量百分比分别为稳定ZrO210-90％以及Al2O310-90％；
(2)、将熔融ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，过筛，获得0.5-7mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒；
(3)、将步骤(2)制得的复相陶瓷颗粒进行热处理及空冷的步骤；所述热处理及空冷包括以下步骤：
将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温至1200-1300℃，保温1-2小时，冷却到500-600℃出炉空冷；将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温的升温速度＜60℃/h，保温后冷却速度＜100℃/h。
2.一种制备如权利要求1所述的耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)根据ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒成分要求将稳定ZrO2和Al2O3粉末放入电炉中熔融，所述稳定ZrO2和Al2O3粉末用量重量百分比分别为稳定ZrO210-90％以及Al2O310-90％；
(2)、将熔融ZrO2-Al2O3熔体倒入带斜坡的流槽中，同时通水冷却制成陶瓷颗粒，过筛，获得0.5-7mm的表面粗糙的复相陶瓷颗粒
(3)、将步骤(2)制得的复相陶瓷颗粒进行热处理及空冷的步骤；所述热处理及空冷包括以下步骤：
将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温至1200-1300℃，保温1-2小时，冷却到500-600℃出炉空冷；将0.5-7mm的复相陶瓷颗粒放入电炉中加热升温的升温速度＜60℃/h，保温后冷却速度＜100℃/h。
3.根据权利要求2所述的耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒的方法，其特征在于：所述步骤(1)中熔融温度2000-2100℃。
4.根据权利要求2所述的耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒的方法，其特征在于：所述步骤(2)中通水冷却制成陶瓷颗粒过程中用水量重量百分比不少于ZrO2-Al2O3熔体的10倍。
5.根据权利要求1所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强高铬铸铁基抗磨复合材料的应用，采用重力浇铸的方法与高铬铸铁复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与高铬铸铁体积比小于1∶1。
6.根据权利要求1所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强合金钢基抗磨复合材料的应用，采用重力浇铸的方法与合金钢复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与合金钢体积比小于1∶1。
7.根据权利要求1所述耐磨ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒在制备ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒增强体增强球墨铸铁基抗磨复合材料的应用，采用重力浇铸的方法与球墨铸铁复合，ZrO2-Al2O3复相陶瓷颗粒与球墨铸铁体积比小于1∶1。
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