專利名稱：一種金屬/陶瓷三層復合材料及其制備工藝與應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬/陶瓷復合材料及其制備工藝與應用，尤其是涉及一種金屬/陶瓷三 層復合材料及其制備工藝與應用。
背景技術：
材料的耐磨性與韌性等多項性能的統(tǒng)一是現(xiàn)代材料研究的熱點之一。
陶瓷是一種集耐磨、耐高溫、高硬度和抗腐蝕等多種優(yōu)良性能于一體的高性能材料，但 是在常溫下，韌性差，且成型困難；金屬則恰恰相反，具有陶瓷所沒有的可塑性和韌性，將 這兩種材料通過一定的工藝復合在一起，構成一種新結構材料，應當可以兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點。
液壓缸在日常生活與生產中的應用越來越廣泛，主要存在的問題是隨著液壓缸使用時間 增長，液壓缸內壁與活塞的磨損日益嚴重，造成油缸因刮傷而漏油、泄壓。為了解決液壓缸 筒的耐磨問題，目前普遍采用的方法是對液壓缸筒內壁進行滾壓、研磨、高頻淬火、鍍鉻、 激光處理等等，這些工藝成本相對較高，且對液壓缸筒的耐磨性提升也不大，使用約兩年后 仍然會出現(xiàn)嚴重磨損，甚至報廢。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術存在的上述缺陷，提供一種耐磨、耐高溫、耐腐蝕并 具有可塑性和韌性的金屬/陶瓷三層復合材料及其制備工藝，使用該金屬/陶瓷三層復合材料 制造的液壓缸可以有效防止活塞長期磨擦造成液壓缸內壁的刮傷和泄壓，使用壽命延長。
本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料，其由金屬層，陶瓷層，金屬/陶瓷過渡層構成，金屬 /陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間，所述金屬/陶瓷過渡層厚度占材料總厚度的50-75%， 金屬層厚度與陶瓷層厚度相等。
所述金屬層由基體金屬粉末加入添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成，所述添 加劑各組分重量配比為石蠟47-55%，甲醛43-52%，大豆油l. 5-4. 5%;陶瓷層由基體陶瓷粉 末加入添加劑石蠟、高密度聚乙烯、硬脂酸混合物燒結而成，所述添加劑各組分重量配比為 :石蠟27-46%，高密度聚乙烯35-45%，硬脂酸15-30%;金屬/陶瓷過渡層由基體金屬粉末與 基體陶瓷粉末及添加劑的混合物燒結而成，且金屬粉末種類與金屬層的基體金屬粉末相同， 陶瓷粉末與陶瓷層的基體陶瓷粉末種類相同，金屬粉末占全部粉料質量的8%-12%，添加劑組分及重量配比為；高密度聚乙烯30-45%，硬脂酸6-11%，石蠟25-35%，聚乙烯蠟8-15%，聚丙 烯8-15%;所述各種粉料與添加劑的重量配比為粉料65-75% (優(yōu)選70%)，添加劑25-35% ( 優(yōu)選30%)。
所述金屬粉末可為鐵鋅合金粉末、鋁鋅合金粉末或鈦鎳合金粉末；
所述陶瓷粉末可為Si3N4陶瓷粉末、SiC陶瓷粉末、Al203陶瓷粉末、AlN陶瓷粉末或TiB2 陶瓷粉末。
本發(fā)明金屬/陶瓷三層復合材料的制備工藝為
1) 將三種不同粉末原料分別進行研磨細化處理，粒徑控制在O. 8 y m-l. 2 y m范圍內，并 與相應添加劑混合均勻；
2) 將三種不同混合料分別在雙螺桿擠出機中擠出造粒，粒徑最終控制在3mm-5mm;
3) 將所述三種不同混合料通過分層注射成型工藝制成坯體；
4) 將坯體在280-32(TC，兩個大氣壓的氮氣氛圍下脫脂46-55小時，再在1500-1600°C 、 200-260Mpa下燒結50-70分鐘形成致密工件。
在燒結過程中陶瓷和金屬粉體會發(fā)生原位反應形成陶瓷與金屬復合體，粉體中加入的各 種添加劑有助于陶瓷和金屬界面處的結合。金屬/陶瓷過渡層的理化性質介于金屬層與陶瓷 層之間， 一方面緩和了兩種不同材料不同性能之間的沖突，另一方面通過物理滲透和化學反 應的方式使金屬層與陶瓷層可以很好的結合在一起，促進兩種不同材料之間力與熱的傳遞， 有效提高材料的復合性能。陶瓷的模量遠大于金屬，金屬的韌性優(yōu)于陶瓷，陶瓷/金屬過渡 層中既含有金屬成分又含有陶瓷成分，減弱了金屬層與陶瓷層結構上的突變，削弱了陶瓷/ 金屬過渡層的總體模量與金屬層、陶瓷層之間的差距，減小了金屬層、陶瓷層結構在外力作 用下產生的殘余應力，提高材料的抗振動性能。
本發(fā)明金屬/陶瓷三層復合材料耐磨性能好，耐高溫，耐腐蝕，裝配有用其制造的缸筒 的液壓缸工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長，維修費用低，拓展了應用范圍。


圖l為本發(fā)明金屬/陶瓷三層復合材料結構示意圖。
圖2為使用金屬/陶瓷三層復合材料的液壓缸結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明。 實施例l
參照圖l，本實施例之金屬/陶瓷三層復合材料實施例由鐵鋅合金層l、 Si3N4陶瓷層3、鐵鋅合金/Si3N4陶瓷過渡層2構成，鐵鋅合金層1厚3毫米，Si3N陶瓷層3厚3毫米，鐵鋅合金 /Si3N4陶瓷過渡層2厚8毫米。
所述鐵鋅合金層l由基體鐵鋅合金粉末加入添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而 成，重量配比為鐵鋅合金粉末石蠟甲醛大豆油=0. 7:0. 12:0. 13:0.05; SiuN4陶瓷層3由
Si3N4陶瓷粉末及添加劑石蠟、聚乙烯、硬脂酸混合均勻燒結而成，重量配比為Si3N4陶瓷
粉末:石蠟:聚乙烯:硬脂酸=0.7:0. 11:0. 1:0.09;鐵鋅合金/Si3N4陶瓷過渡層2由基體鐵鋅合 金粉末和Si3N4陶瓷粉末及添加劑混合均勻燒結而成，全部粉末與添加劑質量比為7:3，且 鐵鋅合金粉末含量占全部粉料重量的10%， Si3N4陶瓷粉末占全部粉料重量的90。/。，添加劑重 量組成為高密度聚乙烯高密度聚乙烯42%，硬脂酸10%，石蠟26%，聚乙烯蠟12%，聚丙烯 10%。
本實施例之金屬/陶瓷三層復合材料實施例的制備工藝為1)將各層粉末原料分別進行
研磨細化處理，粒徑控制在0.8ym-1.2um范圍內，并與所述各種添加劑混合均勻；2)將各 層混合料分別在雙螺桿擠出機中擠出造粒，粒徑控制在3mm-5mm; 3)將所述各層材料通過分 層注射成型制成液壓缸缸筒坯體；4)將液壓缸缸筒坯體在30(TC ，兩個大氣壓的氮氣氛圍下 脫脂48小時，再在1550°C250Mpa下燒結1小時形成致密液壓缸筒工件。
與液壓缸構件的裝配(參照圖2):將活塞桿6通過螺紋與活塞5固接，活塞5表面中間安裝 有密封橡膠墊圈4，活塞桿6穿過導向套7，活塞5裝入所述液壓缸缸筒。
所述復合材料陶瓷層3表面光滑且永不生銹，不存在無縫鋼管內表面凸狀螺旋線，阻力 系數(shù)很小，活塞5運行時，活塞5與液壓缸內表面之間的摩擦力減小，能量損耗隨之減少。常 溫下，液壓缸筒體受力時，金屬層1與陶瓷層3彈性模量不一樣，陶瓷層3變形小，表現(xiàn)為壓力 ，金屬層l變形大，表現(xiàn)為拉力，當溫度升高時，又由于兩者的膨脹系數(shù)不一樣，熱膨脹產 生的新應力場和原來的應力場相互抵消，達到新的平衡，故可以適應不同的工作溫度條件。
所述內層陶瓷層3硬度高，耐熱、耐摩擦、抗腐蝕性強，工作過程中，活塞5即使在很大 偏載作用下也不會對液壓缸筒內壁造成刮傷，液壓油中含有的腐蝕成份也不會對液壓缸筒的 內表面造成腐蝕。金屬層l質地較軟，且有很強的延展性和韌性，當液壓缸筒受到嚴重沖擊 或靜壓時，這種結構可以有效地吸收沖擊能量，減少沖擊和過高靜壓對陶瓷層3的損傷。
使用本實施例復合材料制造的內徑20mm液壓缸，經檢測和使用測試，在90(TC高溫下缸 體無任何損壞；缸體內壁在濃硫酸和濃鹽酸作用72小時無任何腐蝕現(xiàn)象；與柱塞竿配套在 300Mpa壓力下連續(xù)工作50萬次缸體內壁無任何明顯磨損跡象。
實施例2本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例鋁鋅合金層厚3毫米，SiC陶瓷層厚3毫米，鋁鋅 合金/SiC陶瓷過渡層厚6毫米，鋁鋅合金/SiC陶瓷過渡層位于鋁鋅合金層和SiC陶瓷層之間。
所述鋁鋅合金層由基體鋁鋅合金粉末及添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成， 重量配比為鋁鋅合金粉末:石蠟甲醛:大豆油=0. 7:0. 12:0. 1:0.08，陶瓷層組分由SiC陶瓷 粉末及添加劑石蠟、聚乙烯、硬脂酸混合均勻燒結而成，其重量比為SiC陶瓷粉末:石蠟 聚乙烯:硬脂酸=0. 68:0. 09:0. 15:0. 08;鋁鋅合金/SiC陶瓷過渡層由基體鋁鋅合金粉末、 SiC陶瓷粉末及添加劑混合均勻燒結而成，所有粉末原料與添加劑的質量比為0.7: 0.3，鋁 鋅合金粉末占全部粉末原料質量的8%， SiC陶瓷粉末占全部粉料重量的92%，添加劑重量組成 為高密度聚乙烯高密度聚乙烯45%，硬脂酸7%，石蠟30%，聚乙烯蠟8%，聚丙烯10%。
制備工藝同實施例l。
使用本實施例復合材料制造的內徑20mm液壓缸，經檢測和使用測試，在80(TC高溫下缸 體無任何損壞；缸體內壁在濃硫酸和濃鹽酸作用72小時無任何腐蝕現(xiàn)象；與柱塞竿配套在 300Mpa壓力下連續(xù)工作50萬次缸體內壁無任何明顯磨損跡象。
實施例3
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例金屬層厚2. 5毫米，陶瓷層厚2. 5毫米，金屬/陶 瓷過渡層厚7毫米，金屬/陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間。
所述金屬層由基體鈦鎳合金粉末及添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成，其重 量比為鈦鎳合金粉末:石蠟甲醛:大豆油=0.65:0. 15:0. 12:0.8，陶瓷層組分由八1203陶瓷 粉末及添加劑石蠟、聚乙烯、硬脂酸混合均勻燒結而成，其重量比為Al203陶瓷粉末:石蠟 :聚乙烯:硬脂酸=0.65:0. 11:0. 14:0. 10;金屬/陶瓷過渡層由基體鈦鎳合金粉末、八1203陶瓷 粉末及添加劑混合均勻燒結而成，所有粉末原料與添加劑的質量比為0.7:0.3，且鈦鎳合金 粉末占所有原料粉末質量的9%， Al203陶瓷粉末占全部粉料重量的91%，添加劑重量組成為 高密度聚乙烯40%，硬脂酸10%，石蠟25%，聚乙烯蠟10%，聚丙烯15%。
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例的制備工藝為1)將三層不同粉末原料分別進 行研磨細化處理，粒徑控制在0.8ym-1.2um范圍內，并與上述各種添加劑混合均勻；2)將 三層不同粉末混合料分別在雙螺桿擠出機中擠出造粒，粒徑控制在3mm-5mm; 3)將所述各層 材料通過分層注射成型制成液壓缸缸筒坯體；4)將液壓缸缸筒坯體在30(TC ，兩個大氣壓的 氮氣氛圍下脫脂50小時，再在150(TC， 200Mpa下燒結l小時形成致密液壓缸筒工件。
使用本實施例復合材料制造的內徑20mm液壓缸，經檢測和使用測試，在70(TC高溫下缸 體無任何損壞；缸體內壁在濃硫酸和濃鹽酸作用72小時無任何腐蝕現(xiàn)象；與柱塞竿配套在300Mpa壓力下連續(xù)工作50萬次缸體內壁無任何明顯磨損跡象。 實施例4
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例金屬層厚2毫米，陶瓷層厚2毫米，金屬/陶瓷過 渡層厚8毫米，金屬/陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間。
所述金屬層由基體鐵鋅合金粉末及添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成，它們 的重量比為0.67:0.14:0.14:0.05，陶瓷層由A1N陶瓷粉末及添加劑石蠟、聚乙烯、硬脂酸 混合均勻燒結而成，其重量比為A1N陶瓷粉末:石蠟、聚乙烯、硬脂酸 0.67:0.15:0.13:0.05，金屬/陶瓷過渡層由鐵鋅合金粉末、A1N陶瓷粉末及添加劑混合均勻 燒結而成，所有粉末原料與添加劑的質量比為0.7:0.3，且鋁合金粉末占所有原料粉末粉末 質量的11%， Al203陶瓷粉末占全部粉料重量的89。/。，添加劑為高密度聚乙烯30%，硬脂酸10%， 石蠟30%，聚乙烯蠟15%，聚丙烯15%。
制備工藝與實施例l類同。
使用本實施例復合材料制造的內徑20mm液壓缸，經檢測和使用測試，在70(TC高溫下缸 體無任何損壞；缸體內壁在濃硫酸和濃鹽酸作用下48小時無任何腐蝕現(xiàn)象；與柱塞竿配套在 300Mpa壓力下連續(xù)工作50萬次缸體內壁無任何明顯磨損跡象。
實施例5
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例金屬層厚1.5毫米，陶瓷層厚1.5毫米，金屬/陶 瓷過渡層厚9毫米，金屬/陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間。
所述金屬層組分包括基體鐵鋅合金粉末及添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成 ，其重量比為0.70:0.12:0.11:0.07，陶瓷層組分包括TiB2陶瓷粉末及添加劑石蠟、聚乙 烯、硬脂酸混合均勻燒結而成，其重量比為0.70:0.10:0.13:0.07，金屬/陶瓷過渡層組分 包括基體鐵鋅合金粉末混合均勻燒結而成，所有粉末原料與添加劑的質量比為0.7:0.3，且 鐵鋅合金粉末占全部原料粉末粉末質量的12%， TiB瓷粉末占全部粉料重量的88。/。，添加劑重 量組成為高密度聚乙烯43%，硬脂酸11%，石蠟30%，聚乙烯蠟8%，聚丙烯8%。
本發(fā)明之金屬/陶瓷三層復合材料實施例的制備工藝為1)將三層不同粉末原料分別進 行研磨細化處理，粒徑控制在0.8ym-1.2um范圍內，并與上述各種添加劑混合均勻；2)將 三層不同粉末混合料分別在雙螺桿擠出機中擠出造粒，粒徑最終控制在3mm-5mm; 3)將所述 各層材料通過分層注射成型制成液壓缸缸筒坯體；4)將液壓缸缸筒坯體在29(TC ，兩個大氣 壓的氮氣氛圍下脫脂55小時，再在155(TC210Mpa下燒結l小時形成致密液壓缸筒工件。
使用本實施例復合材料制造的內徑20mm液壓缸，經檢測和使用測試，在70(TC高溫下缸
8體無任何損壞；缸體內壁在濃硫酸和濃鹽酸作用下24小時無任何腐蝕現(xiàn)象；與柱塞竿配套在 300Mpa壓力下連續(xù)工作50萬次缸體內壁無任何明顯磨損跡象。
權利要求
1.一種金屬/陶瓷三層復合材料，其特征在于，由金屬層，陶瓷層，金屬/陶瓷過渡層構成，金屬/陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間，所述金屬過渡層厚度占材料總厚度的50-75％，金屬層厚度與陶瓷層厚度相等。
2.根據權利要求l所述的金屬/陶瓷三層復合材料，其特征在于，所 述金屬層由基體金屬粉末加入添加劑石蠟、甲醛、大豆油混合均勻燒結而成，所述添加劑各 組分重量配比為石蠟47-55%，甲醛43-52%，大豆油l. 5-4. 5%;陶瓷層由基體陶瓷粉末加入 添加劑石蠟、高密度聚乙烯、硬脂酸混合物燒結而成，所述添加劑各組分重量配比為石蠟 27-46%，高密度聚乙烯35-45%，硬脂酸15-30%;金屬/陶瓷過渡層由基體金屬粉末與基體陶 瓷粉末及添加劑的混合物燒結而成，且金屬粉末種類與金屬層的基體金屬粉末相同，陶瓷粉 末與陶瓷層的基體陶瓷粉末種類相同，金屬粉末占全部粉料質量的8%-12%，陶瓷粉末占全部 粉料質量的92%-88%，添加劑組分及重量配比為；高密度聚乙烯30-45%，硬脂酸6-11%，石蠟 25-35%，聚乙烯蠟8-15%，聚丙烯8-15%;所述各種粉料與添加劑的重量配比為粉料 65-75%，添加劑25-35%。
3.根據權利要求2所述的金屬/陶瓷三層復合材料，其特征在于，所 述金屬粉末為鐵鋅合金粉末、鋁鋅合金粉末或鈦鎳合金粉末，所述陶瓷粉末為Si3N4陶瓷粉 末、SiC陶瓷粉末、A1203陶瓷粉末、AlN陶瓷粉末或TiB2陶瓷粉末。
4. 一種如權利要求2或3所述金屬/陶瓷三層復合材料的制備工藝，其 特征在于，包括以下步驟1) 將三種不同粉末原料分別進行研磨細化處理，粒徑控制在O. 8 y m-l. 2 y m范圍內，并 與相應添加劑混合均勻；2) 將三種不同混合料分別在雙螺桿擠出機中擠出造粒，粒徑最終控制在3mm-5mm;3) 將所述三種不同混合料通過分層注射成型工藝制成坯體；4) 將坯體在280-32(TC，兩個大氣壓的氮氣氛圍下脫脂46-55小時，再在1500-160(TC 、200-260Mpa下燒結50-70分鐘形成致密工件。
5.如權利要求l或2或3所述金屬/陶瓷三層復合材料在制造液壓缸缸 筒中的應用。
全文摘要
一種金屬/陶瓷三層復合材料及其制備工藝與應用，該金屬/陶瓷三層復合材料由金屬層，陶瓷層，金屬/陶瓷過渡層構成，金屬/陶瓷過渡層位于金屬層和陶瓷層之間，其中金屬過渡層厚度占復合材料總厚度的50-75％，金屬層厚度與陶瓷層厚度相等。本發(fā)明還包括所述金屬/陶瓷三層復合材料的制備工藝。本發(fā)明金屬/陶瓷三層復合材料耐磨性能好，耐高溫，耐腐蝕，裝配有用其制造的缸筒的液壓缸工作穩(wěn)定可靠，使用壽命長，維修費用低。
文檔編號B32B15/04GK101612824SQ20091030520
公開日2009年12月30日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權日2009年8月5日
發(fā)明者劉躍軍, 曾廣勝, 江太君, 璞 石 申請人:李新橋