一种金属基陶瓷复合材料及其制造方法和应用 |
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| 申请号 | CN201210357694.5 | 申请日 | 2012-09-24 | 公开(公告)号 | CN103667849B | 公开(公告)日 | 2016-03-30 |
| 申请人 | 中国兵器科学研究院宁波分院; | 发明人 | 王进华; 杨波; 邢志媛; 朱秀荣; 郑顺奇; 汪缨; 吕娟; 龚朝辉; 侯立群; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种金属基陶瓷 复合材料 及其制造方法和应用，金属基陶瓷复合材料是将基体金属通过挤 压铸 造技术渗透到陶瓷颗粒之间形成整体金属基陶瓷复合材料，它根据使用需求使基体金属中陶瓷颗粒的体积百分数可在10%~80%的范围内进行调整。金属基陶瓷复合材料既保留了陶瓷材料抗侵彻的优越性能，又具有金属材料的良好强韧性。此外该材料还具有 密度 低、抵御机械切割和火焰切割以及抑制裂纹扩展进而发生破坏等特性，因此该材料在 保险箱 柜、自动取款机、金库大 门 等重要安全设施防护领域具有广阔的应用前景。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种金属基陶瓷复合材料，其特征在于：基体金属通过挤压铸造方法使基体金属渗透到多层排列陶瓷颗粒之间从而形成一次成型整体金属基陶瓷复合材料； |
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| 说明书全文 | 一种金属基陶瓷复合材料及其制造方法和应用技术领域背景技术[0002] 随着国家经济的发展、人民生活水平的提高和社会公共安全的需要，公司、银行等促使保险柜行业得到了迅速发展。近年来保险柜行业保持着强劲的发展势头，中国已经成为了世界保险柜行业的制造中心。随着市场需求的多元化、国际化应用需求，促使保险柜行业竞争越来越激烈，同时自动取款机、金库大门等领域的防护需求也极为迫切，急需抗爆轰、抗冲击、抗压、隔热、防水、防火焰切割、防辐射等高性能的多功能防护材料。采用新一代综合性能优良的防护材料替代常规钢材，将大幅度提高保险柜、自动取款机、金库大门等行业的国际竞争力。 [0003] 陶瓷以其优异的防护性能、较轻的质量和相对便宜的价格成为新型防护材料，与其它材料相比表现出更加优良的综合性能。但由于陶瓷材料脆性差，当受到爆轰波冲击以及弹丸撞击后容易在撞击区出现破碎、垮塌、裂纹扩展等一系列破坏。同时陶瓷不具有焊接性能，只能采用粘接方式进行连接，因此在某种程度上限制了陶瓷材料的推广应用。本专利采用金属作为基体将陶瓷颗粒包覆其中，实现了陶瓷的紧密约束，提高了陶瓷的综合防护性能。 [0004] 目前本专利申请中的金属基陶瓷复合材料在国内外未见报道，与金属基陶瓷复合材料相关的防护材料在国内外有所介绍。国内南京航空航天大学采用粉末冶金的方法制备刚玉球/铝合金复合材料，此外国内外均有采用非金属材料粘结、机械连接以及封装等方法制备陶瓷球复合材料的相关报道，专利号为US 3431818所公开的材料为球状陶瓷或板状陶瓷通过有机物粘接组成层状结构的防护材料，专利号为US 7694621B1所公开的材料为球状陶瓷或块状陶瓷或柱状陶瓷通过铆接或螺栓等机械连接方式组成层状结构的防护材料，专利号为US 5361678所公开的材料为表面通过粘接剂和微米级的陶瓷颗粒形成过渡包覆层的直径约为25.4mm的一层大尺寸球状陶瓷在带有孔洞的石墨模具和盖板封装后采用模压技术制成的防护材料。采用粉末冶金等方法制备金属基陶瓷复合材料工艺较为复杂，金属强度低，生产成本较高，不利于进行规模化推广应用；而采用粘结、机械连接以及封装等方法制备金属基陶瓷复合材料，在此类结构中金属对陶瓷的约束不够，从而导致材料整体性能较低。所以需要进一步改进和设计。 发明内容[0005] 本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种便于制造、工艺结构合理的金属基陶瓷复合材料，以提高金属基陶瓷复合材料的防火焰切割、防机械切割、抗弹、抗爆炸冲击等性能。 [0006] 本发明所要解决的另外一个技术问题是提供一种便于制造、工艺合理的金属基陶瓷复合材料的制造方法。 [0007] 本发明所要解决的再一个技术问题是提供一种上述金属基陶瓷复合材料的应用。 [0008] 本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种金属基陶瓷复合材料，其特征在于：基体金属通过挤压铸造方法使部分基体金属渗透到陶瓷颗粒之间从而形成整体金属基陶瓷复合材料。 [0010] 作为优选，所述的陶瓷颗粒为Al2O3陶瓷颗粒、ZrO2陶瓷颗粒、B4C陶瓷颗粒、SiC陶瓷颗粒、Si3N4陶瓷颗粒、TiB2陶瓷颗粒或Al2O3+ZrO2陶瓷颗粒的一种或者一种以上，陶瓷颗粒转换成等体积的球形颗粒直径在1mm-15mm之间。 [0011] 作为优选，所述的陶瓷颗粒采用球体或椭球体。最优选是采用球体，球形度至少在0.7以上。 [0012] 作为优选，所述的陶瓷颗粒为多层排列结构，其体积百分数可在10％～80％的范围内进行调整。 [0013] 作为改进，所述的陶瓷颗粒之间为同种陶瓷颗粒或异种陶瓷颗粒，并且可采用不同颗粒直径规格的陶瓷颗粒进行随机分布或梯度分布或者某一分布函数进行分布。 [0014] 作为改进，可根据使用要求采用金属或非金属丝网对所述陶瓷颗粒进行有序分层排列。 [0015] 作为改进，所述丝网的孔径小于陶瓷颗粒转换成等体积的球形颗粒直径，各层丝网间距可根据金属基陶瓷复合材料的整体厚度以及实际情况需要进行调整。 [0016] 所述的基体金属表层厚度及陶瓷颗粒混合层厚度可根据金属基陶瓷复合材料的整体厚度以及实际情况需要进行调整。 [0017] 最后，所述金属基陶瓷复合材料整体厚度可根据具体使用需要确定，一般优选要大于所使用陶瓷颗粒直径尺寸的三倍以上。 [0018] 本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的金属基陶瓷复合材料的制造方法，其特征在于：根据选用的基体金属和陶瓷种类的不同，陶瓷颗粒加热温度可在400℃～1400℃之间进行调整，将陶瓷颗粒加热并保温后将陶瓷颗粒放入挤压铸造模具型腔中，根据使用要求决定是否在陶瓷颗粒中间铺设金属或非金属丝网及铺设层数并将其压实，将熔化处理好基体金属浇入模具型腔中加压并保压，根据基体金属材料、陶瓷种类以及产品结构和规格来决定，加压压力可在50MPa～200MPa之间进行调整，保压时间可在30s～5min之间进行调整，加压、保压后，将铸件从模具中取出，即制得该金属基陶瓷复合材料。 [0019] 优选，所述的陶瓷颗粒加热温度根据陶瓷和基体金属的种类确定，一般选择基体金属的熔点温度-300℃～熔点温度+200℃范围内。尽量接近基体金属的熔点温度，便于挤压铸造成型。 [0020] 本发明解决上述第三个技术问题所采用的技术方案为：一种上述的金属基陶瓷复合材料的应用，其特征在于作为保险箱柜、自动取款机或者金库大门的防护材料。 [0021] 与现有技术相比，本发明的优点在于：采用挤压铸造方法一次成型制备出直径在1-15mm之间、多层排列、陶瓷颗粒体积百分数为10％-80％的金属基陶瓷复合材料，从而达到简化工艺和降低成本的目的。该复合材料的陶瓷颗粒在基体金属中的排列方式类似于金属材料中空间点阵的排列规则，因此可使用“点阵材料”来定义该新型金属基陶瓷复合材料。金属液在压力作用下渗透到陶瓷颗粒之间，冷却凝固后能够对陶瓷颗粒实现真正意义上的三维约束，另外陶瓷颗粒层为多层排列结构，两方面因素的综合作用能提高金属基陶瓷复合材料的防火焰切割、防机械切割、抗弹、抗爆炸冲击等性能。由于陶瓷颗粒在基体金属中分布均匀，能有效阻止裂纹在基体金属中的扩展，进而提高该金属基陶瓷复合材料抵御冲击载荷作用的能力。同时由于陶瓷是很好的隔热材料，金属又具有良好的导热性能，因此由这两种材料组合制备出的金属基陶瓷复合材料能够有效降低在火焰切割过程中材料温度的急剧升高。如将该金属基陶瓷复合材料在保险柜、自动取款机、金库大门等产品上作为防护材料使用，在抗弹性能方面，抗穿燃弹的防护系数可达到1.8以上，在防火焰切割方面，大于20mm厚的金属基陶瓷复合材料可确保抗氧乙炔切割30min以上不穿透，因此该材料在保险箱柜、自动取款机、金库大门等重要安全设施防护领域具有广阔的应用前景。 附图说明 [0022] 图1为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料等径随机排列结构示意图，其中，a，d—金属表层，b—陶瓷球，c—基体金属； [0023] 图2为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径随机排列结构示意图，其中，a，d—金属表层，b—陶瓷球，c—基体金属； [0024] 图3为未设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径梯度排列结构示意图，其中，a，d—金属表层，b—陶瓷球，c—基体金属； [0025] 图4为设置丝网的金属基陶瓷复合材料等径随机排列结构示意图，其中，a，d—金属表层，b—陶瓷球，c—基体金属，e—丝网； [0026] 图5为设置丝网的金属基陶瓷复合材料不等径梯度排列结构示意图，其中，a，d—金属表层，b—陶瓷球，c—基体金属，e—丝网； [0027] 图6为未设置丝网且尺寸均匀的椭球形陶瓷有序排列的金属基陶瓷复合材料水平截面示意图，其中，b1—椭球形陶瓷，c—基体金属。 具体实施方式[0028] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。 [0029] 实施例1： [0030] 本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球等径排列为例进行说明。 [0031] 取4200ml直径为3mm的Al2O3陶瓷球，在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷球倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，量取5.4kg铝合金液浇入模具型腔中，加压100MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为29mm的陶瓷球体积百分数为62％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达1h以上。 [0032] 实施例2： [0033] 本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球不等径随机排列为例进行说明。 [0034] 按比例量取总量为5800ml的几种不同直径规格的Al2O3+ZrO2陶瓷球进行混合，例如选用直径分别为3mm和6mm两种规格的Al2O3+ZrO2陶瓷球并按体积比1:1的比例进行混合，混合均匀后在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3+ZrO2陶瓷球倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，量取7.1kg铝合金液浇入模具型腔，加压120MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为40mm的陶瓷球体积百分数为64％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达2h以上。 [0035] Al2O3+ZrO2陶瓷球即在制备陶瓷球时为了增加韧性在Al2O3中添加5％～25％的ZrO2，本专利申请选用的Al2O3+ZrO2陶瓷球中ZrO2的添加量为15％，质量百分百。 [0036] 实施例3： [0037] 本实施例以未设置丝网且同种陶瓷球不等径梯度排列为例进行说明。 [0038] 按比例量取总量为9000ml的几种不同直径规格的Si3N4陶瓷球，例如选用直径分别为3mm、6mm和9mm三种规格的Si3N4陶瓷球并按体积比3:2:1的比例量取，将这几种不同规格的Si3N4陶瓷球分别在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的几种Si3N4陶瓷球依次倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，并使这几种陶瓷球在模具型腔中呈梯度排列。量取13kg铝合金液浇入模具型腔，加压140MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为60mm的陶瓷球体积分数为56％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达4h以上。 [0039] 实施例4： [0040] 本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球等径排列为例进行说明。 [0041] 取4200ml直径为3mm的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球，三者体积比为1：1：1，混合均匀，在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球倒入尺寸为420mm×420mm的挤压铸造模具型腔中，量取5.4kg铝合金液浇入模具型腔中，加压100MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为29mm的陶瓷球体积百分数为62％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达1.5h以上。 [0042] 实施例5： [0043] 本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球不等径随机排列为例进行说明。 [0044] 按比例量取总量为5800ml的几种不同直径规格的陶瓷球进行混合，例如选用直径分别为3mm和6mm两种规格的Al2O3陶瓷球和SiC陶瓷球并按体积比1:1的比例进行混合，混合均匀后在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷球、SiC陶瓷球倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，量取7.1kg铝合金液浇入模具型腔，加压120MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为40mm的陶瓷球体积百分数为64％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达3h以上。 [0045] 实施例6： [0046] 本实施例以未设置丝网且不同种类陶瓷球不等径梯度排列为例进行说明。 [0047] 按比例量取总量为9000ml的几种不同直径规格的陶瓷球，例如选用直径分别为3mm的Al2O3陶瓷球、6mm的SiC陶瓷球和9mm的TiB2陶瓷球，三种规格的陶瓷球并按体积比3:2:1的比例量取，将这几种不同规格的Al2O3陶瓷球、SiC陶瓷球、TiB2陶瓷球分别在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的几种种类、规格陶瓷球依次倒入尺寸为 420mm×420mm的模具型腔中，并使这几种陶瓷球在模具型腔中呈梯度排列。量取13kg铝合金液浇入模具型腔，加压140MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为60mm的陶瓷球体积分数为56％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达6h以上。 [0048] 实施例7： [0049] 本实施例以设置丝网且同种陶瓷球等径排列为例进行说明。 [0050] 取4200ml直径为3mm的ZrO2陶瓷球，在热处理炉中加热到1000℃后保温2小时，将预热好的ZrO2陶瓷球倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，同时根据设计要求在陶瓷球之间铺设网孔为2mm×2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理，丝网层间距离可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、规格和分布进行调整。量取15kg钢液浇入模具型腔中，加压160MPa，保压3min，打开模具取出铸件，得到总厚度为29mm的陶瓷球体积百分数为62％的钢基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达2h以上。 [0051] 实施例8： [0052] 本实施例以设置丝网且同种陶瓷球不等径梯度排列为例进行说明。 [0053] 按比例量取总量为9000ml的几种不同直径规格的TiB2陶瓷球，例如选用直径分别为3mm、6mm和9mm三种规格的TiB2陶瓷球并按体积比3:2:1的比例量取，将这几种不同规格的TiB2陶瓷球分别在热处理炉中加热到900℃后保温2小时，将预热好的几种规格陶瓷球依次倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，并使这几种陶瓷球在模具型腔中呈梯度排列。同时根据设计要求在陶瓷球之间铺设网孔为2mm×2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理，丝网层间距离可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、规格和分布进行调整。量取41kg铜合金液浇入模具型腔，加压140MPa，保压3min，打开模具取出铸件，得到总厚度为60mm的陶瓷球体积分数为56％的铜基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达4.5h以上。 [0054] 实施例9： [0055] 本实施例以设置丝网且不同种类陶瓷球等径排列为例进行说明。 [0056] 取3500ml直径为3mm的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球，三者体积比1：1：1，在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球分批倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，同时根据设计要求在陶瓷球之间铺设网孔为2mm×2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理，丝网层间距离可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、规格和分布进行调整。量取7kg铝合金液浇入模具型腔，加压110MPa，保压 2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为32mm的陶瓷球体积分数为56％的铝基陶瓷球复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达2h以上。 [0057] 实施例10： [0058] 本实施例以设置丝网且不同种类陶瓷球不等径梯度排列为例进行说明。 [0059] 取3500ml直径为3mm的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球，三者体积比1：1：1，在热处理炉中加热到700℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷球、B4C陶瓷球、TiB2陶瓷球分批倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，同时根据设计要求在陶瓷球之间铺设网孔为2mm×2mm的丝网对陶瓷球进行分层处理，丝网层间距离可根据陶瓷层总厚度以及陶瓷球的种类、规格和分布进行调整。量取4.5kg镁合金液浇入模具型腔，加压100MPa，保压1min，打开模具取出铸件，得到总厚度为32mm的陶瓷球体积分数为56％的镁基陶瓷球复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达1h以上。 [0060] 实施例11： [0061] 本实施例以未设置丝网且尺寸均匀的椭球形陶瓷有序排列为例进行说明。 [0062] 取4200ml长轴为5mm、短轴为3mm的Al2O3椭球形陶瓷，在热处理炉中加热到800℃后保温2小时，将预热好的Al2O3陶瓷颗粒倒入尺寸为420mm×420mm的模具型腔中，并尽量使椭球形陶瓷的长、短轴朝向一致，量取6.5kg铝合金液浇入模具型腔中，加压100MPa，保压2min，打开模具取出铸件，得到总厚度为30mm的陶瓷颗粒体积百分数为56％的铝基陶瓷复合材料，该材料的耐氧乙炔火焰切割时间可达1h以上。 [0063] 实施例12： [0064] 本实施例以金属基陶瓷复合材料在保险箱柜上的应用为例进行说明。 [0065] 根据不同类型的保险箱柜产品的安全性要求选择不同形状和大小的陶瓷颗粒和体积百分数的金属基陶瓷复合材料，作为保险箱柜门板和箱柜体的防护材料。组成箱柜体的金属基陶瓷复合材料可通过焊接或机械连接的方法实现安装。通常是，陶瓷颗粒直径在1-15mm之间、多层排列、陶瓷颗粒体积百分数为10％-80％的金属基陶瓷复合材料，整体材料的厚度在2mm以上。 [0066] 保险箱柜是指体积较大的保险柜或者体积较小的保险箱。 [0067] 实施例13： [0068] 本实施例以金属基陶瓷复合材料在自动取款机上的应用为例进行说明。 [0069] 根据不同类型的自动取款机产品的安全性要求选择不同形状和大小的陶瓷颗粒和体积百分数的金属基陶瓷复合材料，作为自动取款机门板和机体的防护材料。组成机体的金属基陶瓷复合材料可通过焊接或机械连接的方法实现安装。通常是，陶瓷颗粒直径在1-15mm之间、多层排列、陶瓷颗粒体积百分数为10％-80％的金属基陶瓷复合材料，整体材料的厚度在2mm以上。 [0070] 实施例14： [0071] 本实施例以金属基陶瓷复合材料在金库大门上的应用为例进行说明。 [0072] 根据不同类型的金库大门产品的安全性要求选择不同形状和大小的陶瓷颗粒和体积百分数的金属基陶瓷复合材料，作为金库大门的防护材料。构成金库大门的金属基陶瓷复合材料可通过焊接或机械连接的方法实现安装。通常是，陶瓷颗粒直径在1-15mm之间、多层排列、陶瓷颗粒体积百分数为10％-80％的金属基陶瓷复合材料，整体材料的厚度在2mm以上。 [0073] 通过实施例子可知，本专利申请采用挤压铸造技术一次成型制备出陶瓷颗粒多层排列的金属基陶瓷复合材料，金属通过挤压铸造技术渗透到陶瓷颗粒之间，陶瓷颗粒的体积百分数可根据使用需求在10％-80％的范围内进行调整。该方法设备简单、工艺成熟，生产成本低，极易于进行批量化生产，同时在此种结构中基体金属对陶瓷颗粒实现真正意义上的三维约束，材料整体性能高，实践实验表明，抗穿燃弹的防护系数可达到1.8以上，此外该材料还具有密度低和抵御常规机械切割和火焰切割以及抑制冲击裂纹扩展等特性，大于20mm厚的金属基陶瓷复合材料可确保抗氧乙炔切割30min以上不穿透。可作为制造满足国家标准和美国标准的A-C类保险柜以及满足欧洲标准0-10级保险柜、L-8级ATM保险柜和0-13级保险库的防护材料，因此该材料在保险箱柜、自动取款机、金库大门等重要安全设施防护领域具有广阔的应用前景。 [0074] 本实施例子仅仅就陶瓷颗粒采用球体或椭球体进行了说明，但是，其他形状陶瓷颗粒如8面以上的多面体颗粒完全可以使用，原理和效果是类似的。 |
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