一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬陶瓷復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶 瓷復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 金屬陶瓷復(fù)合材料是介于高溫合金和陶瓷之間的一種常溫、高溫材料，它兼顧了 金屬的高韌性、可塑性和陶瓷的高熔點、耐腐蝕和耐磨損等特性，在耐磨、耐高溫等領(lǐng)域中 擁有廣闊的應(yīng)用前景。按照陶瓷相的不同，金屬陶瓷分為氧化物體系（A1203、Zr02、MgO)、碳 化物體系〇1(：、31(：、1〇、硼化物體系〇18、2沾、08)和氮化物體系〇^81313財、丁&抑 等，其中氧化物體系具有硬度高、耐磨性好、耐氧化等優(yōu)點而被廣泛采用，尤其是以氧化鋁 基金屬陶瓷更為廣泛，雖然氧化鋁與鈦或鉬等極少數(shù)稀有金屬的潤濕性較好，但由于與常 見的鐵潤濕性較差而未被廣泛應(yīng)用。CN104372231A公開了一種含金屬相鐵和陶瓷相氧化 錯的金屬陶瓷復(fù)合材料，但該金屬陶瓷復(fù)合材料金屬相中，金屬鐵含量低，除金屬鐵以外還 需要配合鎳、銀等金屬，陶瓷相除了氧化鋁還需要添加碳化硅、氮化鉭等，并且制備過程中 使用的是冶制好的金屬鐵。為克服氧化鋁與鐵濕潤性差的缺點，CN102861905A公開了一種 氧化鋁金屬陶瓷增強鐵基復(fù)合材料的制備方法，但該方法需要采用活性硅對氧化鋁進行處 理，并且采用澆注的方法，工藝比較復(fù)雜。
[0003] 我國的鐵礦，例如白云鄂博鐵礦，可利用元素多達28種，其中稀土儲量為世界第 一，在我國工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。但是由于該鐵礦中稀土等礦物分散度大、嵌布粒度 細、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、品位較低，現(xiàn)生產(chǎn)仍以"以鐵為主，綜合利用"方針進行開發(fā)，造成大量資源未 發(fā)揮其應(yīng)有價值，特別是殘留在鐵精礦中的稀土元素在常規(guī)冶金工藝中流失，如何提高白 云鄂博鐵礦綜合利用價值，是當(dāng)前及今后一個時期亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服氧化鋁與鐵濕潤性差的缺點，結(jié)合我國鐵礦中稀土金屬含量豐富的特 點，提供一種如下的充分綜合利用含稀土金屬氧化物的鐵礦中的稀土金屬氧化物，而獲得 的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料及其制備方法的新的技術(shù)方案：
[0005] -種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，其中，所述耐高溫耐磨金屬鐵與 氧化鋁陶瓷復(fù)合材料主要由以下三組分構(gòu)成，且各自在該三組分中所占的重量百分比如 下：
[0006] (A)FeAl204：33-48wt%；
[0007] (B)金屬鐵：50_65wt% ;
[0008] (C) RE0-Fe0-Al203固熔體：0? 5-2. Owt%
[0009] 其中，RE0是指稀土金屬的氧化物。
[0010] -種上述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其中，所述制 備方法以含稀土金屬的氧化物的鐵礦為原料，加入氧化鋁和還原劑通過熱壓原位反應(yīng)制備 獲得。
[0011] 進一步所述制備方法包括以下步驟：
[0012] (1)配料：稱取含稀土金屬氧化物的鐵礦粉末70-74重量份、還原劑10-11. 5重量 份和氧化鋁15-21重量份，加入球磨機中，潤磨混勻；
[0013] (2)壓片：將上述潤磨混勻的配料壓制成圓柱形；
[0014] (3)熱壓高溫原位反應(yīng)：將上述壓片置于熱壓爐，在惰性氣氛或真空下高溫?zé)Y(jié)。
[0015] 所述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法中，所述含稀土金 屬氧化物的鐵礦優(yōu)選為：稀土金屬氧化物重量百分含量為〇. 5-1. 5wt%，鐵元素重量百分 含量為60.0wt% -70.0wt%，F(xiàn)元素重量百分含量小于0.5%，Si02重量百分含量小于 5. Owt %，CaO重量百分含量小于2. Owt %。
[0016] 所述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法中，其中，所述的還 原劑優(yōu)選為碳粉，進一步優(yōu)選為焦炭粉、活性炭粉或石墨粉的一種或多種。
[0017] 所述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法中，其中，所述（1) 配料步驟中，所述的含稀土金屬氧化物的鐵礦粉末，還原劑和氧化鋁的最大粒徑優(yōu)選為均 不大于74微米。
[0018] 所述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法中，其中，優(yōu)選 為所述的⑴配料步驟中，球料比為3:1-10:1，球磨時間24-48小時，球磨機轉(zhuǎn)速為 100-250轉(zhuǎn)/分；所述的（2)壓片步驟中，成型壓力為5-30MPa，保壓時間1-5分鐘，壓制成 小25. 5±0. 5mm的圓柱；所述的（3)熱壓高溫原位反應(yīng)步驟中，燒結(jié)溫度為1300-1500°C，燒 結(jié)時間為5-25分鐘，燒結(jié)壓力為10-40MPa。
[0019] 本發(fā)明提供的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料及其制備方法的新 的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點：
[0020] 1)本發(fā)明的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料克服了金屬鐵與陶瓷材料 氧化鋁濕潤性差的缺點，首次以鐵、FeAl 204和REO-FeO-Al 203固熔體的形式制備得到耐高溫 耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，物相潤濕角小，界面結(jié)合良好，陶瓷相與金屬相分布均 勻，斷裂韌性高，耐磨性好；
[0021] 2)本發(fā)明采用原位反應(yīng)合成制備耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的方 法，與固相燒結(jié)、液相燒結(jié)和浸滲法等工藝比較，直接通過含稀土金屬氧化物的鐵礦粉加入 還原劑與氧化鋁原位反應(yīng)制備獲得，不需要單獨制備各組分，也不需添加其他粉末混合，工 藝簡單、成本低、金屬相和陶瓷相比例可控，相界面純凈、結(jié)合良好等；
[0022] 3)本發(fā)明采用原位反應(yīng)合成制備耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的方 法，有望為我國富含稀土金屬的共生鐵礦的低成本、高附加值利用開辟一條新途徑。
【具體實施方式】
[0023] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，其中，所述耐高溫耐磨 金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料主要由以下三組分構(gòu)成，且各自在該三組分中所占的重量百 分比如下：
[0024] (A)FeAl204：33-48wt% ；
[0025] (B)金屬鐵：50_65wt% ;
[0026] (C) RE0-Fe0-Al203固熔體：0? 5-2. Owt%
[0027] 其中，REO 是指稀土金屬的氧化物，具體如 Ce02、La203、Pr203、Nd203、Sm203、Eu203、 Gd203等稀土金屬氧化物，優(yōu)選為所述稀土金屬的氧化物由CeO 2、La203和Pr 203組成，其中 CeO# La 203質(zhì)量比為1. 8-2. 2,并且CeO 2和La 203的重量百分含量總和不低于稀土氧化 物總量的80%。本發(fā)明中，所述的（A)FeAl204作為復(fù)合材料的增強相，（B)金屬鐵作為延 性相，（C)RE0-Fe0-Al203固熔體為粘結(jié)相的復(fù)合材料，其中，陶瓷材料氧化鋁以FeAl 204和 RE0-Fe0-Al203固溶體的形式存在，增強了與金屬鐵的潤濕性，從而本發(fā)明的金屬鐵與氧化 鋁陶瓷復(fù)合材料中，陶瓷相氧化鋁與金屬相鐵分布均勻，強度高，耐高溫耐磨性能好。
[0028] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，其組分中，除開以上的 三組分之外，其他為不可避免的Si、Ca、F、K、Na等雜質(zhì)，其中，優(yōu)選于所述雜質(zhì)的含量在整 個金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料中的重量百分含量不超過3wt%。
[0029] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料，所述復(fù)合材料中 FeAl20 4、金屬鐵以及RE0-Fe0-Al203固熔體的重量百分比含量是采用面積統(tǒng)計法測定，具體 方法為隨機選取5-10個不重疊的1000倍掃描電鏡背散射視場，測定每種物相所占面積，按 面積百分比與體積百分比1:1及各物相的密度計算出各物相的重量百分比，其中FeAl 204、 金屬鐵以及RE0-Fe0-Al203固熔體的密度分別以3. 9g/cm3、7. 8g/cm3、4. lg/cm3計算。
[0030] 本發(fā)明的一種上述的耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其 中，所述制備方法以含稀土金屬的氧化物的鐵礦為原料，加入氧化鋁和還原劑通過熱壓原 位反應(yīng)制備獲得。
[0031] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，由于含稀 土金屬氧化物的鐵礦中的稀土金屬氧化物具有很高的化學(xué)活性，是一種很好的表面活性 劑，稀土金屬氧化物的存在，可降低金屬與陶瓷的表面張力和界面張力，通過還原劑對含 稀土金屬的氧化物的鐵礦進行原位還原生成FeOx，然后生成的FeOx與A1203反應(yīng)可生成 FeAl 204，以及還原生成的金屬Fe在熱壓工藝下形成以Fe-FeAl204為主要物相的金屬陶瓷復(fù) 合材料，最終可得到增強相為FeAl 204，延性相為金屬Fe，粘結(jié)相為RE-Fe0-A1203固熔體的 耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料。
[0032] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，還原劑可以 是各種高價鐵的還原劑，優(yōu)選為常用的碳粉，進一步優(yōu)選為焦炭粉、活性炭粉或石墨粉中的 一種或多種。
[0033] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，含稀土 金屬的氧化物的鐵礦典型為白云鄂博礦，稀土金屬含量豐富，分散均勻，對于所述鐵 礦，優(yōu)選為其中稀土金屬氧化物重量百分含量為〇. 5-1. 5wt % ;鐵元素重量百分含量為 60.0 wt% -70wt% ;F元素重量百分含量小于0? 5% ;Si02重量百分含量小于5. Owt% ;Ca0 重量百分含量小于2. Owt %。
[0034] 本發(fā)明的一種耐高溫耐磨金屬鐵與氧化鋁陶瓷復(fù)合材料的制備方法，可以采用以 下步驟進行制備：
[0035] (1)配料：稱取含稀土金屬氧化物的鐵礦粉末70-74重量份、還原劑10-11. 5重量 份和氧化鋁15-21重量份加入球磨機中，潤磨混勻；
[0036] (2)壓片：將上述潤磨混勻的配料壓制成圓柱形；
[0037] (3)熱壓高溫原位反應(yīng)：將上述壓片置于熱壓爐，在惰性氣氛或真空下高溫?zé)Y(jié)。
[0038] 對于上述（1)配料步驟中，為了使各個組分能夠充分均勻分散接觸，便于潤磨， 所述含稀土金屬氧化物的鐵礦粉末、還原劑以及氧化鋁的最大粒徑不大于74微米。為進 一步使各組分能均勻分散接觸，通常可加入適量分散劑，常用的分散劑如聚乙二醇、或丙三 醇。作為優(yōu)選的條件，上述的（1)配料步驟中，球料比為3:1-10:1，球磨時間24-48小時， 球磨機轉(zhuǎn)速為100-250轉(zhuǎn)/分；所述的（2)壓片步驟中，成型壓力為5-30MPa，保壓時間1-5 分鐘，壓制成4>25.5±0. 5mm的圓柱；所述的（3)熱壓高溫原位反應(yīng)步驟中，燒結(jié)溫度為 130