CN102850042A

CN102850042A - 相变增韧陶瓷材料及其瓷件制备工艺

Info

Publication number: CN102850042A
Application number: CN2011101754445A
Authority: CN
Inventors: 单伟毅; 张万林; 唐源生
Original assignee: SHANGHAI JINGKAIDE PRECISION CERAMICS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI JINGKAIDE PRECISION CERAMICS CO Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2013-01-02

Abstract

本发明提供一种相变增韧陶瓷材料，其材料成分(质量百分比)为：Al₂O₃微粒70％-90％，ZrO₂8％-25％，Y₂O₃ 1％-1.5％，CaO0.5％-2.5％，MgO0.5％-1.5％。所述相变增韧材料的制备工艺，其包括以下步骤：(1)按上述质量比配备原料，并经球磨设备磨成粉料；(2)加入粘合剂搅拌成混合料；(3)按所需制作的瓷件成型为坯体；(4)修整加工；(5)高温烧结。使用本发明之相变增韧材料及工艺制成的瓷件，通过相变增韧、微裂纹增韧和弥散增韧，材料韧性得到很大提升，达到提高强度的目的。

Description

相变增韧陶瓷材料及其瓷件制备工艺

技术领域

本发明涉及一种陶瓷材料，特别涉及一种相变增韧陶瓷材料及其瓷件制备工艺，以及使用该材料制造的陶瓷螺丝刀。

背景技术

电子行业中，产品装配时多使用金属螺丝刀，然而金属螺丝刀存在硬度低、易磨损、易产生磁性及电荷的缺点，特别是在精密电子、仪器仪表等行业，容易降低产品可靠性。

特种陶瓷材料现今已经成为新材料研究的热点，并因其优良的耐热性能在很多尖端科学领域被应用来替代金属材料，如航空航天、汽车、医疗器械等；即使在传统工业，例如纺织工业中，也已有使用高性能的陶瓷材料替代金属材料制作导丝件、剪切件等纺织设备的例子。陶瓷材料耐磨、耐高温、耐腐蚀，并且还具有良好的绝缘性能，这使得它在电子行业中也拥有广阔的应用前景。

然而，陶瓷材料固有的脆性却限制了其实际应用的范围。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种相变增韧陶瓷材料，所述相变增韧陶瓷材料大大改善了材料脆性，提高了材料强度。

为了实现上述目的，本发明之相变增韧陶瓷材料，其材料各组分之质量百分比为：Al₂O₃微粒70％-90％，ZrO₂8％-25％，Y₂O₃ 1％-1.5％，CaO0.5％-2.5％，MgO0.5％-1.5％。

本发明之另一目的在于提供上述相变增韧材料的瓷件制备工艺，其包括以下步骤：

(1)按上述质量比配备原料，并经球磨设备磨成粉料；

(2)加入粘合剂搅拌成混合料；

(3)按所需制作的瓷件成型为坯体；

(4)修整加工；

(5)高温烧结。

本发明之另一目的在于提供一种使用上述工艺制作的陶瓷螺丝刀，其材料中含有部分直径0.5um以下的亚稳态四方相ZrO₂颗粒，并呈弥散分布。

使用本发明之相变增韧材料及工艺制成的瓷件，通过相变增韧、微裂纹增韧和弥散增韧，材料韧性得到很大提升，达到提高强度的目的。

附图说明

图1为本发明某一实施例高温烧结步骤的温度参数图

图2为本发明某一实施例陶瓷螺丝刀示意图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

将80％质量百分比的Al₂O₃微粉，18％的ZrO₂，0.5％的CaO，Y₂O₃ 1％，MgO 0.5％经球磨机球磨成粉料，并使得球磨所得粉料中1um以下的颗粒达到20％以上，1um-5um的颗粒达到30％以上，而5um以上的颗粒小于50％。而后加入粘合剂搅拌成混合料，并将混合料注塑成型做成螺丝刀坯体，将坯体直入高温炉中烧结，在烧结前如需要可先对坯体进行坯体测试，烧结后可进行成品性能测试及精细加工如打磨抛光。采用本实施例之材料配比，可在不牺牲产品性能的情况下节约贵重原料ZrO₂的用量，降低了成本。

图1为本实施例所使用的烧结工艺，6小时内将炉温稳步提升至1000℃以上进行脱蜡处理，并在之后的5小时内将炉温升至1450℃，并在1450℃恒温一小时，之后在3小时内将炉温稳步提升至1650℃并恒温2小时进行保温，烧结后自然冷却至300℃开炉取件。

通过本发明工艺所得到的陶瓷件，其原料中的ZrO₂在高温下由单斜晶系转化为四方相，而烧结致密后冷却时，四方相ZrO₂颗粒向单斜晶的相变却因为周围致密的陶瓷基体而被束缚，并且由于Y₂O₃、MgO等稳定剂的作用下，冷却后的成品瓷件中的ZrO₂颗粒仍以四方相(t相)存在，这种四方相的ZrO₂颗粒处于压应力状态，会使瓷件的韧性得到很大提升。当瓷件受到外力作用时，陶瓷的内应力可使四方相的ZrO₂不再受到束缚，发生马氏体相变(t-m)，致使体积膨胀，这种体积膨胀不但吸收了外力的能量，还对陶瓷基体产生压应变，使裂纹停止扩展。

本发明还通过弥散相颗粒度的设计，提高了材料韧性。经由本发明工艺所获得的瓷件，如本实施例1所得到的陶瓷螺丝刀，其中的ZrO₂颗粒呈细微的分散相弥散分布在陶瓷基体中，t相的ZrO₂颗粒在基质材料受拉伸时阻止了横向斜面的收缩，起到增韧作用；同时，高弹性模量的颗粒对裂纹起到钉扎作用，使裂纹偏转，消耗了裂纹前进的动力；另外颗粒与基体的热膨胀不均衡，使外加载荷重新分配，防止基体内位错运动，也达到强化目的。

通过本实施例工艺得到的陶瓷螺丝刀(如图2)，密度为4.0g/cm³，显微硬度HV2000；洛氏硬度HRA90，弯曲强度＞＝400MPa.

使用寿命是金属螺丝刀的10倍。

本发明工艺所得到的瓷件在损坏后还可另作他用，如粉碎后作为刚玉原料制成高级耐火材料、高温高强度粘接剂等，因此也更加环保。

实施例2

使用本发明工艺还可制作高性能气动阀门。

将90％质量百分比的Al₂O₃微粉，8％的ZrO₂，0.5％的CaO，Y₂O₃ 1％，MgO 0.5％经球磨机球磨成粉料，并使得球磨所得粉料中1um以下的颗粒达到20％以上，1um-5um的颗粒达到30％以上，而5um以上的颗粒小于50％。而后加入粘合剂搅拌成混合料，并将混合料静压成型后做成气动阀门坯体，将坯体置入高温炉中烧结。烧结工艺的参数与实施例1相同。

实施例3

将实施例1中的材料配比改为12％的氧化锆，增加氧化铝到86.5％的比例，Y₂O₃ 1％，MgO 0.5％，球磨充分后达到同样细度后，经成型修整，烧结后可制作成高耐磨高压喷嘴。

对于本领域的一般技术人员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上能够作多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，这种变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。

Claims

1.一种相变增韧陶瓷材料，其特征在于：其材料各组分之质量百分比为：

Al₂O₃微粒70％-90％，ZrO₂为8％-25％，Y₂O₃为1％-1.5％，CaO为0.5％-2.5％，MgO为0.5％-1.5％。

2.如权利要求1所述的相变增韧陶瓷材料，其特征在于：其更佳的材料各组分之质量百分比为Al₂O₃微粒80％，ZrO₂为18％，Y₂O₃为1％，CaO为0.5％，MgO为0.5％。

3.制备权利要求1所述相变增韧陶瓷材料瓷件的工艺，其特征在于包括以下步骤：(1)按上述质量比配备原料，并经球磨设备磨成粉料；

(2)加入粘合剂搅拌成混合料；

(3)按所需制作的瓷件成型为坯体；

(4)修整加工；

(5)高温烧结。

4.如权利要求3所述的制备相变增韧陶瓷材料瓷件的工艺，其特征在于：步骤(5)中高温烧结的温度为1620℃-1650℃，恒温烧结时间为两小时。

5.如权利要求3所述的制备相变增韧陶瓷材料瓷件的工艺，其特征在于：步骤(3)中坯体采用注射成型。

6.如权利要求3所述的制备相变增韧陶瓷材料瓷件的工艺，其特征在于：步骤(3)中坯体采用静压成型。

7.由权利要求3所述工艺制作的陶瓷螺丝刀，其特征在于，所述陶瓷螺丝刀中含有0.5um以下的t相ZrO₂颗粒，并呈弥散分布。