CN103508744B - 陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了陶瓷和制备陶瓷的方法以及陶瓷的应用。其中陶瓷包含：陶瓷本体和晶须，晶须为选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，其中，晶须、硅氧化物和钙氧化物形成于陶瓷本体中。该陶瓷具有重量轻、硬度高、耐磨性好、润滑性好等优点。

Description

陶瓷及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及制冷设备领域。具体而言，本发明涉及陶瓷、陶瓷的制备方法以及由该陶瓷制成的活塞、以及具有该活塞的压缩机和制冷设备。

背景技术

旋转式压缩机由于结构简单，冷却、润滑系统完善，在小型制冷系统中有很大的优势，从25世纪60年代以后就一直被广泛应用在家用空调器和小型商业制冷装置中。压缩腔体是旋转式压缩机的核心部件，压缩腔体主要由气缸、滑片、滚动活塞、曲轴、主轴承和副轴承组成。滚动活塞套在曲轴偏心部上面，随着曲轴转动沿气缸内壁做往复旋转滚动，滑片在尾部弹簧力的作用下与活塞表面紧密接触，并在冷冻机油作用下组成动密封。

常见旋转式压缩机的滚动活塞材质主要是含有合金元素钼Mo、镍Ni、铬Cr的铸铁材料，这种材料的局限性在于硬度、耐磨性和耐疲劳性不高。随着越来越多新型环保制冷剂的推广使用，高效率和节能等日趋多样化，对能适用于高负荷、高压力、高温度和高功率等苛刻条件下的滚动活塞提出了更高的要求。

由于近年来钼Mo、镍Ni、铬Cr价格成本的不断攀升，导致滚动活塞毛坯铸件成本也在不断增加；同时滚动活塞采用铸造方法生产，铸造过程会产生大量的“三废”，严重影响环境，造成污染，同样也会影响操作人员身体健康。

因此，关于制冷设备压缩机活塞的研究有待进一步改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有重量轻、硬度高、耐磨性好、润滑性好等优点的陶瓷。

为此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种陶瓷，该陶瓷包含：陶瓷本体；晶须，所述晶须为选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，其中，所述晶须、硅氧化物和钙氧化物形成于所述陶瓷本体中。由此，该陶瓷具有重量轻、硬度高、耐磨性好、润滑性好等优点，因此进一步扩大了陶瓷的应用范围，使得该陶瓷能够应用于工作强度较高的领域，例如进一步地，可以利用上述陶瓷制备压缩机用的陶瓷活塞。

另外，根据本发明上述实施例的陶瓷还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述陶瓷本体晶粒的粒度不超过25微米。由此该陶瓷具有良好的耐磨性以及润滑性能。

根据本发明的实施例，所述晶须的含量为不大于20%。根据本发明的具体实施例，所述晶须的直径不小于0.1微米，并且所述晶须的直径不超过10微米。由此，可以进一步提高陶瓷的硬度、抗断裂韧性以及抗弯强度。

根据本发明的实施例，所述晶须的长度与所述晶须的直径的比例不小于10。由此可以进一步提高陶瓷的硬度、抗断裂韧性以及抗弯强度。

根据本发明的实施例，所述的陶瓷进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种。由此可以进一步提高陶瓷的力学性能以及耐磨性。

根据本发明的实施例，所述陶瓷本体由三氧化二铝形成。由此可以进一步提高陶瓷的硬度以及耐磨性。

根据本发明的实施例，所述的陶瓷包含：40～60重量%的铝；30～50重量%的氧；1～5重量%的硅；以及1～5重量%的钙。由此可以进一步提高陶瓷的综合性能。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述的陶瓷的方法，该方法包括：提供烧结原料混合物，所述烧结原料混合物包含陶瓷基料和晶须，其中，任选地所述烧结原料进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种；以及将所述烧结原料混合物进行烧结，以便获得陶瓷。利用上述方法能够有效地制备得到上述陶瓷，并且利用该方法制备的陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点，因此该方法制备陶瓷可以进一步提高陶瓷的综合性能，由此可以进一步扩大陶瓷的使用范围，使得该陶瓷能够应用于工作强度较高的领域，例如进一步地，可以利用上述方法制备得到压缩机用的陶瓷活塞。

另外，根据本发明上述实施例的制备陶瓷的方法还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，可以通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。由此利用上述方法可以有效的制备的得到陶瓷，并且能够进一步提高陶瓷的综合性能。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种活塞，该活塞由上述实施例的陶瓷制成。因此该活塞具有良好的硬度、耐磨性、抗弯强度、抗压强度以及抗断裂韧性，由此使得该活塞能够达到工作强度高的压缩机的使用要求，由此可以进一步扩大活塞的应用范围。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种压缩机，该压缩机包括上述实施例的活塞。因此该压缩机具有上述实施例的活塞所具有的高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点。由此可以进一步提高压缩机的工作效率。并且根据本发明实施例的压缩机由于采用了上述实施例的活塞，由于该陶瓷活塞耐磨特性好，振动和噪音方面也较金属材质的活塞低，因此使得该压缩机的能效较量产提高1%～4%，噪音方面较量产降低2%～6%，振动方面较量产降低5%～20%。

在本发明的第五个方面，本发明提出了一种制冷设备，该制冷设备包括上述实施例的压缩机。因此，该制冷设备具有上述实施例的压缩机所具有的高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点。由此可以进一步提高制冷设备的制冷效率，以便进一步提高制冷设备的综合品质。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种陶瓷，该陶瓷包含：陶瓷本体和晶须，其中，晶须为选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，晶须、硅氧化物和钙氧化物形成于陶瓷本体中。通常的陶瓷不具有较强的硬度、耐磨性以及抗断裂韧性，根据本发明实施例的陶瓷，陶瓷本体中加入了晶须，根据本发明的具体实施例，可包含的晶须并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，可以包含的晶须可以选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，由此可以进一步提高陶瓷的硬度、耐磨性以及抗断裂性，并且一般晶须的密度较陶瓷基料的密度低，因此加入适量的晶须还可以降低陶瓷的重量，因此使用、运输等更加方便。根据本发明实施例的陶瓷，其中还包含硅氧化物和钙氧化物，硅氧化物和钙氧化物可以降低制备该陶瓷时的烧结温度，由此可以进一步节省能源，以便降低生产成本。另外，加入硅氧化物和钙氧化物还可以控制陶瓷的晶粒长大，以便进一步提高陶瓷的力学性能以及耐磨性。由此，根据本发明上述实施例的陶瓷具有重量轻、硬度高、耐磨性好、润滑性好等优点，因此进一步扩大了陶瓷的应用范围，使得该陶瓷能够应用于工作强度较高的领域，例如进一步地，可以利用上述方法制备得到的陶瓷活塞用于高负荷、高压力、高温度和高功率等苛刻条件下的压缩机的使用。

根据本发明的一个实施例，上述可以选择的晶须中可以优选为三氧化二铝晶须，由此可以进一步提高陶瓷的硬度、耐磨性以及抗断裂性。根据本发明的一个实施例，陶瓷中所包含的晶须的含量并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，陶瓷中可以包含的晶须量为不大于20%，由此可以进一步提高陶瓷的硬度、耐磨性以及抗断裂性。根据本发明的具体实施例，可以选用的晶须的尺寸并不受特别限制，只要能够达到提高陶瓷的综合性能的目的即可，但是由于晶须种类较多以及每类晶须的尺寸的不定性，导致选择的晶须以及尺寸对陶瓷综合性能的影响具有不可推测性。因此，发明人通过多次试验探索，意外的发现，当晶须的直径不小于0.1微米，并且晶须的直径不超过10微米时，陶瓷的硬度、抗断裂韧性以及抗弯强度最佳，由此可以进一步提高陶瓷的综合性能。根据本发明的具体实施例，发明人还发现，可以选用晶须的长度与晶须的直径的比例不小于10的晶须同样可以达到提高陶瓷的硬度、抗断裂韧性以及抗弯强度，由此，根据本发明的具体实施例，可以综合上述可加入的晶须特性，优选三氧化铝晶须，选择三氧化铝晶须的直径不小于0.1微米、不超过10微米，并且晶须的长度与其直径的比例不小于10的晶须，由此可以最大限度的提高陶瓷的性能。根据本发明的具体实施例，该类型的三氧化二铝晶须内部缺陷极少，具有很高的拉伸强度和弹性模量，由此该晶须的加入可进一步提高陶瓷的抗拉伸强度、抗压强度以及抗弯强度。如图1所示为本发明上述实施例的陶瓷的晶粒形貌及EDX能谱分析图片，从图中可以看出，晶须被嵌入陶瓷基体中，形成致密体，同时陶瓷的弹性模量和抗弯强度得到了较大程度的提高。根据本发明的具体实施例，可以通过控制硅钙氧化物的添加量及控制烧结温度和烧结时间可以把晶粒尺寸控制在期望范围内。

根据本发明的另一个实施例，陶瓷进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种。由此可以进一步提高陶瓷的力学性能以及耐磨性，同时加入硅氧化物和钙氧化物还可以控制陶瓷的晶粒长大，提高陶瓷的力学性能及耐磨性由此，根据本发明的具体实施例，陶瓷本体晶粒的粒度不超过25微米，由此使得该陶瓷具有良好的耐磨性以及润滑性。具有该尺寸的陶瓷更加适用于压缩机中活塞的使用，由于陶瓷本体晶粒的粒度不超过25微米恰好可以让冷冻机油分子进入陶瓷表层晶粒间的空隙，由此可以提高陶瓷表面的润滑性，以便进一步提高陶瓷的耐磨性。

根据本发明的再一个实施例，陶瓷包含：40～60重量%的铝；30～50重量%的氧；1～5重量%的硅；以及1～5重量%的钙。由此可以进一步提高陶瓷的综合性能。根据本发明的具体实施例，具有上述含量的陶瓷与含有钼、镍、铬的铸铁的机械性能相当，由此可以将本发明的陶瓷替换铸铁的使用，以便进一步提高陶瓷的应用范围。

根据本发明的再一个实施例，陶瓷本体由三氧化二铝形成。由此可以进一步提高陶瓷的硬度以及耐磨性。同时根据本发明的具体实施例，陶瓷本体采用三氧化铝，并在本体中加入三氧化铝晶须，三氧化二铝本体与三氧化二铝晶须的性能相近，其二者的结合力也较强，由此可以进一步提高陶瓷的硬度。

在本发明的第二个方面，本发明提出了一种制备上述的陶瓷的方法，该方法包括：提供烧结原料混合物，烧结原料混合物包含陶瓷基料和晶须，其中，任选地烧结原料进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种；以及将烧结原料混合物进行烧结，以便获得陶瓷。利用上述方法能够有效地制备得到上述陶瓷，并且利用该方法制备的陶瓷具有高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点，因此该方法制备陶瓷可以进一步提高陶瓷的综合性能，由此可以进一步扩大陶瓷的使用范围，使得该陶瓷能够应用于工作强度较高的领域，例如进一步地，可以利用上述方法制备得到压缩机用的陶瓷活塞。

根据本发明的一个实施例，上述方法中烧结原料混合物含有陶瓷基料、晶须、硅氧化物以及钙氧化物，其中陶瓷基料主要为三氧化铝。根据本发明的具体实施例，发明人意外发现，将陶瓷基料中加入晶须可以提高陶瓷的硬度以及抗断裂性。根据本发明的具体实施例，可以加入的晶须并不受特别限制，根据本发明的具体实施例，晶须可以选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，由此可以进一步提高陶瓷的硬度、耐磨性以及抗断裂性，并且一般晶须的密度较陶瓷基料的密度低，因此加入适量的晶须还可以降低陶瓷的重量，因此在提高硬度的同时还可以带来使用、运输等方面的便利。根据本发明的具体实施例，可以加入的晶须优选为三氧化铝晶须，由此可以进一步提高陶瓷的硬度、耐磨性以及抗断裂性。

根据本发明的一个实施例，晶须的加入量也并不受特别限制，只要能够达到提高陶瓷的硬度以及抗断裂性的目的即可，但是晶须的加入量是影响陶瓷硬度以及抗断裂性能的不可忽视参数，晶须的加入量过多，导致陶瓷的内聚力不够，因而抗压强度以及硬度降低，若加入量过少，不能达到抗断裂的目的，由此，根据本发明的具体实施例，加入的晶须的量可以为不大于陶瓷重总量20%。以便进一步提高陶瓷的硬度、抗压强度以及抗断裂性。

根据本发明的另一个实施例，发明人意外地发现，当加入晶须的尺寸不同时，其陶瓷的抗压强度、抗断裂性测试结果不同，由此发明人通过大量的实验探索发现，当晶须的直径不小于0.1微米、不超过10微米，并且晶须的长度与其直径的比例不小于10时，陶瓷的抗压强度、抗断裂性最强，由此可以通过控制加入晶须的尺寸即可制备得到综合性能较高的陶瓷。

根据本发明的再一个实施例，选择加入三氧化铝晶须，且选择三氧化二铝晶须的尺寸为直径不小于0.1微米、不超过10微米，并且晶须的长度与其直径的比例不小于10，该晶须的内部缺陷极少，具有很高的拉伸强度和弹性模量，由此该晶须的加入可进一步提高陶瓷的抗拉伸强度、抗压强度以及抗弯强度。

根据本发明的一个实施例，可以通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。根据本发明的具体实施例，优选采用热压烧结法和热等静压法进行烧结，由此可以进一步提高陶瓷烧结后的致密性，并且上述方法可以降低烧结温度和缩短烧结时间，同时该方法可以在烧结过程中抑制晶粒长大，显著改善陶瓷活塞耐磨性能。同时在陶瓷原料混合物中还含有硅氧化物和钙氧化物，硅氧化物和钙氧化物不仅具有增强陶瓷硬度以及耐磨性的，还具有降低烧结温度以及抑制晶粒长大的作用。由此根据本发明上述实施例制备陶瓷的方法，可以制备得到晶粒不超过25微米的陶瓷。由此可以进一步提高陶瓷的硬度以及耐磨性。

在本发明的第三个方面，本发明提出了一种活塞，该活塞由上述实施例的陶瓷制成。因此该活塞具有良好的硬度、耐磨性、抗弯强度、抗压强度以及抗断裂韧性能，由此使得该活塞能够达到工作强度苛刻的压缩机的使用要求，由此可以进一步扩大活塞的应用范围。

在本发明的第四个方面，本发明提出了一种压缩机，该压缩机包括上述实施例的活塞。由于该活塞所具有的高硬度、高耐磨性、高抗弯、抗压强度以及抗断裂韧性等优点，由此可以进一步提高压缩机的工作效率。由于该活塞为粒度为25微米以下的陶瓷制成，因此当该活塞用于压缩机时，压缩机中的冷冻机油分子可以进入陶瓷表层晶粒间的空隙，由此可以提高陶瓷表面的润滑性，以便进一步提高陶瓷的耐磨性以及抗疲劳性，因此该活塞不仅能够支持压缩机的运转，还可以进一步提高压缩机的工作效率。由于该活塞的质量较轻，且机械性能与含有钼、镍、铬的铸铁的机械性能相当，因此将本发明的陶瓷活塞替换铸铁活塞用于压缩机，不仅可以降低成本，可以降低压缩机的重量，使用更加方便。并且根据本发明实施例的压缩机由于采用了上述实施例的活塞，由于该陶瓷活塞耐磨特性好，振动和噪音方面也较金属材质的活塞低，因此使得该压缩机的能效较量产提高1%～4%，噪音方面较量产降低2%～6%，振动方面较量产降低5%～20%。

在本发明的第五个方面，本发明提出了一种制冷设备，该制冷设备包括上述实施例的压缩机。由于该压缩机中的活塞为本发明实施例的陶瓷活塞，陶瓷活塞较通常压缩机使用的铸铁活塞重量轻，并且该陶瓷活塞可以使压缩机中的冷冻机油分子进入陶瓷活塞表层晶粒间的空隙，由此可以进一步提高陶瓷表面的润滑性、耐磨性以及抗疲劳性，降低工作负荷，延长使用寿命，以便进一步提高压缩机的工作效率以及使用寿命。由此采用该压缩机可以减轻制冷设备的重量，同时还可以进一步提高制冷设备的制冷效率以及使用寿命，以便进一步提高制冷设备的综合品质。

下面通过具体实施例对本发明进行描述，需要说明的是，下列实施例不以任何方式对本发明的范围做出限制。

实施例1

原料：

首先将80重量%的三氧化二铝，5重量%的碳酸钙氧化物，5重量%的二氧化硅混合后磨碎，然后加入5重量%的三氧化二铝晶须（L=10微米；d=1微米）和5重量%其他添加剂一同混合后，进行冷压成型，然后将在氧化气氛下预烧结的试样置于热等静压炉内，充入

100～200MPa惰性气体Ar，在1200摄氏度～1800摄氏度温度条件下保温2～3h进行热等静压烧结，得到陶瓷活塞，并将产品活塞送检。

实施例2

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例3

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例4

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例5

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例6

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例7

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

实施例8

原料：

制备方法同实施例1，并将产品活塞送检。

对比例1

采用铸铁活塞（匹思通公司制造），并对该铸铁活塞进行性能检测。

测试方法

抗弯强度的测试：见国标GB/T6569-86

抗压强度的测试：见标准JISR1608-1990

断裂韧性的测试：见标准ASTME399-70T

硬度HRC的测试：见国标GB/T230.3-2002

密度的测试：见国标GB/T4472-1984

表1

通过对上述实施例1-8制备的陶瓷活塞以及对比例提供的铸铁活塞的性能进行测定，从上表的测试结果中可以得出，根据本发明实施例制备得到的陶瓷活塞其抗弯强度、抗压强度以及硬度的测试结果均显著高于铸铁活塞的测试结果，因此该陶瓷活塞具有高抗弯以及高抗压性能，并且具有重量轻、硬度高、耐磨性好、润滑性好、等优点。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种压缩机，其特征在于，包括活塞，所述活塞是采用陶瓷制成的，所述陶瓷是采用下列步骤进行的：

提供烧结原料混合物，所述烧结原料混合物包含陶瓷基料和晶须，其中，所述烧结原料进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种；以及

将所述烧结原料混合物进行烧结，以便获得陶瓷，

其中，所述晶须为选自三氧化二铝、碳化钛、碳化硅、氮化钛、氮化铝、氧氮化铝的至少一种，

所述晶须、硅氧化物和钙氧化物形成于所述陶瓷本体中，

所述晶须的直径不小于0.1微米，并且所述晶须的直径不超过10微米，

所述晶须的长度与所述晶须的直径的比例不小于10，

所述陶瓷的本体晶粒的粒度不超过25微米，

所述陶瓷包含：

40～60重量％的铝；

30～50重量％的氧；

1～5重量％的硅；以及

1～5重量％的钙。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述晶须的含量为不大于20％。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述陶瓷进一步包含选自硅氧化物和钙氧化物的至少一种。

4.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述陶瓷本体由三氧化二铝形成。

5.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，通过选自热压烧结法、热等静压法、反应烧结法和微波烧结法的至少一种进行所述烧结。

6.一种制冷设备，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的压缩机。