CN1055453C

CN1055453C - 碳化铬复合陶瓷块规

Info

Publication number: CN1055453C
Application number: CN 95118227
Authority: CN
Inventors: 赖中平; 傅承祖; 段家瑞; 栗爱纲; 葛凯莉
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 2000-08-16
Anticipated expiration: 2015-10-13
Also published as: CN1148159A

Abstract

一种全新的陶瓷基复合材料块规及其制作方法。此种复合陶瓷块规是在碳化铬基体内，添加颗粒状的碳化钨强化相，经热压法烧结而形成其本体材料，再经研磨而制成块规。这种复合陶瓷块规比一般常用的金属质块规具有较优良的抗氧化及耐腐蚀等特性；较之陶瓷块规而言，更具有高反光度的优点，可应用现有的光干涉技术，作为校正工具。

Description

碳化铬复合陶瓷块规

本发明是关于一种复合陶瓷块规，特别是关于一种碳化铬复合陶瓷块规。

标准块规已广泛地应用在工业及学术界，作为长度量测的标准。同在产业界所使用的标准块规多以高碳合金所制作，少数则以陶瓷材料制成(美国专利5,272,120，日本专利63188701)。在以金属为材质的块规方面，现有的合金块规表面容易氧化并极易刮伤。因此使用此类块规必须非常小心，以防刮伤；也不可留下指纹以免产生锈斑。这种块规储存时必须上油，再次使用时必须经过数道的除油程序，以避免油膜厚度造成量度误差。然而除油时，由于油膜表面所附着的大气灰尘粒子，容易造成块规表面的刮伤，进而影响到量器精度。因此使用此类金属质块规极为不便。

在以陶瓷为材质(氧化锆、氧化铝、碳化硅或氮化硅)的块规方面，虽然较金属材料具有高强度、硬度、不易氧化等优异的特性，然而由于其反光度不足(请参见表一)，因此无法以现有的光干涉技术作长度量测与校正。造成陶瓷块规在加工制作与校正上的困扰。

另外，也有人利用在碳化物(如碳化铬或碳化钨)材料中，添加入金属粘结剂(如钴、镍或铬)来制作陶瓷块规产品。虽然碳化铬材料具有高感光度，但是由于金属粘结剂的添加，造成材料的硬度值下降，抗氧化性及抗腐蚀皆为之劣化，进而减短产品的使用寿命。因此也不是一种有利的解决方式。因此目前业界亟需一种新颖的块规，该块规兼具陶瓷材质块规高硬度，高抗腐蚀，不易氧化以及金属材质块规适合应用于光干涉技术的优点。

本发明的目的主是要提供一种新颖的陶瓷块规，以提供一种兼具陶瓷块规高硬度、高抗腐蚀，不易氧化等优点，及金属块规适合光干涉技术应用的优点的块规。

本发明的目的也在于提供一新颖的陶瓷基复合材料块规。

本发明的目的还在于提供一种陶瓷基复合材料块规的制作方法。

本发明的复合陶瓷块规乃利用不含金属添加剂的碳化铬(Cr₃C₂)基体，加入碳化钨(WC)强化相，经热压法烧结而制成原材，再经切割及研磨而形成块规。经本发明的方法所制成的复合陶瓷块规，具有的特性包括：高抗腐蚀性；高硬度；优异的材质强度与韧性；近于钢质材料(特别是不锈钢材)的热膨胀系数，因此温度变化所引起量器与被测物的相对误差较小；及优异的反射率及表面光泽度。因此现有的光干涉量测工具，可以用来校正本发明的复合陶瓷块规。这是一般市售的陶瓷块规所无法达到的效果。

本发明提供一种碳化钨(WC)与碳化铬(Cr₃C₂)的组合物，包含：碳化铬基材及0％-35％体积百分比的碳化钨，优选其中碳化钨的体积百分比为5-30之间。

本发明还提供一种复合陶瓷块规的制法，包括：

在碳化铬基材粉体中加入体积百分比0-35的碳化钨粉末并予充分混合；

在所得的粉体中加入离子水，并予混合成为均质的浆料；

将所得的浆料去水干燥，加压成型；

将成型的固态组合物作热压处理，使之烧结；及

将所得的组合物研磨至所需的尺寸。

其中，碳化钨的起始体积百分比为5-30；碳化铬(Cr₃C₂)基材的起始粉体的粒径在0.3-10.0μm间；而碳化钨(WC)强化相的起始粉体的粒径则在0.1-15.0μm间。

本发明进一步提供一种复合陶瓷基块规，其中包含碳化铬基材及体积百分比为0-35的碳化钨强化相。优选其中碳化钨强化相的增加量为5-30体积百分比。

上述及其他本发明的优点及目的，可经由以下说明并参照下列图式，而更形清楚：

附图的简单说明如下：

图1是表示本发明碳化铬复合陶瓷块规的制作流程图。

表一是各现有块规材料表面反光度测试值。

表二是显示经由本发明的方法制成的复合陶瓷块规特性测试结果。

本发明的复合陶瓷块规的详细制作流程如图1所示。

首先在101制备预订比例的粉体：0-30Vo1％的碳化钨粉体，在102制备碳化铬粉体，而在103将二者混合。两者起始粉体的粒径约在0.2-10μm之间，其平均粒径分别为0.2及1.5μm。

接着在104将粉体置入去离子水内，经24小时混合处理后，于105将铸型所得的均质浆料再予以去水干燥，过筛及加压成型，并于10 6将铸型放入石墨模中，以热压方式利用1400℃至1700℃的高温烧结。烧结时所使用的压力在0-50MPa之间，而保持时间在30分至4小时，烧结气氛采用还原气氛(氩气或氮气)或真空。烧结后试片于107经600号石磨轮加工制成略大于预订尺寸的长方体，最后再在108经由多道的精密研磨而达成预订的平面度与尺寸。

由上述方式制成的复合陶瓷块规基体内含有均质的碳化钨与碳化铬混合相。其材质非常致密且不须用任何金属质的烧结助剂。因此，本发明的碳化钨/碳化铬复合陶瓷块规成品，不但保证具有碳化铬材料所具有的优异特性，诸如光泽及抗腐蚀等特点，其抗折强度与韧度也较纯碳化铬原材增强了许多。同时硬度也明显的上升。

表2显示经由本发明的方法所制成的复合陶瓷块规特性测试结果。如表所示，本发明的复合陶瓷块规确具有优异的特性。

虽然不需为任何理论所拘束，但本发明的复合陶瓷块规具有提高的硬度值，显是基于高杨氏系数(Yong’s modulus)的碳化钨添加相所导致(碳化钨的杨氏系数为710GPa，而碳化铬的杨氏系数约385GPa)。

此外，强度与韧度的增加是由于碳化钨与碳化铬的热膨胀系数差异(碳化钨6.9×10^-6/℃而碳化铬约11.2×10^-6/℃)。这种热膨胀系数的差异源于材料烧结致密后的冷却过程中，造成碳化钨/碳化铬介面产生残余应力。这种残余应力造成基材的破坏方式：从单质碳化铬的沿晶破坏，变成复合材料的穿晶破坏模式。这种模式转变促使材料的强度显著提高。

至于本发明的复合陶瓷块规之所以具有较高的韧度，主要原因在于碳化钨添加相造成的裂痕转折及桥架的韧化机构所导致。而本发明的复合陶瓷块规，其热膨胀系数由11.2×10^-6/℃，降至9.5×10^-6/℃(20Vol 1％的碳化钨添加物)。由于一般钢质待测物的热膨胀系数约在10×10^-6/℃左右。因此使用本发明的块规量测一般钢质待测物时，可以减少因温度偏移所造成的量测误差。

本发明的复合陶瓷块规，其表面光泽性及光反射率均较现有的市售陶瓷块规(如碳化硅、氮化硅、氧化锆圾氧化铝)高出甚多。近乎于一般市售的钢质块规材料(如表一中试片14所示)。以完全致密的单体碳化铬材料为例(如表1试片9)，在45度及90度的反射率平均值分别是47.7％及55％。如加入20Vol％的碳化钨颗粒于碳化铬基材(如表1中试片7)，不但其机械获得显著提升，而且仍能保持优异的反射率特性。在45度及90度的反射率平均值分别是43.7％及51％。此值较之一般常用的陶瓷块规材料(如氧化铝2.4％、氧化锆6.4％、氮化硅4.1％及碳化硅9.3％等的反射率超越甚多。因此，本发明的复合陶瓷块规适合以现有的光干涉法技术校正其尺寸误差。这是一般市售陶瓷质块规所无法达到的。实施例1-9

按表一和表二所示制备块规，其测试结果也列于表一和表二中。

以上是有关于本发明碳化铬复合陶瓷块规的说明。本领域的技术人员不难由以上的说明了解本发明的精神，并据以作出不同的变化与引伸。唯若不超出本发明的精神，均在其权利要求的范围之内。表一试片号烧结碳化钨烧结 45° 90°

温度含量时间反射率反射率

(℃) Vol.％ (Hrs.) (％) (％)1 1400 14 1 38.3 37.72 1400 14 2 38.3 463 1400 14 4 39.7 434 1500 25 1 38 455 1550 25 1 41 556 1600 25 1 40 487 1600 20 1 43.7 518 1500 0 1 46.7 589 1600 0 1 47.7 5510 1550 Al₂O₃ 1 2.4 5.311 1600 ZrO₂ 2 6.4 12.512 - Si₃N₄ - 4.1 5.213 - SiC - 9.3 14.114 - PTW S.S. - 48 59.7

块规表二

碳化钨含量烧结烧结硬度(Hmv) 抗折破裂韧性试片号温度时间强度

(vol％) (℃) (hr) (GPa) (MPa) (MPa·m^0.5)1 14 1400 2 18.17 804 5.22 14 1400 4 19.78 825 5.53 25 1700 1 23.15 809 6.84 20 1600 1 21.86 883 6.85 25 1550 1 21.22 874 7.06 25 1600 1 22.66 859 7.27 0 1500 1 18.57 574 4.58 0 1600 1 19.41 526 4.1

Claims

1、一种碳化钨与碳化铬的组合物，包含：碳化铬基材及5～35％(体积)的碳化钨。

2、如权利要求1所述的组合物，其中碳化钨的体积百分数为5～30％(体积)。

3、一种复合陶瓷块规的制法，包括：

在粒径在0.3～10.0μm的碳化铬基材粉体中加入粒径为0.1～15.0μm的体积百分比为5～35％的碳化钨粉末，并予充分混合；

在所得的粉体中加入去离子水，并予混合成为均质的浆料；

将所得的浆料去水干燥，加压成型；

将成型的固态组合物作热压处理，使之在还原气氛或真空下、在0～50MPa的压力及1400～1700℃的温度下烧结；及

将所得的组合物研磨至所需的尺寸。

4、如权利要求3所述的制法，其中碳化钨的体积百分数为5～30％(体积)。

5、一种复合陶瓷基块规，其中包含通过在还原气氛或真空下、在0～50MPa的压力及1400～1700℃的温度下烧结的碳化铬基材和5～35％(体积)的碳化钨强化相。

6、如权利要求5所述的块规，其中碳化钨强化相的体积百分比为5～30％。