CN1059416C - 氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料 - Google Patents

氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料。将纳米ZrO2(Y2O33%mol)陶瓷粉，通过添加一定量的石墨润滑剂和烧结助剂混料，经予压成型，在较低温度下快速烧结，可获得相对密度为97%的致密氧化锆-石墨复合陶瓷材料，制得的复合陶瓷材料具有较高的硬度，在水润滑下表现出良好的减摩和抗磨性能。

Description

氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料
本发明涉及一种氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料及其制备方法。
众所周知氧化锆(TZP)陶瓷是一种用途极为广泛的结构材料，在刀具、轴承、密封件、发动机部件以及生物体植入材料等领域均有较好的应用。但通常在无润滑状态下氧化锆陶瓷的摩擦系数和磨损率都比较高，因而阻碍了其优异性能的发挥。而通常的液体润滑、气体润滑、固体润滑和表面改性等技术很难同时满足以下三个条件：(1)可在高温、真空、腐蚀介质及重载等苛刻条件下使用；(2)易于补充或不需补充；(3)易于实施。
本发明旨在提供一种新型自润滑氧化锆-石墨复合陶瓷材料及其低温快速烧结方法。
本发明通过使用纳米二氧化锆粉，石墨润滑剂和适当的烧结助剂，在较低温度下热压烧成致密的氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷。
本发明使用的配方(wt％)为纳米二氧化锆90，石墨1～4，Bi2O3 5～8，Al2O3和SiO2 0.62～2。
本发明使用的配方中纳米二氧化锆粉为用3％mol氧化钇做结构稳定剂的四方相二氧化锆[ZrO2(Y2O3 3％mol)]，是基体相成分，其粒度为10nm；石墨为润滑剂，其粒度为30μm；Bi2O3为烧结助剂；Al2O3和SiO2为晶粒生长抑制剂。Bi2O3，Al2O3和SiO2均为分析纯试剂。
本发明的制备方法包括粉料在一定配比下的混合、冷压成型及生坯的热压烧结等步骤，其特征在于：
1.将粉料在一定配比下均匀混和。
2.对上述均匀混和的粉料进行冷压成型制得生坯。成
型时使用不锈钢模具，双向加压，比压为400-500MPa，
保压时间为1-3分钟。
3.对获得的生坯，用中频电炉热压烧结。使用强化石
墨模具，烧结温度控制在1300℃-1350℃，保温时间为
15-30分钟，实行双向加压，比压为10-20MPa。
按照本发明方法制得的氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料，其密度为理论密度的97％，显微硬度(Hv)为1500Kg/mm2。其结果和中国专利(95102998.3)的四方氧化锆陶瓷(TZP)的性质相似，但本发明拥有极佳的摩擦学性能。
通过上述方法制得的氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料在水润滑条件下与GCr15对摩时，经过跑合期之后具有极低的稳定摩擦系数值(μTZP-Gr.)，见表1。做为对比同表还列出了TZP陶瓷在相同条件下的摩擦系数值(μTZP)。表2列出了水润滑下在不同载荷TZP和TZP-Gr.磨损率的比较。表1和表2表明用本发明方法制成的氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料在水润滑下表现出良好的减摩和抗磨特性。
    表一、摩擦系数随载荷的变化
  载荷  20N   40N   60N   100N
  μTZP-Gr.μTZP  0.06  0.05  0.05  0.040.23  0.26  0.33  0.33
     表二、在不同载荷下TZP和TZP-Gr.磨损率的比较
磨损率(mm3/m)   2N          20N       40N       100N
  TZP-Gr.TZP ≌0        4.80E-07   3.30E-06   2.30E-051.30E-07   1.10E-06   1.30E-05   3.70E-05
为了更好的理解本说明，现举例说明如下：实例1：将纳米二氧化锆粉与石墨，Bi2O3，Al2O3和SiO2以90∶3∶6∶1的重量比混和，在不锈钢模具中经500MPa双向加压，保压1min制成生坯。对该生坯在1350℃进行热压烧结，保温时间为15min，实行双向加压，比压为10MPa，可制成相对密度为97％的致密氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷。实例2：将纳米二氧化锆粉与石墨，Bi2O3，Al2O3和SiO2以90∶2∶6∶2的重量比混和，在不锈钢模具中经400MPa双向加压，保压2min制成生坯。对该生坯在1350℃进行热压烧结，保温时间为25min，实行双向加压，比压为10MPa，可制成相对密度为97％的致密氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷。实例3：如实例1所述氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷，在20N，0.1m/s及水润滑的条件下与GCr15钢球对摩时的摩擦系数可降低至0.06，磨损率为4.80E-7mm3/m。实例4：如实例2所述氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷，在40N，0.1m/s及水润滑的条件下与GCr15钢球对摩时的摩擦系数可降低至0.05，磨损率为3.30E-6mm3/m。

Claims (4)

1.一种氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料，选用重量百分含量配方为纳米ZrO2 90，石墨润滑剂1-4，烧结助剂Bi2O35-8，晶粒生长抑制剂Al2O3和SiO2 0.62-2；其中二氧化锆陶瓷粉为用3％mol氧化钇做结构稳定剂的四方相二氧化锆，其粒度为10nm。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于石墨的粒度为30μm。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于石墨Bi2O3，Al2O3和SiO2均为分析纯试剂。
4.如权利要求1所说的氧化锆-石墨自润滑复合陶瓷材料的绕结方法，包括粉料在一定配比的混合、冷压成型及生坯的热压烧结步骤，其特征在于：
(1)选用重量百分含量配方为纳米ZrO2 90，石墨润滑剂1-4，烧结助剂Bi2O3 5-8，晶粒生长抑制剂Al2O3和SiO20.62-2；其中二氧化锆陶瓷粉为用3％mol氧化钇做结构稳定剂的四方相二氧化锆，其粒度为10nm；
(2)使用不锈钢模具，双向加压，在比压为400-500Mpa，保压时间为1-3分钟条件下预压成型；
(3)使用强化石墨模具，在1300-1350℃，保压时间15-30分钟，实行双向加压，比压为10-20Mpa的操作条件下进行烧结。
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