CN1081175C - 耐磨性氧化铝陶瓷及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种低成本的具有优异耐磨性能的氧化铝陶瓷，所述的氧化铝陶瓷可在低温下烧结，且特性不匀小。本发明以Al2O388-95%(重量)为氧化铝陶瓷的主要成分，再添加由SiO2 72-85%(重量)、MgO3-25%(重量)、CaO3-25%(重量)组成的辅助成分，使其中的各成分在氧化铝陶瓷的总量中所占的量为SiO2 3.6-10%(重量)、MgO 0.2-2.5%(重量)、CaO 0.2-2.5%(重量)，上述成分的总量占氧化铝陶瓷的总量为5-l2%(重量)；同时，将不可避免的杂质含量控制在0.5%(重量)以下，另外，陶瓷缺陷率控制在5%以下。

Description

耐磨性氧化铝陶瓷及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种耐磨性氧化铝陶瓷，特别是，本发明涉及一种可用于耐磨性部件材料的耐磨性氧化铝陶瓷及其制造方法。
已有技术
近年来，人们已经注意到陶瓷的耐磨性及耐腐蚀性能比金属材料优异，陶瓷材料正在取代已有的金属被用作为耐磨性部件材料。作为这种陶瓷，通常已知有氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅等。其中，以硬度大、具有优异的耐腐蚀性且价廉的氧化铝为主体的氧化铝陶瓷被广泛使用着。一般来说，氧化铝陶瓷如仅由氧化铝单体构成，则其烧结性能差，生产性差，因此，一般须添加如烧结助剂或其它添加剂后进行焙烧。
发明欲解决的课题
然而，以往的氧化铝陶瓷存在的问题是：由于添加了大量的添加剂，氧化铝陶瓷中Al2O3的含量达90-95％(重量)，由此在氧化铝晶界上生成大量的除氧化铝结晶以外的次生相及玻璃相，得不到氧化铝本来的硬度及强度，且得不到充分的耐磨性。
为了解决这个问题，在特开平7-206514号公报上提出了这样一种氧化铝陶瓷，该氧化铝陶瓷含有Al2O3 95-98％(重量)为主要成分，再添加由SiO240-85％(重量)、MgO 10-55％(重量)、CaO 5-50％(重量)组成的烧结助剂2-5％(重量)；此外，在特开平7-237961号公报上提出了一种以Al2O3达90-95％(重量)为主要成分，再添加SiO2 3.0-5.0％(重量)、MgO 1.0-1.5％(重量)及B2O3 0.5-3.5％(重量)所形成的氧化铝陶瓷。
在特开平7-206514号公报上提出的氧化铝陶瓷存在的问题是：该氧化铝陶瓷可由减少烧结助剂的添加量提高其耐磨性能；但是，由于其中氧化铝的含量越大，其烧结性能越低，因此，必须在高温下进行焙烧，而且，在该焙烧温度下的结晶的粒度分布易变宽，容易导致耐磨性的降低。另外，在将该氧化铝陶瓷用于粉碎用磨球时，可以看到，其空磨的磨耗，即，在球磨机中仅放入粉碎用磨球和水，使之旋转时的耐磨性显示出优异的性能。然而，在对如氧化铝等的粉体进行粉碎时的实际磨耗中，其耐磨性能尚未能充分满足。
又，在特开平7-237961号公报上提出的氧化铝陶瓷显示了与含有Al2O3达90-95％(重量)的以往的氧化铝陶瓷相同程度的优异的耐磨性，但其缺陷是：为抑制晶粒长大及降低焙烧温度而添加的B2O3在1000℃下仍显示了相当的蒸汽压；由于在焙烧中易蒸发，所述的氧化铝陶瓷的组份易发生变动，这样，必然使其特性不稳定；另外，由于B2O3的蒸发，在陶瓷内部产生孔洞，导致耐磨性能低下。
因此，本发明的目的是，提供一种低成本的具有优异耐磨性能的氧化铝陶瓷，所述的氧化铝陶瓷可在低温下烧结，且其特性不稳定性小。
解决课题的手段
本发明为达到上述目的的手段是：提供一种耐磨性氧化铝陶瓷，所述氧化铝陶瓷由Al2O3 88％(重量)以上，95％(重量)以下、辅助成分5-12％(重量)及杂质0.5％(重量)以下组成；所述辅助成分由SiO2 72-85％(重量)、MgO3-25％(重量)、CaO 3-25％(重量)组成；所述辅助成分中的各个成分对所述陶瓷整体所占重量百分比分别为SiO2 3.6-10％(重量)，MgO 0.2-2.5％(重量)，CaO 0.2-2.5％(重量)，所述陶瓷缺陷率在5％以下。
在本发明的说明书中，陶瓷的缺陷率是指：使用平面磨床按下述条件对陶瓷进行粗磨(削)加工之后，再作研磨加工，抛光成镜面，将经过镜面抛光的陶瓷面(以下称为镜面抛光面)在具有所定的放大倍率(通常为500倍)的扫描电子显微镜下作图像摄影，图像分析该摄影图像，由二元化将该摄影图像分离为缺陷部分和非缺陷部分，该缺陷部分占整个图像的面积的比例(即，面积比率)即指缺陷率。所述缺陷部分的缺陷不仅包含气孔，也包括在作烧结体的粗磨及研磨、抛光加工时发生脱粒后、及不对烧结体的体积密度值产生影响的水平面的缺陷。
上述的镜面抛光使用平面磨床和树脂结合剂型的金刚石砂轮按下述进行。首先，在140号粒度的金刚石砂轮上，取砂轮的周向速度为1500米/秒，切入深度为8μm，非磨削物的陶瓷(以下称为工件)的左右送给速度(以下称为工件送给)为17米/秒，磨削约80μm之后停止切入，来回转动5次。接着，换用400号粒度的金刚石砂轮，在砂轮的周向速度为1500米/秒，切入深度为5μm，工件送给为13米/秒的条件下，磨削约50μm之后停止切入，来回转动砂轮10次。再换用600号粒度的金刚石砂轮，在砂轮的周向速度为1500米/秒，切入深度为2μm，工件送给为10/秒的条件下，磨削约20-30μm之后停止切入，来回转动砂轮15次。其后，以2.6kgf/cm2压力将嵌埋有40μm的金刚石磨粒的金刚石带加压于已作磨削加工的陶瓷的磨削表面，作3分钟的研磨；再以2.6kgf/cm2压力将嵌埋有6μm的金刚石磨粒的金刚石带加压，作5分钟的研磨；再以2.6kgf/cm2压力将嵌埋有3μm的金刚石磨粒的金刚石带加压，作15分钟的研磨；最后，以1.3kgf/cm2压力将嵌埋有1μm的金刚石磨粒的金刚石带加压，作5分钟的研磨。
即，本发明的耐磨性氧化铝陶瓷的特征在于：所述的氧化铝陶瓷由Al2O3 88％(重量)以上、95％(重量)以下、SiO2 3.6-10％(重量)、MgO 0.2-2.5％(重量)、CaO 0.2-2.5％(重量)，残量实质上为无法避免的杂质组成；上述SiO2、MgO及CaO的含量之和为5-12％(重量)；设上述SiO2、MgO及CaO的含量之和为100计，则各成分的比例分别为SiO2 72-85％(重量)、MgO 3-25％(重量)、CaO 3-25％(重量)，上述不可避免的杂质含量在0.5％(重量)以下，缺陷率在5％以下。
作为上述主要成分的Al2O3的含量以90-94.5％(重量)的范围更好。又，作为上述辅助成分的含量以SiO2 5-10％(重量)、MgO 0.4-1.5％(重量)、CaO 0.3-1.5％(重量)为好；上述各成分之和设为100时，各成分的比例分别为SiO2 73-84％(重量)、MgO 3.5-1％(重量)、CaO 4-15％(重量)的范围为更佳。
另外，在本发明中，为了在进一步提高上述氧化铝陶瓷的强度及韧性的同时，使其细微组织更加均一，对每100重量份由上述成分组成的基本组合物添加ZrO2 0.01-15重量份，较好的是0.05-10重量份，更好的是0.1-8重量份。
另外，本发明提供了一种耐磨性氧化铝陶瓷的制造方法，其特征在于，以所定的比例配合原料粉末，将该混合物作微粉碎至平均粒径为0.5-1.0μm的粉末后，将所得的微粉末(模压)定形成所需的形状，得到体积密度为1.90-2.10g/cm3的成型体，焙烧该成型体。此时，粉碎后的微粉末的比表面积以8-15m2/g为宜，又，成型体的焙烧温度以1350-1600℃为佳。
上述不可避免的杂质的含量设为0.5％(重量)以下，但是，其中最好是将Na2O及K2O等的碱金属氧化物的含量设为0.45％(重量)以下，较好的是0.4％(重量)以下；又，TiO2的含量设为0.2％(重量)以下，较好的是在0.15％(重量)以下。
另外，所述的缺陷率对陶瓷的耐磨性能产生很大的影响，因此，镜面抛光面上的缺陷率最好控制在5％以下。这是因为，缺陷比例超过5％，则这些缺陷即成为磨耗的起点，加快磨耗，导致耐磨性能的下降，同时，也导致抗冲击强度的低下，故不理想。较好的缺陷率为3％以下，更理想的是在2％以下。
发明的实施形态
如前所述，本发明的耐磨性氧化铝陶瓷是按如前所述的比例配合原料，粉碎混合物至其平均粒径在1.0μm以下、其比表面积在8m2/g以上，更具体地，配制其平均粒径在0.5-1.0μm、其比表面积在8-15m2/g的原料粉末，烧结成型所得的原料粉末至所定的形状，得到体积密度为1.90-2.10g/cm3的成型体，在1350-1600℃的温度下焙烧该成型体而加以制得的。具体的制造方法如下。
(1)首先，按上述的组份比将构成氧化铝陶瓷的各组成元素的化合物进行配制，必要时添加ZrO2原料，在水或有机溶剂中，采用湿法，使用如球磨机、辗磨机等的已知的粉碎机进行粉碎、混合、分散，配制原料粉末。
作为主要成分的氧化铝原料，其纯度为99.7％(重量)，比表面积为2m2/g以上，平均粒径在3.0μm以下，较好的是平均粒径在0.5-3.0μm。另外，该氧化铝原料可由明矾法等制得，但最好是使用拜耳法制得的氧化铝原料，该原料可廉价地制得。
作为辅助成分中的MgO及CaO的原料，可使用氧化物、氢氧化物、碳酸盐等的盐类，但最好是使用其平均粒径在3.0μm以下，较好的是平均粒径在0.5-3.0μm的盐类。又，作为SiO2原料，可以使用硅石、石英、硅溶胶、硅酸四乙酯等，也可使用将Y2O3等的稀土类元素作为稳定剂固溶于加高岭土等的粘土矿物或ZrO2中的正方晶系锆。作为该ZrO2的原料，使用其平均粒径为1.0μm以下，较好的是使用其平均粒径在0.5-1.0μm的、其比表面积在5m2/g以上、较好的是在5-16m2/g以上的原料。在使用固溶有Y2O3等的稳定剂的正方晶系锆作为原料时，可由应力诱导相变效果而提高其韧性。
在上述氧化铝陶瓷的原料中，通常含有不可避免的杂质，例如，Fe2O3、Na2O、K2O及TiO2等，但是，由于不可避免的杂质中碱金属氧化物及TiO2或是生成次生相，或是导致异常粒子的形成，所以，应使用其不可避免的杂质含量尽可能少的原料，特别是，由于Na2O和K2O容易和SiO2等形成玻璃相，应选用碱金属氧化物的含量在0.45％(重量)以下的原料，又，由于TiO2或是促进结晶成长，或是成为异常晶粒长大的原因，所以，应选择其含量为0.2％(重量)以下，更好的是选择0.15％(重量)以下的原料。
粉碎、混合及分散在水或有机溶剂中以湿法进行，这时，泥浆的粘性以50-1500cps为佳。粘性高时，最好适当添加如丙烯酸钠、多羧酸盐等的分散剂，调配粘性。由粉碎所得的粉体的平均粒径在1.0μm以下，比表面积在5m2/g以上，更具体的是将粉体粉碎至其平均粒径在0.5-1.0μm，其比表面积在8-15m2/g以上。欲进行这样粒度的粉碎，可使用如球磨机，用20mm直径的氧化铝制磨球粉碎96个小时而进行。
(2)对如上所得的泥浆干燥和造粒，得到造粒的粉末。干燥方法可根据所使用的成型方法而选用，通常，在使用模压或CIP(各向同性冷轧压)法成型时，采用喷雾干燥；又在浇铸成型及转动造粒成型的场合或采用挤压成型及注射成型的场合，最好选用干燥器干燥。
重要的是，造粒的粉体即使在其后续工序的成型中的低压力下也能压碎，压碎性差的造粒粉体与烧结体所含的缺陷量的增加有关。压碎性良好的造粒粉体可由适当选择添加于泥浆的粘合剂的种类、量及喷雾干燥器处理时的各种条件而得到。另外，作为粘合剂可使用如聚乙烯醇(PVA)、丙烯酸树脂、石蜡乳剂等以往所使用的任一种粘合剂；另外，作为分散剂，以使用丙烯酸钠、多羧酸盐等为好。
例如，在使用喷雾干燥器干燥的场合，对在前述工序中粉碎了的泥浆，可将对其固体成分(原料粉末)为1-5％(重量)的粘合剂添加其中。在添加粘合剂时，当该粘合剂的粘性达500cps以上时，可添加分散剂将其粘性调节至500cps以下。所得的泥浆用喷雾干燥器在150-250℃的温度下喷雾干燥，造粒。该成型用的粉体通常配制成含水率为0.2-2％，粒径为40-100μm的范围。其次，使用该粉体，根据制造陶瓷通常所用的方法，由模压、CIP等的方法，在500-20000kgf/cm2的成型压力下制得设定的形状。
又，在由转动造粒、浇铸成型、挤压成型、注射成型等的成型方法成型时，也可省略喷雾干燥工序，直接用泥浆，或仅仅用干燥成型用的原料粉体。例如，在使用浇铸成型法作为成型方法时，使用丙烯酸钠、聚羧酸盐等的分散剂，将粉碎了的泥浆的粘度调制成150cps以下，用石膏模成型。
在使用转动造粒成型作为成型方法时，将粘合剂加入粉碎的泥浆中，由干燥器在80-120℃下干燥，在雾化器之类的粉碎机中加以粉碎干燥粉体，通过40-80目网眼的筛子，得到筛下的粉体，该粉体直接用于转动造粒成型。
在使用挤压成型或注射成型作为成型方法时，在干燥器中，80-120℃下干燥粉碎的泥浆，在雾化器之类的粉碎机中粉碎干燥粉体，通过40-80目网眼的筛子，得到筛下的粉体，于此粉体中，在挤压成型的场合加入3-1 0％的粘合剂用混和机进行混合，在注射成型的场合，加入15-30％的粘合剂用混和机进行混合，调制成成型用的坯土，进行挤压成型或注射成型。
尽管如上所述的成型方法各有不同，但是，所得的成型体的体积密度都须在1.90g/cm3以上，更好的是在1.95g/cm3以上。当所得的成型体的体积密度不到1.90g/cm3时，则所得的烧结体中的缺陷增加，因此不理想。
在1350-1600℃，更好的是在1400-1550℃的温度下焙烧如上所得到的成型体，由此得到目的产品的耐磨性氧化铝陶瓷。
本发明有关的耐磨性氧化铝陶瓷的组份限于如上所述的范围内的理由如下。即，Al2O3的含量应为88％(重量)以上、95％(重量)以下，当Al2O3的含量不到88％(重量)时，则在烧结体内部生成的玻璃相及次生相的量增多，导致烧结体的强度、硬度低下，且其抗冲击性及耐磨性能也降低，因而不理想；又，当Al2O3的含量在95％(重量)以上时，则不仅在烧结体内部生成的玻璃相过少，导致烧结性能低下，且伴随着焙烧温度的上升，在氧化铝的晶界上易生成玻璃相的偏析，成为异常晶粒长大的原因，使其硬度、韧性及强度低下，因而也不理想。
又，作为上述辅助成分的SiO2、MgO及CaO是作为烧结助剂添加的，这些辅助成分主要以玻璃相存在于氧化铝晶界上，抑制了其晶粒的成长，提高了体积密度和抑制了内部缺陷率，提高了耐磨性能。将各个辅助成分的含量限于上述范围之内是基于如下所述的理由。
即，SiO2、MgO及CaO的含量分别为SiO2 3.6-10％(重量)、MgO 0.2-2.5％(重量)、CaO 0.2-2.5％(重量)的范围时，则不仅它们与Al2O3结晶的热膨胀差及润湿性能适当，晶体粒径及分布的控制容易，而且，氧化铝晶界强度及韧性提高，抗冲击性及耐磨性提高。然而，当SiO2、MgO及CaO的三者中之一的含量超出上述范围，则除了氧化铝晶界强度降低，生成次生相粒子，及因与其它材料的冲击和摩擦导致结晶粒径的脱落、韧性低下之外，还有晶体在焙烧阶段变大，易发生异常晶粒的(过度)长大，必然地导致晶体粒径缺乏均一性，使抗冲击性及耐磨性下降，所以取上述的范围。
具体地，当SiO2的含量不到3.6％(重量)时，氧化铝陶瓷的烧结性低下；又，当SiO2的含量超过10％(重量)时，引起氧化铝陶瓷的晶界强度低下，故取上述之值。另外，当MgO的含量不到0.2％(重量)时，氧化铝陶瓷的晶体粒径缺乏均一性；当MgO的含量大于2.5％(重量)时，则析出次生相，所以取MgO的含量为0.2-2.5％(重量)。再有，当CaO的含量不到0.2％(重量)时，氧化铝陶瓷的烧结性低下；而当其含量超过2.5％(重量)时，则又导致氧化铝陶瓷的烧结性的低下和异常晶粒的成长，因此取CaO的含量为0.2-2.5％(重量)。
另外，SiO2、MgO及CaO的含量之和，即，辅助成分的含量取为5-12％(重量)，这是因为：当上述成分含量之和不到5％(重量)时，存在于氧化铝晶界的玻璃相的量减少使玻璃相的存在不均匀，产生烧结性的下降和晶体的异常晶粒的长大，导致氧化铝陶瓷的抗冲击性及耐磨性能的低下，所以，不宜使用。另一方面，当辅助成分的含量超过12％(重量)，则玻璃相生成过多，导致氧化铝陶瓷的硬度、韧性及强度低下，降低氧化铝陶瓷的抗冲击性及耐磨性能，所以取上述范围。
再有，设定上述SiO2、MgO及CaO的含量之和为100时，各成分的比例分别为SiO2 72-85％(重量)、MgO 3-25％(重量)、CaO 3-25％(重量)的理由如下。即，当辅助成分中SiO2的含量不到72％(重量)时，氧化铝陶瓷的烧结性低下；又，当辅助成分中SiO2的含量超过85％(重量)时，玻璃相的量增加，所以取上述范围。另外，当MgO的含量不到3％(重量)时，氧化铝陶瓷的晶体粒径缺乏均一性；当MgO的含量超过25％(重量)时，则析出次生相，所以取MgO在辅助成分中的含量为上述范围。再有，当辅助成分中CaO的含量不到3％(重量)时，氧化铝陶瓷的烧结性低下；而当其含量超过25％(重量)时，则不光导致氧化铝陶瓷的烧结性的低下，且易使晶体成长，所以，取其含量为上述范围。
本发明的耐磨性氧化铝陶瓷针对100重量份的上述成分组成的基本组合物添加0.01-15重量份的ZrO2，由此，可进一步提高强度和韧性，同时，使氧化铝晶界的玻璃相作均一的分散；而且，也可缩小晶体粒径的分布，使烧结体的组织均匀。该ZrO2的添加量取为上述范围是因为：当其添加量对每100重量份由上述成分组成的基本组合物不到0.01重量份时，则不能得到充分的效果，如果该添加量超过15重量份，则又导致硬度的低下，特别是，在使用未添加稳定剂的ZrO2粉体时，烧结体中易存在单斜晶系锆，会发生微裂纹，使其耐磨性能和抗冲击性低下，因此，不理想。上述ZrO2的添加量以对于每100重量份的上述基本组份为0.01-15重量份，较好的是0.05-10重量份，更好的是0.1-8重量份。
此时，添加的ZrO2原料最好使用其平均粒径在1.0μm以下的原料。这是因为，当ZrO2原料的平均粒径超过1.0μm，则烧结体中易存在单斜晶系锆，会发生微裂纹，使其耐磨性能和抗冲击性低下，因此，不理想。又，作为ZrO2原料也可使用固溶有稀土类元素氧化物等的稳定剂的原料。此时，含有稀土类元素氧化物，例如，含有Y2O3为稳定剂的ZrO2原料，最好是使用Y2O3的含量在5％(摩尔)以下的原料，由此，可由锆的应力诱导相变效果而提高韧性。
如前所述，根据本发明，以设定的比例对于主成分的Al2O3添加特定量的特定辅助成分，同时，抑制原料中所含有的不可避免的杂质的量，由此，可得到具有优异的耐磨性的氧化铝陶瓷，上述氧化铝陶瓷具有1.0-5.0μm的范围内的平均晶体粒径和，3.60g/cm3以上的体积密度，且，由气孔和磨光加工引起的脱粒等的缺陷较少，为5％以下。
另外，当烧结体的平均晶体粒径超过5μm时，则引起氧化铝陶瓷的硬度低下，耐磨性能降低，故不理想。该烧结体的平均晶体粒径最好在3μm以下，更好的是在2.5μm以下。又，在耐削性能不成问题的场合，考虑到其与耐磨性能的平衡，最好设定在5μm以下的范围。再有，当其最大粒径(累积容积为100％时的晶体粒径)超过10μm时，则晶体粒径分布变宽，硬度低下。其结果与耐磨性能的低下有关，不宜采用，故最好是使用最大粒径在10μm以下，更好的是8μm以下的烧结体。
又，体积密度取为3.60g/cm3以上，这是因为，当体积密度不到3.60g/cm3，则烧结度不够，同时，存在很多成为缺陷的孔洞，这不光引起强度、硬度及韧性的低下，且加速磨损，因此不理想。体积密度取3.65g/cm3以上为宜。
本发明的氧化铝陶瓷由于晶体粒径小，晶体緻密，缺陷少而具有优异的抗冲击性和耐磨性能。因此，比起以往的、Al2O3含量相同水准的烧结体来，本发明的氧化铝陶瓷强度高、硬度大，韧性好。本发明的氧化铝陶瓷的威氏硬度显示了负荷10kgf下的1100以上的高硬度。又，其弯曲强度显示了JIS1601规定的3点弯曲法下的40kgf/mm2以上的高强度。再有，本发明的氧化铝陶瓷在作成如粉碎用的磨球那样的球状时，将一个磨球体嵌于超硬合金板上，施加应力，测得抗压强度为25kgf/mm2以上。该抗压强度(σc)可从式：σc＝4×P/(π×D2)(kgf/mm2)得到。式中，P为破坏强度(kgf)，D为球体直径(mm)。
威氏硬度在不到1100时，使其耐磨性能下降，所以不理想。又弯曲强度不到40kgf/mm2或抗压强度不到25kgf/mm2时，会影响到降低抗冲击性和耐磨性能，也不理想。再有，破坏韧性在按JIS1607(IF法)规定的测试方法中为3.0MPa
Figure C9710243900101
以上。
实施例1
将各原料按表1、表2的组成进行掺合，得到烧结体，所得的各混合物用92％的氧化铝制球磨机(容量7.2立升)和20mm直径的92％氧化铝制粉碎球在浓度60％下作湿式粉碎48小时，得到含有如表3，表4所示的平均粒径、比表面积在8m2/g以上的微粉末的泥浆。对所得的泥浆加入聚乙烯醇水溶液3-5％(重量)，作为粘合剂，调节粘度为350cps，用维持在200℃的喷雾干燥器干燥，造粒，得到成型用粉体，在成型压力为1ton f/cm2(仅在20号及38号试样的成型压力为300kgf/cm2)，由CIP成型法将该成型用粉体成型为球状及板状。所得的成型体在1380-1600℃下焙烧，得到直径10mm的球体及50×50×4mm的板。球体经转筒抛光后，用作粉碎用球，板则经切断及磨削加工后用作JIS1601规定的弯曲强度测试用的试片。
作为氧化铝材料，关于1-21、24-39号试样，是分别使用了根据拜耳法制得的凝聚的二次粒径为45μm、比表面积为2.5m2/g的纯度为99.6％的低钠氧化铝原料、关于22号试样，是使用了平均粒径为1.0μm、比表面积为6m2/g的纯度为99.8％的活性氧化铝原料、关于23号试样，是使用了根据拜耳法制得的凝聚的二次粒径为55μm、比表面积为1.5m2/g的纯度为99.7％的低钠氧化铝原料。
另外，作为MgO及CaO的原料，使用纯度为99.5％的碳酸盐，作为SiO2的原料使用高岭土。作为ZrO2的原料，在5、8、10、15及25号试样中使用了其平均粒径在1.0μm，其比表面积在12m2/g、纯度为99.9％的二氧化锆，在13号试样中，使用了含有Y2O3 2.8％(摩尔)、平均粒径在0.5μm，其比表面积为18m2/g的二氧化锆。
使用得到的各个粉碎用的球，按如下所述的方法进行耐磨性试验。即，将粉碎用的球装入2升容量的氧化铝制(纯度92％)的球磨机中，至该球磨机的容积的一半，放入平均粒径25μm、比表面积为1.2m2/g的氧化铝原料粉体900g和水0.7升，在球磨机旋转速度为100rpm下粉碎24小时。从测试前后的球的重量差球求出相对于测试前的球重量的百分率，将其作为磨耗率。所得的结果与粉碎用的球的体积密度、晶体粒径、缺陷量、威氏硬度及弯曲强度，及成型体的体积密度、粉碎粉体的平均粒径及比表面积一起示于表3、表4。弯曲强度用由板加工而成的测试片测定。
                                                    表1
                  基本组合物     ZrO2添加量(重量份)
试样No. 主成分Al2O3(重量％)                                     副成分副成分(重量％)                                副成分组成                杂质(重量％)
(重量％)    SiO2    MgO    CaO  SiO2    MgO    CaO   Na2O＋K2O  TiO2  其它  总量(％)
  123456789101112131415161718   92.6991.7393.0691.5492.6989.7192.5591.3493.1693.7388.9792.3894.3090.5893.0490.2888.0292.25   6.847.856.518.006.849.857.008.206.355.8010.547.185.218.956.509.2511.507.26    5.046.045.386.645.047.125.926.894.834.617.705.384.116.465.367.328.665.13    0.400.670.771.000.402.380.250.730.920.700.411.480.671.490.790.881.411.41    1.401.140.360.361.400.350.830.580.600.492.430.320.431.000.351.051.430.72   73.677.082.783.073.672.284.584.076.179.473.174.978.872.282.479.275.370.6    5.98.511.812.55.924.23.68.914.512.13.920.612.916.712.29.512.319.5    20.514.55.54.520.53.611.97.19.48.523.14.58.311.15.411.312.49.9     0.350.320.300.340.350.330.340.340.330.330.320.310.360.350.330.340.380.36   0.070.060.070.060.070.060.060.050.090.080.100.070.090.070.060.050.050.05   0.050.040.060.060.050.050.050.070.070.060.070.060.040.050.070.080.070.08   0.470.420.430.460.470.440.450.460.490.470.490.440.490.470.460.470.500.49      000014.5005.400.5008.002.3000
                                             表2(续表1)
  192021222324252627282930313233343536373839   94.9892.3090.4496.5191.5693.3290.2888.0790.0787.6092.3988.8293.5790.0090.7791.5488.9187.1491.8991.5092.59   4.587.279.093.007.985.149.2511.439.4911.976.6310.736.009.578.767.7610.6612.377.518.056.95   3.305.897.502.536.404.337.329.26.699.804.987.745.006.807.646.577.7010.506.296.085.85   0.640.321.390.300.830.180.880.240.360.900.430.360.812.450.830.832.590.730.470.570.35   0.641.060.200.170.750.631.051.992.441.271.222.630.190.320.290.360.371.140.751.400.75   72.081.082.584.380.284.379.280.570.581.975.172.183.471.187.284.772.284.983.875.584.2   14.04.415.310.010.43.59.52.13.87.56.53.413.525.69.510.724.35.96.27.15.0   14.014.62.25.79.412.211.317.425.710.618.424.53.13.33.34.63.59.210.017.410.8     0.310.320.350.350.320.310.340.370.310.320.330.330.300.310.300.550.320.340.320.340.35  0.080.050.060.090.070.070.050.060.070.050.580.050.060.060.100.070.060.080.070.060.07   0.050.060.060.050.070.050.080.070.060.060.070.070.070.060.070.080.050.060.210.050.04   0.440.430.470.490.460.430.470.500.440.430.980.450.430.430.470.700.430.490.600.450.46     00000016.000000000000000
                                                   表3
  试样No.   平均粒径(μm)    成形体体积密度(g/cm3)  焙烧温度(℃)  体积密度(g/cm3)       晶体粒径(μm)   缺陷量(％)    HV   弯曲强度(kgF/mm2)    磨损率(％)
 平均值   最大值
   1   0.75    2.00    1520    3.70    2.3    4.8     0.9   1210      43    0.08
   2   0.81    2.02    1470    3.68    1.8    4.2     0.9   1200      44    0.05
   3   0.75    2.04    1450    3.69    1.2    2.8     0.5   1250      42    0.04
   4   0.90    2.10    1500    3.72    2.0    4.0     0.7   1210      41    0.05
   5   0.88    2.07    1450    3.79    1.3    2.5     0.6   1190      52    0.02
   6   0.76    2.06    1550    3.65    2.8    4.2     2.2   1180      41    0.09
   7   0.85    2.09    1460    3.68    1.7    4.3     1.2   1210      46    0.06
8 0.89 1.99 1380 3.73 1.2 2.5 1.0 1220 46 0.03
   9   0.75    2.03    1480    3.72    1.7    3.5     0.9   1210      45    0.05
   10   0.73    1.98    1470    3.72    1.9    3.7     0.6   1220      42    0.04
   11   0.77    2.02    1450    3.68    1.7    3.9     2.3   1180      40    0.09
   12   0.95    2.00    1500    3.70    2.1    3.9     2.9   1200      40    0.07
   13   0.70    2.04    1400    3.73    1.5    2.3     0.9   1190      48    0.02
   14   0.85    1.99    1500    3.70    1.9    3.8     1.5   1200      43    0.07
   15   0.87    2.03    1430    3.72    1.2    3.0     0.7   1200      44    0.03
   16   0.87    2.01    1490    3.70    2.1    4.2     1.7   1180      42    0.05
   17   0.92    2.01    1430    3.60    1.3    3.0     3.9   1130      40    0.08
   18   0.91    2.02    1480    3.65    2.2    4.8     7.2   1010      37    0.71
                                               表4(续表3)
   19     0.78     2.00     1530     3.70     2.4     7.5     6.0    1100     37   0.52
   20     0.70     1.75     1500     3.57     2.8     5.8     9.8    1080     32   0.75
   21     0.78     2.00     1460     3.65     2.7     5.2     6.0    1020     37   0.49
   22     0.80     1.92     1520     3.78     2.3     3.5     9.6    1350     45   0.21
   23     1.25     1.94     1470     3.53     1.1     3.2     12.0    980     35   3.1
   24     0.92     1.98     1480     3.68     2.2     7.8     8.5    1020     36   0.65
   25     0.76     2.04     1500     3.72     3.8     7.1     9.5    1040     32   1.7
   26     0.91     2.01     1500     3.67     2.8     7.0     6.8    1010     39   1.8
   27     0.75     2.00     1480     3.62     3.7     8.5     8.9    990     35   2.1
   28     0.81     2.09     1520     3.66     2.7     6.5     8.0    1000     38   1.0
29 0.98 1.99 1530 3.67 4.0 10.5 6.2 1000 35 3.5
   30     0.95     1.93     1470     3.65     3.6     7.2     8.7    1100     34   1.9
   31     0.82     1.98     1480     3.64     2.5     5.9     5.7    1010     37   0.88
   32     0.88     2.02     1500     3.63     2.7     6.2     7.8    1000     34   0.90
   33     0.80     2.01     1470     3.67     2.3     5.6     6.3    1070     35   0.47
   34     0.77     2.01     1470     3.66     1.8     3.5     8.0    1130     39   0.95
   35     0.80     1.92     1520     3.66     3.0     7.0     9.6    1000     33   2.0
   36     0.95     1.93     1480     3.63     2.2     6.9     6.8    1010     36   1.3
   37     0.84     1.96     1550     3.65     4.5     9.0     7.8    1000     35   3.9
   38     0.75     1.82     1550     3.60     4.3     8.9     8.5    1100     36   3.7
   39     1.34     2.01     1580     3.62     5.2     9.5     7.9    1010     33   4.3
在表1、表2中，ZrO2的添加量以对于由氧化铝、烧结助剂及不可避免的杂质组成的基本组合物100重量份的添加量(重量份)表示。又，在表1、表2及表3和表4中，试样1-17的烧结体是满足了本发明的条件的，但试样18-39为至少没有满足本发明所规定的条件之一的，落于本发明的范围之外的烧结体。
平均晶体粒径是在金刚石砂轮上将烧结体按140号-400号-600号的顺序进行磨削加工之后，再在金刚石砂轮上按40μm-6μm-3μm-1μm的顺序作研磨加工，抛光成镜面。对此，再作热蚀刻，接着在扫描电子显微镜上以视野内可观察100个以上的晶体的放大倍率作观察，然后照相摄影。由图像解析，从该摄影照片测定一个晶体的面积，换算为等价园直径(D)，以D×1.5为其晶体粒径，如此，测得100个晶体的晶体粒径。根据该值算出晶体的容积，以累积容积为50％时的晶体粒径为平均晶体粒径。
另外，烧结体的缺陷量如下求得。将供作测试的试样如同晶体粒径的测试时一样，进行镜面抛光。该镜面抛光的面直接在扫描电子显微镜下以500的比率进行观察，照相摄影，其照片由图像解析二元化，分为缺陷部分和非缺陷部分。求得缺陷部分所占面积率(％)，将此作为烧结体的缺陷量。不光是气孔，该缺陷也包括在对烧结体作如上所述的磨削及研磨抛光时所发生的脱粒后的缺陷，及未对烧结体的密度产生影响的水准面的缺陷。本发明的氧化铝陶瓷(试样1号)及本发明的范围外的氧化铝陶瓷(试样22号)的镜面抛光后的面，作扫描电子显微镜的照相摄影后，由图像解析二元化分为缺陷部分和非缺陷部分的图示于图1及图2。图中，黑色部分表示缺陷。
从表3、表4的结果可明白，本发明的氧化铝陶瓷制的粉碎用的球，显示了0.1以下的磨耗率和优秀的耐磨性能。另外，从图1及2所示的结果可以明白，本发明的氧化铝陶瓷的缺陷量极低，仅为0.5％，相比之下，试样22号的缺陷量极高，为9.6％。又，从试样38及39号的结果可以明白，其成分组成虽然落在本发明的范围内，但其缺陷量若多，则耐磨性能就低下，而且，该缺陷量受其制造过程中的粉碎后的平均粒径及成型体体积密度所左右。
从以上的说明可以明白，根据本发明，可以得到具有优异特性的耐磨性氧化铝陶瓷，所述的氧化铝陶瓷由于a)因为具有优异的强度、硬度、韧性及抗冲击性，其高负荷下的耐磨性能良好；b)由于在用作粉碎机用的部件时具有优异的耐磨性能，故极少有磨耗粉体混入被粉碎物中，而且，即使有微量磨耗粉末混入，由于磨耗粉末极其细微，很少会损坏被粉碎物的均匀性；c)其原料可以使用廉价的氧化铝。
从而，本发明的氧化铝陶瓷不光可用作粉碎、分散用的介质、粉碎机的内衬材料，容器、搅拌器等的粉碎机用构件，最适用于各种产业的耐磨构件。
附图的简单说明
图1所示为本发明的氧化铝陶瓷作镜面抛光面的二元化图像的说明图。
图2所示为在本发明范围外的氧化铝陶瓷作镜面抛光面的二元化图像的说明图。

Claims (5)

1.一种耐磨性氧化铝陶瓷，其特征在于，所述的氧化铝陶瓷由Al2O3 88％(重量)以上，95％(重量)以下、辅助成分5-12％(重量)及杂质0.5％(重量)以下组成；所述辅助成分由SiO2 72-85％(重量)、MgO 3-25％(重量)、CaO3-25％(重量)组成；所述辅助成分中的各个成分对所述陶瓷整体所占重量百分比分别为SiO2 3.6-10％(重量)，MgO 0.2-2.5％(重量)，CaO 0.2-2.5％(重量)，所述陶瓷缺陷率在5％以下。
2.如权利要求1所述的耐磨性氧化铝陶瓷，其特征在于，对于每100重量份由Al2O3 88％(重量)以上，95％(重量)以下、SiO2 3.6-10％(重量)、MgO0.2-2.5％(重量)、CaO 0.2-2.5％(重量)及其余的杂质组成的基本组成物，添加ZrO2 0.01-15重量份。
3.如权利要求1所述的耐磨性氧化铝陶瓷，其特征在于，作为上述杂质的碱金属氧化物的含量为0.4％(重量)以下，TiO2在0.2％(重量)以下。
4.如权利要求1-3之任一项所述的耐磨性氧化铝陶瓷，其特征在于，所述的氧化铝陶瓷的平均结晶粒径为1.0-5.0μm，体积密度为3.60g/cm3以上。
5.一种如权利要求1所述的氧化铝陶瓷的制造方法，其特征在于，以所定的比例配合原料粉末，将该混合物作微粉碎至平均粒径为0.5-1.0μm的粉末后，将所得的微粉末定形成所需的形状，得到体积密度为1.90-2.10g/cm3的成型体，焙烧该成型体。
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