CN1090563A - 氧化锆基微晶复相陶瓷 - Google Patents

Abstract

一种氧化锆基微晶复相陶瓷材料，以氧化锆、氧 化镁、氧化铝、稀土氧化物为原料，通过配料制粉等静 压成型，烧成及热处理制成高强度、高韧性陶瓷材 料。该陶瓷可广泛用于制备大尺寸部件或900～ 1100℃高温下工作的耐热、耐磨及耐腐蚀部件。

Description

本发明属于陶瓷。

部分稳定氧化锆陶瓷（PSZ）具有高强度、高断裂韧性和良好的耐磨性，已有20来年的研究与应用历史了。作为部分稳定氧化锆的稳定剂有MgO、CaO、Y₂O₃以及一些稀土氧化物，其中典型的是MgO部分稳定氧化锆的制备方法〔US4279655〕和CaO部分稳定氧锆的制备方法〔Australian pat，Appl.No.85680/1979〕。关于该类材料也有详细报导〔“Science and Technology of Zriconia”，《Advances in Ceramics》，Vo1.3（1981）和Vo1.11（1984）〕。这类陶瓷的突出问题是其立方氧化锆晶粒较大（50～100μm）。因此，尽管在立方晶粒中存在着起强化作用的四方氧化锆（t-ZrO₂）析出体，其强度仍低于细晶的四方氧化锆陶瓷（TZP）〔M.Matsui et al.，J.A.C.S.，57，427（1982）〕。导致PSZ陶瓷粗晶结构的主要原因是在较低的稳定剂含量（如8～10mol%MgO和CaO）时，该材料必须在高达1700～1800℃的立方氧化锆单相固溶区烧结，另外，在高于1400℃缓冷过程中，由于析出体过分长大，失稳，可能导致瓷体开裂，瓷体的热稳定性较差。有的发明者从改善Y-TZP在200～500℃水汽环境下表面失稳，性能老化现象出发，获得了一种具有优良力学性能和热稳定性的细晶PSZ陶瓷（晶粒尺寸约1～15μm），但其起始原料仅限于采用化学共沉淀或喷雾分解制备的超细Y-TZP粉料，而采用传统的Mg-PSZ粉料未能实现细晶结构，所以其推广应用有存在一定的局限性。〔DE 3415803〕

本发明的目的是提供一种化学配比和工艺，显著降低PSZ陶瓷的烧成温度，使结构细晶化，工艺敏感性降低，改善材料的高温强度、高温稳定性（＞800℃）和抗热震性。

本发明采用PSZ适用的工业ZrO₂或液相法超细ZrO₂为主原料，其化学组成配方为：

ZrO₂72～88mol%

MgO    11.5～24mol%

α～Al₂O₃1.9～8.3mol%

Y₂O₃0.1～1.5mol%

采用粗颗粒（＞1μm）工业ZrO₂为主料时，将各种原料按上述配比称量，置于尼龙球磨罐中，磨球为PSZ质或α-Al₂O₃质，球磨介质为乙醇，料∶球∶乙醇＝1∶2∶1，混磨4～24小时。将球磨后的料在80～150℃下干燥，然后在炉中经600～850℃煅烧1～4小时。煅烧后的料再球磨4～12小时，球磨条件同第一次混磨。将球磨后的料在80～150℃下干燥，过40～120目筛，过筛料在50～80MPa等静压造粒，在150～300MPa压力下等静压成型。成型体在炉中于1500～1700℃、MgO气氛下烧成0.5～6小时。然后将烧成体在1000～1400℃、MgO或α-Al₂O₃埋料或空气中热处理0.5～40小时;或采用ZrOCl₂·8H₂O为主原料，按配比配入轻质MgO和Y₂O₃制成水溶液，经化学共沉淀和α-Al₂O₃包裹法制成超细粉料，其它工艺同采用粗颗粒工业ZrO₂为主原料相同，制成本发明的陶瓷。

本发明与已有技术相比，具有烧成温度范围宽，在本发明配方范围内，可在1500～1700℃烧成。晶粒尺寸在1μm以下，且晶粒内部具有PSZ结构，晶界均匀分布有尖晶石晶粒。常温断裂强度σ_f＝650～770MPa，断裂韧性K_IC=9～17MPa $\sqrt{m}$ 。高温强度，在1000℃时为360～490MPa。不存在200～500℃湿热环境下表面失稳和性能老化现象。工业ZrO₂和液相法超细ZrO₂原料均可适用，有利于降低成本。

实例一

采用粗颗粒工业ZrO₂为原料，按组成 16.2mol%MgO+78.3mol%ZrO₂+0.9mol%Y₂O₃+4.5mol%Al₂O₃配料，经球磨混合（PSZ磨球，乙醇介质）8小时，在80℃条件下干燥，将干燥的粉料在800℃下煅烧2小时，煅烧料再次以4小时球磨，80℃干燥，等静压造粒后在200MPa压力下等静压成型，然后将成型体在1700℃含有MgO气氛中烧成4小时，然后将烧成件在MgO埋料中于1100℃热处理12小时。该材料晶粒尺寸约0.5μm，晶界存在均匀分布的尖晶石晶粒（0.3～0.6μm）和原位生长尖晶石晶须，常温强度670～740MPa，K_IC=9～13MPa $\sqrt{m}$ ，1000℃时断裂强度415MPa。经350℃湿氮气氛中处理96小时，物相组成无变化。

实例二

将例一中的成型坯体在1585℃下烧成2.5小时，然后在1100℃MgO埋料中处理8小时，瓷体的显微结构类似例一，常温强度为610～682MPa，1000℃时断裂强度为415MPa。

实例三

以ZrOCl₂·8H₂O，轻质MgO和Y₂O₃为原料，经共沉淀制得包裹有α-Al₂O₃颗粒的（Mg，Y）-Zr（OH）₄凝胶，经干燥后在800℃煅烧1小时，得到组成同例一的混合粉体，按例一的方法造粒成型，将坯体在1550℃下烧成2小时，然后在1100℃热处理约24小时，瓷体的晶粒尺寸约0.3μm，常温断裂强度为760MPa，韧性为17MPa $\sqrt{m}$ 。在1100℃MgO原料中处理至40小时，单斜ZrO₂相含量＜10vol%。

以上三例的强度和韧性测试均采用三点弯曲法。

Claims (3)

1、一种陶瓷材料，采用ZrO₂、MgO、Y₂O₃、Al₂O₃为原料，本发明的特征在于配方组成为：ZrO₂、72～88mol%；MgO，11.5～24mol%；α-Al₂O₃，1.9～8.3mol%；Y₂O₃，0.1～1.5mol%。

2、一种权利要求1所述陶瓷材料的制备工艺，其特征在于将权利要求1所述的组成配料（其中ZrO₂为粗颗粒工业ZrO₂原料），置于尼龙质球磨罐中，磨球为PSZ质或α-Al₂O₃质，球磨介质为乙醇，料∶球∶乙醇＝1∶2∶1，混磨4～24小时，球磨后的料经80～150℃干燥，干燥后的料在炉中经600～850℃煅烧1～4小时，再球磨4～12小时，球磨条件同第一次混磨，球磨后的粉料再经80～150℃干燥，过40～120目筛，在50～80MPa下等静压造粒，在150～300MPa下等静压成型，成型体在炉中经1500～1700℃、MgO气氛下烧成0.5～6小时，再将烧成瓷体于1000～1400℃、MgO或α-Al₂O₃埋料中或空气中热处理0.5～40小时，制成本发明的陶瓷。

3、根据权利要求2所述的制备工艺，其特征在于采用ZrOCl₂·8H₂O，MgO和Y₂O₃为主原料，经化学共沉淀方法制备成本发明配方组成的超细粉料，再按权利要求2所述的工艺条件制成本发明的陶瓷。