CN1093072A - 刚玉陶瓷材料及其制法和用途 - Google Patents

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张金泉
杨庆伟
孟兆锁
张伟尘
张儒岭
赵孝保
姜兆岭
李加胜
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Abstract

本发明涉及一种刚玉陶瓷材料及其制法、用途。 刚玉陶瓷材料包括α-Al2O393—99％，着色剂0.5— 4％，外加剂0.5—5％。其制造工艺简单，烧成温度 低，产品作为钟表、仪表轴承材料，既降低了生产成 本，又提高了生产效率，分辨率高，成材率高，可以很 好地代替人工合成红宝石单晶材料。

Description

本发明属陶瓷领域，特别涉及一种刚玉陶瓷材料及其制法、用途。
传统的钟表、仪表轴承，主要采用人工合成的红宝石单晶材料制造。该材料主要由氧化铝和微量的红色剂组成，一般用焰熔法生产，熔化温度高，其直径大都在20mm以下，为具有方向性的梨状单晶，因此在轴承加工过程中，生产难度大，效率低，轴承加工前还需要进行退火，以减少内部应力，因而加工成材率低，且由于红宝石颜色浅，其加工成的轴承比较微小，所以分辨率低，影响了生产效率，从而使成本增加，成品价格昂贵。此外，用该材料做成的单晶轴承用于手表、钟表还受到出口限制，这是因为手表、钟表出口只允许有一颗单晶轴承。
本发明的目的在于提供一种刚玉陶瓷材料及其制法和用途，工艺烧成温度低，成品价格低廉，色泽鲜艳，可以作为钟表、仪表等精密仪器轴承用材料。
本发明的目的还在于提供的刚玉陶瓷材料作为精密仪器的轴承材料能简化轴承的加工工艺，降低加工成本，提高生产效率。
本发明的目的是通过如下方式来实现的：
刚玉陶瓷材料，主要成分为α-Al2O3，特征在于包括α-Al2O3，93-99重量百分数，着色剂0.5-4重量百分数，外加剂0.5-5重量百分数。
本发明的目的还可以通过如下方式来实现：
刚玉陶瓷材料的优选组成范围为：α-Al2O3，95-98%，着色剂0.5-1%，外加剂1-4%。
着色剂可以是蓝色剂、绿色剂、红色剂等，蓝色剂如氧化钴Co2O3、氧化钛TiO2、331色剂[Co2O3+Al2O3+SiO2+ZnO]，绿色剂如氧化镍Ni2O3，红色剂如氧化铬Cr2O3，根据实际需要而选用相应的着色剂。象Co2O3、TiO2、Ni2O3、Cr2O3等着色剂加入量可相对少，象合成色剂如331色剂加入量可相对多些。
外加剂包括稀土氧化物、滑石、氧化镁MgO，苏州土，稀土氧化物如氧化镧La2O3、氧化钇Y2O3、复合物氧化钐Sm2O3+氧化铕Eu2O3+氧化钆Gd2O3，外加剂可以从以上物质中选择一种或一种以上。外加剂作用在于生成晶界层或固熔体，抑制晶粒长大，降低烧成温度，增加强度和韧性，还可以调节颜色的程度。
制造以上所述的刚玉陶瓷材料的方法，可采用三种不同工艺：
第一种采用轧膜成型工艺。主要包括下列步骤：
（1）α-Al2O3超细粉碎
（2）配料混磨
（3）过筛烘干
（4）制粉
（5）加有机粘结剂混匀
（6）轧膜
（7）排剂
（8）烧成。
α-Al2O3经超细粉碎粒度＜2μm的达90%以上，按配比配料加入着色剂，外加剂混磨24小时，有机粘结剂可采用聚乙烯醇溶液，包括粉状聚乙烯醇20%，蒸馏水70%，无水乙醇10%，外加甘油2-3%，在粉料中加入量为40-60重量百分数，混匀陈腐12小时;轧膜厚度为0.4-1.0mm，排剂在室温-1200℃内逐步升温进行，烧成温度1580-1640℃。
第二种采用半干压成型工艺，主要包括如下步骤：
配料混磨、过筛烘干、加有机粘结剂制粉、压力成型、烧成。
α-Al2O3微粉、着色剂、外加剂、混磨20小时，过筛烘干，加有机粘结剂1-5%，采用喷雾法润湿然后粉碎造粒，在120Mpa压力下成型，成型厚度为1-5mm，然后在1580-1640℃内烧成，有机粘结剂采用浓度10%的阿拉伯树胶或浓度5%的聚乙烯醇溶液。
第三种采用压力注浆工艺，主要工艺流程为：配料混磨、过筛、抽真空、压力注浆、脱模、干燥、修坯、烧成。
压力注浆的压力为0.5个大气压，注浆液中含有机粘结剂，如纤维素，糊精等及蒸馏水。
本发明的刚玉陶瓷材料的用途，作为钟表、仪表等精密仪器的轴承材料，如一种钟表、仪表用蓝色陶瓷轴承材料，由93-99%的α-Al2O3，0.5-4%的蓝色剂，0.5-5%外加剂组成，蓝色剂如Co2O3、TiO2或331色剂，外加剂可以是La2O3、Y2O3、复合物[Sm2O3+Eu2O3+Gd2O3]、MgO、滑石、苏州土中的一种或多种。
本发明的优点：
1、制造工艺采用三种不同的成型方法，烧成温度低，成品晶粒分布均匀，断面细腻，易加工抛光，光泽度高，韧性高，成品为多晶刚玉陶瓷材料。
2、刚玉陶瓷材料，与单晶红宝石性能相近，其主要技术指标为：
抗折强度（Mpa）＞300
硬度（HV）＞1200kg/mm2
体积密度（g/cm3）＞3.6
气孔率（%）＜1.0
晶粒尺寸（μm）＜10
该材料适合做精密仪器的轴承，价格低，价格只有单晶红宝石的1/3-1/2。
3、用于钟表、仪表轴承材料，可根据轴承加工需求生产，简化了轴承加工工艺。
4、本发明的材料色泽鲜艳，加工过程中易分辨，成材率比单晶红宝石提高一倍左右，从而也使轴承加工成本降低，生产效率提高。
5、用本发明的材料制成的轴承，不再受出口限制。
下面结合实施例进一步说明本发明：
【实施例一】
重量百分组成：
α-Al2O397% Co2O32% La2O31%
采用轧膜成型工艺。
产品呈蓝色，主要技术指标：
抗折强度（Mpa）    310
硬度（HV） 1310kg/mm2
体积密度（g/cm3） 3.68
气孔率（%）    0.8%。
【实施例二】
重量百分组成：
α-Al2O393% 331色剂 4% Y2O31% MgO 0.5%
滑石1.5%
采用半干压成型工艺。
产品呈蓝色。
产品主要技术指标：
抗折强度（Mpa）    315
硬度（HV） 1290kg/mm2
体积密度（g/cm3） 3.66
气孔率（%）    0.9%
【实施例三】
重量百分组成：
α-Al2O398.5% Ni2O30.8%
Sm2O3+Eu2O3+Gd2O30.7%
采用高压注浆工艺。
产品呈绿色。
主要技术指标：
抗折强度（Mpa）    350
硬度（HV） 1300kg/mm2
体积密度（g/cm3） 3.75
气孔率（%）    0.9。
【实施例四】
α-Al2O395% Co2O31% 滑石 1% MgO 1%
苏州土    2%
采用轧膜成型工艺。
产品呈蓝色。
【实施例五】
α-Al2O398% Cr2O31% La2O31%
采用轧膜成型工艺。
产品呈淡红色。
【实施例六】
α-Al2O399% Co2O30.5% Y2O30.5%
采用轧膜成型工艺。
产品呈蓝色。

Claims (14)

1、一种刚玉陶瓷材料，主要成分为α-Al2O3，其特征在于包括α-Al2O3，93-99重量百分数，着色剂0.5-4重量百分数，外加剂0.5-5重量百分数。
2、根据权利要求1所述的材料，特征在于优选组成重量百分数为α-Al2O3，95-98，着色剂0.5-1，外加剂1-4。
3、根据权利要求1所述的材料，特征在于着色剂可以是蓝色剂、绿色剂、红色剂等，蓝色剂如氧化钴Co2O3、氧化钛TiO2、331色剂[Co2O3+Al2O3+SiO2+ZnO]，绿色剂如氧化镍Ni2O3，红色剂如氧化铬Cr2O3。
4、根据权利要求1所述的材料，特征在于外加剂包括稀土氧化物如氧化镧La2O3、氧化钇Y2O3、复合物氧化钐Sm2O3+氧化铕Eu2O3+氧化钆Gd2O3，滑石、氧化镁，苏州土，从以上物质中选择一种或一种以上。
5、一种制造权利要求1所述材料的方法，特征在于采用轧膜成型工艺，包括下述步骤：
（1）α-Al2O3超细粉碎
（2）配料混磨
（3）过筛烘干
（4）制粉
（5）加有机粘结剂混匀
（6）轧膜
（7）排剂
（8）烧成。
6、根据权利要求5所述的方法，特征在于：
6.1 α-Al2O3经超细粉碎粒度＜2μm的达90%以上
6.2  混磨24小时
6.5  有机粘结剂采用聚乙烯醇溶液，包括粉状聚乙烯醇20%，蒸馏水70%，无水乙醇10%，外加甘油2-3%，在粉料中加入量为40-60重量百分数，混匀陈腐12小时
6.6  轧膜厚度为0.4-1.0mm
6.7  在常温-1200℃逐步升温排剂
6.8  烧成温度1580-1640℃。
7、一种制造权利要求1所述的材料的方法，特征在于采用半干压成型方法，主要工艺流程为：配料混磨、过筛烘干，加有机粘结剂制粉、压力成型、烧成。
8、根据权利要求7所述的方法，特征在于所述配料混磨20小时，
有机粘结剂采用浓度为10%的阿拉伯树胶或浓度5%的聚乙烯醇溶液，加入量为1-5%，
在120Mpa压力下成型，成型后的厚度为1-5mm，
烧成温度1580-1640℃。
9、一种制造权利要求1所述的材料的方法，特征在于采用压力注浆成型方法，主要工艺流程为：配料混磨、过筛、抽真空、压力注浆、脱模、干燥、修坯、烧成。
10、根据权利要求9所述的材料的方法，特征在于，
混磨24小时，
过万孔筛，
0.5个大气压下注浆，注浆液中含有机粘结剂，如纤维素，糊精等以及蒸馏水，
烧成温度为1580-1640℃。
11、权利要求1所述材料的用途，作为钟表、仪表等精密仪器用轴承材料。
12、根据权利要求11所述的用途，特征在于作为一种钟表、仪表用蓝色陶瓷轴承材料，包括α-Al2O393-99%，蓝色剂0.5-4%，外加剂0.5-5%。
13、根据权利要求12所述的用途，特征在于优选组成范围为α-Al2O395-98%，蓝色剂0.5-1%，外加剂1-4%。
14、根据权利要求12、13所述的用途，特征在于蓝色剂可以是Co2O3、TiO2或331色剂[Co2O3+Al2O3+SiO2+ZnO]，外加剂可以是La2O3、Y2O3、复合稀土Sm2O3+Eu2O3+Gd2O3、MgO、滑石、苏州土中的一种或多种。
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