CN115353401A - 一种复合刚玉陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种复合刚玉陶瓷及其制备方法，属于高温结构材料领域。该复合刚玉陶瓷通过以下原料制备而成：锆英粉、白刚玉、氧化铝晶须和粘结剂。本发明以白刚玉为基体，添加不同质量分数的锆英粉作为复合刚玉陶瓷体系，突破了传统高温陶瓷体系。本发明利用白刚玉和锆英粉作为原料，利用干压成型工艺，制备工艺简单，节约成本，制备过程绿色环保无污染。本发明利用马弗炉低温共烧结技术，在高温有氧条件下制备复合刚玉陶瓷，打破了传统高温陶瓷的制备方法；制备的复合刚玉陶瓷具有更高的使用温度，耐烧蚀性能好、使用寿命长、拓宽了材料的应用范围。

Description

一种复合刚玉陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明具体涉及一种复合刚玉陶瓷及其制备方法，属于高温结构材料领域。
背景技术
活塞是发动机的关键零部件之一，它在高温高压气体作用下沿汽缸壁作高速往复运动，以带动曲轴旋转。活塞受本身速度周期性变化而形成的惯性力、气体压力和侧压力的联合作用。活塞在汽缸内工作时，燃气的最高温度可达2000～2500℃，活塞顶还承受瞬变高温的作用，且温度分布很不均匀，所以活塞也是最容易损伤的零件之一。目前随着国家对环保要求的提高，发动机主机厂为满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放标准，集结多领域技术对发动机不断进行优化设计，其中对活塞提出了更苛刻的要求。
目前，常用的活塞材料有铸铁活塞、铸钢活塞、镶体活塞、铝合金活塞、陶瓷活塞。其中铸铁、铸钢活塞密度大，加工麻烦，成本高，对缸套的磨损严重；镶体活塞在镶圈和铝合金界面上易生热疲劳裂纹，使得活塞的疲劳强度、抗咬合性能降低；陶瓷活塞脆性大，热导率低；这些缺点均在一定程度上限制了它们在活塞中的使用，所以活塞还需要进一步研究与改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合刚玉陶瓷，
的制备方法，该方法采用低温共烧制备技术来制备复合刚玉陶瓷，制备的复合刚玉陶瓷具有更高的使用温度、耐烧蚀、韧性大、使用寿命长、制备工艺简单。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案为：
本发明提供了一种复合刚玉陶瓷，通过以下原料制备而成：锆英粉、白刚玉、氧化铝晶须和粘结剂。
本发明还提供了一种复合刚玉陶瓷的制备方法，包括以下步骤：
（1）复合刚玉的制备：将锆英粉、白刚玉、酒精、氧化铝晶须按比例混合，采用行星式球磨机对混合物进行球磨混合，制备复合刚玉；
（2）复合刚玉陶瓷的成型：将配制的复合刚玉用5%的PVA水溶液进行喷雾造粒，然后将粉料置于模具中，进行成型，脱模后得到复合刚玉陶瓷的坯料；
（3）复合刚玉陶瓷的烧结：将成型好的复合刚玉陶瓷坯料置于马弗炉中按一定温度制度进行烧结。
进一步的，所述锆英粉和白刚玉的质量比为1：1-10；所述粘结剂是5%的PVA水溶液；所述复合刚玉和氧化铝晶须的质量比为1：0.01-0.1；所述复合刚玉和氧化铝晶须的混合粉体与粘结剂的质量比为1：0.1-0.5；所述酒精的加入量为锆英粉和白刚玉混合粉体重量的1-1.5倍。
进一步的，所述锆英粉的纯度为98%，平均粒径60μm；所述白刚玉的纯度为99%，平均粒径为75μm；所述氧化铝晶须纯度为99.9%，平均粒径为50μm。
进一步的，，步骤（1）中，所述球磨的转速为200r/min，球磨时间为120min。
进一步的，步骤（2）中，所述成型的施压方式为干压，成型压力分别为20、30MPa，保压时间为10min。
本发明烧结的温度制度为：以2℃/min的升温速率升到600℃，保温60min，然后再以5℃/min的升温速率升到1400℃-1600℃，保温120min，之后以5℃/min的降温速率降到200℃。
所述本发明成型过程中所使用的模具，可以依据使用条件设计不同的模具。成型方式为压制成型，施压方式为干压，压力大小视情况进行相应的调节。
本发明提供的方法中，原料中各个组分含量的控制会极大影响复合材料的相组成和微观结构，进而对复合刚玉陶瓷的各项性能产生较大影响，尤其是锆英粉和白刚玉的比例。采用本发明的原料配比及马弗炉低温共烧结制备方法所制备的复合刚玉陶瓷性能良好；马弗炉低温共烧结制备技术中烧结温度的控制、烧结时间、升温速度的改变，对烧结过程具有显著影响，进而影响样品的最终性能。本发明所采用干压成型工艺结合马弗炉低温共烧的烧结工艺条件能够制备得到力学性能优异的复合刚玉陶瓷。本发明制备的复合刚玉陶瓷，锆英粉和白刚玉比按照3：7配合成复合刚玉粉体，在20MPa的压力下干压成型、马弗炉低温共烧制备的复合刚玉陶瓷具有最佳的力学性能，其气孔率、密度和抗弯强度为别约为23.0%、2.86g/cm3、78.8MPa。
本发明的有益效果为：
（1）本发明以白刚玉为基体，添加不同质量分数的锆英粉作为复合刚玉陶瓷体系，突破了传统高温陶瓷体系。
（2）本发明利用白刚玉和锆英粉作为原料，利用干压成型工艺，制备工艺简单，节约成本，制备过程绿色环保无污染。
（3）本发明利用马弗炉低温共烧结技术，在高温有氧条件下制备复合刚玉陶瓷，打破了传统高温陶瓷的制备方法；制备的复合刚玉陶瓷具有更高的使用温度，耐烧蚀性能好、使用寿命长、拓宽了材料的应用范围。
附图说明
图1为实施例中锆英粉与白刚玉按比例1：9混合，在压力为30MPa下的成型图。
图2为实施例中复合刚玉陶瓷低温共烧结之后的图片。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的解释和说明。
本发明所使用的锆英粉的纯度为98%，平均粒径为60μm；白刚玉的纯度为99%，平均粒径为75μm；氧化铝晶须的纯度为99.9%，平均粒径为50μm。
实施例1
按照比例分别称取锆英粉、白刚玉和氧化铝晶须，按照球料比为2：1的比列置于酒精为分散介质的球磨罐中，混合粉体和酒精的质量比为1：1.5，锆英粉和白刚玉的质量比为1：9，复合刚玉和氧化铝晶须的质量比为1：0.05，采用行星球磨机对混合物料进行球磨，转速为200r/min，球磨时间120min。将配合好的复合刚玉粉置于研钵中，用5%的PVA水溶液进行喷雾造粒，然后进行干压成型，施加压力为30MPa，保压10min，脱模后得到复合刚玉陶瓷的坯料，如图1所示。将坯料置于马弗炉中按照实验所设计的温度制度和保温时间进行烧结。升温速度为5℃/min，在1600℃下保温120min。复合刚玉陶瓷具有较好的力学性能，其气孔率、密度和抗弯强度分别约为25.2%、2.75g/cm3、57.68MPa。图2是复合刚玉陶瓷低温共烧结之后的图片。
实施例2
按照比例分别称取锆英粉、白刚玉和氧化铝晶须，按照球料比为2：1的比列置于酒精为分散介质的球磨罐中，混合粉体和酒精的质量比为1：1.5，锆英粉和白刚玉的质量比为3：7，复合刚玉和氧化铝晶须的质量比为1：0.1，采用行星球磨机对混合物料进行球磨，转速为200r/min，球磨时间120min。将配合好的复合刚玉粉置于研钵中，用5%的PVA水溶液进行喷雾造粒，然后进行干压成型，施加压力为20MPa，保压10min，脱模后得到复合刚玉陶瓷的坯料。将坯料置于马弗炉中按照实验所设计的温度制度和保温时间进行烧结。升温速度为5℃/min，在1600℃下保温120min。得到的复合刚玉陶瓷具有最佳的力学性能，其气孔率、密度和抗弯强度为别约为23.0%、2.86g/cm3、78.8MPa。
对比例1
按照比例分别称取锆英粉和白刚玉，按照球料比为2：1的比列置于酒精为分散介质的球磨罐中，混合粉体和酒精的质量比为1：1.5，锆英粉和白刚玉的质量比为1：9，复合刚玉和氧化铝晶须的质量比为1：0.1，采用行星球磨机对混合物料进行球磨，转速为200r/min，球磨时间120min。将配合好的复合刚玉粉置于研钵中，进行喷雾造粒，然后进行干压成型，施加压力为10MPa，保压10min，脱模后得到复合刚玉陶瓷的坯料。将坯料置于马弗炉中按照实验所设计的温度制度和保温时间进行烧结。升温速度为5℃/min，在1600℃下保温120min。复合刚玉性能变差，其气孔率、密度和抗弯强度分别约为40.6%、2.26g/cm3、21.1MPa。
（一）锆英粉和白刚玉作为复合刚玉的比例和成型压力优化
制备复合刚玉粉体：按照（1：9，2：8，3：7，4：6，5：5，6：4，7：3，8：2，9：1）的比例称取锆英粉和白刚玉放置于研磨体中，将混合粉体置于酒精为分散介质的球磨罐中，采用行星式球磨机对混合物进行球磨混料，转速为200r/min，球磨时间为120min；球磨后物料在80℃的真空干燥箱内进行干燥2h，干燥后物料研磨后使粉料全部过100目筛备用。复合刚玉的粉料配比好之后，就开始喷雾造粒，然后干压成型。成型压力分别为10MPa、20MPa、30MPa。经过后续力学性能测试，确定锆英粉和白刚玉的最佳比例为3：7，成型压力为20MPa。
（二）复合刚玉陶瓷烧结时温度制度的优化
将成型好的生坯放置一段时间后置于马弗炉中，按照一定的温度制度进行烧结：以2℃/min的升温速率升到600℃，保温60min进行排胶，然后再以5℃/min的升温速率升到1400℃（1500℃，1600℃），保温2h，之后以5℃/min的降温速率降到200℃，关掉炉子，进行自然降温。经过后续力学性能的测试，确定最佳烧结温度为1600℃。

Claims (7)

1.一种复合刚玉陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）复合刚玉的制备：将锆英粉、白刚玉、酒精、氧化铝晶须按比例混合，采用行星式球磨机对混合物进行球磨混合，制备复合刚玉；
（2）复合刚玉陶瓷的成型：将配制的复合刚玉用粘结剂进行喷雾造粒，然后将粉料置于模具中，进行成型，脱模后得到复合刚玉陶瓷的坯料；
（3）复合刚玉陶瓷的烧结：将成型好的复合刚玉陶瓷坯料置于马弗炉中按一定温度制度进行烧结。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述锆英粉和白刚玉的质量比为1：1-10；所述粘结剂是5%的PVA水溶液；所述复合刚玉和氧化铝晶须的质量比为1：0.01-0.1；所述复合刚玉和氧化铝晶须的混合粉体与粘结剂的质量比为1：0.1-0.5；所述酒精的加入量为锆英粉和白刚玉混合粉体重量的1-1.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的复合刚玉陶瓷，其特征在于，所述锆英粉的纯度为98%，平均粒径60μm；所述白刚玉的纯度为99%，平均粒径为75μm；所述氧化铝晶须纯度为99.9%，平均粒径为50μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述球磨的转速为200r/min，球磨时间为120min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，所述成型的施压方式为干压，成型压力分别为20、30MPa，保压时间为10min。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述烧结的温度制度为：以2℃/min的升温速率升到600℃，保温60min，然后再以5℃/min的升温速率升到1400℃-1600℃，保温120min，之后以5℃/min的降温速率降到200℃。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的复合刚玉陶瓷。
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