CN117229063B - 一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷柱塞制备技术领域，具体地说，涉及一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺。其包括：S1、选择氮化硅粉末作为柱塞的基材，选择填料、改性剂和纳米颗粒；S2、采用CAD软件设计，使用光固化3D打印技术；S3、采用化学气相沉积技术；S4、引入表面微纳结构设计。本发明中，柱塞的基材选择氮化硅，具有高硬度和良好的耐磨性；通过添加填料、改性剂和纳米颗粒，进一步增强了陶瓷柱塞的硬度和耐磨性。通过使用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型，确保几何形状和尺寸的精准；使用3D打印技术结合粉末冶金工艺，采用选择性激光熔化，使得陶瓷粉末能够定向堆积形成精确的柱塞形状，提高制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及陶瓷柱塞制备技术领域，具体地说，涉及一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺。
背景技术
目前，柱塞广泛应用于各种领域的机械设备和装置中，如发动机、泵、压缩机等。传统的金属柱塞通常由铸造、冷锻或机械加工制造，但存在一些不足之处，包括耐磨性和硬度方面的限制。金属柱塞在高摩擦和高负载条件下容易磨损，导致使用寿命较短。此外，尽管金属柱塞具有一定的硬度，但在某些特定应用中，仍然无法满足高硬度的需求。具体不足如下：
(1)耐磨性不足：传统金属柱塞在高摩擦和高负载条件下容易出现磨损，导致使用寿命较短。金属材料的硬度相对较低，很难满足某些特定领域对高硬度和耐磨性的要求。
(2)制备困难和成本高昂：传统陶瓷柱塞的制备过程相对复杂，包括粉末制备、成型、烧结和机械加工等环节。这些步骤需要高温和高压条件、长时间的加工周期，并且还受到材料的成本和供应限制，导致制备成本较高。
(3)加工精度和质量控制难度大：陶瓷材料的加工和精密加工存在一定的技术难度和挑战。陶瓷材料的脆性和高硬度使得其加工过程更加困难，容易出现破裂或加工误差。此外，陶瓷材料的质量控制也是一个关键问题，涉及到表面平整度、结构致密性和涂层均匀性等方面。
(4)结构设计不完善：现有技术中对柱塞的结构设计还存在一些不足之处。柱塞表面的连续平整结构容易产生粘附现象，增加了摩擦系数和磨损。另外，未能充分考虑到柱塞的润滑和冷却方式，导致在高负载和高摩擦条件下的工作性能不尽理想。
鉴于此，需要一种新的高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺来解决现有技术中存在的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞，包括以下原料：氮化硅粉末、填料、改性剂和纳米颗粒。
作为本技术方案的进一步改进，所述氮化硅粉末用量为70-90重量份。
作为本技术方案的进一步改进，所述填料采用碳化硅粉末，用量为10-30重量份。
作为本技术方案的进一步改进，所述改性剂包括氧化铝和三氧化二钇；其中：氧化铝用量为5-9重量份，三氧化二钇用量为1-3重量份。
作为本技术方案的进一步改进，所述纳米颗粒包括纳米二氧化硅、纳米氧化锆和纳米碳化硼；其中：纳米二氧化硅用量为2-7重量份，纳米氧化锆用量为1-3重量份，纳米碳化硼用量为1-3重量份。
另一方面，本发明提供了一种用于上述中任意一项所述的高硬度耐磨的陶瓷柱塞的制备工艺，包括以下步骤：
S1、选择氮化硅粉末作为柱塞的基材，选择填料、改性剂和纳米颗粒，将氮化硅粉末与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末；
S2、采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型，使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状；
S3、采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层；
S4、引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理。
优选的，所述S3中，在采用化学气相沉积技术之前，利用高精度的机械加工设备，进行精确的切割、磨削和抛光工艺。
优选的，所述高精度的机械加工设备包括数控铣床和数控磨床。
优选的，还包括S5，具体步骤如下：
使用先进的表面和材料分析技术，包括扫描电子显微镜和能谱仪，对柱塞的表面形态和组成进行检测；
进行严格的质量控制和测试，包括硬度测试、耐磨性测试和摩擦学性能测试。
优选的，所述S4中，采用包括激光加工、离子束雕刻、溅射沉积、纳米压印工艺在金刚石涂层上形成微观的凹凸形状或纹理结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、该高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺中，柱塞的基材选择氮化硅粉末，具有高硬度和良好的耐磨性；通过添加填料、改性剂和纳米颗粒，进一步增强了陶瓷柱塞的硬度和耐磨性。通过使用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型，确保几何形状和尺寸的精准；使用光固化3D打印技术，使得陶瓷粉末能够定向堆积形成精确的柱塞形状，提高制备效率。
2、该高硬度耐磨的陶瓷柱塞及其制备工艺中，利用高精度的机械加工设备进行切割、磨削和抛光工艺，进一步提高柱塞表面的平整度和光洁度；这有助于减小摩擦表面的接触面积，改善润滑和冷却方式。通过优化柱塞的结构设计，引入表面微纳结构设计，可以形成特殊的结构以降低摩擦系数和抗磨损；同时，在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理，提供更好的润滑效果，防止粘附现象的发生。
附图说明
图1为本发明的整体流程框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据图1所示，本发明实施例提供了一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞的制备工艺，具体步骤如下：
(1)材料选择与制备：
选择氮化硅粉末作为柱塞的基材，具有高硬度和良好的耐磨性；
选择填料、改性剂和纳米颗粒，以进一步提高柱塞的硬度和耐磨性；填料选用碳化硅粉末，具有较高的硬度；改性剂包括氧化铝和三氧化二钇，以增强陶瓷材料的致密性和结晶性能；纳米颗粒包括纳米二氧化硅、纳米氧化锆和纳米碳化硼，纳米二氧化硅具有高硬度和抗磨损性能，纳米氧化锆具有高硬度和优异的机械性能，可以增强陶瓷柱塞的硬度和耐磨性可以提高陶瓷柱塞的耐磨性；纳米碳化硼具有极高的硬度和抗磨性能，可以显著提高陶瓷柱塞的耐磨性；
将氮化硅粉末与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末。
(2)制备流程与工艺改进：
制备精度高：采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型，确保几何形状和尺寸的精准；
快速制备：使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状，以提高制备效率；
利用高精度的机械加工设备，包括数控铣床和数控磨床，通过精确的切割、磨削和抛光工艺，进一步提高表面的平整度和光洁度；
采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层，以进一步提高硬度和耐磨性。
(3)结构优化：
通过优化柱塞的结构设计，减小摩擦表面的接触面积、改善润滑和冷却方式；引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；采用包括激光加工、离子束雕刻、溅射沉积、纳米压印工艺在金刚石涂层上形成微观的凹凸形状或纹理结构，提供更好的润滑效果。
(4)质量控制：
使用先进的表面和材料分析技术，包括扫描电子显微镜和能谱仪，对柱塞的表面形态和组成进行检测，确保材料质量和涂层均匀性；
进行严格的质量控制和测试，包括硬度测试、耐磨性测试和摩擦学性能测试，确保柱塞在实际工作中符合预期性能。
本发明中，柱塞的基材选择氮化硅，具有高硬度和良好的耐磨性；通过添加填料、改性剂和纳米颗粒，进一步增强了陶瓷柱塞的硬度和耐磨性。通过使用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型，确保几何形状和尺寸的精准；使用3D打印技术结合粉末冶金工艺，采用选择性激光熔化，使得陶瓷粉末能够定向堆积形成精确的柱塞形状，提高制备效率。
进一步的，利用高精度的机械加工设备进行切割、磨削和抛光工艺，进一步提高柱塞表面的平整度和光洁度；这有助于减小摩擦表面的接触面积，改善润滑和冷却方式。通过优化柱塞的结构设计，引入表面微纳结构设计，可以形成特殊的结构以降低摩擦系数和抗磨损；同时，在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理，提供更好的润滑效果，防止粘附现象的发生。
此外，采用先进的表面和材料分析技术，如扫描电子显微镜和能谱仪，对柱塞的表面形态和组成进行检测，确保材料质量和涂层均匀性。进行严格的质量控制和测试，包括硬度测试、耐磨性测试和摩擦学性能测试，以确保柱塞在实际工作中符合预期性能。
根据不同的原料用量，通过以下具体的实施例来对本发明提供的高硬度耐磨的陶瓷柱塞进一步说明。
实施例1
(1)材料选择与制备：
选择70重量份的氮化硅粉末作为柱塞的基材；
选择填料、改性剂和纳米颗粒；填料选用30重量份的碳化硅粉末；改性剂包括5重量份的氧化铝和1重量份的三氧化二钇；纳米颗粒包括7重量份的纳米二氧化硅、3重量份的纳米氧化锆和1重量份的纳米碳化硼；
将氮化硅研磨呈粉末，然后与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末。
(2)制备流程与工艺改进：
制备精度高：采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型；
快速制备：使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状；
利用高精度的机械加工设备，包括数控铣床和数控磨床，通过精确的切割、磨削和抛光工艺，进一步提高表面的平整度和光洁度；
采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层。
(3)结构优化：
引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理，提供更好的润滑效果。
实施例2
(1)材料选择与制备：
选择80重量份的氮化硅粉末作为柱塞的基材；
选择填料、改性剂和纳米颗粒；填料选用20重量份的碳化硅粉末；改性剂包括7重量份的氧化铝和2重量份的三氧化二钇；纳米颗粒包括4重量份的纳米二氧化硅、2重量份的纳米氧化锆和2重量份的纳米碳化硼；
将氮化硅研磨呈粉末，然后与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末。
(2)制备流程与工艺改进：
制备精度高：采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型；
快速制备：使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状；
利用高精度的机械加工设备，包括数控铣床和数控磨床，通过精确的切割、磨削和抛光工艺，进一步提高表面的平整度和光洁度；
采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层。
(3)结构优化：
引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理，提供更好的润滑效果。
实施例3
(1)材料选择与制备：
选择90重量份的氮化硅粉末作为柱塞的基材；
选择填料、改性剂和纳米颗粒；填料选用10重量份的碳化硅粉末；改性剂包括9重量份的氧化铝和3重量份的三氧化二钇；纳米颗粒包括2重量份的纳米二氧化硅、1重量份的纳米氧化锆和3重量份的纳米碳化硼；
将氮化硅研磨呈粉末，然后与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末。
(2)制备流程与工艺改进：
制备精度高：采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型；
快速制备：使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状；
利用高精度的机械加工设备，包括数控铣床和数控磨床，通过精确的切割、磨削和抛光工艺，进一步提高表面的平整度和光洁度；
采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层。
(3)结构优化：
引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理，提供更好的润滑效果。
表1实施例1-3工艺条件
为了验证本发明实施例制备的陶瓷柱塞具有较好的硬度和耐磨性，通过以下试验例来对本发明实施例提供的高硬度耐磨的陶瓷柱塞进行说明。
试验例
本试验例目的评估实施例1-3提供的陶瓷柱塞的耐磨性和硬度。
试验方法：
(1)耐磨性测试：使用摩擦测试机(如球-盘摩擦试验机)进行摩擦实验；设置初始负载、速度和往复次数；将待测试的陶瓷柱塞固定在盘端，使用球端作为摩擦材料；进行往复运动，记录摩擦过程中的摩擦力和摩擦距离；根据摩擦力和摩擦距离的变化，评估陶瓷柱塞的耐磨性能；
(2)硬度测试：使用洛氏硬度试验机进行硬度测试；将陶瓷柱塞固定在试验机上；选择适当的钻头和负载，按照一定速度施加负载到陶瓷柱塞表面；测量所施加负载下的压痕直径；根据压痕直径和已知负载，计算陶瓷柱塞的硬度值。
具体检测指标见表2。
表2
根据表2所示，本发明实施例1-3提供的陶瓷柱塞均具有较搞的硬度和较好的耐磨性能，因此可以说明，采用本发明工艺是影响陶瓷柱塞硬度和耐磨性的重要因素。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (1)
1.一种高硬度耐磨的陶瓷柱塞的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）材料选择与制备：
选择80重量份的氮化硅粉末作为柱塞的基材；
选择填料、改性剂和纳米颗粒；填料选用20重量份的碳化硅粉末；改性剂包括7重量份的氧化铝和2重量份的三氧化二钇；纳米颗粒包括4重量份的纳米二氧化硅、2重量份的纳米氧化锆和2重量份的纳米碳化硼；
将氮化硅研磨呈粉末，然后与填料、改性剂和纳米颗粒进行均匀混合，制得陶瓷粉末；
（2）制备流程与工艺改进：
制备精度高：采用CAD软件设计柱塞的二维和三维模型；
快速制备：使用光固化3D打印技术，将陶瓷粉末定向堆积形成精确的柱塞形状；
利用高精度的机械加工设备，包括数控铣床和数控磨床，通过精确的切割、磨削和抛光工艺，进一步提高表面的平整度和光洁度；
采用化学气相沉积技术，在柱塞表面成长一层均匀且致密的金刚石涂层；
（3）结构优化：
引入表面微纳结构设计，形成防粘附、降低摩擦系数和抗磨损的特殊结构；在金刚石涂层上形成微小凹凸纹理。
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