TW200922747A - Process for increasing the strength of ceramics, ceramics treated by means of this process, and the use of said ceramics - Google Patents

Description

200922747 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種提陶瓷強度的方法，及利用此方法處 理的陶瓷及其應用。 【先前技術】 ，為了控制理想空氣_汽油混合組成，故在廢氣道中在觸 媒w方使用所謂的能斯脫探針（Nernst)或寬帶探棒 nde)典型的情形，這些探針在75〇。~8川。〇間的溫度 紅作。為了要能確保报低的排放量，故觸媒前的^感測器 在啟動後要很快地準備好作操作。 \ ”在引擎起動後，由於冷凝在冷的廢氣道中有水。由於λ 权針理想的情形須在引擎啟動開始已準備好作操作。故水 滴:跑到該約75Gt：的熱的㈣感測器元件上。這點會造成 :’皿度梯度’結果造成大的機械應用。這種現象稱為熱衝 (moschock)，且也發生在其他陶瓷（它們用於非久探 棒的構件，例如成對摩擦件、成對滑動件、跑動滾子、間 座或火星塞）。如果熱衝擊應力力於陶£強度 形成裂痕並因此故障。 白知用於感測器元件 十灿，_ν凡口、J观厌个疋以在所 采作情形確保探針对熱衝擊，也無法提高到所要之 ° ^用設計的措施同樣無法避免因水集結造成熱衝擊。 ――種保護感測器元件的可能方式係用附加的護層 :們會使探針成本明顯增加且需要構造空間。此外，，： 濩層使操作準備時間加長且使探針的動力變差。 = 200922747 【發明内容】 一種提高陶瓷強度的方法，其中藉著將陶瓷表面作— 機械加工將一種自身應力加入陶瓷表面，該加工係由珠粒 噴流及/或研磨選出。這種本發明方法優點為，利用此方法 可提供一種耐熱衝擊的陶瓷，且由此陶瓷可製造一種耐熱 衝擊的陶瓷，而不會將附加的護層施到感器元件上，由於 不需施加的護層到感測器元件上，故用依本發明處理過的 陶瓷有一優點，它的操作準備時間很短，同時询良好的動 力性質。此外，藉著將本發明所作的本體陶瓷的表面作後 加工以及加入一種在表面附近的壓應力，可使一種強度較 低的陶瓷基本強度提高’且使這種強度低陶瓷在有熱 的負荷情形其使用範圍較廣。由本發明的方法造成的熱作 用^強度升高作用對於長時間及i t的溫度有利地顯得 穩定。 本發明的標的之其他優點及有利設計見於說明查、圖 式及申請專利範圍。 圖 本發明的實施例示於圖式中並在以下說明中敘述。 【實施方式】 圖1a及lb顯示該陶瓷感測器元件的立體圖，其中一水 滴落在該用箭頭標示的區域上，造成一種熱衝擊厂圖心 类貝不由熱衝擊的溫度梯度造成的應力在陶竟感測器元件 廄面及内部的分佈。圖以顯示在陶变感測器元件表面的 應力很大。；5夕 ™ 之，圖lb顯示，應力的深度作用很小。悬 的應力「它i日與+Λ π 八 相虽於圖13及lb染黑的區域]在約6〇〇〇c溫度時 200922747 的870MPa。但所研究之未處理陶瓷（基本陶竟）在此溫度強 度只有、約420MPa，g]此會形成裂痕而破壞。因此由這種未 處理的_曼製4的感；則3 A件在這種溫度衝擊就變得不能 使用。 陶瓷材料的這種破壞利用熱衝擊引起的拉應力測定。 在本發明的範曹中，這種拉應力可藉著與陶瓷表面中的一 自身應力（壓預應力）重疊而抵消。因此陶瓷的總應力保持在 -亥應力限度以下’ n之，在本發日月的範_内，如探未處 理的陶瓷的基本強度以及利用本發明的方法引入陶瓷中的 自身應力的總和大於由熱衝擊引入的拉伸應力，則可防止 陶瓷以及感測器元件損壞。舉例而言，圖la及lb中所示的 感測為元件的基本強度約420MPa，在受到約870MPa的熱 衝擊引起的拉伸應力時，利用本發明與大於45〇Mpa的自身 應力重疊，則可防止其破壞，因為如此該陶瓷的總強度上 升到87〇MPa以上。由於高應力（如圖比所示）只發生在表 面附近（在熱衝擊作用的區域範圍）。故利用在本發明範疇在 表面附近的自身應力就足以升高陶瓷的總強度。 在金屬材料的場合習知的加工方法，如車削、研磨或 珠粒噴射，可藉標的之表面處理將材料強度提高。在此， 金屬材料的加工方法係基於材料塑化（可塑性變形）。金屬材 料的塑化係由於沿滑動面偏移運所玫。為了將滑動面活 化，故要能量，此處係呈應力方式。利用塑性變形，在金 屬組織中的偏移密度提高，且阻擋了既有的滑動平面。因 此在塑性變形後重新接受負荷時，須要在超過先前所的應 200922747 力後’才能重新塑化。在此，塑化過程和長度改變有關，。 由於利用局部後處理只在表面附近塑化，因此，遠離表面 召下的不能改變長度的金屬體積部分的作用邊界條件係和 表面的局。卩長度改變作用抗拮。如此，在金屬表面產生自 身應力。 不同於金屬’陶瓷的材料性質極脆且係呈線性彈性。 因此人們知道陶瓷不能用視方式塑性變形，但在本發明 乾嚀中，在陶瓷中也可利用金屬加工方法如研磨或珠粒噴 射而造成微構造式的偏移，且利用這些加工方法可將^ 2GPa的自身應力和加入陶瓷表面中因此本發明的方法具 有將漏缝封閉的潛力，以將陶瓷強度提高到需要之程度以 用於耐熱衝擊的λ -感測器。 k 圖2顯示一珠粒噴流裝，它可用於依本發明將自身應 力加入陶兗表面中，在此珠粒喷流裝i，珠粒噴流媒的珠 :⑴以高壓射到所要處理基本陶莞⑺[它設在一檢體保持 态(3)上]的表面。為此’珠粒噴流媒的珠粒從一珠粒喷流媒 容器W經-「流過噴嘴」（5)送人—喷射噴嘴，在該處它們 利用-I縮機⑺產生㈣力經該噴射喷嘴⑹向所要處理的 基本陶究⑺的方向加速。在此，所戶之加速的珠粒喷流， 舉例而言’利用-孔遮板⑻調整，其中噴流強度主要由珠 拉喷流距離⑼、珠粒噴流媒、及珠粒喷射時間決定。 為了說明本發明的方法，將一種氧化錘膜(厚度：“Ο 微米）構成的數盤形檢體（直徑！ 5毫乎 宅木）在圖2所示的珠粒喷 流裝置中隔24公分的珠粒噴流距離作珠粒噴射。 200922747 在第一研究系列中’藉著改變陶瓷的強化和破壞之間 的過渡區的噴流參數（珠粒噴射時間、珠粒喷流媒、珠粒喷 流壓力）而作定件評估。喷流參數和所得結困示於表1中： 表1 : 噴射壓力 1.5巴 2巴 2.5巴 3巴 4巴 珠粒喷射時間 280秒 ~·—- ^^C〇.65mm WC〇.75-l〇〇Mm WC〇.75-10〇Am 7^-inn//rr« WCn 7S-in〇"m 560秒 ^^C〇.65mm WC〇.75.l〇〇Mln WC〇.75-l〇〇Mm W^Cn 評估 無破壞 無破壞 無破壞 無破壞 破壞 所用珠粒噴流媒係為碳化鎢wc，顆粒大小0 或 0.75〜1 00 # m。 士表1顯示，當使用顆粒大小0.65mm〜l〇0/z m的碳化鎢 時，即使珠粒喷流壓力4巴時，陶究也不會損壤。而使用 〇·75 1〇〇 # m範圍的顆粒大小的碳化鎢時會造成陶瓷破 壞’因此顯示珠粒噴流媒比較有侵蝕性。 第一試驗系列的檢體（它們用2巴及3巴的噴射壓力處 理)有明顯撓曲’這種撓曲係加入的自身應力的結果。由於 在其他試驗系列中使用顆粒大小〇 75〜1〇〇”範圍的碳化 烏此處為了 一方面產生自應力另方面防止陶兗破壞，故 使用2巴或3巴的喷射壓力。珠粒噴射時間在其他研 列中為560秒。 ” 在第二試驗系列中’研究加入其他檢體中的壓預應力 及其溫度穩定j生。在&，加入的自身應力用定性方式用_ 、子毛、曲里汗估，並用定量方式用Megapascai對X光繞射量 200922747 (測量品格常數，使用虎克定律分析）評估。拱曲量的測量準 度約土0.005mm。要分析所加入的自身應力的溫度穩定性， 將處理過的檢體在60(TC〜102(TC回火，且在次溫度測量過 程後將自身應力定性地對拱曲量作評估。在所有的檢體， 加熱及冷却坡度為300k/小時而在所予之溫度保持時間為 3〇分。此外，從900°C起，檢體由利用氧化鋁棒加重。 自身應力的結束（它們利用’彎曲量得到）示於表2中，單 位為毫米。 表2 : 噴流壓力 珠粒噴射後 600°C 700°C 800°C 900°C 850〇C l〇2〇°r _ 2巴 0.033 0.026 _ 0.14 〇 〇1 1 3巴 0.090 0.045 0.045 0.045 0.037加重 0·026加重 V/.ν ί χ 3巴 0.075 0.044 0.037 0.044 0.026 0.021 表2顯示，在3巴的珠粒噴射壓力時，可達成比在2 巴的珠粒噴射壓力時更強的彎曲量。由彎曲量可看出在 6〇〇 C的溫度時，先前加入的自身應力已可看出明顯減少。 —直到800。(：溫度時，所加入的自身應力在測量準度範圍内 不再明顯變化，但溫度進一步提高到9〇(rc〜1〇2〇〇c時可 發現自身應力進一步減少。將檢體加重沒有影響。 圖3中顯示未用珠噴射的檢體（1〇)用3巴珠粒噴流壓力 作珠粒噴射560秒的檢體（n)的分佈曲線測量的結果。此 外，圖3顯示950°C回火後，該用珠粒喷射過的檢體（11)的 分佈曲線的結果。圖3顯示：未處理的檢體（1〇)在測量準度 軌圍内沒有彎曲。未回火而作珠粒喷射過的檢體具有最大 200922747 的彎曲。回火且作珠粒噴射的檢體（12)的彎曲比在回火之前 的檢體（11)小。 利用X光繞射測量所得的自身應力結果示於表3中（單 位Megapascal)。表3顯示檢體在珠粒喷射之後及在不同溫 度回火之後的自身應力。 表3 :

喷流壓力 在回火前的自身應力fMpal 在回火前的自身應力rMml <7自身 △自身 (7自身 △白身 回火溫度 0 -12 1 2巴 -474 23 -280 12 1020°C 3巴 02326 108 -706 32 950〇C 3巴 -1994 103 -766 37 800°C 表3顯示，在3巴珠粒噴流力時達成之自身應力可比 在2巴的珠粒喷流壓力時更高。表3還顯示，即使在1〇2〇 °C儲存時，在陶瓷中仍存在可定量測量的自身應力。 在一第三研究系列中，測試未處理具用2巴的壓力作 珠粒噴射過的檢體惰性強度（立即強度）和熱衝擊強度。在 此’一些作珠粒喷射過的檢體各在80(TC及1000。(：回火。 將至少各十個檢體作試驗，此研究的結果示於表4中。 11 200922747 表4 : 惰性強度 熱衝擊強度 〇 o[；]9〇%[MPa] T[°C] △TTC] 分散寬度[°C1 未處理的檢體 590Γ582;6031 18.4[14.4;23.51 517 29.6 1190 珠粒喷射過， 未回火的檢體 850[816;885] 15.1[9.2;25.5] 546 34.6 110 珠粒喷射過，在 800°C回火的檢體 800[742;862] 8.1[4.9;13.7] 606 67.3 200 珠粒喷射過，在 1000°C回火的檢體 872[849;897] 21.9[13.3;36.9] 561 33.0 100 在表4中〇 0表示特性惰性度，m表示weibuii分佈的 Weibull模數，這些值從i標準化到一有效體積。在括弧中 顯示90%信賴的區間。τ表示平均熱衝擊度，at表示與τ 的標準偏差。 在這些用珠粒喷射過而未沈積的檢體的熱衝擊強度試 驗中，十個檢體中有二個在最大溫度不生裂痕而在。珠粒 噴射過且在800。(：回火的檢體中，十個檢體有二個在8〇〇t 最大溫度不生裂痕，而在作珠粒喷且在1〇〇〇<t作回火的檢 體中’ 一個檢體有二個不生裂痕。 h丨生強度測量的結果顯示，利用本發明，惰性強度可 提咼34%以上。這種惰性強度的提高與沈積溫度無關。在 1 〇〇〇 C沈積後，在最小分散（Streuung)測量最大惰性強度， 此處和未處理的檢體比較，惰性強度提高了 47%，利用 本叙明的方法，熱衝擊溫度/強度可提到約90。(：及1 7。/〇。 ^在另—試驗中研究是否自身應力也可藉研磨而引入陶 瓷表面中。為此，將一檢體表面用一 D46研磨盤（砂輪）研 磨L果顯不，利用細研磨可將相當自身應力引入。如此， 12 200922747 惰性強度可提高15瞻a，心均_擊溫度提古】 本發明的標的係-種提高陶強度的方法f〇C。 其惰性強度，其中利用一 " ，特別是提高 機械加工（由珠粒噴射 選出）將陶瓷表面加工， 及/或研磨 將自身應力引入陶甍表面中。 在表面下方」—詞指該陶变的表面的縱向拉伸和 表面Μ的陶Μ積部分不軸如比後者較大），因此在 表面及其下方的陶竞體積部分造成一應力。 ί Μ珠粒喷射，依本發明使用之珠粒噴流媒的顆粒大 為=〇.〇1微m〇毫求；例如^ 」微米〜^ 〇 65毫米； 特別是-0.75微米〜$100微米。陶瓷表面可用珠粒喷 珠粒喷射為時㈣秒〜g_秒，例如g15G秒〜請0秒， 特別是2 250秒4 600秒，在此所用珠粒喷流媒可用一種 材料，其 R〇chWell_C_硬度 g b〇HRC，特別是一種 R〇ckweii c 硬度2 60HRC的高硬度喷流媒，例如碳化鎢。 依本發明，珠粒噴流壓力在^ 〇 5巴〜$4.〇巴之間的範 圍，例如g 1.0巴〜g 3.5巴，特別是2 15巴〜$ 3 〇巴。珠 粒噴流距離（陶瓷表面與遮板/喷射噴嘴之間的距離）可在 210cm〜S 4〇cm的範圍，例如$ i5cin〜客35cm。 要作研磨，依本發明可使用一 D91〜D25的研磨盤。在 此研磨盤可為人造樹脂結合者。研磨盤的進送速度在擺 動研磨（Pendelscheifen)的場合係在2 1000毫米/分〜$ 25000 宅米/分的範圍，例如2 booo毫米/分〜$ 24000毫米/分。 特別是2 20000毫米/分〜$ 22000毫米/分。研磨盤的速度可 在225米/秒〜$ 40米/秒的範圍，例如g 30米/秒〜S 37米/ 13 200922747 和特別^ 33米/秒〜各35米/秒。 寸、==二;粒喷流媒種類、珠粒喷流媒的顆粒尺 磨劑手段二，、珠粒喷射時間、珠粒嘴流距離、研 處理的陶兗很有用。 研磨時間...和所要 在本發明的範田壽中，如果所要處理的陶 錯陶瓷，則你用沾4 〃、 種乳化

、 、珠粒噴流媒例如可為碳化鎢，1顆_ A 寸2 0.01微米〜幺t ”顆粒尺 特別是^ ;例如Ή微米〜_5毫米， 〜侧秒，例：::5〇微米。而珠粒喷射時間為咖 -。秒，塵力為。·5二=80。秒，特別是a… = 3.5巴，例如巴〜各3 特別是^2.0巴〜, ~~ 巴， =3.0巴。珠粒贺流距 例如 g2〇cm〜g3()cm ~ ^35cm， 特別疋-22cm〜$ 27cm。 本發明另一標的么 ^ ^. ,的為一種利用本發明的方法處理過的陶 瓷。舉例而言，本發明的 、扪闹 的陶兗的表面的本身應力在> S 5000MPa 範圍，々“、， 一MMPa〜 σ = 15〇MPa〜g 4000MPa，特別曰 > 250MPa~^ 25001UP〇 . 、 J 疋= 惰性強”了 本發明的㈣比未處理的基本陶竟的 強度间了以％，例如高了^3 且/或熱衝擊強度高了，5%，例如高了一特了二’ 2 15%。 订〜疋叼了 在此，利用本發明的 方法引入陶瓷中的自身應力， 性強度及熱衝擊強度# % , ^ 擎強度對於溫度作用係穩定者。舉例而兮 依本發明處理過的陶资可如° j免了加熱到S120(TC的溫度，例 lioot：，特別是幺 1050〇Γ ^ ^如 g —50 C，而不會失去表面附近的自身應 14 200922747 力，依本發明處理過的陶竟表面在加熱到u⑽。 C的溫度後（例如> 6 f) f) 、=600 c n〇〇〇°c，特別是 2 80〇t：〜s 1050 C)，特別具有自身應力在^遲pa〜g⑽晴a ,例如 ^ 15〇MPa〜$ 25〇〇MPa，特別是 ^ 170MPa〜$ 1500MPa。依 本發明處理的㈣在加熱到溫度後（例 如 2 6 0 0 °C 〜幺 1 1 〇 〇。「，杜 σ, θ —u〇c特別是g 80(TC105(rc)比起未處 ㈣基本陶兗，其惰性強度特別高出心％例w，特 別是H5%’而熱衝擊強度高出-5%，例如 $ 15% 〇 ^於陶尤的自身應力、惰性強度與熱衝擊強度對溫度 急疋性，故本發明的方法與陶瓷適用於高溫用途。 &月的$ ^的在利用本發明的方法提高陶瓷的強 ^特別是惰性強度）的應用’其中會產生高的表面附近的應 二 接觸負何、摩擦負荷或打擊應力。舉 動：二I發明的方法可用於將入感測器、摩擦配對、滑 子閥座、受接觸負荷的構件及/或火星塞 的強度（特別是惰性強度）提高。本發明另一標的係 约㈣子月的陶光以製造入感測器、摩擦配對、滑動配對、 :動：子、間座、受接觸負荷的構件及/或火星塞。舉例而 #化石夕：二的方法可用於提高氧化錯陶瓷、高化紹陶瓷、 厌化石及/錢切Μ的強度，特別是惰性強度。 【圖式簡單說明】 表面=一陶究感測元件的立體圖且說明在感測器元件 表面由於熱衝擊造成之應力分佈， 15 200922747 圖1 b係圖1 a所示之陶瓷感測器元件的立體橫截面圖， 且說明在陶瓷感測器内由於熱衝擊造成的應力分佈， 圖2係一可依本發明將一自身應力加入一陶瓷表面用 的珠粒喷流裝置的示意圖， 圖3係不同檢體的分佈輪廓測量的結果圖且說明由本 發明方法引起彎曲的例子。 【主要元件符號說明】 (1) 珠粒 (2) 基本陶瓷 (4) 檢體喷流媒容器 (5) 流過喷嘴 (6) 喷射喷嘴 ⑺ 壓縮機 (8) 孔遮板 (9) 珠粒喷流距離 (10) 檢體 (Π) 檢體 (12) 檢體 16

Claims (1)

1. 200922747 十、申請專利範圍： 1· 一種提高陶瓷強度的方法，其中藉著將陶瓷表面作一 機械加工將一種自身應力加入陶瓷表面’該加工係由珠粒 噴流及/或研磨選出。 2.如申請專利範圍第丨項之方法，其中： 使用一種珠粒喷流劑，其珠粒尺寸從^〇〇1微米〜$ι〇 毫米；例如微米〜$〇_65毫米，特別是^〇75微米〜$ 100微米。 — 3 ·如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中： 流劑 使用一種洛克威爾C硬度g6_罐c的材料當作珠粒喷 〇 4.如申請專利範圍第1或第2項之方法，其中 該球粒噴流壓力在2〇.5巴〜$3·5巴範圍^ 5.如申請專利範圍第1或第 該球粒噴流距離在g丨〇公分 6_如申請專利範圍第1或第 使用一種D91〜D25研磨盤。 2項之方法，其令： 〜公分範圍。 2項之方法，其中： 7.-種利用申請專利範圍第i項的 8·如申請專利範圍第7項之方法，其中·、陶究。 該處理過的陶瓷表面的自身應力 测MPa範圍且/或該處理過的Μ M ^ _Pa〜s 本體陶兗高了 2 iO%且/或該處理過的陶 又比未處理的 未處理的本體陶瓷高了 2 5%。 >熱衝擊強度比 9. 一種如申請專利範圍第7或第 8項的陶 瓷的應用，其 17 200922747 跑動滾 係用於製造；ι感測器、成對摩擦件、成對滑動件 子、閥座、耐接觸的構件及/或火星塞。 十一、圖式： 如次頁 18