專利名稱：氧化鋯基微晶復相陶瓷的制作方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷。
部分穩定氧化鋯陶瓷(PSZ)具有高強度、高斷裂韌性和良好的耐磨性，已有20來年的研究與應用歷史了。作為部分穩定氧化鋯的穩定劑有MgO、CaO、Y2O3以及一些稀土氧化物，其中典型的是MgO部分穩定氧化鋯的制備方法〔US4279655〕和CaO部分穩定氧鋯的制備方法〔Australian pat，Appl.No.85680/1979〕。關于該類材料也有詳細報導〔“Science and Technology of Zriconia”，《Advances in Ceramics》，Vo1.3(1981)和Vo1.11(1984)〕。這類陶瓷的突出問題是其立方氧化鋯晶粒較大(50～100μm)。因此，盡管在立方晶粒中存在著起強化作用的四方氧化鋯(t-ZrO2)析出體，其強度仍低于細晶的四方氧化鋯陶瓷(TZP)〔M.Matsui et al.，J.A.C.S.，57，427(1982)〕。導致PSZ陶瓷粗晶結構的主要原因是在較低的穩定劑含量(如8～10mol%MgO和CaO)時，該材料必須在高達1700～1800℃的立方氧化鋯單相固溶區燒結，另外，在高于1400℃緩冷過程中，由于析出體過分長大，失穩，可能導致瓷體開裂，瓷體的熱穩定性較差。有的發明者從改善Y-TZP在200～500℃水汽環境下表面失穩，性能老化現象出發，獲得了一種具有優良力學性能和熱穩定性的細晶PSZ陶瓷(晶粒尺寸約1～15μm)，但其起始原料僅限于采用化學共沉淀或噴霧分解制備的超細Y-TZP粉料，而采用傳統的Mg-PSZ粉料未能實現細晶結構，所以其推廣應用有存在一定的局限性。〔DE 3415803〕本發明的目的是提供一種化學配比和工藝，顯著降低PSZ陶瓷的燒成溫度，使結構細晶化，工藝敏感性降低，改善材料的高溫強度、高溫穩定性(＞800℃)和抗熱震性。
本發明采用PSZ適用的工業ZrO2或液相法超細ZrO2為主原料，其化學組成配方為
ZrO272～88mol%MgO11.5～24mol%α～Al2O31.9～8.3mol%Y2O30.1～1.5mol%采用粗顆粒(＞1μm)工業ZrO2為主料時，將各種原料按上述配比稱量，置于尼龍球磨罐中，磨球為PSZ質或α-Al2O3質，球磨介質為乙醇，料∶球∶乙醇＝1∶2∶1，混磨4～24小時。將球磨后的料在80～150℃下干燥，然后在爐中經600～850℃煅燒1～4小時。煅燒后的料再球磨4～12小時，球磨條件同第一次混磨。將球磨后的料在80～150℃下干燥，過40～120目篩，過篩料在50～80MPa等靜壓造粒，在150～300MPa壓力下等靜壓成型。成型體在爐中于1500～1700℃、MgO氣氛下燒成0.5～6小時。然后將燒成體在1000～1400℃、MgO或α-Al2O3埋料或空氣中熱處理0.5～40小時;或采用ZrOCl2·8H2O為主原料，按配比配入輕質MgO和Y2O3制成水溶液，經化學共沉淀和α-Al2O3包裹法制成超細粉料，其它工藝同采用粗顆粒工業ZrO2為主原料相同，制成本發明的陶瓷。
本發明與已有技術相比，具有燒成溫度范圍寬，在本發明配方范圍內，可在1500～1700℃燒成。晶粒尺寸在1μm以下，且晶粒內部具有PSZ結構，晶界均勻分布有尖晶石晶粒。常溫斷裂強度σf＝650～770MPa，斷裂韌性KIC=9～17MPam]]>。高溫強度，在1000℃時為360～490MPa。不存在200～500℃濕熱環境下表面失穩和性能老化現象。工業ZrO2和液相法超細ZrO2原料均可適用，有利于降低成本。
實例一采用粗顆粒工業ZrO2為原料，按組成 16.2mol%MgO+78.3mol%ZrO2+0.9mol%Y2O3+4.5mol%Al2O3配料，經球磨混合(PSZ磨球，乙醇介質)8小時，在80℃條件下干燥，將干燥的粉料在800℃下煅燒2小時，煅燒料再次以4小時球磨，80℃干燥，等靜壓造粒后在200MPa壓力下等靜壓成型，然后將成型體在1700℃含有MgO氣氛中燒成4小時，然后將燒成件在MgO埋料中于1100℃熱處理12小時。該材料晶粒尺寸約0.5μm，晶界存在均勻分布的尖晶石晶粒(0.3～0.6μm)和原位生長尖晶石晶須，常溫強度670～740MPa，KIC=9～13MPam]]>，1000℃時斷裂強度415MPa。經350℃濕氮氣氛中處理96小時，物相組成無變化。
實例二將例一中的成型坯體在1585℃下燒成2.5小時，然后在1100℃MgO埋料中處理8小時，瓷體的顯微結構類似例一，常溫強度為610～682MPa，1000℃時斷裂強度為415MPa。
實例三以ZrOCl2·8H2O，輕質MgO和Y2O3為原料，經共沉淀制得包裹有α-Al2O3顆粒的(Mg，Y)-Zr(OH)4凝膠，經干燥后在800℃煅燒1小時，得到組成同例一的混合粉體，按例一的方法造粒成型，將坯體在1550℃下燒成2小時，然后在1100℃熱處理約24小時，瓷體的晶粒尺寸約0.3μm，常溫斷裂強度為760MPa，韌性為17MPam]]>。在1100℃MgO原料中處理至40小時，單斜ZrO2相含量＜10vol%。
以上三例的強度和韌性測試均采用三點彎曲法。
權利要求
1.一種陶瓷材料，采用ZrO2、MgO、Y2O3、Al2O3為原料，本發明的特征在于配方組成為ZrO2、72～88mol%；MgO，11.5～24mol%；α-Al2O3，1.9～8.3mol%；Y2O3，0.1～1.5mol%。
2.一種權利要求1所述陶瓷材料的制備工藝，其特征在于將權利要求1所述的組成配料(其中ZrO2為粗顆粒工業ZrO2原料)，置于尼龍質球磨罐中，磨球為PSZ質或α-Al2O3質，球磨介質為乙醇，料∶球∶乙醇＝1∶2∶1，混磨4～24小時，球磨后的料經80～150℃干燥，干燥后的料在爐中經600～850℃煅燒1～4小時，再球磨4～12小時，球磨條件同第一次混磨，球磨后的粉料再經80～150℃干燥，過40～120目篩，在50～80MPa下等靜壓造粒，在150～300MPa下等靜壓成型，成型體在爐中經1500～1700℃、MgO氣氛下燒成0.5～6小時，再將燒成瓷體于1000～1400℃、MgO或α-Al2O3埋料中或空氣中熱處理0.5～40小時，制成本發明的陶瓷。
3.根據權利要求2所述的制備工藝，其特征在于采用ZrOCl2·8H2O，MgO和Y2O3為主原料，經化學共沉淀方法制備成本發明配方組成的超細粉料，再按權利要求2所述的工藝條件制成本發明的陶瓷。
全文摘要
一種氧化鋯基微晶復相陶瓷材料，以氧化鋯、氧化鎂、氧化鋁、稀土氧化物為原料，通過配料制粉等靜壓成型，燒成及熱處理制成高強度、高韌性陶瓷材料。該陶瓷可廣泛用于制備大尺寸部件或900～1100℃高溫下工作的耐熱、耐磨及耐腐蝕部件。
文檔編號C04B35/64GK1090563SQ9311530
公開日1994年8月10日 申請日期1993年12月31日 優先權日1993年12月31日
發明者王樹強, 袁啟明, 談家琪, 朱宣惠, 陳玉茹, 吳厚政 申請人:天津大學