CN102060530A - 一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，将氧化锆陶瓷造粒粉料、复合添加剂充分混合后置于模具中等静压成型，再将其烧结成致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件，最后将毛坯件磨削加工成具有精密尺寸的陶瓷柱塞。与现有技术相比，本发明提供的氧化锆柱塞材料及其制造方法有效地提高了陶瓷柱塞的致密性、成型效率和成品率。采用这种致密氧化锆陶瓷柱塞制作高压柱塞泵，具有使用寿命长，耐磨、耐腐蚀的优越性，可扩展柱塞泵的应用范围，减少停机维修更换高压柱塞和密封套次数，节约工程运行成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压柱塞泵部件的制备方法，尤其是涉及一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法。
背景技术
柱塞是高压柱塞泵核心部件之一，它是利用其耐磨耐腐蚀的特点，配合高压密封圈，在往复运动中，使水或液相工作介质形成高压流体。柱塞一般形状是由长径比10～20的实芯或空芯杆状结构组成，由于工作压力高，长期在高压下与密封材料往复磨擦和冲击推拉，所以不但要求构成柱塞的材料硬度高，韧性好，而且要求高的外形尺寸和表面光洁度。柱塞材料通常由耐磨金属组成，但在石油、化工、制药、食品以及高压水射流切割、清洗行业中，液相工作介质常由纯水或海水组成，不但工作介质压力高，润滑性差，并含硬质固相粒子，容易在应用中引起金属柱塞的锈蚀和磨损。造成柱塞泵连续工作寿命短，或运行失效。
因此，采用陶瓷柱塞替代耐磨金属柱塞，是克服其缺陷的有效途径。氧化锆陶瓷，因具有优良的耐磨损，耐腐蚀、高强度、高韧性以及耐高温等特点。使其能在特别恶劣的环境中使用，且不污染物料和环境，在液压机械系统中代替高强不锈钢、硬质合金等金属柱塞，可实现延长柱塞使用寿命，提高设备运行效率，避免磨损粒子对物料的污染等效果。氧化锆陶瓷的制备主要有如下四项关键工艺过程。①原料配制，②坯体成型，③高温烧结，④磨削加工等。解决氧化锆陶瓷柱塞成型粉料配制技术的目的是：通过控制成型原料的组份、分散状态、成型粉料粒度分布及成型结合剂等因素，调控坯体的成型密度和烧结体的显微组织及机械性能。达到实现材料的微晶化、降低微气孔缺陷。
氧化锆陶瓷的制备方法通常有湿法和干法两种工艺。湿法工艺是采用氧化钇部分稳定氧化锆细粉料经与水性或有机结合剂混合，调制成浆料，经浇注或压力注射成型；干法工艺是采用氧化钇部分稳定氧化锆喷雾造粒粉料为原料，经干压或等静压或两者结合压制成型，具有成型效率高，坯体一致性好，生坯密度和强度高等特点。
由于致密氧化锆陶瓷坯体的直径一般大于10mm，采用湿法工艺，不但加工周期长，工艺复杂，而且容易在除去成型结合剂的过程中，导致坯体变形、开裂、气泡等缺陷。因此，干法工艺是制备致密氧化锆陶瓷柱塞有效技术途径。解决高密度氧化锆陶瓷柱塞成型和烧结技术的目的是：在优化原料配制技术的基础上，通过调控成型和烧结工艺参数，提高成型坯体的结构均匀性、抑制烧结过程聚集气孔产生。实现烧结体微晶化致密烧结、降低临界气孔率，确保综合耐磨性能的提高。
为达到致密氧化锆陶瓷高压柱塞高强耐磨，实现在高压荷载介质中长期安全运行的应用质量目标，其外形尺寸和表面要求极高，直径和圆度尺寸公差范围为0.02mm，特殊要求必须达到6μm的尺寸精度，表面光洁度为0.2。要解决磨削加工的技术关键，必须通过研磨加工设备的工装设计和加工抛光工序设计及加工操作程序控制，实现制品的表面质量目标。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种密度高、韧性好、微气孔缺陷少、尺寸精确的致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)成型粉料的调制：将氧化锆陶瓷造粒粉料与复合添加剂按重量比为(97～98)∶(3～2)进行充分混合；
(2)将步骤(1)得到的混合物料置于模具中等静压成型，成型模具的设计适合细长氧化锆陶瓷件等静压成型，使坯体各向受压均匀，减少坯体中残留微气孔的不均匀性；
(3)高温烧结：将经模具成型的样品烧结成致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件；
(4)磨削加工：将致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件磨削加工成陶瓷柱塞。
步骤(1)中所述的氧化锆陶瓷造粒粉料包括以下组分及重量份含量：氧化锆85～95，氧化钇4～6，氧化钙0.02～0.1或氧化镁0.02～0.1，氧化铝0.02～2。
步骤(1)中所述的复合添加剂选自硬脂酸、硬脂酸铝、硬脂酸镁、硬脂酸钙、氧化铝氧化镁、氧化钙、氧化铈、油酸或煤油中的一种或几种。
步骤(2)中所述的模具由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成。
步骤(2)中所述的等静压成型采用以下工艺条件：成型压力为200～240MPa，保压时间为1～6min。
步骤(3)中所述的高温烧结的温度范围是1550～1600℃。
步骤(4)中所述的陶瓷柱塞为空心陶瓷柱塞管或实芯陶瓷柱塞棒。
与现有技术相比，本发明的关键点在于在原料中添加了可以起到粉料粒子加压滑移作用的有机添加剂和提高材料硬度、抑制材料晶粒长大、调控材料相变组分的无机添加剂，可有效提高氧化锆陶瓷柱塞的生坯密度和烧结体的致密性。本发明的关键点还在于设计了专用的等静压成型模具和压力制度，可有效提高氧化锆陶瓷柱塞的成型效率和成品率。解决了高温烧结优化烧结方法和参数控制技术，使制成的致密氧化锆陶瓷柱塞产品的相对密度＞99.1％，经磨削加工，直径和圆度尺寸公差范围为＜0.015mm，表面光洁度为0.2。特殊地，直径和圆度尺寸公差达到5μm的尺寸精度。
本发明的优点在于，可有效提高氧化锆陶瓷柱塞的致密性，成型效率和成品率。实现制备出密度高、韧性好、微气孔缺陷少、尺寸精确的高强度柱塞的目的。采用这种致密氧化锆陶瓷柱塞作为高压柱塞泵的核心部件，具有使用寿命长，耐磨、耐腐蚀的优越性，可扩展柱塞泵的应用范围，减少停机维修更换高压柱塞和密封套次数，节约工程运行成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
将市售的3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料，添加含有硬脂酸、超细高纯氧化铝和硬脂酸钙、煤油等组分的复合添加剂，按以下的重量百分比配方配制：
3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料97.6％，
硬脂酸 0.1％，
硬脂酸钙 0.15％，
氧化铝 0.02％，
煤油 2.13％，
在塑料容器中进行充分混合，然后装入由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成的专用成型模具，经抽真空，减少模腔内的空气含量；放入等静压机的液压油缸内，在200MPa的压力下，保压3分钟成型；在1580℃的烧结温度下，保温150分钟，经精确研磨，制成的规格为φ10×260和φ12.7×165致密氧化锆陶瓷柱塞，达到如表1中A列所示技术性能。
实施例2
将市售的3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料，添加含有硬脂酸铝、硬脂酸镁、油酸等组分的复合添加剂，按以下的重量百分比配方配制：
3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料98％，
硬脂酸铝 0.15％，
硬脂酸镁 0.1％，
酸油 1.85％，
在塑料容器中进行充分混合，然后装入由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成的专用成型模具，经抽真空，减少模腔内的空气含量；放入等静压机的液压油缸内，在220MPa的压力下，保压4分钟成型；在1585℃的烧结温度下，保温180分钟，经精确研磨，制成的规格为φ16×160致密氧化锆陶瓷柱塞，达到如表1中B列所示技术性能。
实施例3
将市售的3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料，添加含有硬脂酸、硬脂酸镁、油酸等组分的复合添加剂，按以下的重量百分比配方配制：
3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料98％，
硬脂酸 0.1％，
硬脂酸镁 0.1％，
酸油 1.8％，
在塑料容器中进行充分混合，然后装入由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成的专用成型模具，经抽真空，减少模腔内的空气含量；放入等静压机的液压油缸内，在240MPa的压力下，保压6分钟成型；在1595℃的烧结温度下，保温180分钟，经精确研磨，制成的规格为φ22.20×300致密氧化锆陶瓷柱塞，达到如表1中C列所示技术性能。
实施例4
将市售的3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料，添加含有硬脂酸、硬脂酸镁、油酸等组分的复合添加剂，按以下的重量百分比配方配制：
3mol％Y2O3稳定的氧化锆陶瓷造粒粉料98％，
硬脂酸 0.1％，
硬脂酸镁 0.1％，
酸油 1.8％，
在塑料容器中进行充分混合，然后装入由耐油橡胶、芯棒和胶塞构成的专用成型模具；放入等静压机的液压油缸内，在200MPa的压力下，保压6分钟成型；在1595℃的烧结温度下，保温220分钟，经精确研磨，制成的规格为φ75×φ32×380致密氧化锆陶瓷柱塞管，达到如表1中D列所示技术性能。
表1
实施例5
一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)成型粉料的调制：将氧化锆陶瓷造粒粉料与复合添加剂按重量比为97∶3进行充分混合，其中氧化锆陶瓷造粒粉料由以下配方组成：氧化锆∶氧化钇∶氧化钙∶氧化铝为85∶4∶0.02∶0.02，复合添加剂为硬脂酸铝；
(2)将步骤(1)得到的混合物料置于由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成的模具中等静压成型，成型模具的设计适合细长氧化锆陶瓷件等静压成型，控制成型压力为200MPa，保压时间为6min，使坯体各向受压均匀，减少坯体中残留微气孔的不均匀性；
(3)高温烧结：控制高温烧结的温度为1550℃，将经模具成型的样品烧结成致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件；
(4)磨削加工：将致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件磨削加工成空心陶瓷柱塞管。
实施例6
一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)成型粉料的调制：将氧化锆陶瓷造粒粉料与复合添加剂按重量比为98∶2进行充分混合，其中氧化锆陶瓷造粒粉料由以下配方组成：氧化锆∶氧化钇∶氧化镁∶氧化铝为95∶6∶0.1∶2，复合添加剂为硬脂酸铝、硬脂酸镁及硬脂酸钙的混合物；
(2)将步骤(1)得到的混合物料置于由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成的模具中等静压成型，成型模具的设计适合细长氧化锆陶瓷件等静压成型，控制成型压力为240MPa，保压时间为1min，使坯体各向受压均匀，减少坯体中残留微气孔的不均匀性；
(3)高温烧结：控制高温烧结的温度为1600℃，将经模具成型的样品烧结成致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件；
(4)磨削加工：将致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件磨削加工成实芯陶瓷柱塞棒。
Claims (7)
1.一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)成型粉料的调制：将氧化锆陶瓷造粒粉料与复合添加剂按重量比为(97～98)∶(3～2)进行充分混合；
(2)将步骤(1)得到的混合物料置于模具中等静压成型，成型模具的设计适合细长氧化锆陶瓷件等静压成型，使坯体各向受压均匀，减少坯体中残留微气孔的不均匀性；
(3)高温烧结：将经模具成型的样品烧结成致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件；
(4)磨削加工：将致密氧化锆陶瓷柱塞毛坯件磨削加工成陶瓷柱塞。
2.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的氧化锆陶瓷造粒粉料包括以下组分及重量份含量：氧化锆85～95，氧化钇4～6，氧化钙0.02～0.1或氧化镁0.02～0.1，氧化铝0.02～2。
3.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的复合添加剂选自硬脂酸、硬脂酸铝、硬脂酸镁、硬脂酸钙、氧化铝氧化镁、氧化钙、氧化铈、油酸或煤油中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的模具由耐油橡胶管套、多孔保持架及带有抽真空接口的胶塞构成。
5.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的等静压成型采用以下工艺条件：成型压力为200～240MPa，保压时间为1～6min。
6.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的高温烧结的温度范围是1550～1600℃。
7.根据权利要求1所述的一种致密氧化锆陶瓷柱塞的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的陶瓷柱塞为空心陶瓷柱塞管或实芯陶瓷柱塞棒。
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