氧化铝基陶瓷组合物、用其制造磨擦元件的方法及所得的磨擦元件技术

一种用来烧结形成磨擦元件之陶瓷组合物，包括：至少９０重量％氧化铝，１．７重量％至２重量％Ｍｎ↓［３］Ｏ↓［４］，０．８重量％至１重量％ＴｉＯ↓［２］，０．５重量％至１．５重量％ＳｉＯ↓［２］，不超过１重量％ＭｇＯ，０．６重量％至１．６重量％的选自Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ的过渡元素之氧化物或氧化物混合物，其余者为杂质，总量不超过０．５％。在烧结后，组合物制成含有尖晶石相之磨擦元件：铝酸锰和／或过渡元素如Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ之铝酸盐。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氧化铝基陶瓷之组合物。基于氧化铝之陶瓷极广泛地使用于磨擦应用，此乃由于与其它陶瓷比较时，其具高硬度、良好耐磨性及低价格(例如，碳化硅之价格约为其之两倍)。其最重要的磨擦应用之一为制造混合器龙头之阀盘。目前此应用最广泛使用之产品为加入碱土金属(Ca或Mg)硅酸盐形式之烧结添加剂的氧化铝。此等产品在润滑时令人满意，但在润滑不存在下其磨擦系数会高。一般而言，目前的氧化铝基陶瓷所提供之磨擦性能，会随时间显著改变及劣化，而导致在由此等陶瓷制成之龙头盘之所欲使用寿命结束前有卡紧之危险。已进行相当多的研究以使盘与其各种几何形状间之润滑最佳化，而在此领域已有某些进步。本专利技术之目的为提供一种氧化铝基陶瓷组合物，它具有中等烧结(温度因而价格适中)，当烧结时，其适于常规研磨及磨光处理，且其在润滑剂不存在下具有低的固有磨擦系数。须知，固有磨擦系数之概念并非材料之固有特性二移动元件间之磨擦系数应视各元件之物理及化学性质而定，亦视元件之各种几何形状及其表面状况、润滑性质(甚至此仅因为熟水或冷水)及决定磨擦系数之操作条件而定。在以下的说明中，磨擦系数之概念系采取现有技术所用之几何形状及操作条件来说明，且润滑由水本身所提供。“固有”一词意指二磨擦盘均由所述材料所制成。磨擦系数之概念亦存在于由不同材料所制成之盘(在该情况，使用“材料对”表示，若二材料完全相同时，此对是均匀的)。因此，本专利技术之另一目的为提供一种氧化铝基陶瓷组合物，具有中等烧结温度，其极适于常规研磨及磨光处理，且其在润滑不存在下，与其本身及与其他氧化铝基陶瓷组合物(例如，含约1重量％至2重量％MgO及3重量％至4重量％SiO2，以及其余主要为氧化铝之常规陶瓷，其中一般杂质最多为1％)间具有低磨擦系数。因此，本专利技术提供一种供烧结以制造磨擦元件之陶瓷组合物，包括-至少90重量％氧化铝，-1.7重量％至2重量％Mn3O4，-0.6重量％至1重量％TiO2，-0.5重量％至1.5重量％SiO2，-不超过1重量％MgO，-0.8重量％至1.6重量％的过渡金属如Ni、Co、Fe、Cu、Cr之氧化物或氧化物混合物，-其余者，总量不超过0.5％的杂质。依照本专利技术之优选特性，其优选组合有-氧化铝含量至少为94％，-Mn3O4含量基本上在1.7％与1.8％之间而TiO2含量基本上在0.8％与0.9％之间，-MgO含量为0.6％与0.7％之间，-SiO2以高岭土或滑石之形式引入，-过渡金属氧化物之含量为0.8重量％与1.6重量％之间，-至少一部份氧化物或氧化物之混合物以铝酸盐或氧化物之形式被引入，-氧化物包括氧化钴或铝酸盐。本专利技术系根据下列假设氧化铝/氧化铝对之磨擦系数可通过加入烧结氧化铝相而降低，该烧结氧化铝相适于磨蚀掉，而在移动体之间构成一固态润滑层。例如以具有烧结温度约为1350℃之氧化铝基陶瓷组合物(在其他场合用做机械接合元件)而言，这类组合物通常使用层状结构MnTiO3相。此相在烧结氧化铝基组合物后得到，组合物主要包含呈化学计量比(大约为2∶1)之氧化锰及氧化钛。然而，已发现此组合物常仅具普通磨擦性能。此可能由于其较不适于用一般工业方法研磨及磨光。仅加入SiO2显示有利于形成玻璃质助熔物，其可强化氧化铝基质颗粒间之接合。在研磨及磨光后可发现显著的改良。然而，此材料围绕氧化铝颗粒具有微裂纹，其出现仍因MnTiO3相存在之故。氧化钴或铝酸钴之加入显示有利于与SiO2一起形成MnAl2O4或CoAl2O4型尖晶石相，及极类似于硅酸钴之相。这会改良铝酸盐之磨擦性能；一般认为此与铝酸锰MnAl2O4及铝酸钴之生成而取代MnTiO3相有密切关系。相同尖晶石相之形成亦可通过加入镍、铁、铜或铬之氧化物或铝酸盐而得。除了其同时存在以外，本专利技术亦教导了加入组分之浓度范围。不足量之SiO2(低于0.5％)显示导致不良磨光及磨擦性质。过量SiO2(超过1.5％)导致过量玻璃质相之存在，其使材料易脆。同样，不足量之过渡元素(Co，Ni，Fe，Cu，Cr)之氧化物(低于0.6％)具有无法形成所需结晶相之缺点。其最低浓度似以0.8重量％为较佳。另一方面，过量过渡元素(Co，Ni，Fe，Cu，Cr)之氧化物(超过1.2％至1.6％，包括高达0.4％的Fe2O3)具有成本增加之缺点。对其他组分亦界定范围。不足量之Mn3O4及TiO2(分别低于1.7％及0.8％)导致烧结温度之增加。另一方面，其过量(大于2％及1％)会降低材料之性能。MgO之存在有利，因其有利于形成尖晶石相。Fe3O4之存在似乎不利。少许杂质或添加剂可被允许，最大允许量为0.5％。此类杂质包括，例如，CaO，Na2O及K2O以及氧化铝中之常见杂质。本专利技术之另一目的为提供一种具有上述特性之磨擦元件之制造方法。关于此方面，其提供一种磨擦元件之制法，包括制备上述界定之组合物之步骤、制造具有该组合物之未处理元件之步骤，及在适于产生铝酸锰和/或钴相之烧结条件下烧制之步骤。依照本专利技术之较佳特性，可组合-组合物包含至少94％氧化铝，-Mn3O4含量大体在1.7％与1.8％之间，而TiO2含量大体在0.8％与0.9％之间，-烧制步骤必须将未处理元件加热到1510℃与1540℃之间约1小时，-SiO2例如以高岭土形式被引入，-过渡元素氧化物含量在0.8重量％与1.6重量％之间(较佳为低于1.2重量％)，至少一部分氧化物例如以铝酸盐形式被引入，-MgO含量在0.6重量％与0.7重量％之间，-氧化物或氧化物之混合物包括氧化钴或铝酸盐。本领域熟练技术人员应当明白对任何欲烧结之组合物如何决定有效的烧结条件，预先提供小量以进行尝试/错误之试验。有效的烧结条件，通常可达到足够的比重(通常为最大比重理论值之90％，甚至95％)，以及细而均匀的晶粒(粒度通常低于或等于10微米)。选择可达成以上两个目标之烧结条件通常于烧结后足以得到所需的铝酸盐相。本专利技术之另一目的为提供一对磨擦元件，其可被用于龙头且其制造上经济，而且在使用期间具有最低及最规则的磨擦系数。为此，本专利技术提供一对磨擦元件，至少其中之一包含-至少90重量％氧化铝，-1.7重量％至2重量％Mn3O4，-0.8重量％至1重量％TiO2，-0.5重量％至1.5重量％SiO2，-不超过1重量％MgO，-0.6重量％至1.6重量％过渡元素如Ni，Co，Fe，Cu，Cr之氧化物或氧化物混合物，-不超过1重量％MgO，-其余者，总量不超过0.5％的杂质，该元件之比重至少为最大比重理论值之90％，并包含X射线可检出之铝酸锰和/或铝酸钴相部分。比重宜在3.79±0.03与3.86±0.03之间，应视烧结条件及具体组合物而定。依照本专利技术之较佳特性，可组合下列成分-氧化铝含量为至少94％，-Mn3O4含量大体在1.7％与1.8％之间而TiO2含量大体在0.7％与0.9％之间，-过渡元素氧化物含量在0.8％与1.6％之间(较佳为低于1.2％)，-MgO含量在0.6％与0.7％之间，-二磨擦元件具有大体相同的组合物，-其他磨擦元件主要包含1％与2％(较佳在1％与1.5％之间)MgO及3％至4％(较佳为3％至3.5％)SiO2，其余者为氧化铝及杂质，-氧化物或氧化物混合物包含氧化钴或铝酸盐。本专利技术之目的、特性及优点通过非限本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来烧结形成磨擦元件之陶瓷组合物，包含：－至少９０重量％氧化铝，－１．７重量％至２重量％Ｍｎ↓［３］Ｏ↓［４］，－０．８重量％至１重量％ＴｉＯ↓［２］，－０．５重量％至１．５重量％ＳｉＯ↓［２］，－不超过１重量％Ｍｇ Ｏ，－０．６重量％至１．６重量％的选自Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｃｒ的过渡元素之氧化物或氧化物混合物，－其余为杂质，总量不超过０．５％。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R特拉伯斯，
申请(专利权)人：陶瓷标记技术公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]