黑色氧化锆陶瓷刀的研制欧阳胜林(中材高新材料股份有限公司,淄博255031 )摘要: 突破了目前陶瓷刀具行业通用的黑色氧化锆刀制造工艺,以尖晶石型钴黑高温色料作为呈色剂,采用水基注凝法,制成黑色氧化锆陶瓷刀。
经过对其烧成制度等影响进行一系列研究后,使黑色陶瓷刀具有颜色均匀一致,色泽亮丽,强度高、韧性好等优异性能,完全满足要求。
关键词: 水基凝胶法;黑色锆刀;冷加工氧化锆陶瓷刀是当今世界理想的高科技绿色刀具,它具有坚硬、耐磨、锋利、化学性能稳定、耐腐蚀、不生锈、无污染、易清洗等优点, 广泛应用于餐饮、家居、办公、医疗等场所,在日、韩、欧、美各国有着广阔的市场潜力。
目前市场上的氧化锆陶瓷刀一般为白色(白中透黄)和黑色,其中前者是氧化锆陶瓷的本征色。
目前,国内外制备黑色氧化锆陶瓷刀一般在Y2 O3部分稳定Zr O2 ( 3 Y - TZP ) 坯体中引入碳和着色剂,再干压和等静压成型后烧制的工艺。
这种工艺存在两大致命弱点, 其一是, 由于碳还原剂的存在, 所制备的陶瓷体致密度和均匀性较差;其二是,由于这两种成型方法不能实现陶瓷刀的净尺寸成型, 不仅所制备的陶瓷刀坯厚重, 冷加工余量大,而且需要较高温度和较长时间的烧结,导致成瓷后晶粒大小不一、开刃困难、易崩口,使得陶瓷刀的冷加工效率和成品率降低。
水基注凝成型已被广泛地应用于氧化铝电子陶瓷基片等薄壁陶瓷的制备,可以通过模具设计,实现薄胎和异型陶瓷坯体的成型。
本研究利用尖晶石型钴黑高温色料作为黑色呈色剂,采用水基注凝法,开发出黑色氧化锆陶瓷刀的制备技术,可实现陶瓷刀坯的近净尺寸成型, 大大较少后续机械加工量, 制备出颜色均匀一致, 色泽亮丽,强度高、韧性好的黑色氧化锆陶瓷刀。
1 主要试验1. 1 原料( 1)高纯氧化锆粉选用广东某厂白色结晶性气流粉末———Y2 O3部分稳定Zr O2 ( 3 Y - Zr O2 ) ,要求其烧结温度在1500 ～1550 ℃, 烧结体积密度在6. 00 g / cm3 ,其性能指标见表1。
表1高纯氧化锆粉性能指标成分/ %比表面积/m2 ·g- 1d50 /μm物相Zr (H f) O2Si O2Ti O2Fe2 O3N a2 O Y2 O3≥94. 5≤0. 02≤0. 01≤0. 01≤0. 015. 4 ≥100. 3～0. 5 四方相( 2)钴黑色料采用淄博某厂提供的一种非常稳定的深黑色钴黑色料,属尖晶石型结构。
1. 2 试验配方在氧化锆粉体中加入不同量的钴黑色料,研究钴黑色料的用量对氧化锆陶瓷黑色呈色的影响,以确定用于黑色氧化锆陶瓷刀制备的配料组成配方。
表2是设计的三组配方组成。
表2黑色氧化锆陶瓷刀坯料配方w / %配方编号氧化锆粉钴黑色料123989695245作者简介: 欧阳胜林( 1975 ～) ,男,硕士. 主要从事无机非金属材料的生产及管理.10科 研 与 探 讨现 代 技 术 陶 瓷2008 年第 4 期 (总第 118 期 )1. 3 研制的工艺路线体积分数和良好流动性的陶瓷浆料 ,加入引发剂 后浇注进模具中 ,在一定条件下使有机单体和交 联剂发生原位凝胶聚合反应 ,形成交叉链网络结 构 ,使浆料固化形成凝胶状坯 体 , 经 脱水 干燥 后 即可直接烧结成高精度尺寸的陶瓷制品 。
2. 2 钴黑色料对其密度影响将 1号 , 2 号 , 3 号三组配方在同一温度下处 理 ,观察其密度与呈色效 果对 比 , 结 果如 图 1 所 示 。
→ → → → → → → → → → → → → → → → 1. 4 主要工艺说明( 1 )球磨 。
聚氨酯内衬球磨机中料球的比例为 1 ∶1. 5 ,按照一定顺序加入所需的原料 ,研磨至 规定时间后 , 停 下球 磨机 , 放 出料 浆 。
放 料 时过250 目筛网 ,除去球磨过程中可能引入的较粗杂物 。
( 2 )注凝 。
从球磨罐中放出的料浆经真空搅拌除气后 ,加入适量的催化 剂和 引 发剂 , 浇 注进 多层玻璃组合模具中凝胶 。
( 3)干燥 。
脱模后的湿凝胶氧化锆坯片在脱水干燥过程中会有一定的收缩量 ,如果脱水不均匀 会造成坯片的严重变形或开裂而影响冲压加工 。
( 4 )保湿 。
把已经干燥透的氧化锆坯片放入 去离子水中浸泡 ,根据坯片厚度确定浸泡时间长 短 ,一般坯片发软能够冲压即可 。
( 5 )冲压 。
结合氧化锆坯片的收缩率以及陶 瓷刀的尺寸要求 ,将制作好的刀模安装到可倾式 压力机上进行冲压成型 。
( 6 )烧结 。
试验过程可以采用箱式硅钼棒高 温电窑 ,规模化生产可使用 单孔 或双 孔 推板 窑 , 承烧板及覆平板最好采用日本产刚玉质 ,烧成温 度 1330～1520 ℃。
( 7 )加工 。
冷加工是黑色氧化锆陶瓷刀研制 的最后工艺 , 主要过程包括 : 液 压自 动立 式 磨床 平面磨 、三箱落地式抛光机 镜面 磨 、液压 自 动端 面磨刀机开大刃 、二次表面 抛光 、落 地金 刚 石砂 轮机开小刃 (刀口 )等 。
图 1 氧化锆刀在不同钴黑色料含量和烧结温度下的体密曲线从图可知 , 在同一温度下烧成 , 随着钴黑 色 料加入量从 2 % →4 %增加 ,密度逐渐升高 , 这说 明钴黑色料可以起到促进烧结的效果 ,同时使其 呈色逐步加深 。
但随着加入量进一步增加 ,密度 变化较小 ,且有下降趋势 。
2. 3 不同温度对钴黑色料在 Zr O 2中呈色的影响表 3列出了 三组 配 方在 不同 温 度下 钴黑 色 料在 Zr O 2中呈色效果 。
表 3 三种配方成型的氧化锆刀坯在不同温度烧结的体密和颜色- 3密度 / g ·c m ,呈色烧结温度1 号配方2 号配方3 号配方 1520 ℃ 1450 ℃ 1360 ℃ 1330 ℃ 5. 905. 89 5. 86灰绿色 灰色 浅黑色5. 965. 95 5. 92黑灰色 黑色 黑色 5. 955. 955. 92黑色 黑色 亮黑色5. 85 浅黑色 5. 91 黑色5. 92亮黑色 从结果可以发现 : 组成 1 烧结后氧化锆刀坯 的颜色均较浅 , 与黑色的要求 有 较大 的差 别 , 且 随烧结温度的升高依次变 浅 , 特 别是 在 1520 ℃ 烧结的刀坯 , 为灰 绿色 。
随烧 结 温度 的降 低 , 试 样的体积密度依次降低 。
在 1360 ℃和 1330 ℃烧 结的刀坯颜色和体密均相 差 不大 。
可以 看到 组 成 2在较低的温度烧结就获得了比较高 温度 烧 结的组成 1 陶瓷的更高的密度 ,说明钴黑色料促 进了氧化锆陶瓷的致密化 。
并且 冷 加工 抛磨 后2 试验结果与讨论2. 1 工艺原理水基注凝成型 工艺 技 术是 传统 的陶 瓷 注浆成型和有机化学理论的结合 。
通过 向水 基 陶瓷 浆料中加入有机单体和交联剂 ,混磨得到高固相11包装检验 安装刀柄 陶瓷冷加工处理 整平热处理 表面清理 烧结 冲切成型 脱水干燥 脱模揭坯片 室温凝胶化 浇注进组合模具 加引发剂 定量出料 真空除气 球磨混料 原料科研与探讨现代技术陶瓷2008年第4期(总第118期)刀坯的表面颜色较黑。
进一步增加组成中钴黑色料的引入量后,组成3 经不同温度烧结获得的氧化锆陶瓷的密度和冷加工抛光后的颜色可以看到,经1330 ℃烧结的陶瓷就已经获得了较高的密度,同时呈乌黑的亮色。
试验证明, 采用引入钴黑色料5 %的组成3 成型的氧化锆陶瓷刀坯经1330 ℃烧结后平均体密为5. 92 g / cm3 ,抗弯强度≥800 M Pa,断裂韧性≥8 M Pa·m1 / 2 ,维氏硬度≥10 GPa, 洛氏硬度≥90 ,晶粒尺寸( SE M 观察)小于0. 8 μm ,呈现亮黑色,达到了市场对黑色氧化锆陶瓷刀的色泽和性能的要求。
2. 4 边角料的回收利用研究试验制备的黑色氧化锆刀坯性能良好, 但是,我们的最终目的是要实现工业化大规模生产,把黑刀推向市场, 创造更大的效益, 因此, 必须对边角废料进行回收利用。
我们按照正常的温度和时间,对边角料进行排塑,但是发现加入色料的坯片排塑后经过重新配料,加入催化剂和引发剂后, 料浆却不凝胶。
由于坯片的利用率较低,如果边角废料不能循环利用,无疑会大大增加生产成本, 黑色刀坯就无法实现大规模生产, 因此, 必须要解决边角料的再利用问题。
经过研究分析认为,由于钴黑色料属Co - C r - Fe - N i氧化物高温合成而得。
在排塑过程中碳及CO 等会引起它的组成变化,导致它对注凝料浆产生阻凝作用。
因此对不同的排塑温度对料浆的影响进行详细研究,结果见表4。
从表4 可见,我们得出边角废料在350 ℃下排剂4 h,可以循环使用。
但是由于影响较多,如排剂料的多少是否会影响排剂效果、用窑炉排塑的稳定性等等,需要多做几次试验进行验证。
表4 边角料排塑温度、时间与效果关系温度/ ℃时间/ h排塑效果7005004003504244不凝胶凝胶,但坯体较软,强度、韧性较差坯片较软能够正常凝胶200 4 凝胶,但是坯片研磨难3 结论( 1)突破传统的压制成型技术, 采用水基注凝法工艺,利用钴黑高温色料为黑色剂, 制备黑色氧化锆陶瓷刀是切实可行的。
采用该工艺制得黑色陶瓷刀, 不仅使性能有所提高, 而且可以近尺寸成型, 减少后续加工量, 降低材料损耗和生产成本。
( 2)钴黑色料加入5 %后,制品烧结温度控制3在1330 ℃左右,可制成体密5. 92 g / cm 黑色陶瓷刀,同时可以大大降低能耗, 符合国家节能减排的宏观要求,具有较高社会推广价值。
(上接第9页)S t udy on Ge l- Ca st i n g Proce s s i n g of HfB2 - S i C C o m po s i te sYa n g Q in g q in g Ta n g Zh u x in g(D e p t. of M a t e r. Sc i. & Engin. , Shandong U n i ve r sity of Techno l ogy, Zibo 255049)A b s tra c t: The ge l- ca s ting p r oce s sing of H f B2 - Si C compo s ite s wa s stud i ed in th i s re s ea r ch. Theeffec t s of d i s p e r san t, pH , the s o l id v o l um e con t en t on the slu r ry we r e inve s tiga t ed. ana l yzed w ith an X - ray d i ffrac t om e t e r and the m ic r o s truc t u r e of the sin t e r ed H f B2The p h a s e compo s iti on wa s - Si C compo s ite s we r e stud2ied by SE M - EDX. The re s u l ts show tha t the s o l id con t en t of the slu r ry is ( H f B2 - 20w t% Si C )40 v o l.% and the visco s ity is 600m P a s when pH is 10. 6 and the con t en t of d i s p e r san t is 8 v o l.%. H f B2 and Si C exist in the f o r m of p ri m a r y c r ysta l line p h a s e in compo s ite and the r e is a good in t e r fac i a l bond i ng be t w een H f B2 and Si C.Keyword s: H f B2 ; Si C; compo s ite s; ge l - ca s ting; m ic r o s truc t u r e; compo s ite m a t e r ia l s12。