專利名稱：一種使用玻璃進行氧化物陶瓷表面改良的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氧化物陶瓷如氧化鋁的表面改良的方法。這種氧化物陶瓷可用作耐熱部件、耐磨部件和用于制造半導體的儀器的部件及由該方法生產(chǎn)出來的氧化陶瓷物。
特別是本發(fā)明涉及了一種氧化物陶瓷的表面改良的方法及由這種方法生產(chǎn)出來的氧化陶瓷物，其中，通過熱處理的方式將熱膨脹性能低的玻璃滲透到氧化物陶瓷的表面，進行表面改良，于是能提高氧化物陶瓷的撓曲強度、耐熱性能和耐磨性能，而且其表面裂紋可以被修復。
背景技術：
氧化物陶瓷的金屬原子與氧原子之間強的離子粘合力使其具有高的撓曲強度，而且呈現(xiàn)出強耐氧化性能，強電絕緣性能，強耐氧氣和化學物品性能和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性能。因此，這種氧化物陶瓷被用做工業(yè)機器的零部件，如具有高耐磨和耐腐性能的軸承和切割工具及半導體產(chǎn)品制造中要求進行熱處理的環(huán)保部件。相應的，這種氧化陶瓷物被廣泛地用在各個領域中，用作用于常壓熱處理的耐熱部件和管件。
通常使用的氧化物陶瓷有氧化鋁陶瓷和鎬英石陶瓷，其中氧化鋁陶瓷占據(jù)了幾乎一半的市場，而鎬英石陶瓷主要作為具有高機械性能的陶瓷。
然而，氧化物陶瓷有缺點由于其天然的易脆性，當表面有缺陷時，該材料的撓曲強度降低，其中單個的大裂紋就會導致陶瓷材料的徑向損傷，從而降低產(chǎn)品或部件的可靠性。當然，此缺點成為陶瓷物廣泛應用中的最大的障礙。
此外，陶瓷物天然的缺陷是傾向于在機加工部件時在部件表面產(chǎn)生裂紋，因而增加了產(chǎn)品質量方面的廢品率，相應增加這些部件的制造成本。
對于最通常用在氧化物陶瓷領域的氧化鋁陶瓷，其另一個缺點是強度不夠。因此，氧化鋁陶瓷不適用于高科技工業(yè)應用領域，而且氧化鋁陶瓷耐熱溫度不高，耐磨強度不夠。因此，氧化鋁陶瓷在240℃下被高速冷卻時容易受損，不適宜在高應力條件下用作機械密封材料。
鋯英石陶瓷克服了氧化鋁陶瓷的上述缺點，有高強度和高耐熱應力性能。
但是，鋯英石陶瓷也具有一些缺點，如比重高，熱膨脹系數(shù)高和硬度低，于是鋯英石陶瓷只能在室溫條件下使用。
此外，鋯英石陶瓷有很高的強度，同陶瓷一樣也有很高的斷裂(destruction)性能。因此，人們一直在進行許多研究以改善其斷裂性能。但是，與目前市購的材料的強度值的差別最大高過了100％。而在機械性能方面如此巨大的差別就成為該材料可靠設計的絆腳石。
幾十年來，為了克服氧化物陶瓷缺點，人們一直進行許多研究，以通過控制氧化物陶瓷的微觀結構來增強其性能。尤其是對氧化物陶瓷中的鋯英石陶瓷，研究主要集中在改進斷裂性能方面；而對于氧化鋁陶瓷，則研究集中在通過減小顆粒以減少裂紋，通過增加第二相、進行高速熱處理或者在表面滲透Cr2O3材料層提高材料的強度以在材料表面形成壓縮壓力。
韓國第329120號專利公開了為提高氧化鋁陶瓷的耐久性和耐磨性，在較低的氧氣分壓(N2，95N2-5H2，H2等)的環(huán)境中焙包括添加劑如Fe的燒粉成型件后，在將氧化鋁陶瓷在較高氧氣分壓(80N2-2002，O2，等)的環(huán)境中進行熱處理。

發(fā)明內容
為了獲得上述優(yōu)點及其他優(yōu)點，根據(jù)本發(fā)明的目的，具體且概括地說，本發(fā)明的目的是提供一種氧化物陶瓷表面改良的方法，在該方法中能提高氧化物陶瓷的機械性能，如撓曲強度、耐熱應力和耐磨性能，以及能夠簡便、經(jīng)濟地修復機加工過程中產(chǎn)生的表面裂紋。
另一個目的是提供由該表面改良方法生產(chǎn)的表面經(jīng)過改良的氧化物陶瓷。根據(jù)本發(fā)明，將熱膨脹系數(shù)低的玻璃通過熱處理的方式滲透到氧化物陶瓷的表面，以提高氧化物陶瓷的性能。
為達到本發(fā)明的上述目的，該氧化物陶瓷表面改良方法包括將玻璃成分滲透到氧化物陶瓷表面，并將氧化物陶瓷及玻璃成分在1000-1700℃的溫度下熱處理幾秒或幾個小時。


附圖作為本發(fā)明的一部分，旨在幫助讀者進一步地了解本發(fā)明，

本發(fā)明的實例，圖文并茂，使人們更好地理解本發(fā)明的有關原理。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的工件表面的微觀結構；圖2顯示了圖1所示的工件的內部微觀結構；圖3顯示了關于作為對比例的具有未改性表面的氧化物陶瓷的撓曲強度和表面通過滲透玻璃改性的氧化物陶瓷的撓曲強度的數(shù)據(jù)的Weibull繪制圖；圖4顯示了根據(jù)熱處理后進行高速冷卻的溫度，在表面通過滲透玻璃改性的氧化物陶瓷和作為對比例的具有未改性表面的氧化物陶瓷上的表面變化。
具體實施例方式
參考優(yōu)選實施方案及附圖，更詳細地解釋本發(fā)明。
本發(fā)明提供一種氧化物陶瓷表面改良的方法，該方法包括在氧化物陶瓷表面滲透玻璃、將氧化物陶瓷及玻璃在1000-1700℃的溫度下熱處理幾秒或幾個小時。
熱處理取決于物品的尺寸和成形熱處理溫度。因此很難確定一個合適的時間范圍，但是進行熱處理的時間優(yōu)選為幾秒鐘到10個小時。至于進行熱處理的設備，通常使用加入元件如電爐。
玻璃指以SiO2為主要成分的各種氧化物的化合物。一般來說，為了達到本發(fā)明的目的，玻璃具有比氧化物陶瓷相對小的熱膨脹系數(shù)。特別是，玻璃由作為主要成分的MgO，Al2O3，SiO2組成。
本發(fā)明的理論基礎如下
通常來說，氧化物陶瓷的熔點高，氧化鋁為2046℃，鋯英石為2700℃。另一方面，玻璃在1000℃或更高的溫度下熔融，這取決于玻璃的成分。因此，如果將氧化物陶瓷放置在玻璃上后，在1000℃下加熱氧化物陶瓷玻璃熔融成液并滲透到氧化物陶瓷的表面層中。
滲透的玻璃填充到氧化物陶瓷的裂紋，并對裂紋進行修復，于是提高了氧化物陶瓷的強度。特別是，如果玻璃具有小于母體材料即氧化物陶瓷的熱膨脹系數(shù)時，當氧化物陶瓷被冷卻到室溫時，在氧化物陶瓷的表面形成壓縮應力。因為壓縮應力，氧化物陶瓷在強度、耐熱應力和耐磨性方面被改進。
如果為達到本發(fā)明的目的，不使用玻璃，而使用其他金屬物，有以下缺點通過用于熔融金屬的熱處理，金屬在大氣環(huán)境中變成氧化物，其中防止金屬氧化要花費很高的費用。因此，對于本發(fā)明的目的來說，玻璃更合適。
現(xiàn)在，通過參考下面的實例，對本發(fā)明進行更詳盡的描述，但本發(fā)明的保護范圍不限于實施例。
實施例1通過滲透低熱膨脹系數(shù)玻璃來進行氧化鋁陶瓷表面改良氧化鋁陶瓷出模成型并在1650℃的溫度下焙燒2個小時后，焙燒體被加工成高3mm，寬4mm，長40mm的工件，并進行彎曲強度試驗。
將Mgo，Al2O3和SiO2組成的的玻璃件放置到氧化鋁陶瓷上，然后在1500℃進行熱處理，時間為5-300分鐘，其中玻璃件的熱膨脹系數(shù)要小于氧化鋁陶瓷。
如圖1所示，熱處理的結果是玻璃被滲透在工件的表面并被填充到氧化鋁陶瓷顆粒的縫隙間，圖中亮色部分為氧化鋁陶瓷，暗色部分為滲透的玻璃。
與之相反，如圖2所示，玻璃未滲透到工件的內部。玻璃滲透到工件的表面，并且隨著時間的推移，滲透的深度逐漸增加。
實施例2根據(jù)表面改良的方法抗曲強度的提高通過在溫度為1500℃下熱處理30分鐘，玻璃滲透到工件里，通過研磨將玻璃從工件表面去除后，進行強度試驗。作為對比例，測量未滲透玻璃的氧化鋁陶瓷的原始強度。
強度測量按照ISO14704標準進行，分別測量了30個工件，取得平均值和標準偏差值。
表1為氧化鋁陶瓷原始強度值及低熱膨脹系數(shù)的玻璃滲透后的氧化鋁陶瓷的強度值。
表1

表1顯示了通過使用滲透玻璃方法進行表面改良后，氧化鋁陶瓷的強度增加了約51％。
實施例3根據(jù)表面改良方法提高強度的可靠性如圖3所示，Weibull測繪儀測量出根據(jù)實施例2中所述的方法將玻璃滲透后進行了表面改良后的工件強度數(shù)據(jù)和未進行表面改良的工件的強度數(shù)據(jù)。
通過玻璃滲透對氧化鋁陶瓷進行表面改良的情況下，Weibull模量為約25，而未經(jīng)表面改良的氧化鋁陶瓷的Weibull模量為9，其中表面改良后的氧化鋁陶瓷的Weibull模量顯著大于有未改良表面的氧化鋁陶瓷的Weibull模量。
結果顯示表面改良會顯著提高強度的可靠性。
實例4根據(jù)表面改良方法提高耐熱應力性能為了觀察裂紋是否是由熱應力產(chǎn)生的，將安裝實施例2中所述的通過玻璃滲透進行了表面改良的工件和未進行表面改良的工件同時加熱到預定的溫度，然后快速用水冷卻。
為更容易地察看到裂紋的形成，將染色劑滲透到工件里。如圖4所示，在較低加熱溫度時，兩工件上都有較少的裂紋。
但是，如果工件在240℃或更高的溫度下快速冷卻(圖4左側圖例)時，在具有未改良表面的工件上均無一例外地產(chǎn)生裂紋。而表面進行了改良的工件即便在270-280℃的溫度下快速冷卻，也未觀察到裂紋。該實驗表明通過表面改良提高了耐熱應力性能。
實例5通過滲透低熱膨脹玻璃的鋯英石表面改良，并且提高了其強度將焙燒后的鋯英石陶瓷加工成型為高3mm，寬4mm，長40mm的工件，進行彎曲強度試驗。
將由MgO，Al2O3和SiO2組成的玻璃件放置到工件上，然后工件在1450℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
玻璃滲透到工件里，通過研磨將玻璃從工件表面去除后，進行強度試驗。作為對比例，測量未滲透玻璃的鋯英石陶瓷的原始強度。
強度測量按照ISO14704標準進行，分別測量了30個工件，獲得平均值、標準偏差值和Weibull系數(shù)。
表2顯示了鋯英石陶瓷原始強度值，及低熱膨脹系數(shù)的玻璃滲透后的鋯英石陶瓷的強度數(shù)據(jù)和Weibull系數(shù)。
表2

表2顯示了通過玻璃滲透方法進行表面改良后，鋯英石陶瓷的強度增加了約37％，而且Weibull系數(shù)的增加也使表面修復缺陷的能力得到了加強。
根據(jù)本發(fā)明的氧化物陶瓷的表面改良方法，可以經(jīng)濟地通過簡單的步驟提高氧化物陶瓷的強度、耐熱應力和耐磨性能。由于強度均勻，部件和材料的可靠性也都得到了加強。此外，通過修補裂紋，降低了加工或制造過程中的廢品率。因此，除了熱阻部件、耐磨部件和半導體產(chǎn)品生產(chǎn)之外，本發(fā)明的方法和本發(fā)明的表面改良的氧化物陶瓷還被廣泛應用到各個工業(yè)領域。
根據(jù)本發(fā)明的設計，可以進行不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的各種改進和變化，這對于本領域技術人員來說是顯而易見的。本發(fā)明的范圍覆蓋了從屬權利要求書范圍中限定的和與其等同的各種改進和變化。
權利要求
1.一種氧化物陶瓷改良表面的方法，包括以下步驟將玻璃成分滲透到氧化物陶瓷的表面；將氧化物陶瓷和玻璃成分在1000-1700℃下進行熱處理，時間為幾秒鐘或幾個小時。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中玻璃的熱膨脹系數(shù)要小于氧化物陶瓷。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中玻璃由作為主要成分的MgO，Al2O3，SiO2組成。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中氧化物陶瓷為氧化鋁陶瓷，且在1500℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
5.根據(jù)權利要求2氧化物陶瓷為氧化鋁陶瓷，熱處理，時間為5-300分鐘。
6.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中氧化物陶瓷為氧化鋁陶瓷，且在1500℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中氧化物陶瓷為鋯英石陶瓷，且在1450℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
8.根據(jù)權利要求2所述的方法，其中氧化物陶瓷為鋯英石陶瓷，且在1450℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
9.根據(jù)權利要求3所述的方法，其中氧化物陶瓷為鋯英石陶瓷，且在1450℃下進行熱處理，時間為5-300分鐘。
10.一種氧化物陶瓷，其表面是根據(jù)權利要求1所述的方法進行改良的。
11.一種氧化物陶瓷，其表面是根據(jù)權利要求2所述的方法進行改良的。
12.一種氧化物陶瓷，其表面是根據(jù)權利要求3所述的方法進行改良的。
13.一種氧化物陶瓷，其表面是根據(jù)權利要求4所述的方法進行改良的。
14.一種氧化物陶瓷，其表面是根據(jù)權利要求2所述的方法進行改良的。
全文摘要
一種氧化物陶瓷包括氧化鋁表面改良的方法，包括氧化鋁的氧化物陶瓷用做耐熱部件、耐磨部件及半導體組裝部件等，及由該方法獲得的氧化陶瓷物，通過熱處理的方式將熱膨脹性能低的玻璃滲透到氧化物陶瓷的表面，進行表面改良，于是能提高氧化物陶瓷的撓曲強度、耐熱性能和耐磨性能，而且其表面裂紋可以被修復。該氧化物陶瓷表面改良的方法包括步驟用加入元件如電熱爐對氧化物陶瓷和玻璃在1000－1700℃的溫度下進行熱處理，時間為幾秒鐘或幾個小時。根據(jù)氧化陶瓷物表面改良的方法，能經(jīng)濟地通過簡單的步驟提高氧化物陶瓷的強度、耐熱性能和耐磨性能。
文檔編號C04B33/34GK1618769SQ20041000610
公開日2005年5月25日 申請日期2004年3月2日 優(yōu)先權日2003年11月18日
發(fā)明者趙誠宰, 秋旼澈, 樸玄珉, 尹京鎮(zhèn) 申請人:韓國標準科學研究所