[发明专利]氧化锆基料的结构性材料的水法注模方法

说明书

发明背景

1．发明领域

本发明涉及用粉末成形陶瓷部件的方法以及其中所用的注模化合物。更具体地说，本发明的目的是一种注模方法和注模组合物，它能制成高质量的、以ZrO₂为基料的结构性材料的、最终形状和近似最终形状的复杂部件，这种材料能被烧制成最大密度和高强度的制品。

2．现有技术描述

ZrO₂在从高温、通常是烧结温度冷却下来时，会经历从四方晶结构向单斜晶结构的马氏体式转变。该转变造成体积改变和各向异性的形状改变。在控制条件下，四方相在室温下是可以保持的，只是在裂纹横切晶粒时才会转变。随后的转变会给予裂缝一个闭合力，从而增大材料的抗裂强度。加入小量的如Y₂O₃这样的稳定剂可对四方相的稳定性产生深远的影响。例如，用纯钇稳定的四方多晶氧化锆(Y-TZP)材料，依Y₂O₃浓度、粒度大小和烧结温度(例如无压相对于热等静压工艺)而定可烧结成高强度或高断裂韧度的制品。Y-TZP材料中的细颗粒能提供出高强度的材料，而四方相的不稳定性(取决于Y₂O₃的浓度)则决定其韧性。Masaki和Shingo在美国专利4，742，030中、Cassidy等在美国专利4，866，014中、以及Ghoshid等在美国专利5，336，282中都公开了这样的材料。Y-TZP材料的主要缺点之一是环境性退化。在特别是暴露于潮湿环境、特别是温度范围为150～300℃之下时，四方相会自发地转变为单斜相，急剧地降低其强度。关于这种行为的详细情况，S．Lawson在“欧洲陶瓷学会”(Europ．Ceram．Soc．)杂志1995年第15卷485～502页题为“氧化锆陶瓷的环境性退化”一文中已有述及。在Y-TZP中加入氧化铝颗粒既可增加Y-TZP材料的强度，又可增大其环境稳定性。与此类似，高温热处理也能改进其环境稳定性。

以ZrO₂为基料的陶瓷已得到了广泛的运用，包括用于金属成形工具、汽车业、纺织业以及日常消费用品如刀、剪、高尔夫球棒等。大多数这些用途中的陶瓷部件都是用粉末压制或粉浆浇铸成形技术制造出来的。

任何成形方法的一项目的是要生产出具有一定密度和颗粒堆集度的未烧制状态的制品(以下称为“生坯”部件、生坯成形、生坯密度等。)用以烧结成可重复、紧公差的，而且无缺陷的成形产品。在生坯成形和烧结过程中，由于伴随着颗粒团结过程而来的收缩，会引起开裂、变形和其它缺陷。通常认为，以制造出具有足够生坯强度的均匀坯体即可减轻这一产生缺陷的过程。

成形方法的另一项目的是要生产出具有最终形状的制品，消除或最大限度减少为获得最终的部件尺寸所需要的后续操作如机械加工。干压是在模子内压实粉末。在各种成形方法中，干压是特别要求额外的、诸如机械加工、金刚石研磨等后续加工以便获得复杂的形状、非对称型样和紧公差。在粉浆浇铸法中，陶瓷粉末的液态悬浮体在多孔模型中被“脱水”而制成由模子限定形状的粉末坯块。虽然粉浆浇铸具有能制出最终形状部件的属性，但一般认为该法要制造大量复杂的部件速度较慢。