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1、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
2、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Y2O3部分稳定ZrO2(3Y-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
3、。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———Y2O3部分稳定ZrO2(3Y-ZrO2),要求其烧结温度在1500～1550℃,烧结体积密度在6.00g/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(Hf)O2SiO2TiO2Fe2O3Na2OY2O3≥94.5≤0.02≤0.01≤0.0
4、1≤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
5、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。
6、(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
7、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ZrO2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ZrO2中呈色效果。表3三种配方成型的氧化锆
