专利名称：一种使用玻璃进行氧化物陶瓷表面改良的方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化物陶瓷如氧化铝的表面改良的方法。这种氧化物陶瓷可用作耐热部件、耐磨部件和用于制造半导体的仪器的部件及由该方法生产出来的氧化陶瓷物。
特别是本发明涉及了一种氧化物陶瓷的表面改良的方法及由这种方法生产出来的氧化陶瓷物，其中，通过热处理的方式将热膨胀性能低的玻璃渗透到氧化物陶瓷的表面，进行表面改良，于是能提高氧化物陶瓷的挠曲强度、耐热性能和耐磨性能，而且其表面裂纹可以被修复。
背景技术：
氧化物陶瓷的金属原子与氧原子之间强的离子粘合力使其具有高的挠曲强度，而且呈现出强耐氧化性能，强电绝缘性能，强耐氧气和化学物品性能和优良的化学稳定性能。因此，这种氧化物陶瓷被用做工业机器的零部件，如具有高耐磨和耐腐性能的轴承和切割工具及半导体产品制造中要求进行热处理的环保部件。相应的，这种氧化陶瓷物被广泛地用在各个领域中，用作用于常压热处理的耐热部件和管件。
通常使用的氧化物陶瓷有氧化铝陶瓷和镐英石陶瓷，其中氧化铝陶瓷占据了几乎一半的市场，而镐英石陶瓷主要作为具有高机械性能的陶瓷。
然而，氧化物陶瓷有缺点由于其天然的易脆性，当表面有缺陷时，该材料的挠曲强度降低，其中单个的大裂纹就会导致陶瓷材料的径向损伤，从而降低产品或部件的可靠性。当然，此缺点成为陶瓷物广泛应用中的最大的障碍。
此外，陶瓷物天然的缺陷是倾向于在机加工部件时在部件表面产生裂纹，因而增加了产品质量方面的废品率，相应增加这些部件的制造成本。
对于最通常用在氧化物陶瓷领域的氧化铝陶瓷，其另一个缺点是强度不够。因此，氧化铝陶瓷不适用于高科技工业应用领域，而且氧化铝陶瓷耐热温度不高，耐磨强度不够。因此，氧化铝陶瓷在240℃下被高速冷却时容易受损，不适宜在高应力条件下用作机械密封材料。
锆英石陶瓷克服了氧化铝陶瓷的上述缺点，有高强度和高耐热应力性能。
但是，锆英石陶瓷也具有一些缺点，如比重高，热膨胀系数高和硬度低，于是锆英石陶瓷只能在室温条件下使用。
此外，锆英石陶瓷有很高的强度，同陶瓷一样也有很高的断裂(destruction)性能。因此，人们一直在进行许多研究以改善其断裂性能。但是，与目前市购的材料的强度值的差别最大高过了100％。而在机械性能方面如此巨大的差别就成为该材料可靠设计的绊脚石。
几十年来，为了克服氧化物陶瓷缺点，人们一直进行许多研究，以通过控制氧化物陶瓷的微观结构来增强其性能。尤其是对氧化物陶瓷中的锆英石陶瓷，研究主要集中在改进断裂性能方面；而对于氧化铝陶瓷，则研究集中在通过减小颗粒以减少裂纹，通过增加第二相、进行高速热处理或者在表面渗透Cr2O3材料层提高材料的强度以在材料表面形成压缩压力。
韩国第329120号专利公开了为提高氧化铝陶瓷的耐久性和耐磨性，在较低的氧气分压(N2，95N2-5H2，H2等)的环境中焙包括添加剂如Fe的烧粉成型件后，在将氧化铝陶瓷在较高氧气分压(80N2-2002，O2，等)的环境中进行热处理。
发明内容
为了获得上述优点及其他优点，根据本发明的目的，具体且概括地说，本发明的目的是提供一种氧化物陶瓷表面改良的方法，在该方法中能提高氧化物陶瓷的机械性能，如挠曲强度、耐热应力和耐磨性能，以及能够简便、经济地修复机加工过程中产生的表面裂纹。
另一个目的是提供由该表面改良方法生产的表面经过改良的氧化物陶瓷。根据本发明，将热膨胀系数低的玻璃通过热处理的方式渗透到氧化物陶瓷的表面，以提高氧化物陶瓷的性能。
为达到本发明的上述目的，该氧化物陶瓷表面改良方法包括将玻璃成分渗透到氧化物陶瓷表面，并将氧化物陶瓷及玻璃成分在1000-1700℃的温度下热处理几秒或几个小时。
附图作为本发明的一部分，旨在帮助读者进一步地了解本发明，
本发明的实例，图文并茂，使人们更好地理解本发明的有关原理。
图1显示了根据本发明的工件表面的微观结构；图2显示了图1所示的工件的内部微观结构；图3显示了关于作为对比例的具有未改性表面的氧化物陶瓷的挠曲强度和表面通过渗透玻璃改性的氧化物陶瓷的挠曲强度的数据的Weibull绘制图；图4显示了根据热处理后进行高速冷却的温度，在表面通过渗透玻璃改性的氧化物陶瓷和作为对比例的具有未改性表面的氧化物陶瓷上的表面变化。
具体实施例方式
参考优选实施方案及附图，更详细地解释本发明。
本发明提供一种氧化物陶瓷表面改良的方法，该方法包括在氧化物陶瓷表面渗透玻璃、将氧化物陶瓷及玻璃在1000-1700℃的温度下热处理几秒或几个小时。
热处理取决于物品的尺寸和成形热处理温度。因此很难确定一个合适的时间范围，但是进行热处理的时间优选为几秒钟到10个小时。至于进行热处理的设备，通常使用加入元件如电炉。
玻璃指以SiO2为主要成分的各种氧化物的化合物。一般来说，为了达到本发明的目的，玻璃具有比氧化物陶瓷相对小的热膨胀系数。特别是，玻璃由作为主要成分的MgO，Al2O3，SiO2组成。
本发明的理论基础如下
通常来说，氧化物陶瓷的熔点高，氧化铝为2046℃，锆英石为2700℃。另一方面，玻璃在1000℃或更高的温度下熔融，这取决于玻璃的成分。因此，如果将氧化物陶瓷放置在玻璃上后，在1000℃下加热氧化物陶瓷玻璃熔融成液并渗透到氧化物陶瓷的表面层中。
渗透的玻璃填充到氧化物陶瓷的裂纹，并对裂纹进行修复，于是提高了氧化物陶瓷的强度。特别是，如果玻璃具有小于母体材料即氧化物陶瓷的热膨胀系数时，当氧化物陶瓷被冷却到室温时，在氧化物陶瓷的表面形成压缩应力。因为压缩应力，氧化物陶瓷在强度、耐热应力和耐磨性方面被改进。
如果为达到本发明的目的，不使用玻璃，而使用其他金属物，有以下缺点通过用于熔融金属的热处理，金属在大气环境中变成氧化物，其中防止金属氧化要花费很高的费用。因此，对于本发明的目的来说，玻璃更合适。
现在，通过参考下面的实例，对本发明进行更详尽的描述，但本发明的保护范围不限于实施例。
实施例1通过渗透低热膨胀系数玻璃来进行氧化铝陶瓷表面改良氧化铝陶瓷出模成型并在1650℃的温度下焙烧2个小时后，焙烧体被加工成高3mm，宽4mm，长40mm的工件，并进行弯曲强度试验。
将Mgo，Al2O3和SiO2组成的的玻璃件放置到氧化铝陶瓷上，然后在1500℃进行热处理，时间为5-300分钟，其中玻璃件的热膨胀系数要小于氧化铝陶瓷。
如图1所示，热处理的结果是玻璃被渗透在工件的表面并被填充到氧化铝陶瓷颗粒的缝隙间，图中亮色部分为氧化铝陶瓷，暗色部分为渗透的玻璃。
与之相反，如图2所示，玻璃未渗透到工件的内部。玻璃渗透到工件的表面，并且随着时间的推移，渗透的深度逐渐增加。
实施例2根据表面改良的方法抗曲强度的提高通过在温度为1500℃下热处理30分钟，玻璃渗透到工件里，通过研磨将玻璃从工件表面去除后，进行强度试验。作为对比例，测量未渗透玻璃的氧化铝陶瓷的原始强度。
强度测量按照ISO14704标准进行，分别测量了30个工件，取得平均值和标准偏差值。
表1为氧化铝陶瓷原始强度值及低热膨胀系数的玻璃渗透后的氧化铝陶瓷的强度值。
表1
表1显示了通过使用渗透玻璃方法进行表面改良后，氧化铝陶瓷的强度增加了约51％。
实施例3根据表面改良方法提高强度的可靠性如图3所示，Weibull测绘仪测量出根据实施例2中所述的方法将玻璃渗透后进行了表面改良后的工件强度数据和未进行表面改良的工件的强度数据。
通过玻璃渗透对氧化铝陶瓷进行表面改良的情况下，Weibull模量为约25，而未经表面改良的氧化铝陶瓷的Weibull模量为9，其中表面改良后的氧化铝陶瓷的Weibull模量显著大于有未改良表面的氧化铝陶瓷的Weibull模量。
结果显示表面改良会显著提高强度的可靠性。
实例4根据表面改良方法提高耐热应力性能为了观察裂纹是否是由热应力产生的，将安装实施例2中所述的通过玻璃渗透进行了表面改良的工件和未进行表面改良的工件同时加热到预定的温度，然后快速用水冷却。
为更容易地察看到裂纹的形成，将染色剂渗透到工件里。如图4所示，在较低加热温度时，两工件上都有较少的裂纹。
但是，如果工件在240℃或更高的温度下快速冷却(图4左侧图例)时，在具有未改良表面的工件上均无一例外地产生裂纹。而表面进行了改良的工件即便在270-280℃的温度下快速冷却，也未观察到裂纹。该实验表明通过表面改良提高了耐热应力性能。
实例5通过渗透低热膨胀玻璃的锆英石表面改良，并且提高了其强度将焙烧后的锆英石陶瓷加工成型为高3mm，宽4mm，长40mm的工件，进行弯曲强度试验。
将由MgO，Al2O3和SiO2组成的玻璃件放置到工件上，然后工件在1450℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
玻璃渗透到工件里，通过研磨将玻璃从工件表面去除后，进行强度试验。作为对比例，测量未渗透玻璃的锆英石陶瓷的原始强度。
强度测量按照ISO14704标准进行，分别测量了30个工件，获得平均值、标准偏差值和Weibull系数。
表2显示了锆英石陶瓷原始强度值，及低热膨胀系数的玻璃渗透后的锆英石陶瓷的强度数据和Weibull系数。
表2
表2显示了通过玻璃渗透方法进行表面改良后，锆英石陶瓷的强度增加了约37％，而且Weibull系数的增加也使表面修复缺陷的能力得到了加强。
根据本发明的氧化物陶瓷的表面改良方法，可以经济地通过简单的步骤提高氧化物陶瓷的强度、耐热应力和耐磨性能。由于强度均匀，部件和材料的可靠性也都得到了加强。此外，通过修补裂纹，降低了加工或制造过程中的废品率。因此，除了热阻部件、耐磨部件和半导体产品生产之外，本发明的方法和本发明的表面改良的氧化物陶瓷还被广泛应用到各个工业领域。
根据本发明的设计，可以进行不脱离本发明的精神和保护范围的各种改进和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。本发明的范围覆盖了从属权利要求书范围中限定的和与其等同的各种改进和变化。
权利要求
1.一种氧化物陶瓷改良表面的方法，包括以下步骤将玻璃成分渗透到氧化物陶瓷的表面；将氧化物陶瓷和玻璃成分在1000-1700℃下进行热处理，时间为几秒钟或几个小时。
2.根据权利要求1所述的方法，其中玻璃的热膨胀系数要小于氧化物陶瓷。
3.根据权利要求1所述的方法，其中玻璃由作为主要成分的MgO，Al2O3，SiO2组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷，且在1500℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
5.根据权利要求2氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷，热处理，时间为5-300分钟。
6.根据权利要求3所述的方法，其中氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷，且在1500℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
7.根据权利要求1所述的方法，其中氧化物陶瓷为锆英石陶瓷，且在1450℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
8.根据权利要求2所述的方法，其中氧化物陶瓷为锆英石陶瓷，且在1450℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
9.根据权利要求3所述的方法，其中氧化物陶瓷为锆英石陶瓷，且在1450℃下进行热处理，时间为5-300分钟。
10.一种氧化物陶瓷，其表面是根据权利要求1所述的方法进行改良的。
11.一种氧化物陶瓷，其表面是根据权利要求2所述的方法进行改良的。
12.一种氧化物陶瓷，其表面是根据权利要求3所述的方法进行改良的。
13.一种氧化物陶瓷，其表面是根据权利要求4所述的方法进行改良的。
14.一种氧化物陶瓷，其表面是根据权利要求2所述的方法进行改良的。
全文摘要
一种氧化物陶瓷包括氧化铝表面改良的方法，包括氧化铝的氧化物陶瓷用做耐热部件、耐磨部件及半导体组装部件等，及由该方法获得的氧化陶瓷物，通过热处理的方式将热膨胀性能低的玻璃渗透到氧化物陶瓷的表面，进行表面改良，于是能提高氧化物陶瓷的挠曲强度、耐热性能和耐磨性能，而且其表面裂纹可以被修复。该氧化物陶瓷表面改良的方法包括步骤用加入元件如电热炉对氧化物陶瓷和玻璃在1000－1700℃的温度下进行热处理，时间为几秒钟或几个小时。根据氧化陶瓷物表面改良的方法，能经济地通过简单的步骤提高氧化物陶瓷的强度、耐热性能和耐磨性能。
文档编号C04B33/34GK1618769SQ20041000610
公开日2005年5月25日 申请日期2004年3月2日 优先权日2003年11月18日
发明者赵诚宰, 秋旼澈, 朴玄珉, 尹京镇 申请人:韩国标准科学研究所