专利名称：陶瓷滑动材料的渗碳方法
技术领域：
本发明涉及对陶瓷滑动材料表面渗碳的简单方法。
当使用陶瓷材料作为机器的结构部件时，必然会产生摩擦和磨损。于是，摩擦和磨损在机器的滑动部分产生，因此，机器的效率和使用寿命都受其影响。陶瓷材料具有卓越的高温性能、机械性能和化学性能，因此，它们能在金属不能用的不利条件下使用。这样，陶瓷材料能用于轴承、机械密封件、发动机滑动部件等。
在陶瓷材料中，Si3N4、SiC、Al2O3和PSZ是用于滑动部份的典型材料。在上述陶瓷中，Al2O3的性能稳定并且价格便宜，因此，它得到最广泛的应用。然而，与其它滑动材料相比，Al2O3的耐磨性和滑动性能方面都不好，因此，它被具有优越性能的Si3N4和SiC所代替。
这样，尽管Al2O3由于它价廉和其稳定性能而被广泛使用，但它的摩擦系数高，因此，当它受到高应力时，导致机器的效率和使用寿命都受到不利影响。为了克服这些问题，使用SiC和Si3N4作为滑动材料。然而，它们的烧结性低，因此，达不到高密度。而且，需要超过2000℃的焙烧温度;难以进行后续工序的处理;以及其价格高昂。
其中，磨损和摩擦的起因描述如下(1)粘附现象固体材料的表面在作业期间形成微小不规则的坑。这是由于真实接触面积比表观接触面积小得多所致。因此，在真实接触部分上形成高接触压力，因而产生粘附现象。当滑动继续进行时，在真实接触部分上产生粘附现象的部分上出现摩擦，结果，产生磨损粉末。这是金属中磨损和摩擦的典型起因。
(2)磨耗当进行滑动时，如果表面隆起和硬颗粒被压入对面的滑动材料的表面，对面的滑动体的表面呈微小的切口，结果，产生磨损和摩擦。在此条件下，阻力变成摩擦力。当硬材料在软材料表面上滑动时，或者当在两个滑动物件之间存在有硬颗粒时，则产生磨耗而导致出现磨损和摩擦。因此，已知增加材料的硬度对防止磨耗的磨损是有效的。
(3)腐蚀在活性和腐蚀性气氛下，当进行滑动时，在表面上产生化学反应，从而，促使磨损和摩擦。同时，化学反应的产物的除去导致摩擦和磨损。腐蚀性溶液诸如酸类、碱类和海水引起磨损，空气和水引起氧化和水解，而其它物质可引起腐蚀。当在滑动表面上形成反应物质膜时，以及当反应物质膜达到一定的极限厚度时，腐蚀性磨损减缓。在此过程中，腐蚀性磨损在进行，但有时，化学反应可被摩擦和摩擦热所加速。
(4)脆性破裂在脆性材料诸如陶瓷中，如果将大于一定程度的负荷施加到存在于滑动表面上的隆起和固体颗粒时，则在滑动期间可形成裂纹。当由于滑动而该裂纹扩大时，则发生比磨耗更大的磨损。在真实滑动表面上，不仅静态压痕，而且动态损伤诸如脆性破裂都不能排除。
本发明企图克服通常技术的上述缺点。
因此，本发明目的在于，提供一种陶瓷滑动材料的渗碳方法，其中，将具有低摩擦系数的碳以简单方式浸渗入Al2O3中(Al2O3便宜，并具有稳定性能，但其摩擦系数高)，从而滑动性能、耐蚀性、耐磨性、热传导性和强度都得到改善，同时价格便宜，附加值高。
通过参照附图详细描述本发明的优选实施例则对本发明上述目的和优点将更加清楚。
图1是本发明渗碳装置的立体图，其中，将待表面处理的陶瓷滑动材料放入石英管中，放入硅氧烷和轻石油，对它们加热和冷却;
图2表明将碳粒子喷涂在复合材料的基体上的状态;
图3表明软和游离的硅和更软和游离的碳(它们比基体软)较早地被磨损的状态;
图4表明移动到软的硅和颗粒脱离位置的碳的状态;也表明磨损的碳粉扩散在磨损表面上的状态;也表明部分软硅粘附在磨损表面的状态;并表明由碳的磨损而形成的凹处用作水贮存所的事实;
图5表明将表面处理的陶瓷滑动材料放入石英管、放入硅氧烷和轻石油、加热和冷却的操作程序;以及附图6表明关系图，说明其中当碳含量在组合材料的基体中增加时，碳粒子的固体润滑性能得到这样大的改善，以致降低滑动材料的摩擦阻力以及碳颗粒磨损区这样大以致作为液体贮存处。
附图中的符号说明1.真空泵2.石英管
3.真空软管4.风扇5.渗碳炉6.轻石油7.加热器8.加热器控制器9.气压表10.复合材料基体11.硅12.石墨颗粒13.滑动材料(Al2O3、ZrO2和其它氧化物系列)14.薄润滑H2O膜15.薄润滑H2O膜和磨损屑16.薄润滑石墨膜17.H2O储存处图5中O-A＝温度以5～10℃/分速率上升A-B＝注入硅氧烷，保持900℃恒温5～10分钟B-C＝温度以1～3℃/分速率上升C-D＝注入轻石油，保持1000～1200℃恒温10～40分钟D-E＝冷却按照本发明陶瓷滑动材料的渗碳方法描述如下第一步(表面处理步骤)将陶瓷(Al2O3或ZrO2)滑动材料浸入1～55%HF溶液中1～300分钟，从而，进行深入到0.01μm～100μm下的表面处理。然后，用水洗，并在温度100～300℃热干燥4小时。
第二步骤(渗碳步骤)将在第一步中已经表面处理的滑动材料放入石英管2，然后，将其传送到渗碳炉5，然后对其按5～10℃/分钟速率加热，当温度达到900℃时，将真空泵1连结到其上，通过真空度为1×10-2～1×10-5托的真空软管3将具有粘度为0.1～200厘泊的硅氧烷注入5～20分钟。然后以每分钟1～3℃速率加热，当温度到达1000～1200℃时，将轻石油(或LPG或丁烷)通过真空度为1×10-2～1×10-5托的真空软管注入10～40分钟，然后，从渗碳炉中取出，以风扇4冷却。
第三步(形成表面保护层的步骤)将在第二步中经表面处理的滑动材料再用树脂进行表面处理，用水洗涤。然后在温度200℃下热干燥，从而，得到渗碳到0.01μm到100μm的渗碳材料。
在本发明中将硅氧烷在石英管中在900℃保持5～20分钟，是为了改善碳在表面处理过的滑动材料的凹下部分的粘附强度。当注入轻石油时将石英管在温度1000～1200℃、保持10～40分钟，是为了增加在滑动材料的凹下部分上的碳含量，图5说明加热和冷却步骤。
如图4所示的本发明材料中，碳颗粒具有固体润滑性质，碳磨损的区域作为液体贮存处，因此表面摩擦的阻力降低。再者，如上所述在渗碳期间，在1050℃温度的热处理提供恢复的效果，结果，防止裂纹的生成和减少脆性破裂，因此，改进耐磨性、耐热性、耐化学性。图6表明碳的固体润滑性和碳颗粒作为流体贮存处的作用，该作用能降低摩擦阻力;图6还表明当碳含量增加时对摩擦系数下降的关系。可以看出，降低摩擦系数的最大因素是碳的固体润滑性能以及碳作为流体贮存处的作用。
本发明滑动材料与普通滑动材料的比较示于下表1。
表1 滑动材料性能的比较滑动材料摩擦耐磨性耐热性耐化 制造价格系数学性 过程金属材料 △ △ △ △容易 低SiC ● ● ● ● 难高Al2O3◎ ◎ ◎ ◎ 容易低Al2O3+C ⊙ ⊙ ⊙ ⊙ 容易中等上表中各符号的意义如 △＝劣;◎＝一般;●＝优越和⊙＝适当。
如以上表1的性能比较所示，金属表示低的性能;而SiC表示卓越性能，但它的制造困难，而且价格高。Al2O3在耐摩性、耐热性和耐化学性是可接受的，但是它的摩擦系数相当高。
然而，浸渗碳的Al2O3具有与SiC相比的性能。其理由是，碳颗粒用作固体润滑剂，以及碳颗粒首先被磨损的区域作为流体存处。结果，表面摩擦阻力被降低，再者，如上所述，在渗碳处理期间，在温度1050℃的热处理提供恢复效果，因此，将防止裂纹的形成并降低脆性破裂，从而改进耐磨性、耐热性和耐化学性。
按照上述的本发明，对陶瓷滑动材料的表面进行渗碳，以便改善Al2O3及其它材料的摩擦系数和其它性能。因此，可生产高附加值的产品，并能低价出售，使得此产品可能在市场竞争中获胜。
权利要求
1.一种陶瓷材料的渗碳方法，它包括下列步骤将陶瓷(Al2O3或ZrO2，或氧化物系列)滑动材料浸入HF溶液中，以便实施深入到0.01μm～100μm下的表面处理，然后，用水洗涤并热干燥；将在第一步中已经表面处理的滑动材料放入石英管中，然后转移到渗碳炉，以每分钟5～10℃速度加热，注入硅氧烷和轻石油，使其加热和冷却；将在第二步中经表面处理的滑动材料再用树脂表面处理，用水洗涤并热干燥，因此得到渗碳下到0.01μm到100μm的渗碳材料。
全文摘要
本发明涉及陶瓷材料的渗碳方法。将陶瓷(Al
文档编号C04B41/53GK1108229SQ9411986
公开日1995年9月13日 申请日期1994年12月7日 优先权日1994年7月27日
发明者张基碉 申请人:裕东企业株式会社