本发明涉及金属氧化物材料领域，具体为一种氧化铝和二氧化锆的复合陶瓷。
背景技术
目前，现有技术生产出的氧化铝陶瓷多种性能指标不高，其硬度、耐磨度、收缩率过大等问题出现的比较多，如已经公开的专利(申请号201510687711.5)按重量比添加12％的蜡水；蜡水所添加的量越大，所占空间越大，在脱蜡及烧结过程中，收缩率越大，产品尺寸的批次重复性越低。
技术实现要素：
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种复合陶瓷，由以下重量比例的成份制成：氧化铝97％±0.1％、滑石3％±0.2％、二氧化锆3.5％±0.1％和钒锆黄1％±0.1％。采用高重量比份的氧化铝配比，辅助二氧化锆、滑石和钒锆黄，改变了氧化铝的硬度、耐磨性和韧性，既达到比其他氧化铝陶瓷更高的硬度，也具有其他氧化铝陶瓷更好的韧性，其硬度达到了1100-1150维氏硬度，耐磨度也达到了3000万次，因此在新能源汽车行业具有广泛的应用前景，特别是作用汽车密封件和阀件。
二氧化锆是一种多晶质耐火材料。由于二氧化锆物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得二氧化锆具有比氧化铝、莫来石、硅酸铝等其他耐火材料更高的使用温度。二氧化锆在1500℃以上超高温氧化气氛下长期使用，最高使用温度高达2200℃，甚至到2500℃仍可保持完整的形状，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染，二氧化锆的耐酸碱腐蚀能力大大强于sio2和al2o3。不溶于水，溶于硫酸及氢氟酸；微溶于盐酸和硝酸，能与碱共熔生成锆酸盐。
滑石的主要成份是mg6si8o20(oh)4，滑石具有润滑性、抗黏、助流、耐火性、抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼、遮盖力良好、柔软、光泽好、吸附力强等优良的物理、化学特性，本发明中滑石重量比份添加量为滑石3％±0.2％，所占比例较少，在混合石蜡及其他原料后，滑石经分散，其物理特性主要表现在其良好的吸附力上，滑石与石蜡共同起粘结剂的作用；滑石的重量比份如增加，滑石在混合料中的粘结剂作用减少，其润滑性增加，因此，滑石的重量比价需严格控制，而一定的范围内，滑石的粘结作用能替代石蜡的作用，所以本发明采用重量比份9％的石蜡也能有如背景技术中11％及以上的石蜡比份的效果。在复合陶瓷制造配方中，有很多工厂都添加有滑石，但未对滑石的功能充分利用，特别是对于热压铸成型的陶瓷制备方法中，即使添加有滑石，其石蜡的用量仍为11％-13％，主要体现在两个方面：一方面滑石的添加量或过多或过少，过多滑石起润滑作用，过少则粘结作用不明显；另一方面滑石的添加量合适而未利用滑石的粘结性能。经加热后所得产物为氧化镁和二氧化硅，氧化镁和二氧化硅常用作电子陶瓷的重要原料，其中二氧化硅常用作陶瓷的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料，具有高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染的作用；氧化镁有高度耐火绝缘性能，经1000℃以上高温灼烧可转变为晶体，升至1500-2000℃则成死烧氧化镁(也就是所说的镁砂)或烧结氧化镁，作陶瓷材料、电子材料、化工原料及粘结剂、添加剂等；添加在陶瓷原料中具有高温不变色，锻烧后密度均匀，光泽好、表面平滑的功能。
钒锆黄是以五氧化二钒或偏钒酸铵为发色元素、二氧化锆为载色母体的人工合成着色矿物，可用于高温和中温色釉，五氧化二钒广泛用于冶金、化工等行业，主要用于冶炼钒铁，用作添加剂，其次是用作有机化工的催化剂，即触媒，钒元素具有细化组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而起到增加材料的强度、韧性和耐磨性，钒锆黄对陶瓷的性能提升具有极大的作用。
本发明从配方上着手解决一个重要问题，即作为粘结剂的石蜡的使用量，石蜡使用量越大，对后期陶瓷烧结稳定性影响越大，石蜡使用量越小，在热压铸过程中，制作成的坯件成型难且在脱蜡的过程中易于松散、流失。同时，添加钒锆黄和二氧化锆，大大增加了陶瓷的强度、韧性以及耐磨性，对于制成特殊用途的陶瓷部件，有着更好的应用场所和广泛的适用性。
本发明还公开了一种复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
第一步：将所述复合陶瓷制备原料按比例混合，置于120-140℃的温度下烘烤3-4小时，去除水质，原料颗粒更容易粉磨，一次性采用240-280公斤原料放入球磨机中进行球磨，设定球磨机转速43r/min，球磨时间38小时；然后抽样检查颗粒是否达到中位直径d50为2.5-2.7μm，达到后球磨工序完成，中位直径d50相当累积粒径分布为50％时的颗粒直径大小，粒度越小，陶瓷原料更均匀也具有更好的特性；
第二步：将第一步球磨好后的原料置入搅拌机中；将石蜡熔化成液态，按重量比例9％±0.1％添加石蜡，控制温度在90-100℃，搅拌2-4小时，然后制成蜡饼；由于本发明的独特配方，因此添加石蜡只需9％，相对其他电子陶瓷配方添加11％-13％的石蜡，甚至高于13％的石蜡，添加9％的石蜡最终产品的收缩率更小，稳定性更高，从根本上配方决定了收缩率，其他配方在只添加9％的石蜡下，其粘接性能太差，最终导致变形且收缩率也大，石蜡添加越多，在脱蜡的工序中时间越长，石蜡比份越高，脱蜡后留下的孔隙也越多，甚至在脱蜡的过程中石蜡熔化造成坯件的坍塌或流散；因此，本发明更容易脱蜡，而且收缩率更小，稳定性更高，最终成品更加致密；
第三步：将第二步所得蜡饼在低气压环境中进行热压铸成型制成毛坯件，然后置入低于常温的冷却水中进行冷却5-10分钟；采用热压铸成形工艺制件毛坯件，在低气压或真空环境中，蜡饼所产生的原浆能充分的将制件模具充填满，且在负压的情况下，模具不需要通过其他技术像共振或超声波辅助填充，而且效果比共振或超声波还好，不会造成空泡或填充不完全；压铸好后脱模立即将毛坯件放入冷却水中进行冷却，一方面，能够快速冷却坯料，减少变形；另一方面，热压成型的坯件置入水中，能缓冲坯料由于重力作用而变形；再次，坯件在水中，因水从各方面对产品受压而防止该坯料几何形状复杂而带来内应力变形。
第四步：将第三步所得毛坯件进行脱蜡，以50℃/h的温度上升至950℃，总脱蜡时间68小时，然后自然冷却至常温；温度以均匀缓慢的速度上升，先将毛坯件外层的石蜡进行脱离，然后再往里层，升温太快会造成石蜡熔化太快而使毛坯件坍塌或流散，影响品质，石蜡属于易熔化和挥发的物质，温度达到950℃时且保温较长时间，毛坯件里的石蜡能全部脱离；
第五步：将第四步脱蜡完成后的工件进行清灰，然后装入匣钵中；在高温烧结时，工件上的杂质或粉尘等其他之外的物质，都有可能随着烧结而连接在一起，在后期去除很困难或会破坏产品；
第六步：将第五步完成装件的匣钵进行烧结，以120℃/h的温度上升，烧结温度控制在1680±20℃，总烧结时间为24小时，待自然冷却；al2o3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即α-al2o3、β-al2o3、γ-al2o3。其中结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为α-al2o3，α-al2o3(俗称刚玉)是所有氧化铝中最稳定的物相，它的稳定性和它的晶体结构有着密切的关系，氧化铝属a2b3型化合物，α-al2o3属三方晶系，a0＝0.475nm，c0＝1.297nm，正负离子的配位数分别为6和4，结构中的氧离子成近似密排六方堆积，铝原子则填充在其八面体空隙中。由于铝原子和氧原子的比例是2:3，因此铝原子没有填满所有的八面体空隙，只填了2/3，因而也就降低了α-al2o3晶体的对称性。在α-al2o3晶体结构中，由3个氧原子组成的面是两相邻接的八面体所共有，整个晶体可以看成无数八面体[alo6]通过共面结合而成的大“分子”，这一结构使得α-al2o3的稳定性大；因此所得陶瓷产品硬度非常高；
第七步：将第六步所得的烧结好的产品进行研磨加工，所述研磨加工分粗磨和精磨两步，所述粗磨表面粗糙度达到ra为0.4-0.6μm；所述精磨表面粗糙度达到0.1-0.3μm。根据产品不同的需求，可以对产品进行不同等级的表面处理。
本发明的有益效果：配方采用重量比高氧化铝，辅助以滑石、二氧化锆和钒锆黄，配方成份简单，大大减少了产品在实验过程中的实验次数，并且本发明所需添加的石蜡重量比只需要9％，减少了在热压铸工艺中石蜡的使用量，正因为石蜡的使用量少，所以在脱蜡和烧结工艺中，产品的收缩率更小，cpk(产品尺寸批次重复性)高，具有很高的工业生产价值，产品可控率更高；本发明所制作的产品在新能源汽车上应用有着很广泛的前景，在汽车电控箱水阀、电池组温度控制阀及驾乘空间水阀等高磨耗、高精度的领域需求量大，具有很高的经济价值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
实施例：一种复合陶瓷，由以下重量比例的成份制成：氧化铝97％±0.1％、滑石3％±0.2％、二氧化锆3.5％±0.1％和钒锆黄1％±0.1％。采用高重量比份的氧化铝配比，辅助二氧化锆、滑石和钒锆黄，改变了氧化铝的硬度、耐磨性和韧性，既达到比其他氧化铝陶瓷更高的硬度，也具有其他氧化铝陶瓷更好的韧性，其硬度达到了1100-1150维氏硬度，耐磨度也达到了3000万次，因此在新能源汽车行业具有广泛的应用前景，特别是作用汽车密封件和阀件。
二氧化锆是一种多晶质耐火材料。由于二氧化锆物质本身的高熔点、不氧化和其他高温优良特性，使得二氧化锆具有比氧化铝、莫来石、硅酸铝等其他耐火材料更高的使用温度。二氧化锆在1500℃以上超高温氧化气氛下长期使用，最高使用温度高达2200℃，甚至到2500℃仍可保持完整的形状，并且高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染，二氧化锆的耐酸碱腐蚀能力大大强于sio2和al2o3。不溶于水，溶于硫酸及氢氟酸；微溶于盐酸和硝酸。能与碱共熔生成锆酸盐。
滑石的主要成份是mg6si8o20(oh)4，滑石具有润滑性、抗黏、助流、耐火性、抗酸性、绝缘性、熔点高、化学性不活泼、遮盖力良好、柔软、光泽好、吸附力强等优良的物理、化学特性，本发明中滑石重量比份添加量为滑石3％±0.2％，所占比例较少，在混合石蜡及其他原料后，滑石经分散，其物理特性主要表现在其良好的吸附力上，滑石与石蜡共同起粘结剂的作用；滑石的重量比份如增加，滑石在混合料中的粘结剂作用减少，其润滑性增加，因此，滑石的重量比价需严格控制，而一定的范围内，滑石的粘结作用能替代石蜡的作用，所以本发明采用重量比份9％的石蜡也能有如背景技术中11％及以上的石蜡比份的效果。经加热后所得产物为氧化镁和二氧化硅，氧化镁和二氧化硅常用作电子陶瓷的重要原料，其中二氧化硅常用作陶瓷的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料，具有高温化学性质稳定、耐腐蚀、抗氧化、抗热震、不挥发、无污染的作用；氧化镁有高度耐火绝缘性能，经1000℃以上高温灼烧可转变为晶体，升至1500-2000℃则成死烧氧化镁(也就是所说的镁砂)或烧结氧化镁，作陶瓷材料、电子材料、化工原料及粘结剂、添加剂等。
钒锆黄是以五氧化二钒或偏钒酸铵为发色元素、二氧化锆为载色母体的人工合成着色矿物，可用于高温和中温色釉，五氧化二钒广泛用于冶金、化工等行业，主要用于冶炼钒铁，用作添加剂，其次是用作有机化工的催化剂，即触媒，钒元素具有细化组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而起到增加材料的强度、韧性和耐磨性，钒锆黄对陶瓷的性能提升具有极大的作用。
以97％配比的氧化铝配方，大大提升了产品的整体性，在高温烧结后，氧化铝结构都转化成α-al2o3，形成致密的结构，相对于其他氧化铝配比更低的配方而言，本发明的产品更加耐磨，且硬度更高；配方中的二氧化锆增加了产品的耐磨度，配方中的钒元素，提升了在烧结过程中的活性，使烧结更充分。
本发明还公开了一种复合陶瓷的制备方法，包括如下步骤：
第一步：将所述复合陶瓷制备原料按比例混合，置于120-140℃的温度下烘烤3-4小时，去除水质，原料颗粒更容易粉磨，一次性采用240-280公斤原料放入球磨机中进行球磨，设定球磨机转速43r/min，球磨时间38小时；然后抽样检查颗粒是否达到中位直径d50为2.5-2.7μm，达到后球磨工序完成，中位直径d50相当累积粒径分布为50％时的颗粒直径大小，粒度越小，陶瓷原料更均匀也具有更好的特性；
第二步：将第一步球磨好后的原料置入搅拌机中；将石蜡熔化成液态，按重量比例9％±0.1％添加石蜡，控制温度在90-100℃，搅拌2-4小时，然后制成蜡饼；由于本发明的独特配方，因此添加石蜡只需9％，相对其他电子陶瓷配方添加11％-13％的石蜡，甚至高于13％的石蜡，添加9％的石蜡最终产品的收缩率更小，稳定性更高，从根本上配方决定了收缩率，其他配方在只添加9％的石蜡下，其粘接性能太差，最终导致变形且收缩率也大，石蜡添加越多，在脱蜡的工序中时间越长，石蜡比份越高，脱蜡后留下的孔隙也越多，甚至在脱蜡的过程中石蜡熔化造成坯件的坍塌或流散；因此，本发明更容易脱蜡，而且收缩率更小，稳定性更高，最终成品更加致密；配方中的滑石，在加热过程中分解成二氧化硅和氧化镁，氧化镁起粘接剂的作用。
第三步：将第二步所得蜡饼在低气压环境中进行热压铸成型制成毛坯件，然后置入低于常温的冷却水中进行冷却5-10分钟；采用热压铸成形工艺制件毛坯件，在低气压或真空环境中，蜡饼所产生的原浆能充分的将制件模具充填满，且在负压的情况下，模具不需要通过其他技术像共振或超声波辅助填充，而且效果比共振或超声波还好，不会造成空泡或填充不完全；压铸好后脱模立即将毛坯件放入冷却水中进行冷却，一方面，能够快速冷却坯料，减少变形；另一方面，热压成型的坯件置入水中，能缓冲坯料由于重力作用而变形；再次，坯件在水中，因水从各方面对产品受压而防止该坯料几何形状复杂而带来内应力变形。
第四步：将第三步所得毛坯件进行脱蜡，以50℃/h的温度上升至950℃，总脱蜡时间68小时，然后自然冷却至常温；温度以均匀缓慢的速度上升，先将毛坯件外层的石蜡进行脱离，然后再往里层，升温太快会造成石蜡熔化太快而使毛坯件坍塌或流散，影响品质，石蜡属于易熔化和挥发的物质，温度达到950℃时且保温较长时间，毛坯件里的石蜡能全部脱离；
第五步：将第四步脱蜡完成后的工件进行清灰，然后装入匣钵中；在高温烧结时，工件上的杂质或粉尘等其他之外的物质，都有可能随着烧结而连接在一起，在后期去除很困难或会破坏产品；
第六步：将第五步完成装件的匣钵进行烧结，以120℃/h的温度上升，烧结温度控制在1680±20℃，总烧结时间为24小时，待自然冷却；al2o3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即α-al2o3、β-al2o3、γ-al2o3。其中结构不同性质也不同，在1300℃以上的高温时几乎完全转化为α-al2o3，α-al2o3(俗称刚玉)是所有氧化铝中最稳定的物相，它的稳定性和它的晶体结构有着密切的关系，氧化铝属a2b3型化合物，α-al2o3属三方晶系，a0＝0.475nm，c0＝1.297nm，正负离子的配位数分别为6和4，结构中的氧离子成近似密排六方堆积，铝原子则填充在其八面体空隙中。由于铝原子和氧原子的比例是2:3，因此铝原子没有填满所有的八面体空隙，只填了2/3，因而也就降低了α-al2o3晶体的对称性。在α-al2o3晶体结构中，由3个氧原子组成的面是两相邻接的八面体所共有，整个晶体可以看成无数八面体[alo6]通过共面结合而成的大“分子”，这一结构使得α-al2o3的稳定性大；因此所得陶瓷产品硬度非常高；
第七步：将第六步所得的烧结好的产品进行研磨加工，所述研磨加工分粗磨和精磨两步，所述粗磨表面粗糙度达到ra为0.4-0.6μm；所述精磨表面粗糙度达到0.1-0.3μm。根据产品不同的需求，可以对产品进行不同等级的表面处理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。