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汽车氧传感器烧结工艺研究

来源:烧结球团 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-04-23
作者:网站采编
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摘要:14传感器技术(JournalofTransducerTechnology) 2004年第23卷第10期研究与探讨ZrO2汽车氧传感器烧结工艺研究斌风王 ,冯江涛,夏 ,肖建中(华中科技大学模具技术国家重点实验室,湖北武汉)要摘 :采用
           14传感器技术(JournalofTransducerTechnology)          2004年第23卷第10期研究与探讨ZrO2汽车氧传感器烧结工艺研究斌风王 ,冯江涛,夏 ,肖建中(华中科技大学模具技术国家重点实验室,湖北武汉)要摘 :采用注射成型方法制备汽车氧传感器。通过分析得知,烧结制品好的力学性能和高导电率往往是矛盾的,要获得四方相ZrO2须保证烧结过程中材料的晶粒尺寸要控制在1μ以内。综合考虑,烧结温m度在1550℃左右比较合适。关键词:汽车氧传感器;烧结;注射成型中图分类号:U463.06;TP212  文献标识码:A  文章编号:1000-9787(2004)10-0014-02ResearchonsinteringofZrO2autooxygensensorWANGBin,FENGJiang2tao,XIAFeng,XIAOJiang2zhong(StateKeyLabofMouldTech,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,China)Abstract:,itisknownthatthegoodmechanicalperforma’grainsize(lessthan1μ)℃:autooxygensensor;sintering;injectionmolding引言0 汽车尾气控制系统用ZrO2氧传感器是固体电解质主要应用实例。1976年,加利福利亚实行严格排放法规,并且阐明带有氧传感器与三元催化剂结合的空燃比控制能够减少尾气污染后,这一应用很快广泛推广[1]。随着国内汽车市场的快速发展以及对环保的日益重视,作为电喷控制系统关键部件的氧传感器得到了充分关注,其市场需求量急速扩大。本文采用注射成型方法成型异型的ZrO2氧传感器陶瓷生坯,研究坯体热脱脂之后的烧结过程,并提出比较理想的烧结工艺。实验1 实验原料采用的是深圳南玻公司生产的Y2O3掺杂的四方ZrO2粉。粘结剂由78%PW+21%EVA+1%SA(质量百分数)组成。将粉末原料经高温煅烧和球磨处理之后,与粘结剂在自制的单螺旋挤出机反复混炼挤出5次并造粒,制得粉末装载量为50%的均匀喂料。将颗粒喂料在SZL50g型注射成型机上注射成型,得到U型氧传感器探头生坯。成型坯体的热脱脂在程控脱脂炉中进行,之后在高温炉中进行烧结。2烧结工艺的制定在不同的温度下,ZrO2以三种同素异构体存在,即立收稿日期:2004-07-05单斜晶系和四方晶系,三种晶型之间的转化如下方晶系、→℃→℃→℃四方2单斜2ZrO2←ZrO2←ZrO2←.1170立方液相2715按照汽车尾气氧传感器工作原理和使用条件,该ZrO2陶瓷部件在300~900℃高温度范围内应具有高的电导率、密度(相对密度大于95%)和高的抗热震性能。为满足离子电导的要求,在ZrO2中掺杂摩尔分数为4%的Y2O3,该掺杂按照下述反应式在ZrO2晶格内产生置换,并形成高密度氧空位[2]xxYO→4+xY3x+O2-2+V0″.(1-x)ZrO2+Zr1-x每固溶1mol的YO3,就会在ZrO2晶格中产生1mol的2氧空位,这些氧空位的存在,使晶格上的氧离子可以通过空位换位的形式进行快速移动。有资料表明:在300~900℃温度段,当ZrO2为四方晶格时有最大的离子电导率。为满足高抗热震性能的要求,烧成组织设计为亚稳的四方晶格。这种组织的材料靠相变增韧机制增韧的,即在材料中存有裂纹和较大冲击应力时,可以诱发四方晶格发生马氏体转变,变为单斜晶格,并消耗导致破坏的能量。由Y2O3-ZrO2相图[2]可知,当ZrO2中仅掺杂摩尔分数为4%的Y2O3时,该组织不能在室温至900℃温度范围内稳定存在。若要在此温度段保持四方相,四方ZrO2晶粒尺寸必须小于一定值。王斌等:ZrO2汽车氧传感器烧结工艺研究              第10期               15该临界晶粒尺寸与Y2O3的掺杂量有关[3]。当掺杂摩尔分数为4%的YO3时,临界晶粒尺寸约为1μ。这就意味着2m要获得四方相ZrO2,实际上就是保证烧结过程中材料的晶粒尺寸要控制在1μ以内。m烧结温度分别选取1450,1500,1550,1600℃,其都处在四方相稳定区,以获得四方相,并保证获得高密度和细晶粒。而在烧结过程中要保证高密度的同时又要保证晶粒细小往往相矛盾,因此,只能在尽可能在保证晶粒尺寸的前提下,提高烧结温度。3结果与分析用排水法测量经三种不同烧结温度烧结后试样的平均相对密度及线收缩率,烧结温度和相对密度以及线收缩率的影响如图1,显然,随烧结温度升高,收缩率和相对密度均增加。在1500℃烧结时,密度不高,相对密度为93%,线收缩率为15.5%,不能满足预期密度要求。在1550℃烧结时,相对密度达97%,线收缩率达19.5%,可满足要求。图2烧结试样断口的扫描电镜图片Fig2SEMofsinteredsamples图1烧结温度对相对密度和收缩率的影响结论4 Fig1 Influenceofsinteringtemperatureonrelative(1)通过理论分析,烧结工艺主要是控制晶粒尺寸长density&shrinkingrate  图2为烧结后ZrO2断口样品的扫描电镜照片,在1500℃时颗粒圆滑,保持原有的未烧结粉末形貌,1550℃烧结样品断口呈典型的解理断口,颗粒尺寸为1μ左右,m有不连续气孔存在。1600℃烧结断口,也为解理型断口,但颗粒尺寸和空隙尺寸较大,颗粒尺寸约为1.5~2μ,有m明显长大。烧结样品中ZrO2的主晶相为四方相,但也有少量单斜相。1550℃烧结的样品中四方相的含量约占85%,而1600℃烧结样品中的四方相含量仅占65%左右,单斜相含量明显增多。说明随着烧结温度升高,晶粒尺寸变大,促使四方相在低温下转变成单斜相。因此,过高的烧结温度尽管增加了样品的致密度,但不利于获得细晶粒,保持四方相稳定。综合考虑,选择1550℃作为比较理想的烧结温度。大,获得四方相ZrO2材料,并保证高的烧结密度。但这两者往往是矛盾的,需通过选取最佳烧结温度来解决;(2)随烧结温度升高,收缩率和相对密度均增加。在1550℃以上烧结均可满足密度要求。但过高温度引起晶粒尺寸长大,使得四方相难以在低温下稳定,从而造成烧结试样中四方相含量下降,影响力学性能和电导率。因此,在所选择的3个烧结温度中,1550℃相对比较合适,烧结时间为3h。参考文献:[1]RiegelJ,NeumannH,[J].SolidStateIonics,2002,152-153:783-800.许涛麟[2]  ,王佩玲,李 .含氧化锆的氧化物系统计算相图研究与进展[J].无机材料学报,2002,3(17):399-406.[3] 王零森.二氧化锆陶瓷(一)[J].陶瓷工程,1997,1(31):40-44.作者简介:斌王 (1976-),男,湖北孝感人,工程师,华中科技大学材料学院研究生。现从事平板式汽车氧传感器的研究工作。

文章来源:《烧结球团》 网址: http://www.sjqtzz.cn/qikandaodu/2021/0423/472.html



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