二氧化鋯陶瓷的加工技術(shù).doc

二氧化鋯材料的加工技術(shù)姓名：羅喬學(xué)號：510011593摘要陶瓷材料種類很多，它具有熔點(diǎn)高、硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性高、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕，以及彈性模量大、強(qiáng)度高等優(yōu)良性質(zhì)。也正是由于陶瓷材料的這些性質(zhì)能決定了它的加工也是和普通的材料有著截然不同的加工方式。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對于新型材料的需求也越來越多，陶瓷材料在近十幾年來得到飛速的發(fā)展。隨著它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，人們對它的研究也越來越深入。本文將介紹二氧化鋯這種比較典型的特種陶瓷材料（人工合成材料）并對其加工技術(shù)進(jìn)行敘述和探討在國內(nèi)陶瓷材料的加工技術(shù)水平和發(fā)展程度。關(guān)鍵詞： 陶瓷材料 二氧化鋯 激光加工 磨料水射流銑削加工 金剛石套料鉆ABSTRACT There is so many kinds of Ceramic material.They have the excellent properties.Such as the High melting point,High hardness,High Chemical stability, Heat-resistant,Resistant to wear,Resistance to oxidation,Corrosion resisting,High Elastic modulus,High strength and so on.Because of these properties , its processing is also with ordinary materials a totally different processing methods.With the development of modern industry,The demand for new materials will be more and more.Ceramic materials get rapid development in recent decade.Along with its application field more and more widely, people have studied it also more and more deeply.This paper will introduce alumina and zro2 which is Synthetic material and its processing technology description and explore the domestic ceramic materials processing techniques and development degree. KEY WORD : Ceramic materials zirconium dioxide Laser processing Abrasive Water technology milling Diamond set of material drill1 材料介紹陶瓷材料種類很多，它具有熔點(diǎn)高、硬度高，化學(xué)穩(wěn)定性高、耐高溫、耐磨損、耐氧化、耐腐蝕，以及彈性模量大、強(qiáng)度高等優(yōu)良性質(zhì)。也正是由于陶瓷材料的這些性能決定了它的加工也是和普通的材料有著截然不同的加工方式。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對于新型材料的需求也越來越多，陶瓷材料在近十幾年來得到飛速的發(fā)展，隨著它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，人們對它的研究也越來越深入，本文將介紹二氧化鋯這種比較典型的特種陶瓷材料（人工合成材料）并對其加工技術(shù)進(jìn)行敘述和探討在國內(nèi)陶瓷材料的加工技術(shù)水平和發(fā)展程度。二氧化鋯陶瓷，高純度的二氧化鋯為白色粉末，含有雜質(zhì)時(shí)略帶黃色或灰色。二氧化鋯有三種晶型，低溫為單斜晶系，密度5.65g/；高溫時(shí)為四方晶系，密度6.10g/；更高的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄?，密度?.27g/。二氧化鋯陶瓷的熔點(diǎn)在2700以上，能耐2300的高溫，其推薦使用溫度為20002200。同時(shí)二氧化鋯的熱膨脹系數(shù)的變化受溫度的影響明顯。在20200階段下，熱膨脹系數(shù)為/,在1000附件，由于晶體結(jié)構(gòu)由ct轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生體積收縮。但加入增韌劑后抑制了相變，熱膨脹系數(shù)不再受ct轉(zhuǎn)變的影響。二氧化鋯的化學(xué)穩(wěn)定性很高，各種酸中僅溶于氫氟酸。二氧化鋯容易與堿和碳酸鹽熔燒，形成鋯酸鹽。與其他主要陶瓷種類的力學(xué)性能相比較，二氧化鋯的抗熱震性較差。由于二氧化鋯固溶體具有離子導(dǎo)電性，故可用作高溫下工作的固體電解質(zhì)，應(yīng)用于工作溫度為10002000的化學(xué)燃料電池，還可用于其他電源。利用穩(wěn)定二氧化鋯的高溫導(dǎo)電性，還可將這種材料作為電流加熱的光源和電熱發(fā)熱元件。由于二氧化鋯還能抗熔融金屬的侵蝕，所以多用作鉑等金屬的冶煉坩堝和1800以上的發(fā)熱體和爐子、反應(yīng)堆絕熱材料等。特別指出，二氧化鋯作添加劑可大大提高陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷材料的強(qiáng)度達(dá)1200MPa、斷裂韌性為15.0，分別比原氧化鋁提高了三倍和近三倍。它的炕腐蝕性可以用它來做盛鋼水包的內(nèi)襯，在連續(xù)鑄鋼中做澆口磚。二氧化鋯由于其的高強(qiáng)度和優(yōu)良的韌性（常溫抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到2100MPa，1000時(shí)為1190MPa，經(jīng)過增韌的陶瓷常溫抗彎強(qiáng)度最高可以達(dá)到2000MPa）可以用來制造發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件，如軸承、氣缸等。二氧化鋯還具有高溫半導(dǎo)體性，室溫下純二氧化鋯是良好的絕緣體，但超過1000后導(dǎo)電很好，電阻為4，所以這種優(yōu)良的特性可以將它廣泛的應(yīng)用于熱敏感材料類，而且是適合那種高溫情況下，很具有應(yīng)用潛力，而且在最新的MEMS技術(shù)中也可以得到一定的應(yīng)用。最后，二氧化鋯還具有比較好的敏感特性，二氧化鋯穩(wěn)定化后有氧空氣的存在，可用以制作氣敏元件，作為測量一些氣體的探頭，同時(shí)對于之前提到的MEMS技術(shù)中更是有很好的應(yīng)用潛力，由于它的這種半導(dǎo)體和以及氣體敏感元件，可以在很多地方得到廣泛的應(yīng)用，然而加工確是阻礙此種材料應(yīng)用的一個(gè)最大的阻礙。2 二氧化鋯的加工技術(shù)現(xiàn)階段，絕大部分采用硬燒結(jié)金剛石等硬質(zhì)刀具來切削陶瓷材料，當(dāng)然，二氧化鋯材料還沒有強(qiáng)度高到連金剛石都對付不了的程度，但是采用燒結(jié)金剛石的方法卻注定它的加工效率要慢一拍，這樣也將最終導(dǎo)致我們的生產(chǎn)上面會(huì)出現(xiàn)很大的供不應(yīng)求的狀況，如何改善就成為了現(xiàn)在的一個(gè)研究重點(diǎn)了，下面就將介紹一些現(xiàn)代比較先進(jìn)的加工技術(shù)。2.1 激光熱應(yīng)力切割技術(shù)利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超過閥值功率密度的前提下，熱能被材料吸收，由此引起照射點(diǎn)材料溫度急劇上升，熱量以某個(gè)速率(視材料的熱擴(kuò)散率而定)，從入射點(diǎn)傳導(dǎo)出去對于容易受熱破壞的脆性材料，比如陶瓷，通過激光掃描產(chǎn)生的熱應(yīng)力誘導(dǎo)并控制裂紋擴(kuò)展的方法來分割脆性材料的方法稱為激光熱應(yīng)力分割技術(shù)。這種加工方法就是通過激光(或其他熱源，如熱空氣射流)的掃描照射，在被切割材料內(nèi)造成適當(dāng)?shù)臏囟忍荻?但不至造成材料軟化和機(jī)械性質(zhì)的大幅變化)，非均勻溫度場將導(dǎo)致材料產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)其裂紋尖端熱應(yīng)力超過材料的臨界應(yīng)力時(shí)，裂紋擴(kuò)展，即產(chǎn)生裂縫，分開材料。例如由上海交大胡俊副教授主持的學(xué)生研究過對陶瓷的激光熱應(yīng)力切割技術(shù)的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)分析，其中就提到，現(xiàn)階段，絕大部分采用硬燒結(jié)金剛石等硬質(zhì)刀具來切削零件現(xiàn)階段還存在著生產(chǎn)率低下、加工成本高、切割質(zhì)量差等一系列難以克服的缺點(diǎn)?，F(xiàn)階段在采用激光加工的時(shí)候，陶瓷材料存在以下一些優(yōu)點(diǎn)，那就是：陶瓷對激光的吸收率高，二氧化鋯陶瓷對激光的吸收率約90%左右，高熱時(shí)分解和升華，即一旦受高能量密度的激光束照射，就會(huì)發(fā)生局部的分解和升華，有助于提高激光加工的效率。在期中還提到國內(nèi)外多名研究人員在激光加工陶瓷中所做出的一些成果以及一些仿真實(shí)驗(yàn)所得出來的結(jié)論都表明目前激光切割陶瓷技術(shù)很多都是采用激光劃片技術(shù)，在由胡俊副教授主持的研究主要是針對氧化鋁這種材料的研究，然而從中卻也可以發(fā)現(xiàn)其實(shí)這種激光加工很適合多種陶瓷的加工，尤其是對于二氧化鋯，激光吸收率比氧化鋁還要高。這也就可以保證了它的加工效率要比氧化鋁要高，在生產(chǎn)方面，這種激光加工方法也是應(yīng)用于一些特殊的加工場合，尤其是一些精度要求特別高的場合，因?yàn)檫@種加工技術(shù)的最大優(yōu)勢就是精度高，然而這種加工也存在一定的技術(shù)缺陷，它對于熱對流和熱傳導(dǎo)技術(shù)還沒有相應(yīng)的解決，同時(shí)對于激光的光斑的大小和形狀都還是有待于后人進(jìn)行研究的。這些技術(shù)一旦被突破，對于陶瓷的激光加工將會(huì)是一個(gè)很大的提高，更是標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)成熟的一個(gè)瓶頸技術(shù)。2.2磨料水射流加工將“水滴石穿”技術(shù)應(yīng)用于陶瓷材料是一種再形象不過的加工技術(shù)。這也是磨料水射流銑削加工的基本原理。這種加工技術(shù)就是將水液體和磨料進(jìn)行混合，然后進(jìn)行加壓，然后在混合后的混料進(jìn)行高壓噴射，借助高壓和混合液的沖擊，將材料進(jìn)行去除的方法。這種方法是一種很好的加工陶瓷材料的方法，期中的磨料是金剛石磨粒。由于磨料水射流所具有的加工優(yōu)點(diǎn)，它可以加工幾乎所有的材料，尤其適宜加工不易使用激光等熱加工技術(shù)加工的硬脆材料，如陶瓷、聚合物、玻璃、石材等，因此在某些需要應(yīng)用微型切割的領(lǐng)域中，微型磨料水射流切割成為首選的加工技術(shù)。微型磨料水射流設(shè)備與普通磨料水射流設(shè)備相比要小得多，水與磨料的消耗量只占普通磨料射流的1%左右，可以切割適用于普通磨料水射流切割的一切材料。這種方法的使用對于胚體的加工也確實(shí)是一種很大的改進(jìn)，同時(shí)這種加工具有加工范圍廣，可控性好，還具有很強(qiáng)的切割力，切口質(zhì)量也是非常的好，同時(shí)這種生產(chǎn)方式安全，效率高，在發(fā)展方面有很大的潛力，美中不足的就是它的成本太高，同時(shí)對于較薄的工件很容易沖彎，對噴嘴的耐磨損性要求高，隨著現(xiàn)在材料的不斷更新，相信會(huì)有一天，在成本降到一定程度同時(shí)材料達(dá)到相應(yīng)的要求的時(shí)候，這種方法也是值得推廣的。但在研究中還提到目前對該技術(shù)的切割機(jī)理還沒有形成統(tǒng)一的理論。這主要是由于材料的去除過程受眾多因素的影響，如水射流結(jié)構(gòu)、加工參數(shù)及被加工材料的性質(zhì)等。大部分學(xué)者認(rèn)為，磨料水射流對于塑性材料和脆性材料的去除機(jī)理存在不同的形式。所以在對于磨料水射流銑削技術(shù)的研究中，他們也提出了一套相應(yīng)的原理，以及對其進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)以及仿真。對于切割技術(shù)，現(xiàn)在的磨料水射流技術(shù)已經(jīng)很成熟了，但是對于銑削技術(shù)卻是還很欠缺。由山東大學(xué)黃傳真教授以及他所帶領(lǐng)的博士生馮敏霞共同研究了關(guān)于磨料水射流銑削陶瓷材料加工技術(shù)研究，以黃傳真教授就對這種水射流的銑削加工進(jìn)行了相應(yīng)的加工實(shí)驗(yàn)，當(dāng)然也取得了相應(yīng)的成果。最終他們得出了相應(yīng)的結(jié)論，那就是高壓水射流技術(shù)具有無熱影響區(qū)、加工力小、加工范圍廣和可加工復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)，所以它是加工陶瓷和玻璃等脆性難加工材料的理想加工技術(shù)。但是它僅分析了各參數(shù)對表面粗糙度的影響，還需要大量的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證模型，進(jìn)一步研究磨料水射流銑削表面的完整性，建立加工硬化和殘余應(yīng)力與各銑削參數(shù)之間關(guān)系模型以及在對噴嘴直徑和沖擊角度對銑削加工的影響，這些因數(shù)都是需要進(jìn)一步研究的。同時(shí)在其他一些領(lǐng)域包括磨料水射流的車削技術(shù)等方面還基本是屬于空白，如果在這些方面能夠有所突破，這在磨削水射流技術(shù)方面的發(fā)展將會(huì)是一個(gè)很具有建設(shè)性的意義。2.3 金剛石套料銑削加工在一般的金剛鉆而言，進(jìn)行鉆削是可以進(jìn)行的，但是加入將它改進(jìn)，然后應(yīng)用于銑削加工，這將是一個(gè)很大的改進(jìn)，同時(shí)對于這項(xiàng)技術(shù)，國內(nèi)也是研究的比較少，由南京理工大學(xué)的袁軍堂教授帶領(lǐng)其的研究生賀永明研究用金剛石套料鉆加工此材料，這里的套料鉆是采用釬焊上去的，在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中，金剛鉆倒是很常見，但是采用金剛鉆來進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)的確是很少，實(shí)驗(yàn)中對金剛石套料鉆進(jìn)行了兩組加工，一方面對氧化鋁材料進(jìn)行相應(yīng)的加工，另一方面則是對它進(jìn)行碳化硅進(jìn)行加工，眾所周知，碳化硅是一種硬度僅次于金剛石的材料，所以在采用此種方式加工時(shí)的進(jìn)給力將比氧化鋁要大很多，所以對于二氧化鋯而言，采用此種方法進(jìn)行加工也是綽綽有余，在加工碳化硅時(shí)對金剛石的磨損也是很大，所以金剛石套料鉆的壽命也是大大縮短，該偏文章主要介紹了金剛石套料鉆的性能，其實(shí)到現(xiàn)在，人們發(fā)現(xiàn)能夠很好的加工陶瓷這類特殊材料的原料中，就數(shù)金剛石能夠比較好的滿足生產(chǎn)和加工的需要了。由于金剛石的這種特殊性能，現(xiàn)在對于陶瓷的加工基本都是依靠于此類材料的基礎(chǔ)。采用金剛石套料鉆進(jìn)行銑削加工卻也存在很大的問題需要解決，一個(gè)是它加工的鉆頭的強(qiáng)度無法保證，同時(shí)對于這種技術(shù)的推廣它的實(shí)際經(jīng)濟(jì)性還沒得到相應(yīng)的認(rèn)可。盡管如此，卻也給我們帶來一個(gè)很大的提醒，在我們的加工過程中，如果能夠?qū)⑻沾刹牧系募庸F(xiàn)階段的以磨削為主改為以銑削，甚至上升到車削這種程度，對于材料的加工不僅是一種革命性的改進(jìn)，甚至連我國的工業(yè)的發(fā)展也是一個(gè)很大的推進(jìn)。采用銑削加工雖然對于金剛石套料鉆是一個(gè)大膽的嘗試，但是卻是成功的告訴我們了一種新的加工方式，只是在現(xiàn)在的條件基礎(chǔ)上還無法進(jìn)行相應(yīng)的生產(chǎn)，尤其是這種加工還存在太多的缺陷，可能無法滿足生產(chǎn)上的需求，總歸一點(diǎn)，生產(chǎn)的提高才是一項(xiàng)技術(shù)成功與推廣的關(guān)鍵。2.4 超聲加工超聲波加工技術(shù)是20世紀(jì)50年代以來發(fā)展起來的一種特種加工方法，與普通磨削相比，超聲磨削更適用于陶瓷材料的加工，這種加工方法也成為普遍關(guān)注的一種加工方法。超聲磨削系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、振動(dòng)傳遞系統(tǒng)、金剛石砂輪磨頭等構(gòu)成。對于二氧化鋯這種材料，由南昌航空大學(xué)的柴京富、李堯忠和江西農(nóng)大的楊衛(wèi)平教授對二氧化鋯的旋轉(zhuǎn)超聲加工進(jìn)行了一番研究，研究了用旋轉(zhuǎn)超聲加工的方法對氧化鋯材料進(jìn)行磨削，探討了旋轉(zhuǎn)超聲磨削的機(jī)理。經(jīng)過一些實(shí)驗(yàn)研究也得出該方法對硬脆材料工程陶瓷二氧化鋯是一種高效可行的高效加工方法，具有材料加工效率高，加工質(zhì)量好，經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。超聲波加工屬于現(xiàn)代的一種特種加工，也是利用將超聲震動(dòng)加到工具磨頭的一種復(fù)合加工方法，這種加工方法也同樣是屬于實(shí)驗(yàn)階段研究，在投入生產(chǎn)方面尚還沒有正式的啟用，王文利在氧化鋯粉末的表面改性研究中指出，將表面活性劑C加入到二氧化鋯中，選用二氧化鋯球磨罐和球，球磨8小時(shí)后過濾，在130干燥12h，制備出了有機(jī)/無機(jī)包覆的陶瓷粉體，并利用SEM觀察了表面改性前后粉末的團(tuán)聚和微觀形貌，結(jié)果表明改性后粒度減小，團(tuán)聚度降低，改性粉末在非極性溶液中的分散性、穩(wěn)定性和潤濕性都得到明顯提高。這種改進(jìn)在一定程度上提高了制備胚體件的精度，從而也大大降低了后續(xù)的加工的難度，2.5電火花加工作為先進(jìn)制造技術(shù)重要分支的特種加工，尤其是電火花加工無論在加工方法、加工技術(shù)和加工基礎(chǔ)理論等方面近年來的研究都取得了許多新的進(jìn)展。電火花加工是利用浸在工作液中的兩級間脈放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法。電火花加工主要用于加工具有復(fù)雜形狀的型孔和型腔的模具和零件；加工各種硬、脆材料。這種技術(shù)也可以用于對于二氧化硅這種絕緣性陶瓷材料，因?yàn)樵谇懊嫣岬剿诟邷貭顩r下具有導(dǎo)電性，同時(shí)在低溫下是絕緣體。由武漢理工大學(xué)的徐小兵博士發(fā)表的對于絕緣陶瓷材料的電火花加工技術(shù)及其仿真研究中就提到了關(guān)于陶瓷這種絕緣材料怎么樣利用電火花技術(shù)進(jìn)行加工，絕緣性材料電火花加工技術(shù)突破了電火花加工只能用于導(dǎo)電性材料加工這一傳統(tǒng)禁區(qū)，是電火花加工的全新領(lǐng)域之一。在研究中采用了輔助電極法，絕緣材料能進(jìn)行電火花加工的機(jī)理是:正常脈沖放電實(shí)現(xiàn)除去材料加工，當(dāng)被加工表面電阻增大，就會(huì)產(chǎn)生長脈沖放電，長沖脈沖放電使介質(zhì)油中游離出來的碳微粒吸附于被加工表面生成導(dǎo)電膜。正常脈沖放電和長脈沖放電的交替，使電火花加工在去除材料加工和生成導(dǎo)電膜的交替中不斷進(jìn)行，最終使加工成形。這中加工方法對于二氧化硅的加工而言還是一個(gè)全新的領(lǐng)域，但是在前任已經(jīng)可以對陶瓷材料進(jìn)行電火花加工的同時(shí)也說明了對于二氧化硅而言，采用電火花加工也絕不僅僅是紙