第七章 陶瓷改性及加工

1、第七章第七章 陶瓷的加工及改性陶瓷的加工及改性陶瓷加工的特點(diǎn)：陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于燒結(jié)收縮率大，無法保證燒結(jié)后瓷體尺寸的精確度，因此燒結(jié)后需要再加工陶瓷材料有高硬度、高強(qiáng)度、脆性大的特性，屬于難加工材料分類方式加工方法機(jī)械切削、磨削、研磨、拋光化學(xué)化學(xué)腐蝕、電泳拋光、電泳磨削電學(xué)電火花加工光學(xué)激光、超聲波陶瓷材料的加工方法l這些加工方法中，機(jī)械加工方法的效率高，因而在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用，特別是金剛石砂輪磨削、研磨和拋光較為普遍。l其他加工方法大多適用于打孔、切割或微加工等。切割時(shí)大多用金剛石砂輪進(jìn)行磨削切割，打孔時(shí)按照不同孔徑分別進(jìn)行超聲波加工、研磨或磨削方式加工。 一 、機(jī)械加

2、工-陶瓷的切削加工（cutting）1. 陶瓷材料的切削加工特點(diǎn) （a）陶瓷材料具有很高的硬硬度、耐磨性，對(duì)于一般工程陶 瓷的切削，只有超硬 刀具材料才能夠勝任 （b）陶瓷材料是典型的硬脆脆材料 （c）陶瓷材料的切削特性由于材料種類、制備工藝 不同而有很大差別2.切削加工主要工藝參數(shù)l刀具選擇：超硬高速鋼、硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷、多晶金剛石（粗加工）、天然單晶金剛石（精車）、立方氮化硼（CBN）3、切削加工分類按工藝特征，切削加工一般可分為：車削、銑削、鉆削、鏜削、鉸削、刨削、插削、拉削、鋸切 立式削床龍門削床車削一 、機(jī)械加工-磨削加工 1、磨削加工過程（grinding）磨 粒磨 粒磨

3、粒磨 粒工 件裂 紋旋 轉(zhuǎn) 方 向旋 轉(zhuǎn) 方 向工 件陶 瓷 材 料金 屬 材 料陶瓷材料和金屬材料的磨削機(jī)理 金剛石砂輪磨削去除材料是由于金剛石磨粒切入工件時(shí)，磨粒切削刃前方的材料收到擠壓，當(dāng)應(yīng)力超過陶瓷材料的承受極限時(shí)，被壓潰形成碎屑。 另一方面，磨粒切入工件時(shí)，由于壓應(yīng)力和摩擦熱的作用，磨粒下方的材料會(huì)產(chǎn)生局部塑性流動(dòng)形成變形層，當(dāng)磨粒劃過后，由于應(yīng)力的消失，引起變形層從工件上脫離形成切屑。 陶瓷材料的去除機(jī)理通常為微裂紋擴(kuò)展、脆性斷裂以及晶界微破碎等脆性去除方式；在一定的條件下也會(huì)存在塑性去除機(jī)理。一 、機(jī)械加工-磨削加工 2、磨削加工原理3、磨削加工分類根據(jù)磨削加工的形式分類：平面磨

4、削、內(nèi)圓磨削、外圓磨削、無芯磨削。內(nèi)圓磨床平面磨床外圓磨床無芯磨床 砂輪砂輪（grinding wheel） 金剛石砂輪是加工陶瓷最常用的磨削工具。 主要分為： a)金屬結(jié)合劑金剛石砂輪；b)樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪; c)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪磨料磨料（abrasives）的選擇 粒度大，則磨削效率高，表面粗糙度高；粒度小，則磨削效率低，表面粗糙度低。磨削工藝及條件的選擇 a砂輪磨削速度 b工件給進(jìn)速度（feeding speed） c冷卻液的選擇冷卻液的選擇（cooling media） d 磨削深度ap（rubbing depth） e磨削方式（rubbing way）、方向及機(jī)床剛性 （ma

5、chine rigidity）一 、機(jī)械加工-磨削加工 4、磨削加工的主要因素 材料強(qiáng)度a)表面的微裂紋導(dǎo)致陶瓷強(qiáng)度降低，強(qiáng)度降低的大小與表面損傷的深度密切相關(guān);b)陶瓷的強(qiáng)度和砂輪粒度、磨削方向等均有密切關(guān)系。 表面相變應(yīng)力誘導(dǎo)相變：變形較大的磨削應(yīng)力，產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)相變。使四方氧化鋯陶瓷(TZP)和部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷(PSZ)相變?yōu)閱涡毕嘌趸啞堄鄳?yīng)力形成殘余應(yīng)力的主要因素是磨削溫度引起不均勻膨脹。 一 、機(jī)械加工-磨削加工 5、磨削加工對(duì)陶瓷材料的影響一 、機(jī)械加工-陶瓷的研磨、拋光加工1、陶瓷的研磨（grinding）過程 研磨加工是利用涂敷或壓嵌游離磨粒與研磨劑的混合物在一定剛性的軟

6、質(zhì)研具上，研具與工件向磨粒施加一定壓力壓力，磨粒作滾動(dòng)與滑動(dòng)作滾動(dòng)與滑動(dòng)，從被研磨工件上去除極薄的余量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意圖如下圖。壓 力研 磨 液工 件磨 粒研 具工 件磨 粒壓 力( a )( b )研 具 研磨加工示意圖精磨拋光機(jī)2、陶瓷的研磨機(jī)理： 介于脆性破壞與彈性去除之間的一種加工方法。 3、研磨可用于講過平面、內(nèi)外圓柱面、內(nèi)外圓錐面、凹凸球面、螺紋和齒形等表面磨料： a)磨粒越粗，材料剝離率越大， 研磨效率越高，但表面粗糙度增大； b)磨粒硬度越高，研磨效率越高，但卻容易使球面出現(xiàn)機(jī)械損傷，導(dǎo)致表面粗糙度 相對(duì)較低; c)磨料的用量：過多或過

7、少都會(huì)降低加工精度和研磨效率: d) 磨料種類：研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金剛石粉，磨料粒度范圍為 250600目。 壓力、轉(zhuǎn)速、冷卻液對(duì)于較大尺寸的制品，不適合采用端面研磨機(jī)加工，通常采用研磨砂布進(jìn)行加工。 一一 、機(jī)械加工、機(jī)械加工-陶瓷的研磨、拋光加工陶瓷的研磨、拋光加工4、研磨（grinding）過程的主要影響因素一一 、機(jī)械加工、機(jī)械加工-陶瓷的研磨、拋光加工陶瓷的研磨、拋光加工4、研磨（grinding）過程的主要影響因素5、陶瓷的拋光（polishing）和研磨的區(qū)別： 在磨料和研具材料的選擇上與研磨不同。 l拋光一般采用1m以下的微細(xì)磨料，如金剛石微粉、Fe2O3、C

8、r2O3、CeO2、ZrO2、 SiO2、MgO;l拋光盤用瀝青、石蠟、合成樹脂和人造革等軟質(zhì)金屬或非金屬材料制成。 拋光是使用微細(xì)磨粒彈塑性的拋光機(jī)對(duì)工件表面進(jìn)行摩擦使工件表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)，生成細(xì)微的切屑，材料的剝離基本上是在彈性的范圍內(nèi)進(jìn)行。拋光加工的用途：它是制備許多精密零件如硅芯片、集成電路基板、精密機(jī)電零件等的重要工藝。拋光時(shí)在加工面上產(chǎn)生的凹凸，或加工變質(zhì)層極薄，所以尺寸形狀精度和表面粗糙度比研磨高。一一 、機(jī)械加工、機(jī)械加工-陶瓷的研磨、拋光加工陶瓷的研磨、拋光加工精磨拋光機(jī)二、 陶瓷的特種加工技術(shù)1、 電火花加工 電火花加工的原理是基于工件和工具（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電

9、時(shí)的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除（corrosion removing）多余的金屬，以達(dá)到對(duì)零件的尺寸、形狀以及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。下圖為放電加工示意圖 陽 極陰 極陽 極 熔 蝕 區(qū)陰 極 熔 蝕 區(qū)熔 融 金 屬 微 粒凝 固 金 屬 微 粒工 作 液放 電 通 道氣 泡+_+_翻 起 凸 邊網(wǎng) 坑 放電間隙示意圖電火花加工必須具備以下幾個(gè)條件：電火花加工必須具備以下幾個(gè)條件：（1）放電必須是瞬時(shí)的脈沖性放電。（2）火花放電必須在有較高絕緣強(qiáng)度的介質(zhì)中進(jìn)行。（3）要有足夠的放電強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)金屬局部的熔化和氣化。（4）工具電極與工件被加工表面之間要始終保持一定的放電間隙 絕緣陶瓷的電火花放電加工原理

10、示意圖和高速電火花穿孔機(jī)原理示意圖如下圖所示 高 壓 工 作 液管 電 極導(dǎo) 電 器工 作 元 件 電火花加工示意圖 高速電火花穿孔機(jī)原理示意圖二、二、 陶瓷的特種加工技術(shù)陶瓷的特種加工技術(shù) 原理：激光加工是利用能量密度極高的激光束照射到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收激光能量，使自身溫度上升，從而能夠改變工件表面的結(jié)構(gòu)和性能，甚至造成不可逆的破壞。 材料在高溫、熔融、汽化和沖擊波的作用下被蝕除，從而進(jìn)行打孔、畫線、切割以及表面處理等加工。 特點(diǎn)： （1）加工速度快、無噪聲，能實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜面型的高精度的加工目的。 （2）可以進(jìn)行微區(qū)加工，也可以進(jìn)行選擇性加工 （3）因此其熱影響區(qū)很小 （

11、4）大氣中進(jìn)行，便于大工件加工 （5）數(shù)控機(jī)床機(jī)器人連接起來構(gòu)成各種加工系統(tǒng)。 （6）難保證重復(fù)精度和表面粗糙度；設(shè)備復(fù)雜昂貴，加工成本高。 激 光M1M3M2M4刀 具工 件01 001 8 激光加工原理示意圖2、 激光加工（laser machining）二、二、 陶瓷的特種加工技術(shù)陶瓷的特種加工技術(shù) 超聲波磨削加工是利用工具端面作超聲頻振動(dòng)，通過磨料懸浮液加工硬脆材料的一種加工方法。加工原理如圖所示。工件工具磨料液變幅桿聚能器換能器超聲波發(fā)生器超聲波加工機(jī)理3、 超聲波加工（ultrasonic machining）特點(diǎn)：（1）適合加工各種硬脆材料，特別是不 導(dǎo)電的非金屬材料 （2）加工設(shè)備結(jié)果簡(jiǎn)單，操作、維修方便（3）可以得到高質(zhì)量的表面，而且可以加工薄壁、窄縫零件 二、二、 陶瓷的特種加工技術(shù)陶瓷的特種加工技術(shù)定義：在一定溶液中，不利用外接電源，靠化學(xué)溶液侵蝕作用完成材料 表面的平整和光亮過程的工藝。 原理：利用化學(xué)研磨拋光液和待處理工件之間形成的化學(xué)電池原理對(duì)工 件進(jìn)行研磨拋光；在工件表面粗糙不平處，凸處相對(duì)凹處電動(dòng)勢(shì) 較高，更加容易與化學(xué)研磨拋光液產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，即更容 易被溶解去除