工程陶瓷的特点及应用

工程陶瓷的特点及应用

陶瓷加工技术的研究该项目的陶瓷材料具有坚硬、高强度、低密度、低膨胀、耐腐蚀性好、耐盐性好等优点。广泛应用于机械工程、电子、航空、生物工程等领域。随着加工技术的发展,它有着可替代许多传统工程材料的优越性。工程陶瓷材料是由粉末状原料成形后在高温下烧结而成的。由于烧结时收缩率大,无法保证烧结后尺寸精度。作为工件使用的工程陶瓷,都有一定的形位尺寸精度和表面质量要求,需要进行再加工。工程陶瓷具有极高的硬度、良好的耐磨性和耐腐蚀性以及脆性大等特点,属于难加工材料,用通常切削金属的方法不能有效的进行机械加工。因为这些材料或者是硬度高难以切削,或者是施加的局部载荷大于陶瓷内部能承受的拉应力而引起脆性断裂,加工不出理想的形状,达不到精度要求,同时加工成本高、效率低。陶瓷材料作为工程材料的大规模推广应用,在很大程度上取决于陶瓷零件加工技术的发展。因此探索加工工程陶瓷的有效方法已成为当务之急。目前,陶瓷加工技术的研究可以概括为两方面:①对现有陶瓷加工技术进行深入研究,开发专用的陶瓷加工机床,优化工艺参数,提高加工质量和加工效率,降低生产成本,以扩大其应用范围。②开发和推广陶瓷加工新技术。其发展趋势是把两种或几种加工方法复合在一起形成一种新的加工方法。这样不仅可大大提高加工效率,而且可以提高工程陶瓷件的加工质量。随着陶瓷加工技术的不断进步,工程陶瓷的应用将越来越广泛。1传统陶瓷加工方法1.1材料微切削方式车削加工主要是利用金刚石刀具切削高硬度、高耐磨性的工程陶瓷。众所周知,多晶金刚石刀具难以产生光滑的切削刃,所以,一般只用于粗加工;对陶瓷材料进行精车时,必须使用天然单晶金刚石刀具,采用微切削方式。由于工程陶瓷材料硬度高、脆性大,车削难以保证其精度要求,同时加工效率低。所以车削加工陶瓷零件应用不多。1.2材料的压淤去除磨削加工一般选用金刚石砂轮。金刚石砂轮磨削除去材料是由于磨粒切入工件时,磨粒切削刃前方的材料受到挤压,当应力值超过陶瓷材料承受极限时被压溃,形成碎屑。另一方面,磨粒切入工件时由于压应力和摩擦热的作用,磨粒下方的材料会产生局部塑性流动,形成变形层。当磨粒划过后,由于应力的消失,引起变形层从工件上脱离形成切屑。在材料去除的整个过程中,前刀面压溃去除是主要的。磨削加工时,切屑不易排除,加工效率低,砂轮磨损严重,加工成本高。1.3超精制研磨法在工业生产的某些领域,仅靠磨削达不到工程陶瓷件表面光洁度的要求,通常需要研磨和抛光。研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。光学玻璃、蓝宝石等光学材料,硅片、GaAs基片等半导体材料,Al另外,工程陶瓷材料韧性差,其强度很容易受表面裂痕的影响。但加工工艺往往造成加工表面有微裂纹,且裂纹会引起应力集中,使裂纹末端应力更大。当该处应力超过裂纹扩展临界值时,裂纹就会扩展引起工件的破坏。加工表面愈粗糙,表面裂纹愈大,愈易产生应力集中,工件强度愈低。因此,研磨不仅是为了达到一定的表面粗糙度和高的形状精度,而且也是为了提高工件的强度。研磨工程陶瓷用的磨料是B1.4汽化优化材料激光加工是利用能量密度极高的激光束照射到被加工工件表面上,光能转变为热能使局部温度迅速升高,产生熔化以至汽化并形成凹坑。随着能量的继续吸收,凹坑中的蒸汽迅速膨胀,相当于产生了一个微小爆炸,把熔融物高速喷射出来,同时产生一个方向性很强的冲击波。这样材料就在高温、熔融、汽化和冲击波的作用下被蚀除。一般加工工程陶瓷使用的激光是CO1.5超声波加工法超声波加工是在加工工具或被加工材料上施加超声波振动,在工具与工件之间加入液体磨料或糊状磨料,并以较小的压力使工具贴压在工件上。加工时由于工具与工件之间存在超声振动,迫使工作液中悬浮的磨粒以很大的速度和加速度不断撞击、抛磨被加工材料表面,加上加工区域内的空化、超压效应,从而产生对材料的去除效果。对那些不导电或电阻率高而不能采用电加工的工程陶瓷,超声波加工是一种有效的加工方法。但这种方法也存在如下缺点:①工具通用性差,更换比较麻烦。②加工过程中工具质量变化,造成共振频率的游移,使加工速度和加工质量受到影响。③加工工程陶瓷时工具磨损严重,加工效率不高。由于工程陶瓷材料本身的特殊性能,传统的加工方法都不够理想。从目前情况看,磨削是应用最多的一种加工方法。传统磨削与超声波加工、电解加工、电火花加工、电化学加工等方法复合,形成许多新的工程陶瓷磨削加工方法。2陶瓷研磨法的新方法2.1超声磨削的条件超声波磨削是一种超声波加工与磨削相结合的复合加工方法,而且材料的去除机理与普通磨削不同。超声波磨削除了使材料受剪切应力外,还使材料在高频振动下发生疲劳破坏,加速材料的去除。实现超声波振动磨削的条件不仅与磨削深度有关,还与振幅和频率有关。超声波磨削可以采用较大的磨削用量,同时减少砂轮修整时间,不仅提高了加工效率,也改善了加工工件的表面质量。2.2elid磨削技术ELID磨削是一种在加工过程中使用电解修整砂轮和常规机械磨削相结合的新的磨削方法。在ELID磨削过程中,在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流,使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除,不受电解磨削液影响的磨料颗粒凸出于砂轮表面,从而实现对砂轮的修整,并在加工过程中始终保持砂轮的锋利性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题,为实现稳定的超精密磨削加工技术创造了有利的条件。该项技术首先由日本物理化学研究所的大森整等提出,他们采用微细磨粒铸铁纤维基金刚石砂轮对硅片进行精密加工,采用普通机床在磨削过程中进行砂轮的在线修整,实现了硅片的镜面磨削。后来,大森整等又对ELID磨削进行了进一步的研究,用几微米至亚微米金刚石磨粒的铸铁基砂轮对单晶硅、光学玻璃、陶瓷进行ELID磨削,系统的研究了磨粒尺寸与粗糙度的关系。加工后的表面粗糙度达几个埃,从而可代替研磨与抛光。2.3机械磨削作用机理机械、电解、电火花复合磨削加工工艺(MEEC)是一种以机械磨削为主的三复合加工方法。它将机械、电学、化学作用综合运用,实现了高速、高精度加工。其工作原理是在砂轮旋转的过程中,当不导电部分与工件相接触时,磨粒对工件产生机械磨削作用;当导电部分接近工件时,由喷射到砂轮和工件间的磨削液引起电解作用而改善加工表面质量;在导电部分脱离工件表面的瞬间所发生的火花放电,除了在一定程度上去除工件材料外,由此产生的高温还可使砂轮上磨粒周围的结合剂熔化和汽化而保持砂轮的锋利,并使陶瓷材料因受热而利于磨削。该方法能对无法采用电火花、电解加工的非导电陶瓷材料进行加工。2.4电化学修饰过程1999年,D.Kramer等提出了ECD技术,通过测定磨粒刃口和工件表面状态来控制电化学的修整过程。研究结果表明,该技术在磨削陶瓷等材料过程中可以显著改善材料的表面质量。2000年,D.Kramer等进一步提出采用可控电化学工艺在线修整金属结合剂砂轮,为磨削用传统方法极难加工的新型材料提供了一种新的途径。3制造陶瓷的新方法3.1激光加热车削在工程陶瓷材料的复合加工中,高温切削引人注目。近年来,出现了将陶瓷加热至高温后,再进行切削的新方法。加热的热源有等离子弧、激光等。采用低功率密度(10国外的研究人员进行精车试验,通过实施激光加热,可改变切屑形成的特性。不加热车削时,切屑呈0.5(f)长的薄片状;当激光加热到925℃以上时,切屑呈现带状,其卷曲半径随着温度和速度的升高而增大;当温度超过1325℃、υ=80m/min时,切屑呈现炽热的直带状,切削能力下降了60%,同时还可减小单位接触负荷。此外,陶瓷高温切削能明显改善加工表面的粗糙度,同时又不损伤表面层的组织结构。工程陶瓷的高温切削加工技术是当前研究的一个热点。3.2振动钻削技术振动钻削是在传统钻削方法的基础上,通过向刀具(或工件)人为施加一种可控的、有规律的轴向振动(通常振动频率为200Hz以下),使刀具(或工件)在振动的同时进行钻孔。在所加振动的影响下,改变刀具与工件的运动关系和相互作用条件,从而改善材料的可加工性。振动钻削的最大特点是:可以根据工件材料的性能和加工要求改变振动参数与切削用量的匹配关系,从而能根据需要改变切削条件,控制切屑的大小和形状。因此,无论加工何种材料,都能可靠地解决断屑和排屑的问题。目前,麻花钻、枪钻、各类内排屑深孔钻均可采用振动钻削的加工方式。3.3高压电火花加工非导电工程陶瓷材料的电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化腐蚀除去材料,其适合于超硬导电材料的加工。由于大多数陶瓷材料是电的绝缘体,以往很少用电火花加工法加工。近年来许多高性能工程陶瓷中含有TiC等导电成分,使电火花加工成为可能。研究结果表明,当材料的电阻率低于1Ω·m时,可以有效地利用电火花加工的方法。日本提出了一种非导电工程陶瓷材料的电火花加工的方法。其原理是:在薄片工件上放置一块薄金属网作为辅助电极,辅助电极与工具电极分别与脉冲电源的正、负极相连,并将其放在油类工作液中。当脉冲电压施加到两极间,便在工具与辅助电极间产生火花放电;当电火花穿过工件上的辅助电极时,由于金属材料的汽化、喷射或溅射等作用使陶瓷零件表面导电,加工得以持续。但该方法加工深度较浅。还有一种高压电火花加工方法可以加工非导电工程陶瓷材料。其原理是:在尖电极与平电极间放入陶瓷材料工件,两电极间加以直流或交流高电压,使尖电极附近的介质被击穿,发生辉光放电蚀除。但辉光电流小,加工效果不理想。由于两电极间存在寄生电容,把电源变为高频或脉冲性电源,可以产生相当大的辉光电流,通常使用高压高频电源。这种方法加工的陶瓷材料表面较粗糙。3.4磨料水射流切割的特点虽然高压水射流作为一门新技术发展很快,但水射流所需的压力较高,对部件、设备和密封的要求都比较严格。鉴于上述原因,国外竞相研究在水中加入很细的磨料颗粒以增加水射流的冲击力,这就是磨料水射流。加入磨料后,高压水射流的冲击力提高,可以切割像工程陶瓷这样的难加工材料。在切割的起始阶段,切割效果受靶距的影响较小,尤其在深孔加工时具有独特的优点。在磨料水射流中,水为载体,磨料微粒被高压水射流加速,由于磨料微粒的质量比水大,且具有锋利的棱角,所以磨料对物体的冲击力和磨削力要比相同条件下的高压水射流大得多。另外磨料在水射流中是不连续的,由磨料组成的高速粒子流对物体还产生高频冲击作用。因此,磨料射流具有很大的威力。与传统的金刚石磨削加工相比,高压磨料水射流加工效率高,成本低。加工设备的控制系统与计算机相连,其加工路线由程序设定,可加工出形状复杂的产品,但加工质量及加工精度不高。4陶瓷加工技术的应用和发展陶瓷材料具有特殊的优良性能,可广泛地应用于高速、高温、腐蚀性介质等金属材料无法满足要求的特殊场合。但由于其硬度高、脆性大、耐磨性好,很难实现高精度、高效率和高可靠性的加工,从而限制了它的应用和发展。上述各种陶瓷加工方法各有其优、缺点,又不能互相取代。加工陶瓷材料时应