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陶瓷材料加工技术的突破及成本趋势
发布时间:2019-11-08    来源:明睿陶瓷   作者:管理员
       陶瓷材料具有良好的耐高温耐腐蚀性能、强度高、硬度高,是优良的高性能材料。随着陶瓷材料学的发展,其制备技术也越来越多,陶瓷材料的性能也逐步得到提高。陶瓷材料可以用到空间探测、航空航天等高技术领域中。
 
陶瓷材料的原子通过共价键、离子键结合,而金属材料通过金属键相结合,所以陶瓷材料与金属材料有完全不同的性质。陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大,且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子以及它们之间的化学键组成的,化学键具有方向性、原子堆积密度低、原子间距大,使陶瓷显示出很大的脆性,加工产生的缺陷多,所以是典型的难加工材料。发展高效低成本的加工技术十分重要。
 
1、陶瓷材料的车磨削加工技术
 
      陶瓷材料的脆性极高,似乎很难将陶瓷与车削联系起来,但是陶瓷材料的压痕实验表明如果选用合适的金刚石刀具角度和切削参数仍然可以实现陶瓷材料的延性加工。相关的实验也表明采用超硬刀具材料都可以加工陶瓷材料。李湘钒超精密车削陶瓷材料的实验表明采用W-Co类硬质合金可以加工陶瓷零件。日本的原昭夫曾采用聚晶金刚石刀具车削Al2O3和Si3N4陶瓷。目前车削陶瓷材料主要选用金刚石刀具。在刃磨性能上单晶金刚石刀具优于聚晶金刚石刀具,它们都属于微量切削,去除率较低,加工质量和精度难以保证,还有待于进一步的研究。
 
      磨削可以满足硬金属的加工要求,因而也可以成为陶瓷材料的主要加工方法,其精度和效率比较适中。磨削陶瓷材料一般选用金刚石砂轮,金刚石砂轮磨削材料时磨粒切人工件,磨粒切削刃前方的陶瓷表面材料受到挤压,当压力值超过陶瓷材料承受极限时被压溃,形成碎屑。同时磨粒切人工件时,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,当磨粒切出时,由于应力的消失,引起变形层从工件上脱离形成切屑。从成屑机理上看陶瓷
 
      材料的去除方式仍然是脆性的。磨削加工后的表面残留了大量的加工缺陷,因此深加工就成为必然的工序。为了降低深加工的成本,近年来提出了延性域磨削的概念。延性域磨削以提高磨削表面质量为主要目标,采用调整磨粒排布方式以及精密修整等技术来实现陶瓷材料的高效精密加工。陶瓷材料的磨削还存在砂轮磨损堵塞以及加工效率低等问题,这些问题有待于进一步的研究。
 
2、陶瓷材料的特种加工技术
 
      超声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、抛磨被加工表面,加上加工区域内的空化、超压效应,从而产生材料去除效果。超声加工比较适合陶瓷材料表面脆性的特点,这种方法加工的表面质量较好,容易实现加工自动化。其缺点是加工效率较低,工具寿命较低。
 
      激光加工陶瓷材料,是利用能量密度极高的激光束照射到陶瓷材料表面上,光能被陶瓷表面吸收,光能部分转化为热能,使局部温度迅速升高产生熔化以至气化并形成凹坑。随着能量的继续吸收,凹坑中的蒸气迅速膨胀,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、气化和冲击作用下被蚀除。激光加工高效环保,但光斑表面的温度梯度容易形成陶瓷材料表面的微裂纹,而且激光设备昂贵,使用成本较高。
 
      电火花加工主要是通过电极间放电产生高温熔化和汽化蚀除材料。电火花加工适合于导电材料的加工。因为陶瓷材料是电绝缘体,所以必须采取特殊工艺。一种高压电火花加工方法是在尖电极与平电极间放入绝缘的陶瓷材料工件。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。另一种加工方法是在薄片陶瓷工件上压放一块薄金属网作为辅助电极,辅助电极和工具电极分别与脉冲电源的正负极相连,并放在油类工作液中,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,由于金属材料的气化喷射或溅射等作用使陶瓷零件表面导电,加工得以持续。还有一种加工方法是在陶瓷的表面涂覆导电材料进行电火花加工。电火花加工仍面临加工效率低、加工表面质量难以保证等问题,这些有待于进一步的研究。
 
3、特种加工辅助车磨削技术
 
      车磨削加工的效率相对较高,但其对工具的要求非常高,而且陶瓷材料的表面质量难以保证,对于成形陶瓷零件的加工也较难。为了提高陶瓷材料的加工精度以及加工范围,在车磨削加工中引入特种加工技术将会同时获得较高的加工效率和表面质量。
 
      超声磨削加工,是在磨削加工的同时,对工具或工件施加超声频率振动,充分利用超声波的高频振动和空化作用去除材料,超声磨削加工方式较适用于陶瓷材料的加工,其加工效率随着材料脆性的增大而逐渐提高。超声磨削技术可以明显降低磨削温度、增加砂轮使用寿命、提高加工精度和表面质量。
 
      激光辅助车削技术是将激光照射到刀具附近的陶瓷材料,在车削陶瓷材料的过程中,材料剪切区域因激光产生高温软化,减小了陶瓷材料的切削阻力,增加了陶瓷材料的加工延性,从而达到了陶瓷材料的高效延性加工。
 
      在线电解磨削技术是将电解技术引入到磨削过程中,通过连续有限量的电解作用来蚀除砂轮表面的金属结合剂从而对砂轮进行修整以达到微粉磨粒不断出露的目的。在线电解技术是日本理化研究所研究的成果,加工陶瓷材料可以达到超精密加工的水平。
 
4、成本趋势

      随着陶瓷材料加工技术的不断突破进步,生产效率提升较高,陶瓷加工成本也在不断降低。
 
5、结论
 
      陶瓷材料在高技术领域中应用的广泛性促进了其加工技术的研究。陶瓷材料硬度高脆性大,采用传统的车磨削技术进行加工难度比较大,而特种加工技术效率低成本高,所以采用传统的车磨削技术与特种加工技术相结合的方法将是以后陶瓷加工技术研究的趋势。
 

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