可加工陶瓷

可加工陶瓷及其加工技术

（一） 前言

随着现代化工业的发展，陶瓷材料在各个领域的应用越来越多，如在航空航天、机械、医学、化工、冶金等领域都已得到广泛应用。现代高科技产业对陶瓷

材料的加工效率和加工质量提出了更高的要

求。特别是在航空航天、化工机械、陶瓷发动

机、生物陶瓷、精密仪表等领域，陶瓷材料作

为精密机械零件时，对其加工提出了更为苛刻

的要求。但陶瓷制品大多是由无机材料经过成

型烧成等工艺生产的。制品在烧结过程中收缩

变形较大，形状尺寸误差较大。因此，对于某

些要求成品精度较高的领域，陶瓷制品又需要

再进行机械加工。由于受其自身化学键和微观结构的影响，陶瓷的脆硬性导致了

其难以加工。因此，改善陶瓷材料的可加工性，

开展可加工陶瓷材料的研发成为当前倍受重

视的研究热点之一。

可加工陶瓷是指在室温下，用传统机加工

方法（如硬质合金或高速钢工具）能进行加工

并保持一定尺寸公差的陶瓷材料。通常对陶瓷

的加工精度以样品加工后的表面粗糙度来评

价，对可加工陶瓷要求加工后表面粗糙度要求

小于10μm [１]。可加工陶瓷按材料成分的不同

可分为三大类：云母玻璃陶瓷、非氧化物可加工陶瓷和氧化物可加工陶瓷。

（二） 可加工陶瓷材料

１ 可加工玻璃陶瓷

云母玻璃陶瓷是一种开发得较早、工艺路线较为成熟加工陶瓷。1970年, G.H.Beall [2]等人在理论和实验研究的基础上发表了题为“云母玻璃陶瓷”的文章, 首次制备出含云母相的可切削加工玻璃陶瓷,即由组成SiO 2-B 2O 3-Al 2O 3-MgO- K 2O-F 系玻璃转变而来的氟云母玻璃陶瓷。此后，D.G.Grossman 等人也成功地从

四元体系K 2O-MgF 2-MgO-SiO 2制备出四硅酸氟云母可加工玻璃陶瓷。云母相的存

在是玻璃陶瓷可加工性的主要来源，云母玻璃陶瓷微观结构的显著特点是：高度交联的云母相镶嵌在玻璃基体中，使得微裂纹主要沿云母—玻璃弱界面和层状云母基面扩展，弱界面可以产生和捕获微观缺陷，消耗裂纹扩展的能量，从而避免材料在加工过程中的宏观脆断。但由于云母属于层状结构硅酸盐矿物，层与层之间靠范德华力联结，结合力较弱，使得云母玻璃陶瓷的机强度较低。在切割刀具作用下，沿解理面产生裂纹，通过微裂纹相互连接使小部分材料被去除, 所以有

很好的可加工性能[3]。可加工玻璃陶瓷主要采用熔融法生产，工艺流程为配料→熔化→浇铸成型→两步热处理。析晶组成有两大类:一类为碱金属基氟金云母;另一类为不含Al 2O 3的碱金属基氟硅云母。目前同时具有较高力学强度、良好的

抗热震性能，且容易加工的云母基玻璃陶瓷还不多见。Tomoko Uno [4]等用熔融法得到含Ba 云母玻璃陶瓷，其强度可比普通的云母玻璃陶瓷提高2～3倍, 接着他们又通过改进工艺制备了抗弯强度高达500Mpa 的含Zr 云母玻璃陶瓷。此外，由于玻璃相软化或晶相粗化，使得玻璃陶瓷的使用温度受到限制，在高于800℃时

就不能使用，而且多数云母玻璃陶瓷都是通过熔融法和溶胶—凝胶法得到的，制造成本很高。

２可加工氧化物陶瓷

氧化物陶瓷（包括Al

2O

3

、ZrO

2

和莫来石）可加工性是靠加入稀土磷酸盐（如

LaPO

4、CePO

4

）相。该相与氧化物具有化学相容性，使氧化物晶粒与磷酸盐晶粒

之间的界面结合很弱，而在两相弱界面处微裂纹的形成与连接是稀土氧化物复合

陶瓷材料具有可加工性的主要因素。

Davis等[5]设计该类可加工陶瓷也是基于稀土磷酸盐与氧化物之间存在比较弱的键合作用，因而在两相之间相之间形成弱界面，使陶瓷的韧性提高应力应变曲线呈现“广塑性”特性，实现了用传统金属加工刀具对该类陶瓷的机械加工。他们指出由于单相LaPO

4

具有可加工性，所以弱界面并不能看作是氧化物陶瓷可

加工的唯一机理，同时他们还指出单相LaPO

4

的可加工性可能是在Hertzian压

痕区域下单个的LaPO

4

晶粒的变形引起的。

虽然氧化物陶瓷中引入稀土磷酸盐可实现其可加工性，但材料的性能和加工效率还不尽人意，有许多问题还不尽如人意，需要进一步研究。对晶粒尺寸与形貌、若界面性能、残余应力等实验参数以及它们之间的关系，还需要做系统的优化和分析。

３Ti

3SiC

2

陶瓷

Ti

3SiC

2

的晶体结构属六方晶系，是Si层通过TiC八面体连接在一起构成的

层状结构, 其显微结构是由大的片状的、容易解理的晶粒组成。可以通过把Ti 粉、C粉和SiC粉充分混合,在180MPa压力下冷压成型,然后在40MPa压力下、

1600℃温度下热压4h制备而成。Ti

3SiC

2

材料同时具备金属和陶瓷材料的优良特

点, 既有金属优良的热导率、电导率、易加工、质软、耐热冲击和高温下可塑性, 同时又有陶瓷耐热、高温强度好等特性，但不能在高温氧化环境下使用。Barsoum

[6]等对Ti

2AlC、TiAlC

2

、Ti

2

SnC、Ti

3

GeC

2

与Ti

3

SiC

2

等材料进行了对比研究，发现

这些材料在结构和性能上具有相似性，都具有层状结构，同时从微观结构上证实

了这些化合物都属于多晶纳米层状化合物，因此可以归为一类，称作M

n+1AX

n

化合

物，该类化合物良好的可加工性可能源于其准金属层和过渡金属碳化物或氮化物

层所组成的“三明治”样层状结构，不同层之间键合作用力极弱。M

n+1AX

n

化合物

以其优异的综合性能而成为大有发展前途的可加工陶瓷材料之一，但此类材料在1000℃以上高温强度等性能下降，制备工艺尚不成熟，特别是大尺寸、块体材料的制备方法还有待进行深入研究。另外，对决定该材料宏观性能的微观机理，包括决定其可加工性的内在机理目前还不是很清楚。

４碳化硅陶瓷

SiC因界面能高而不易烧结，然而添加Al

2O

3

和Y

2

O

3

可以使SiC在较低温度

(1850~2000℃)下液相烧结。生成的第二相处在SiC三个晶粒联接处，而在两晶

粒连结的晶界上没有第二相存在。当Al

2O

3

和Y

2

O

3

摩尔比为3：5时,第二相可完

全生成铝钇石榴石,YAG(Y

3Al

5

O

12

)[7]。YAG与SiC的热膨胀系数相差很大（△α=5.1

×10-60C-1）。在复相材料从制备时的高温冷却到基体的高温塑性形变可以忽略的温度时，便开始在第二相粒子中形成均匀应力而在基体相中形成周期性应力场。并且以弹性应变能的形式储存起来。温度进一步下降，弹性应变能不断升高，直到这种弹性应变能的积累超过了相界的断裂表面能时，就会在相界处产生自发微裂纹。为了增加断裂桥联作用和裂纹反射作用，使SiC具有较高的断裂韧性，希望SiC晶粒呈长柱状。为此，在配料时要加0.5vol%的α－SiC（其余为β－SiC），