典型硬脆材料的超精密加工

工程陶瓷材料制备方法—热等静压法HIP
工程陶瓷材料制备方法—挤压成型
牌号 JX-1 JX-2 LP-1 LP-2 LD-1 LD-2 FG-1 FG-2 FH-1 FH-2 LT55 SG-4
密度 g/cm3 3.629 3.728 4.06 3.94 4.79 6.51 4.46 6.08
4.96 6.65
钻石
星光蓝宝石
星光红宝石
祖母绿
金绿猫眼
欧泊
翡翠
蓝宝石
红宝石
电气石
海蓝宝石
黑珍珠
紫晶
硅线石猫眼
黄玉
宝石的类型
宝石类型
宝石加工用磨料、磨具
磨料：金刚石、SiC、氧化铝、氧化铁等。 砂轮：金刚石砂轮、SiC砂轮、氧化铝砂轮。 切割锯：圆锯、带锯等，利用固定在工具上的磨料
对宝石进行加工。
宝石的加工方法
电火花加工氮化硅基陶瓷材料表面
电火花加工氧化铝基陶瓷材料的横截面
陶瓷材料的超声波加工
ULTRA SONIC MACHINING (USM)
原理：磨料冲击。
与陶瓷材料的绝缘与否无关
加工效率较低，加工表面质量高
陶瓷材料的超声波加工设备
超声波加工陶瓷材料表面
陶瓷材料的金刚石锯片的切割加工
矿业 激光 机械工业
高温 磨损
腐蚀 氧化
高温 燃烧室
磨损
大功率 高温
加工
喷嘴、阀座、轴承密封装 耐磨、耐热 置
轴承、泵套、阀门、喷射 耐腐蚀、耐磨损 头
涡流增压器、涡流叶片、 耐高温、低摩擦、耐热 燃烧器部件、烧嘴
内衬、泵部件、拉丝模、 耐磨损
滚轮、滑轮、喷砂嘴
反射屏
高刚度、高稳定性
刀具、量具、导轨
≥900
断裂韧性 MPa·m1/2
8.5 7.5-8.5
5.2 7-8 5.8-6.5 9.0 6.07 5.81 5.3-5.8 5.3-5.8 5.04 4.94
备注 含晶须 含晶须 含硼化钛 含硼化钛和晶须 含有特殊粉末 含有特殊粉末 梯度功能陶瓷刀具 梯度功能陶瓷刀具 单面、双面 单面、双面 含碳化钛 含(W,Ti)C
结构陶瓷的主要特点
硬
度：高
耐 磨 性 能：好
熔
点：高
耐 热 温 度：高
抗氧化温度：高
化学稳定性：好
比
重：轻
原
料：丰富
热膨胀系数：小 摩 擦 系 数：低 耐 腐 蚀 性：好 缺点： 强度：较低
韧 性：较低 可加工性：差 可焊接性：差
价 格：较贵
结构陶瓷的主要应用领域
领域
使用环境
用途
所利用的优点
石油工业 化学工业 汽车工业
陶瓷涂层
高硬度、耐磨、耐热、抗氧化
硬质合金刀具表面涂层陶瓷
单涂层
多涂层
陶瓷材料制备工艺
原料 处理
混料 球磨
干燥 过筛
烧结 成型
加工 检验
工程陶瓷材料制备方法
1. 注射成型 2. 热压烧结法 3. 热等静压法 4. 冷压法 5. 冷等静压法 6. 其他方法
工程陶瓷材料制备方法—注浆成型法
工程陶瓷材料制备方法—热压烧结法HP
世界上的一些名宝石，都由名人名匠设计加工。
宝石孔的加工
圆珠及圆球的加工
碟形金刚石砂轮
陶瓷材料的研磨抛光加工
是陶瓷材料超精密加工的主要手段。 加工表面质量高。 精密研磨抛光可以加工出Ra(0.01-0.002) m的镜
面。集成电路的硅基片等都是用精密研磨得到高 质量表面
陶瓷材料的研磨抛光加工
研具：铸铁或钢制研具，研具硬度越高，加工效率 越高，研具的磨损越小。研具越软，加工表面粗糙 度越小。(抛光时使用织布)
典型硬脆材料的超精密加工
山东大学机械工程学院
2010年11月
一、陶瓷材料的超精密加工 二、宝石加工
陶瓷
传统陶瓷 (日用瓷、美术瓷、卫生瓷、地板等)
结构陶瓷 (刀具、模具等)
工程陶瓷
功能陶瓷(压电瓷、生物瓷等)
工程陶瓷
工程陶瓷 (Engineering Ceramics) 精细陶瓷 (Fine Ceramics) 先进陶瓷 (Advanced Ceramics) 现代陶瓷 (Modern Ceramics) 特种陶瓷 (Special type Ceramics)
耐磨损、高温、高稳定 性
工程陶瓷材料的种类
工程陶瓷
氧化物系陶 瓷 非氧化物系 陶瓷 陶瓷基复合 材料
硼化物 TiB2，ZrB2
陶瓷刀具的种类
氧化物 Al2O3, ZrO2
粘结相 Mo, Ni, Co
碳化物 TiC, SiC
氮化物 Si3N4, TiN
工程陶瓷材料的主要成分
氧化物：A12O3、ZrO2、SiO2、MgO、Y2O3、TiO2等 碳化物：TiC、SiC、WC、HfC、NbC、TaC、B4C等 氮化物：TiN、Si3N4、BN、A1N、TaN、ZrN、HfN等 硼化物：TiB2、ZrB2、NbB2、HfB、WB2等
首先，宝石学家根据不同种类宝石的光学性能和折 射率，设计各种宝石的特色款式。
宝石加工
宝石一般较小，只有数克拉，对它们的加工量往往 只有零点几克拉。因此，加工余量一般很小。
宝石加工属于超精密加工范畴。俗话说宝石的价值 是三分材料七分加工，宝石加工质量不同，其光学 效应相差很远，其价值也相差很大。
用于陶瓷材料的切断。 与陶瓷材料的绝缘与否无关。
内圆切割机
陶瓷材料的磨削加工
只能采用金刚石砂轮对陶瓷材料进行磨削加工。 与陶瓷材料的绝缘与否无关 砂轮磨料越粗，加工表面粗糙度越高。 磨削加工效率高，是陶瓷材料最常用的加工方法。
平面磨床
超硬磨料砂轮
平形金刚石砂轮
超硬磨料砂轮
源自文库碗形金刚石砂轮
切割 研磨 抛光 工序：切割—粗磨—精磨—抛光—清洗
设计好款式之后，要对宝石进行切割、研磨、抛 光。
切割宝石也叫“开料”，通常用带有金刚砂圆锯 的宝石切割机进行。
研磨和抛光可在专用的宝石研磨抛光机上进行， 可以配粗细不同的的金刚石磨片和抛光盘，一般 程序是先粗磨后细磨，再加抛光剂进行抛光。
虽然现在有半自动化的切磨机械，但宝石加工是 很难实行规格化的，主要还是要靠有丰富、良好 的切磨技术及一定的宝石学知识的磨工来完成。
陶瓷材料的电火花加工（包括线切割）
原理：火花放电产生高温 只适合于导电陶瓷材料的加工，但是陶瓷材料一
般属于绝缘材料。 有些陶瓷材料可以导电，如我们研制的多种陶瓷
刀具材料均为导电材料。 陶瓷材料电火花加工表面质量不高。
陶瓷材料的电火花加工（包括线切割）
电火花加工氧化铝基陶瓷材料表面
电火花加工陶瓷材料表面
磨料：金刚石、B4C、SiC等磨料。金刚石的研磨效 率最大。
磨料大小选择：需要根据加工余量和所要求的表面 粗糙度选择。
研磨液：大多用水。
陶瓷材料的精密研磨
陶瓷材料的精密抛光
宝石加工
定义：在矿物质中，既硬又美且稀少的东西被人们 称为宝石，极其珍贵。
宝石集装饰、收藏和保值于一体，既有观赏价值， 又有经济价值。
陶瓷材料的加工方法 切削加工 磨削加工 研磨、抛光加工 金刚石锯片锯切加工 超声波加工 电火花加工 激光加工
陶瓷材料的切削加工
因为陶瓷材料属于粉末冶金制品，烧结后会产生收缩 ，因此，结构陶瓷材料一般不能直接作为机械零件使 用，需要进行机械加工。
又因为陶瓷材料硬度很高，切削加工一般只能用金刚 石和CBN刀具进行。
工程陶瓷的主要应用领域
陶瓷轴承、陶瓷密封环——耐磨、比重轻
工程陶瓷的主要应用领域
陶瓷发动机零件、陶瓷导轨——耐磨、耐热、比重轻、高稳定
工程陶瓷的主要应用领域
陶瓷叶片——耐磨、耐热、比重轻、高稳定
工程陶瓷的主要应用领域
航天飞机外壳——耐热、隔热
工程陶瓷的主要应用领域
陶瓷电子基片——绝缘、耐热
硬度 HRA 94-95 93-94 94-95 94-95 93.5-94.5 93.5-94.5 94-95 94.7-95.3 94-95 94-95 93.7-94.8 94.7-95.3
抗弯强度 MPa
700-800 650-750 800-900 700-800 700-800 700-800 700-800 700-800 800-1000 800-1000 ≥1000
陶瓷材料的切削加工
陶瓷材料的切削去除机理是刀具切削刃附件的被切材料 产生脆性破坏，而金属则是产生剪切滑移。
陶瓷材料的切削加工
又因为陶瓷材料属于典型的脆性材料，加工表面质量不高，往往 会存在裂纹，这对陶瓷材料的强度和可靠性会产生很大的影响。
国内外已展开这方面的研究，尚未得到商业化应用。
切削加工实例