浅谈工程陶瓷材料加工

浅谈工程陶瓷材料加工

摘要：工程陶瓷材料以其优良的物理和化学性能，在航空、航天、电力、冶金、通信、石油化工、机械以及现代生物医学等领域得到了广泛的应用，已成为新材料的发展中

心而受到广泛的关注。本文主要论述了工程陶瓷材料的加工技术现状和一些先进的加

工方法，希望能为研究工程陶瓷提供一些帮助。

关键词：工程陶瓷材料加工电加工超声波加工激光加工国外先进加工技术

0 引言

随着材料科学技术的进步,金属间化合物、工程陶瓷、石英、光学玻璃等硬脆材料以及各种增韧、增强的新型复合材料已成为航空航天、国防科技、生物工程、计算机

工程等尖端领域中应用日益广泛的材料.由于这些材料的超精密表面成形十分困难,且传统加工方法已不能满足现代科技的需求,因此有关其精密、超精密磨削加工技术和材料表面成形技术便成为当今世界各国研究的热点。

工程陶瓷材料是由粉状原材料在高温高压下烧结而成。由于烧结时收缩率较大,无法保证烧结后尺寸精度,而作为工件使用的工程陶瓷件都有一定的形位尺寸精度和表面质量要求,因此需要进行再加工。由于工程陶瓷材料硬度高、脆性大,属难加工材料,一

般加工方法有机械加工、电加工、光加工、超声波加工等。

1 陶瓷材料的结构与特性

陶瓷是典型的硬脆材料,一般定义为由氧、碳、硅、硼等元素烧结而成的无机非金属材料。

1.1陶瓷的结构

陶瓷的特性主要是由它的原子存在状态、原子的构造机理以及它们的晶体结构所决定的.相对于具有晶体高对称度结构的金属来说,陶瓷的晶体结构属于低对称结构,晶体是由共价键和离子键或两者结合的方式形成的。

1.2 陶瓷的力学特

陶瓷材料在室温下不具有塑性.其主要原因是由于陶瓷材料的晶体结构具有很强的方向性,高的晶格能使陶瓷晶体中的空穴和位错迁移十分困难,从而形成了陶瓷

材料的高硬度和无塑性流动现象.此外,在陶瓷的晶体结构中,存在着较大的原子间距和较小的电子密度,这种较小的电子密度使陶瓷材料的表面能较低(大部分聚晶陶瓷的表面能为10~50 J/m2).通常具有较大原子间距、低表面能和高弹性模量的材料均表现出一种较高的脆性.实际工程中,材料的延性和脆性在很多情况下是通过材料的断裂韧性来评价的(材料的断裂韧性与弹性模量与其表面能有密切关系)。就

机械加工而言,材料的硬度和脆性越高,加工过程中刀具磨损越大,从而使加工越困难。但就脆性材料而言,材料的断裂韧性低,意味着如果合理有效地利用材料微观脆性破损的特征,材料的去除过程只需要较小的能量便可完成。

2工程陶瓷材料的机械加工

2.1工程陶瓷的车削加工

车削加工主要是用金刚石刀具(或其涂层刀具)切削高硬度、高耐磨性的工程陶瓷。

多晶金刚石刀具难以产生光滑的切削刃,一般只用于粗加工;对工程陶瓷材精车削时,使用天然单晶金刚石刀具,切削时采用微切削方式。由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大,车削加工难以保证其精度要求,故车削加工应用不多,基本上还处于研究阶段。国内外究的重点主要是在工程陶瓷车削机理的研究及车削方法的研究上。目前对工程陶瓷的切削机理还没有形成统一的认识。

2.2工程陶瓷的磨削加工

工程陶瓷材料的磨削加工是目前已有加工方法中应用最多的一种。磨削加工所用砂轮一般选用金刚石砂轮。对金刚石砂轮磨削机理不同学者有不同的解释。(1)磨削时材料去除是由金刚石磨粒在作用于陶瓷工件瞬间产生的所有微观变形和破碎累积完成的。按材料内部缺陷(如裂纹、裂缝)的尺寸和密度以及作用区域应力大小的不同,材料去除方式不同。当切削刃接触工件形成的应力场比缺陷尺寸小时,材料主要通过塑性变形去除;当应力场大于缺陷尺寸时,则脆性微裂纹破碎起主要作用。

(2)金刚石砂轮磨削去除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,当压应力值超过陶瓷材料承受极限时便被压溃,形成大片碎屑。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,前刀面的压溃去除是主要的。(3)认为工程陶瓷材料磨削去除过程分为三个阶段:弹性滑擦、流动变形和脆性断裂。弹性滑擦是指切削深度很小时,工件与磨粒之间仅作弹性接触滑动,此时不产生切屑。流动变形是指弹性变形和粘塑性流动造成少量磨屑和形成磨削表面的过程。流动变形的原因是由于磨粒切削刃的刃口钝圆半径r大,外锥角H小,在接触区容易形成较大非弹性应力场而避免或减少了裂纹产生和扩展,从而发生流动变形。脆性断裂是形成切屑的主要过程,磨粒给予工件材料施压作用而使其产生裂纹,进而产生局部破坏形成切屑。对工程陶瓷材料的磨削机理的解释还很多,但总的来看有一点是共同的,即脆性断裂是形成材料去

除的主要原因。磨削加工中,切屑的清除是一大问题,一般采用冷却工作液清洗。冷却液不仅起到冲洗切屑粉末的作用,而且可以降低磨削区温度,提高磨削质量,减少磨粒周围粘结剂的热分解等。磨削液一般选用清洗性能好、粘度低的磨削液。金刚石砂轮因其选用结合剂种类、磨粒浓度的不同有不同的磨削特性。在其它磨削条件相同的情况下,青铜结合剂金刚石砂轮的磨削比为树脂结合剂的4倍,但被加工工件表面粗糙度较树脂结合剂砂轮所加工的大。铸铁结合剂是国外近几年开发的一种高强度的新型结合剂,它具有强度高,不易堵塞,磨刃锋利和加工效率高等优点,在国外已开始应用。金刚石颗粒大小是影响陶瓷工件表面质量的又一主要原因。颗粒愈大,所加工表面粗糙度愈大,但加工效率愈高。

2.3工程陶瓷的钻削加工

工程陶瓷材料钻削多采用掏料钻。掏料钻的结构为一环形金刚石砂轮焊接到一中空的钢管上,焊接工艺为银焊。当钻削工程陶瓷材料时,金刚石砂轮高速旋转,利用端面的金刚石磨粒切削材料。钻削常压烧结氮化硅时,材料去除率可达

1600mm3/min。近年来,有成功利用行星式金刚石砂轮钻削方法加工工程陶瓷材料的报道。所用钻头为一专用钻头,切削体部分为一小直径的金刚石砂轮。钻削时,砂轮一边自转,一边沿一定圆周公转,依靠砂轮端面的金刚石磨粒切削作用完成材料去除。该方法只适于加工较大的孔,对小孔加工较困难。

2.4研磨和抛光

在工业生产的某些领域,仅靠磨削是达不到工程陶瓷件表面光洁度要求的,通常要采用研磨和抛光。另一方面,工程陶瓷材料韧性较小,脆性较大,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材料有许多微裂纹,裂纹往往引起应力集中,使裂纹末端应力更大。当该处应力超过裂纹扩展临界值时,裂纹便扩展,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主要是B4C和金刚石粉。在研磨加工中,研磨参数选择合理时可以达到1Lm/m的形状精度和Ra<0.3Lm的粗糙度。抛光是采用软质抛光器和细粉磨粒以较低的压力作用于工件的一种精加工过程。软质抛光器以弹塑性方式保持着磨粒对加工工件的切深非常浅,通过产生微小的压痕进行加工。近几年抛光技术又有了新的发展,如超声抛光、电加工复合抛光等。

3 当前工程陶瓷加工技术

3.1工程陶瓷材料的电加工

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,因此材料的可加工性主要取决于材料的热学性质,如熔点、比热、导热系数等,而材料的力学性能