二氧化锆材料的加工技术

摘要

陶瓷材料种类很多，它具有熔点高、硬度高，化学稳定性高、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀，以及弹性模量大、强度高等优良性质。也正是由于陶瓷材料的这些性质能决定了它的加工也是和普通的材料有着截然不同的加工方式。随着现代工业的发展，对于新型材料的需求也越来越多，陶瓷材料在近十几年来得到飞速的发展。随着它的应用领域越来越广，人们对它的研究也越来越深入。本文将介绍二氧化锆这种比较典型的特种陶瓷材料（人工合成材料）并对其加工技术进行叙述和探讨在国内陶瓷材料的加工技术水平和发展程度。

关键词：陶瓷材料  二氧化锆    激光加工  磨料水射流铣削加工金刚石套料钻

ABSTRACT

  There is so many kinds of Ceramic material.They have the excellent properties.Such as the High melting point,High hardness,High Chemical stability, Heat-resistant,Resistant to wear,Resistance to oxidation,Corrosion resisting,High Elastic modulus,High strength and so on.Because of  these properties , its processing is also with ordinary materials a totally different processing methods.With the development of modern industry,The demand for new materials will be more and more.Ceramic materials get rapid development in recent decade.Along with its application field more and more widely, people have studied it also more and more deeply.This paper will introduce alumina and zro2 which is Synthetic material and its processing technology description and explore the domestic ceramic materials processing techniques and development degree.

KEY WORD : Ceramic materials   zirconium dioxide   Laser processing

               Abrasive Water technology milling    Diamond set of material drill

1 材料介绍

陶瓷材料种类很多，它具有熔点高、硬度高，化学稳定性高、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀，以及弹性模量大、强度高等优良性质。也正是由于陶瓷材料的这些性能决定了它的加工也是和普通的材料有着截然不同的加工方式。随着现代工业的发展，对于新型材料的需求也越来越多，陶瓷材料在近十几年来得到飞速的发展，随着它的应用领域越来越广，人们对它的研究也越来越深入，本文将介绍二氧化锆这种比较典型的特种陶瓷材料（人工合成材料）并对其加工技术进行叙述和探讨在国内陶瓷材料的加工技术水平和发展程度。

二氧化锆陶瓷，高纯度的二氧化锆为白色粉末，含有杂质时略带黄色或灰色。二氧化锆有三种晶型，低温为单斜晶系，密度5.65g/；高温时为四方晶系，密度6.10g/；更高的温度下转变为立方晶系，密度为6.27g/。二氧化锆陶瓷的熔点在2700以上，能耐2300的高温，其推荐使用温度为2000~2200。同时二氧化锆的热膨胀系数的变化受温度的影响明显。在20~200阶段下，热膨胀系数为/,在1000附件，由于晶体结构由c→t转变，产生体积收缩。但加入增韧剂后抑制了相变，热膨胀系数不再受c→t转变的影响。二氧化锆的化学稳定性很高，各种酸中仅溶于氢氟酸。二氧化锆容易与碱和碳酸盐熔烧，形成锆酸盐。与其他主要陶瓷种类的力学性能相比较，二氧化锆的抗热震性较差。

由于二氧化锆固溶体具有离子导电性，故可用作高温下工作的固体电解质，应用于工作温度为1000~2000的化学燃料电池，还可用于其他电源。利用稳定二氧化锆的高温导电性，还可将这种材料作为电流加热的光源和电热发热元件。由于二氧化锆还能抗熔融金属的侵蚀，所以多用作铂等金属的冶炼坩埚和1800以上的发热体和炉子、反应堆绝热材料等。特别指出，二氧化锆作添加剂可大大提高陶瓷材料的强度和韧性。氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料的强度达1200MPa、断裂韧性为15.0，分别比原氧化铝提高了三倍和近三倍。它的炕腐蚀性可以用它来做盛钢水包的内衬，在连续铸钢中做浇口砖。二氧化锆由于其的高强度和优良的韧性（常温抗压强度可以达到2100MPa，1000时为1190MPa，经过增韧的陶瓷常温抗弯强度最高可以达到2000MPa）可以用来制造发动机构件，如轴承、气缸等。二氧化锆还具有高温半导体性，室温下纯二氧化锆是良好的绝缘体，但超过1000后导电很好，电阻为4，所以这种优良的特性可以将它广泛的应用于热敏感材料类，而且是适合那种高温情况下，很具有应用潜力，而且在最新的MEMS技术中也可以得到一定的应用。最后，二氧化锆还具有比较好的敏感特性，二氧化锆稳定化后有氧空气的存在，可用以制作气敏元件，作为测量一些气体的探头，同时对于之前提到的MEMS技术中更是有很好的应用潜力，由于它的这种半导体和以及气体敏感元件，可以在很多地方得到广泛的应用，然而加工确是阻碍此种材料应用的一个最大的阻碍。

2 二氧化锆的加工技术

现阶段，绝大部分采用硬烧结金刚石等硬质刀具来切削陶瓷材料，当然，二氧化锆材料还没有强度高到连金刚石都对付不了的程度，但是采用烧结金刚石的方法却注定它的加工效率要慢一拍，这样也将最终导致我们的生产上面会出现很大的供不应求的状况，如何改善就成为了现在的一个研究重点了，下面就将介绍一些现代比较先进的加工技术。

2.1 激光热应力切割技术

利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超过阀值功率密度的前提下，热能被材料吸收，由此引起照射点材料温度急剧上升，热量以某个速率(视材料的热扩散率而定)，从入射点传导出去对于容易受热破坏的脆性材料，比如陶瓷，通过激光扫描产生的热应力诱导并控制裂纹扩展的方法来分割脆性材料的方法称为激光热应力分割技术。这种加工方法就是通过激光(或其他热源，如热空气射流)的扫描照射，在被切割材料内造成适当的温度梯度(但不至造成材料软化和机械性质的大幅变化)，非均匀温度场将导致材料产生热应力，当其裂纹尖端热应力超过材料的临界应力时，裂纹扩展，即产生裂缝，分开材料。例如由上海交大胡俊副教授主持的学生研究过对陶瓷的激光热应力切割技术的数值仿真和实验分析，其中就提到，现阶段，绝大部分采用硬烧结金刚石等硬质刀具来切削零件现阶段还存在着生产率低下、加工成本高、切割质量差等一系列难以克服的缺点。现阶段在采用激光加工的时候，陶瓷材料存在以下一些优点，那就是：陶瓷对激光的吸收率高，二氧化锆陶瓷对激光的吸收率约90%左右，高热时分解和升华，即一旦受高能量密度的激光束照射，就会发生局部的分解和升华，有助于提高激光加工的效率。在期中还提到国内外多名研究人员在激光加工陶瓷中所做出的一些成果以及一些仿真实验所得出来的结论都表明目前激光切割陶瓷技术很多都是采用激光划片技术，在由胡俊副教授主持的研究主要是针对氧化铝这种材料的研究，然而从中却也可以发现其实这种激光加工很适合多种陶瓷的加工，尤其是对于二氧化锆，激光吸收率比氧化铝还要高。这也就可以保证了它的加工效率要比氧化铝要高，在生产方面，这种激光加工方法也是应用于一些特殊的加工场合，尤其是一些精度要求特别高的场合，因为这种加工技术的最大优势就是精度高，然而这种加工也存在一定的技术缺陷，它对于热对流和热传导技术还没有相应的解决，同时对于激光的光斑的大小和形状都还是有待于后人进行研究的。这些技术一旦被突破，对于陶瓷的激光加工将会是一个很大的提高，更是标志着这项技术成熟的一个瓶颈技术。

2.2磨料水射流加工

将“水滴石穿”技术应用于陶瓷材料是一种再形象不过的加工技术。这也是磨料水射流铣削加工的基本原理。这种加工技术就是将水液体和磨料进行混合，然后进行加压，然后在混合后的混料进行高压喷射，借助高压和混合液的冲击，将材料进行去除的方法。这种方法是一种很好的加工陶瓷材料的方法，期中的磨料是金刚石磨粒。由于磨料水射流所具有的加工优点，它可以加工几乎所有的材料，尤其适宜加工不易使用激光等热加工技术加工的硬脆材料，如陶瓷、聚合物、玻璃、石材等，因此在某些需要应用微型切割的领域中，微型磨料水射流切割成为首选的加工技术。微型磨料水射流设备与普通磨料水射流设备相比要小得多，水与磨料的消耗量只占普通磨料射流的1%左右，可以切割适用于普通磨料水射流切割的一切材料。

这种方法的使用对于胚体的加工也确实是一种很大的改进，同时这种加工具有加工范围广，可控性好，还具有很强的切割力，切口质量也是非常的好，同时这种生产方式安全，效率高，在发展方面有很大的潜力，美中不足的就是它的成本太高，同时对于较薄的工件很容易冲弯，对喷嘴的耐磨损性要求高，随着现在材料的不断更新，相信会有一天，在成本降到一定程度同时材料达到相应的要求的时候，这种方法也是值得推广的。但在研究中还提到目前对该技术的切割机理还没有形成统一的理论。这主要是由于材料的去除过程受众多因素的影响，如水射流结构、加工参数及被加工材料的性质等。大部分学者认为，磨料水射流对于塑性材料和脆性材料的去除机理存在不同的形式。所以在对于磨料水射流铣削技术的研究中，他们也提出了一套相应的原理，以及对其进行了相应的实验以及仿真。对于切割技术，现在的磨料水射流技术已经很成熟了，但是对于铣削技术却是还很欠缺。由山东大学黄传真教授以及他所带领的博士生冯敏霞共同研究了关于磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究，以黄传真教授就对这种水射流的铣削加工进行了相应的加工实验，当然也取得了相应的成果。最终他们得出了相应的结论，那就是高压水射流技术具有无热影响区、加工力小、加工范围广和可加工复杂形状等优点，所以它是加工陶瓷和玻璃等脆性难加工材料的理想加工技术。但是它仅分析了各参数对表面粗糙度的影响，还需要大量的实验来验证模型，进一步研究磨料水射流铣削表面的完整性，建立加工硬化和残余应力与各铣削参数之间关系模型以及在对喷嘴直径和冲击角度对铣削加工的影响，这些因数都是需要进一步研究的。同时在其他一些领域包括磨料水射流的车削技术等方面还基本是属于空白，如果在这些方面能够有所突破，这在磨削水射流技术方面的发展将会是一个很具有建设性的意义。

2.3 金刚石套料铣削加工

在一般的金刚钻而言，进行钻削是可以进行的，但是加入将它改进，然后应用于铣削加工，这将是一个很大的改进，同时对于这项技术，国内也是研究的比较少，由南京理工大学的袁军堂教授带领其的研究生贺永明研究用金刚石套料钻加工此材料，这里的套料钻是采用钎焊上去的，在现在的工业生产中，金刚钻倒是很常见，但是采用金刚钻来进行铣削加工实验的确是很少，实验中对金刚石套料钻进行了两组加工，一方面对氧化铝材料进行相应的加工，另一方面则是对它进行碳化硅进行加工，众所周知，碳化硅是一种硬度仅次于金刚石的材料，所以在采用此种方式加工时的进给力将比氧化铝要大很多，所以对于二氧化锆而言，采用此种方法进行加工也是绰绰有余，在加工碳化硅时对金刚石的磨损也是很大，所以金刚石套料钻的寿命也是大大缩短，该偏文章主要介绍了金刚石套料钻的性能，其实到现在，人们发现能够很好的加工陶瓷这类特殊材料的原料中，就数金刚石能够比较好的满足生产和加工的需要了。由于金刚石的这种特殊性能，现在对于陶瓷的加工基本都是依靠于此类材料的基础。采用金刚石套料钻进行铣削加工却也存在很大的问题需要解决，一个是它加工的钻头的强度无法保证，同时对于这种技术的推广它的实际经济性还没得到相应的认可。尽管如此，却也给我们带来一个很大的提醒，在我们的加工过程中，如果能够将陶瓷材料的加工将现阶段的以磨削为主改为以铣削，甚至上升到车削这种程度，对于材料的加工不仅是一种革命性的改进，甚至连我国的工业的发展也是一个很大的推进。采用铣削加工虽然对于金刚石套料钻是一个大胆的尝试，但是却是成功的告诉我们了一种新的加工方式，只是在现在的条件基础上还无法进行相应的生产，尤其是这种加工还存在太多的缺陷，可能无法满足生产上的需求，总归一点，生产的提高才是一项技术成功与推广的关键。

2.4 超声加工

超声波加工技术是20世纪50年代以来发展起来的一种特种加工方法，与普通磨削相比，超声磨削更适用于陶瓷材料的加工，这种加工方法也成为普遍关注的一种加工方法。超声磨削系统由超声波发生器、换能器、变幅杆、振动传递系统、金刚石砂轮磨头等构成。对于二氧化锆这种材料，由南昌航空大学的柴京富、李尧忠和江西农大的杨卫平教授对二氧化锆的旋转超声加工进行了一番研究，研究了用旋转超声加工的方法对氧化锆材料进行磨削，探讨了旋转超声磨削的机理。经过一些实验研究也得出该方法对硬脆材料工程陶瓷二氧化锆是一种高效可行的高效加工方法，具有材料加工效率高，加工质量好，经济性好等特点。超声波加工属于现代的一种特种加工，也是利用将超声震动加到工具磨头的一种复合加工方法，这种加工方法也同样是属于实验阶段研究，在投入生产方面尚还没有正式的启用，王文利在氧化锆粉末的表面改性研究中指出，将表面活性剂C加入到二氧化锆中，选用二氧化锆球磨罐和球，球磨8小时后过滤，在130℃干燥12h，制备出了有机/无机包覆的陶瓷粉体，并利用SEM观察了表面改性前后粉末的团聚和微观形貌，结果表明改性后粒度减小，团聚度降低，改性粉末在非极性溶液中的分散性、稳定性和润湿性都得到明显提高。这种改进在一定程度上提高了制备胚体件的精度，从而也大大降低了后续的加工的难度，

2.5电火花加工

作为先进制造技术重要分支的特种加工，尤其是电火花加工无论在加工方法、加工技术和加工基础理论等方面近年来的研究都取得了许多新的进展。电火花加工是利用浸在工作液中的两级间脉放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法。电火花加工主要用于加工具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料。这种技术也可以用于对于二氧化硅这种绝缘性陶瓷材料，因为在前面提到它在高温状况下具有导电性，同时在低温下是绝缘体。由武汉理工大学的徐小兵博士发表的对于绝缘陶瓷材料的电火花加工技术及其仿真研究中就提到了关于陶瓷这种绝缘材料怎么样利用电火花技术进行加工，绝缘性材料电火花加工技术突破了电火花加工只能用于导电性材料加工这一传统禁区，是电火花加工的全新领域之一。在研究中采用了辅助电极法，绝缘材料能进行电火花加工的机理是:正常脉冲放电实现除去材料加工，当被加工表面电阻增大，就会产生长脉冲放电，长冲脉冲放电使介质油中游离出来的碳微粒吸附于被加工表面生成导电膜。正常脉冲放电和长脉冲放电的交替，使电火花加工在去除材料加工和生成导电膜的交替中不断进行，最终使加工成形。这中加工方法对于二氧化硅的加工而言还是一个全新的领域，但是在前任已经可以对陶瓷材料进行电火花加工的同时也说明了对于二氧化硅而言，采用电火花加工也绝不仅仅是纸上谈兵，有它的加工实用性和可行性，在以后的生产研究中如果能够有所突破，那对于陶瓷的加工技术将会是一个很大的改进。

2.6 其他加工技术

由西迷歇根大学的制造工程教授John Patten博士开发了一种称为“”的微激光辅导加工技术，该方法将激光与金刚石道具结合起来，对陶瓷材料进行加热软化和切削加工。加工装置集成了一种红外光纤激光。激光通过一个具有很高观雪清晰度的单点金刚石刀具照射到工件上，将工件材料加热到600摄氏度以上。其他工程技术人员已经尝试了用各种不同的方法来加工陶瓷，期中一种方法就是先在炉子中加热工件，然后再对其进行加工；另一种方法是分别采用激光加热和金刚石刀具切削，而Patten发明的方法将激光和金刚石具集成到一起，因此具有明显优势，对于这种技术，正在和一家日本公司商谈的Patten正在争取实现这项技术的商业化，也就是投入到生产之中，相信有这项技术的支持的话，在某种意义上而言对二氧化硅的加工是一种进步，对陶瓷材料的加工也是一种进步，对整个行业的发张都是一种很大的进步。

3 总结

对于二氧化锆这种特殊的陶瓷材料，采用激光热应力切割技术、磨料水射流加工技术、金刚石套料钻铣削加工、超声加工，电火花加工等技术的同时，我们却不能忽视期中各种加工的成本以及经济可行性，因为最终的各种技术都是需要应用到生产当中才能真正的体现出它的优势和不好的地方，上面说的每一种加工方式，对于二氧化锆而言，有些正在研究之中，有些已经处于生产之中，相信随着我们对于二氧化锆的研究的深入，以及对于它的加工技术的研究的扩展，人们对于陶瓷材料的加工技术将会有一个很大的飞跃，同时也会在一定程度上使我国的陶瓷材料的生产加工行业成为走在世界行列前面的国家之一。

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