工程陶瓷材料加工技术现状.pdf
工 程 陶 瓷 材 料 加 工 技 术 现 状贾志新 艾冬梅(北京科技大学机械工程学院北京100083)张勤河张建华(山东工业大学机械工程学院山东济南250014)摘要由于工程陶瓷具有极高的硬度良好的耐磨性和耐腐蚀性以及脆性高等特点 成为难加工材料 特别是加工高精度形状复杂的构件非常困难 因此 陶瓷材料作为工程结构材料的大规模推广使用 在很大程度上取决于陶瓷零件加工技术的发展G本文综述了国内外陶瓷材料加工技术的研究现状G主题词工程陶瓷脆性材料加工技术The State of the Machining Technology of Engineering Ceramic MaterialSJia ZhixinAi Dongmei(University Of Science and TechnOlOgy BeijingBeijing 100083)Zhang OinheZhang Jianhua(ShandOng University Of TechnOlOgyJinan ShandOng 250014)AbStractEngineering ceramic materials are difficult tO machining because Of their Outstanding prOperties such as high hardness high wear resistance high brittleness etc.Particularly ceramic element with high machin-ing precisiOn and cOmplicated shape is very difficult machining.ObviOusly it depends tO the develOpment Of themachining technOlOgy Of ceramic that ceramic materials are widely used as engineering structure materials.In thispaper the state Of the machining technOlOgy Of ceramic materials is summarized.1引言工程陶瓷广泛应用于各工业领域 随着新技术的兴起和发展 原料粒度不断细化 增韧补强措施屈出不穷 以及制备工艺的不断进步 工程陶瓷材料的性能日益完善和提高G这使其成为一种新型的机械工程材料而愈益引起重视G目前 工程陶瓷材料已用于电子宇航汽车切削工具冶金化工等各部门1*5 并不断向新的领域发展G据预测 陶瓷材料年销售额将以12%以上的速度递增G不同工程陶瓷材料的功能和用途归纳于表1G陶瓷是由共价键离子键或两者混合的化学键结合的物质 呈现出与金属不同的性质 在常温下对剪切应力的变形阻力很大 且硬度很高G由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子或阴离子和阴离子之间的化学键结合而成的 化学键具有方向性 原子堆积密度低 原子间距离大 使陶瓷显示出很大的脆性5 而成为难加工材料 特别是加工高精度形状复杂的构件非常困难G导致精加工的费用增大 严重阻碍了工程陶瓷材料的推广应用G这就对机械加工提出了新的挑战G显然 陶瓷材料作为工程材料的大规模应用 在很大程度上取决于陶瓷零件加工技术的发展G 男31岁副教授博士1998-12-14收到初稿1999-09-17收到修改稿如果说工程陶瓷的开发和应用对现代科技和工业生产起着十分重要的推动作用 那么 其加工技术的发展则是关键之一G开发高效率高质量低成本的加工技术 有着十分重要的技术和经济效益6G2工程陶瓷加工技术现状由于陶瓷材料种类繁多 制品形状各异 其制造工艺也多种多样 一般是将粉末原料进行冷压成型高温烧结或热压烧结后再加工成制品G通常可以概括为四个阶段:配料-粉末成型-烧结-加工G其中每一过程均影响制品的最终性能 即使陶瓷坯料是由微米级超细粉料组成 其质量也难以控制G由于粉料完全无可塑性 为了成型 除粘合剂以外必需添加各种成型添加剂G未烧结的成型材料在烧结过程中通常会收缩约20%引起制品的尺寸偏差和变形G在烧结后进行精加工 其加工性能又很差G由于这种种原因 以往陶瓷制品的形状大多比较简单 制品的使用功能也较单一G近年来工程陶瓷材料的应用日益活跃 在改进制造工艺方面也展开了激烈的竞争G虽然陶瓷成型烧结技术的进步不断提高了制品的精度 但将陶瓷作为结构材料特别是机械结构互相配合使用时 仍必须对陶瓷进行加工 以提高烧结制品的尺寸和形状精度以及加工表面的完整性G陶瓷材料由共价键和/或离子键结合而成 呈现-2-第24卷第1期2000年2月机械工程材料MaterialsfOrMechanicalEngineeringVOl.24NO.1Feb.2000表l工程陶瓷的功能和用途l 5功能材料应用高强度性PSZ Si3N4 SiC等塑料金属或陶瓷的增强材料钓鱼杆等娱乐用品耐热性高温强度Si3N4 SiC TiB2 Al2O3 ZrO2 AlN Sialon等燃气涡轮发动机零件柴油机零件航空航天用零件加热炉输送用辊导轨加热炉传热管热交换器等 高温气体流量调节阀硬质耐磨性Al2O3 ZrO2 B4C SiC WC Si3N4 SialonCBN PCD金属陶瓷等SiC石墨切削刀具夹具模具轴承磨削材料各种研磨材料等机械密封尺寸稳定性(低热膨胀性DAl2O3ZrO2 TiB2莫来石堇青石精密机械零件高温炉内材料(支撑台等D汽车尾气催化剂各种炉内构件热交换器等润滑性石墨氟化碳 MoS2六方晶氮化硼固体润滑剂高温脱模剂耐腐蚀性Al2O3 ZrO2 SiC B4C BN TiN Si3N4冶金化工用管道喷嘴阀门泵容器表面涂层材料等其它特性光学玻璃铁氧体磁性材料压电陶瓷材料等光学系统元件超声和水声器件磁性器件以及电讯器件绝缘子集成电路基片等出与以金属键为主的金属材料不同的性质 即一般抗剪切应力很高而抗拉伸应力很低 同时弹性模量相当大 属于硬脆材料G工程陶瓷通常比金属材料硬而脆 难以用通常的金属切削方法加工;而大多数陶瓷又是电的不良导体 一般不宜采用电火花加工等电加工方法 这使陶瓷材料的加工受到很大限制 妨碍了工程陶瓷材料的推广应用G随着加工技术的发展 有关陶瓷加工方法的报道不断增多 按供给能量的方式进行分类 可分为机械加工法电学加工法化学加工法光学加工法以及复合加工法G目前陶瓷加工的发展趋势是复合加工 即将多种加工方法进行综合G2.l工程陶瓷材料的机械加工2.1.1工程陶瓷的车削加工工程陶瓷的车削加工主要采用金刚石刀具(或涂层刀具D进行G多晶金刚石刀具难以产生光滑锋利的切削刃 一般只用于粗加工G而工程陶瓷的精密车削须使用天然单晶金刚石刀具 采用微切削方式G但由于工程陶瓷材料硬度和脆性非常大 车削加工仍难以保证加工精度和加工质量的要求 当前主要集中于工程陶瓷车削机理及车削方法实用化的研究上G尽管对工程陶瓷的车削机理还未形成统一的认识 但较1O年前已获得了很大发展G2.1.2工程陶瓷的钻削加工目前广泛采用金刚石空心钻加工直径数毫米以上的圆孔G据报道该方法在钻削常压烧结氮化硅时 材料去除率可达1GOOmm3/min以上G然而 由于陶瓷硬度极高 在钻削过程中金刚石钻头磨损严重 此外 由于陶瓷的脆性很大 在孔的入口和出口处崩刃现象严重 影响了孔的加工质量G目前有在这种空心钻上附加超声波振动进行陶瓷钻削 明显改善了加工效果7G也有利用金刚石砂轮磨削内孔以及金刚石刀具刮孔 但只适用于陶瓷工件上已有预置孔的情况G总之 目前机械加工方法仅限于数毫米左右直径的孔加工 尚难获得理想的经济效果和表面加工质量 现正在不断努力开发新的钻孔加工方法G 8G2.1.3工程陶瓷的磨削加工磨削加工是陶瓷材料最主要的加工方法 包括磨削平面内外圆以及成型表面等G虽然陶瓷材料的磨削加工机理尚不完全清楚 但脆性断裂是陶瓷材料磨除的主要机理G陶瓷磨削中磨屑的处理是个大问题 一般采用冷却液冲洗 不仅可以冲走磨屑 而且可以降低磨削温度 提高加工质量 降低砂轮耗损G一般选用清洗性能好粘度低的磨削液G另外 砂轮的选择对陶瓷加工影响极大G铸铁结合剂是国外8O年代末开发的高强度砂轮结合剂 具有强度高不易堵塞磨刃锋利和加工效率高等特点G目前铸铁结合剂砂轮已被国内用来磨削陶瓷G金刚石磨粒的大小也是影响陶瓷加工表面质量的重要因素G通常磨粒越小 加工表面粗糙度越低 但砂轮的磨削比降低G为了能获得较好的综合指标 国外正研究对陶瓷的缓进给磨削G2.1.4工程陶瓷的研磨和抛光加工研磨和抛光是工程陶瓷零件的重要加工方法.3.贾志新等:工程陶瓷材料加工技术现状早已用于球面圆柱面等简单成型表面的加工O研磨通常采用铸铁等较硬的研具有数微米以上的磨粒O抛光采用软质抛光器和细粉磨粒在较低的压力下加工O近年来研磨抛光技术取得了许多新进展9如超声抛光电加工复合抛光等9O2.2工程陶瓷材料的电加工2.2.1导电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9因此材料的可加工性主要取决于材料的热学性质9如熔点比热导热系数等9而材料的力学性能影响较小O电火花加工适合于超硬导电材料的加工O由于大多数陶瓷材料是电的绝缘体9以往很少用电火花加工法加工O但近年来许多高性能工程陶瓷中都含有TiC等导电材料9使得电火花加工成为可能O研究结果表明9当工程陶瓷材料包括单相均质的工程陶瓷和陶瓷/陶瓷9金属/陶瓷复合材料的电阻率低于10 m时9可以有效地利用电火花技术对陶瓷材料进行加工O目前对导电陶瓷的电加工研究集中在如何提高加工精度表面质量以及改进加工过程控制等方面O2.2.2非导电工程陶瓷材料的电加工有一种高压电火花加工方法可以加工非导电陶瓷材料O其加工原理是:在尖电极与平电极间放入绝缘的陶瓷材料工件9两电极间加以直流或交流高电压9使尖电极附近的介质被击穿9发生辉光放电蚀除O但辉光电流小9加工效果差O由于两电极间存在寄生电容9把电源变为高频或脉冲性电源9可以使极间流过相当多的辉光电流9通常使用高压高频电源O这种方法加工表面较粗糙9需用机械加工修研O日本提出了另一种新的非导电陶瓷材料电火花加工方法9其原理是:在薄片工件上压放一块薄金属网作为辅助电极9辅助电极和工具电极分别与脉冲电源的正负极相连9并放在油类工作液中9当脉冲电压施加到两极间9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9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9加工得以持续O但该方法加工深度较浅10O2.3工程陶瓷材料的超声波加工硬脆材料用超声波加工是目前应用较普遍的方法之一O由于加工工具无需旋转9所以能加工型腔和特殊轮廓的孔O当使用中空工具时9还可以实现陶瓷材料的套料加工O目前研究主要集中在如何提高加工效率加工质量以及加工自动化等方面O这种方法存在如下缺点:1)加工工具的更换比较麻烦;2)由于加工中工具质量变化和力的传导等因素使加工速度和加工质量受到影响;3)加工工程陶瓷材料时9工具磨损严重9加工效率也比较低O此外9国内超声波加工机床功率小9工具输出振幅20pm9而国外超声波加工机床输出振幅可达80pmO2.4工程陶瓷材料的激光加工激光加工与材料的硬度等力学性能无关O陶瓷与金属比较9对激光的吸收率较高O因此9利用激光对陶瓷材料特别是对薄板材料进行加工尤为适用O现在可产生振荡激光的激光器种类很多9其中用于工程陶瓷加工的主要有CO2激光和YAG激光OYAG激光操作容易9可靠性高9适宜于微细加工;CO2激光在效率和输出功率方面较优异9可用于需要大功率的材料加工O由于激光加工时9光束瞬时辐射9在材料表面产生局部高温9形成很大的温度梯度O又由于陶瓷材料很硬脆9因此激光加工后9会产生一定应力变形和不同程度的微裂纹11O2.5工程陶瓷材料的复合加工复合加工通常具有较高的材料去除率和/或加工质量9是当前机械加工技术发展趋势之一O目前工程陶瓷复合加工的方法很多9如电解电火花复合磨削磁力研磨抛光超声机械磨削电解电火花线切割超声电火花复合加工和充气电解放电复合加工等O这些复合加工方法通常能获得较好的加工质量或较高的加工效率9因此工程陶瓷的复合加工是解决陶瓷材料加工问题的最有效的途径O3展望陶瓷加工技术的发展推动了工程陶瓷材料的广泛应用9有其十分重要的实际意义O目前陶瓷加工技术的研究方向可以概括为两方面:1)对现有工程陶瓷加工技术进行深入研究9开发专用的陶瓷加工机床O优化工艺参数9提高加工质量和加工效率9降低生产成本9以扩大其应用范围O 2)开发和推广陶瓷加工新技术O目前主要是把两种或几种加工方法复合在一起形成一种新的加工方法9如超声放电复合加工电解放电复合加工电解电火花磨削电气机械磨削等O随着陶瓷加工技术的不断进步9工程陶瓷的应用将不断扩大O参考文献1殷声编.现代陶瓷及其应用.北京:北京科学技术出版社91990.2金志浩等.工程陶瓷材料.北京:机械工业出版社91986.1O-3/s变形的微观形貌图6Ti4O 1OOO C5 1O-1/s变形的微观形貌a-Ti中层错总是伴随着孪晶,孪晶内存在层错,且以不全位错为界12,而对B Ti4O合金出现层错的区域没有孪晶,即层错与孪晶间没有必然联系 4结论(1)Ti4O合金铸态组织中存在孪晶,大孪晶中存在平行的二次孪晶,在孪晶界产生微裂纹(2)变形温度升高,变形形成的位错亚晶越清晰,说明合金发生了动态回复(3)较低温度变形合金中有大量孪晶存在,孪晶间及孪晶与晶界间的交互作用,沿孪晶界产生微裂纹;变形温度高合金中不存在孪晶,但存在因位错运动而产生的层错(4)Ti4O合金的适宜锻造温度应高于85O C,1OOO C锻造时变形速率应低于5 1O-1/s 参考文献1Eylon D.Issues in the development of beta titanium al-loys.JOM,1994(6):14152Boyer R R.An overview of the use of titanium in theaerospace industry.Mater.Sci.and Eng.,1996,A111:1O31143赵永庆,赵香苗,朱康英等.阻燃钛合金.稀有金属材料与工程,1996(5):164赵永庆,朱康英,赵香苗专利(申请号:971123O3.9)5赵永庆,赵香苗,朱康英.Ti-V-Cr阻燃钛合金的微观组织.中国有色金属学报,1998(3):4634666Zhao Yongging,Zhou Lian,Zhu Kangying et al.The 9thAnnual Advanced Aerospace Materials 8 processes Con-ference 8 Exposition.Virginia,USA,1998.7赵永庆,周廉,邓炬.Ti4O阻燃钛合金铸态的高温变形机制.机械工程材料,1999,23(1):9118赵永庆,朱康英,赵香苗专利(申请号:971123O2.O)9Ankem S.The effect of volume percent of phase on thehigh temperature tensile deformation of two phase Ti-Mn alloys.Mater.Sci.Eng.,1989,A111:51561OVijayshankar M N,Ankem S.High temperature defor-mation of Beta Titanium alloys.Mater.Sci.Eng.,199O,A129:22923711赖祖涵.金属的晶体缺陷与力学性能.北京:冶金工业出版社,1988.2O42O912Gu Haicheng,Guo Huifang.Orientation dependence ofcyclic deformation in high purity titanium single crys-tal.Mater.Sci.Eng.,1994,A188:2336(上接第4页)3樱井良文等编.新型陶瓷 材料及其应用.陈俊彦译.北京:中国建筑工业出版社,1983.4铃木弘茂主编.工程陶瓷.北京:科学出版社,1989.5工业调查会编辑部.最新精细陶瓷技术.陈俊彦译.北京:中国建筑工业出版社,1988.6贾志新.工程陶瓷成型孔加工新技术及其机理研究(博士学位论文).济南:山东工业大学,1994.7张勤河,张建华,贾志新等.超声振动钻削加工陶瓷的研究I实验研究分析.新技术新工艺,1997,(2):17188张勤河.工程陶瓷材料孔加工技术及其机理研究(硕士学位论文).济南:山东工业大学,1995.9王瑜.硬脆材料表面光整加工技术及机理研究(硕士学位论文).济南:山东工业大学,1992.1O刘永红.非导电超硬材料电加工新技术及其机理探讨研究(博士学位论文).哈尔滨:哈尔滨工业大学,1995.11雷卡林等.材料的激光加工.北京:科学出版社,1982.-61-赵永庆等:B型Ti4O阻燃钛合金铸态组织高温变形的微观组织工程陶瓷材料加工技术现状工程陶瓷材料加工技术现状作者：贾志新，艾冬梅，张勤河，张建华，Jia Zhixin，Ai Dongmei，Zhang Qinhe，Zhang Jianhua作者单位：贾志新,艾冬梅,Jia Zhixin,Ai Dongmei(北京科技大学机械工程学院,北京,100083)，张勤河,张建华,Zhang Qinhe,Zhang Jianhua(山东工业大学机械工程学院,山东济南,250014)刊名：机械工程材料英文刊名：MATERIALS FOR MECHANICAL ENGINEERING年，卷(期)：2000,24(1)被引用次数：22次 参考文献(11条)参考文献(11条)1.雷卡林 材料的激光加工 19822.刘永红 非导电超硬材料电加工新技术及其机理探讨研究学位论文 19953.王瑜 硬脆材料表面光整加工技术及机理研究 19924.张勤河 工程陶瓷材料孔加工技术及其机理研究学位论文 19955.张勤河;张建华;贾志新 超声振动钻削加工陶瓷的研究实验研究分析期刊论文-新技术新工艺 1997(02)6.贾志新 工程陶瓷成型孔加工新技术及其机理研究 19947.工业调查会编辑部;陈俊彦 最新精细陶瓷技术 19888.铃木弘茂 工程陶瓷 19899.樱井良文;陈俊彦 新型陶瓷-材料及其应用 198310.金志浩 工程陶瓷材料 198611.殷声 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