[修订]可加工陶瓷

[修订]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 (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。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 , 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, [2]G.H.Beall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-BO-AlO-MgO- 22323KO-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2 四元体系KO-MgF-MgO-SiO制备出四硅酸氟云母可加工玻璃陶瓷。云母相的存222 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[3]很好的可加工性能。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AlO的碱金属基氟硅云母。目前同时具有较高力学强度、良好的23[4]抗热震性能，且容易加工的云母基玻璃陶瓷还不多见。Tomoko Uno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。 , 可加工氧化物陶瓷 氧化物陶瓷(包括AlO、ZrO和莫来石)可加工性是靠加入稀土磷酸盐(如232 LaPO、CePO)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44 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。 [5]Davis等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具有可加工性，所以弱界面并不能看作是氧化物陶瓷可4 加工的唯一机理，同时他们还指出单相LaPO的可加工性可能是在Hertzian压4 痕区域下单个的LaPO晶粒的变形引起的。 4 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。 , TiSiC陶瓷 32 TiSiC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32 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。TiSiC材料同时具备金属和陶瓷材料的优良特32 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TiAlC、TiAlC、TiSnC、TiGeC与TiSiC等材料进行了对比研究，发现2223232 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MAX化合n+1n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。MAX化合物n+1n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。 , 碳化硅陶瓷 SiC因界面能高而不易烧结，然而添加AlO和YO 可以使SiC在较低温度2323 (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AlO和YO摩尔比为3:5时,第二相可完2323 [7]全生成铝钇石榴石,YAG(YAlO)。YAG与SiC的热膨胀系数相差很大(?α=5.13512-60-1×10C)。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)，在烧结成瓷后 ,在2000 ?下保温，在发生β一SiC?α,SiC转化的同时晶粒长大成柱状，经这样热处理可以使韧性提高1倍。可加工性实验表明这种显微结构的SiC比一般SiC陶瓷磨削速度提高2.5倍，钻孔速率提高3倍以上。 (三) 可加工陶瓷材料的加工技术 陶瓷材料的加工可根据材料的种类、工件的形状、加工精度、表面粗糙度、 加工效率和加工成本等因素选择不同的加工方法。常见的工程陶瓷加工技术主要有以下几种:机械加工、电火花加工、化学机械加工、激光/等离子加工、超声波加工、高压磨料水射流加工以及各种复合加工工艺。 工程陶瓷加工技术分类 机械加工 切削、磨削、钻孔等 高能束加工 放电加工 刻模放电、线切割放电加工 高压磨料水加工 高压磨料水加工、高压水加工 超声波加工 —— 激光/等离子加工 激光/等离子加工激光、等离 子、电子束加工 化学加工 化学蚀刻、化学机械加工 复合加工 化学机械加工、电解磨削、超 声机械磨削、电火花磨削、超 声电火花复合加工、电解电 火花复合加工、电解电火花机 械磨削复合加工 其他加工 塑性加工 , 机械加工 机械加工是陶瓷材料的传统加工技术，也是应用范围最广的加工方法。机械加工主要是指对陶瓷材料进行车削、切削、磨削、钻孔等。其工艺简单，加工效率高，但由于陶瓷材料的高硬、高脆，机械加工难以加工形状复杂、尺寸精度高、表面粗糙度低、高可靠性的工程陶瓷部件。 , 放电加工 1947年B.R.Lazarenko等提出了放电加工硬质金属材料的思路。80年代末,放电加工技术被引入陶瓷材料加工领域。研究表明:当单相或陶瓷/陶瓷、陶瓷/金属复合材料的电阻小于100Ω?m时,陶瓷材料可以进行放电加工。放电加工是一种无接触式精细热加工技术,首先将形模和加工元件分别作为电路的阴、阳极，使用液态绝缘电介质将两极分开，通过悬浮于电介质中的高能等离子体的刻蚀作用，使表层材料发生熔化、蒸发或热剥离而达到加工材料的目的。由于加工过程中模具未与工件直接接触，故无机械应力作用于材料表面，因此放电加工是理想的加工高脆、超硬陶瓷材料的方法，但放电加工无法对不导电的材料进行加工。 , 高压磨料水加工 1968年,美国密苏里大学的诺曼?弗兰兹博士获得了第一个水射流切割技术[8]专利——高压水射流,高压水磨料射流加工技术开始在工程领域得到应用。工程陶瓷通常为高强、超硬材料，纯水射流加工需要约为700,1000MPa的高压, 工程中很难实现，而磨料水射流可大幅提高冲击能力。一般磨料采用天然石榴石。 高压磨料水射流加工属于高能束加工技术，其原理是陶瓷表面在高达2,3倍音速的磨料冲击作用下，强大的冲击力使材料表面产生一定长度的裂纹，随着射流冲击力的增大，裂纹不断扩展，碎屑从陶瓷表面脱落。高压磨料水射流加工陶瓷材料实际上是一个材料的动态断裂的过程，即通过裂纹的扩展实现材料的切削、磨削、钻削加工，目前已在工程陶瓷、硬质合金、复合材料等材料加工中得到应用。 , 超声波加工 超声波(振动频率超过每秒 16000次的振动波)加工是利用产生超声振动的工具(模具)，带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液，冲击和抛磨元件进行加工。随着工具在三维方向上的进给，工具端部的形状被逐步复制在陶瓷元件上。常用的磨料是碳化硼、碳化硅和氧化铝等。一般选用的工作液为水，为提高材料表面的加工质量，也可用煤油或机油作液体介质。由于加工过程中在元件上的作用力较小，材料表面产生较小的机械应力，对材料的损伤小、表面粗糙度好。超声波加工适合于加工各种形状要求复杂、不导电的硬脆材料。 , 激光加工 激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。激光加工是一种无接触、无摩擦式加工技术，加工过程中不需模具，通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置，实现对三维复杂形状材料的加工。激光加工适合于在陶瓷材料上进行微钻孔、微切割，制作微结构。目前已能加工直径为4,5μm、深径比达10以上的微孔。通常所用激光源为CO和Nd :YAG激光。 2 (四) 结束语 近几十年来，人们对可加工陶瓷的制备、组织结构、性能有了一定的认识，可加工陶瓷的研究取得了一些发展，尤其在含云母玻璃陶瓷和一些非氧化物系列陶瓷方面已经取得了可喜的结果。但仍存在很多问题，如陶瓷材料的磨削去除机理、弱界面与材料缺陷作用的形式以及各种加工技术的优化等等。今后可加工陶瓷的研究要着重以下方面:分析陶瓷加工过程材料的去除形式与陶瓷晶粒特性、结合相及晶界应力的关系探索利用复合组分和热处理设计可加工陶瓷的实验条件、研究明显改善和提高陶瓷可加工性的机理。针对具体陶瓷种类，选择适当的复合组分种类，在优化的工艺条件下制备出有利于加工过程的显微结构的陶瓷。为陶瓷材料在更广泛领域的应用开辟新的道路。 参考文献 [1]王瑞刚，潘伟，蒋蒙宁等(可加工陶瓷及工程陶瓷加工技术现状及发展(硅酸盐通报，2001,20(3):27,35 [2]Beall G H. Microstructure developed in crystallized glass-ceramics.In:Hench L L,Freiman S W,eds.Advance in nucleation and crystal in Glasses.Westerville,Ohio:The American Ceramic Society,1972.251~261 [3]周振军等.可加工陶瓷研究现状[J].材料导报,2001,1,15(4) [4]孙莉娟,译.各种添加物对铝碳质耐火材料的氧化铝附着性的影响.国外耐火材料[J],1994,19(8):63, 65 [5]刘志峰，邱世鹏，刘家臣。可加工陶瓷材料的研究进展。现代技术陶瓷，2002，22 [6]M.W.Barsoum.Synthesis and characterization of a remarkable ceramic: TiSiC.J.Am.Cera.Soc., 321996,79(7):1953~1956 [7]Padture N.P,et al.J Am Ceram Soc,1994,77(2):519 [8]Tuersley I P, Jawaid A, Pashby I R. Review: Various methods of machining advanced ceramic composites. J. Mat. Pro. Tech., 1997,71(2): 195~201 翻译外文文献: Graded machinable SiN/h-BN and AlO/LaPO 34234 ceramic composites Abstract:This paper provides a new material design method for machinable ceramics within an overall methodology. Examples are provided to illustrate the use of the methodology in specific ceramic materials, and machinability of the materials is characterized with cemented carbide instead of diamond tools. This method enables the use of drills composition compound and structure design combination for the purposes of improving machinability of ceramics while allowing for retaining mechanical properties of the materials. At the same time, this method also provides the basic design principle for the other comparable, but intrinsically different, ceramic systems based on chemical compatibility and thermodynamic properties. Graded machinable SiN/h-BN and AlO/LaPO34234 composites were designed, fabricated and characterized. Keywords: Composites; Machinability; Microstructure 分级复合可加工陶瓷SiN/h-BN和AlO/LaPO的研究34234 摘要:本文为可加工陶瓷提供了一种新的材料设计方法，是一个全面的方法。所 举的例子说明了在具体的陶瓷材料如何使用该方法，以及切削加工材料是用硬质 合金钻头，而不是金刚石工具。这种方法能够使复合物的化合物及结构设计很好 得结合起来，满足提高陶瓷切削性的目的，同时允许保留材料的力学性能。同时， 这种方法为其他同类也提供了基本的设计原则，但在本质上不同的是，陶瓷系统 是基于化学相容性和热力学性质之上的。分级复合可加工陶瓷SiN/h-BN和34 AlO/LaPO的设计，制造和特点。 234 关键词:合成物 机械加工性 微观结构