95氧化鋁陶瓷加工難點(diǎn)分析及加工方法選擇

周繼光(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450000)

1 氧化鋁陶瓷加工難點(diǎn)分析

1.1 氧化鋁陶瓷的加工硬度

AL2O3主要具有三種晶型：α，β和γ，其中α-AL2O3是最穩(wěn)定的晶型。β和γ晶體1300℃左右就能完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣辆w。在α-AL2O3的晶體形式中，鋁和氧離子形成的原子鍵主要為共價(jià)鍵，離子鍵或它們的混合鍵，因此原子之間的鍵能非常高并且具有很強(qiáng)的方向性。該材料塑性變形小，脆性大，易開裂；其硬度是鋼的幾倍，相當(dāng)于硬質(zhì)合金的硬度，通常高純度氧化鋁陶瓷的抗拉強(qiáng)度可達(dá)260(MPa)，密度可以達(dá)到3980(kg/m3)，彈性模量為350至400(GPa)，抗壓強(qiáng)度為2930(MPa)，其硬度可達(dá)到95HRA。降低了氧化鋁陶瓷的強(qiáng)度和硬度95。根據(jù)我們對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的測(cè)量，室溫下硬度達(dá)到70HRA。

圖1 Al(OH)3加熱過程中的相轉(zhuǎn)變

圖2 α-AL2O3的晶體結(jié)構(gòu)

1.2 氧化鋁陶瓷的加工脆性

通常情況下，氧化鋁陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)是由離子鍵或共價(jià)鍵形成的多晶等軸晶種。因此，斷裂較弱。外力作用下的壓力會(huì)在陶瓷表面產(chǎn)生小裂紋；裂縫會(huì)迅速增長并破裂。因此切割氧化鋁陶瓷時(shí)斷裂經(jīng)常出現(xiàn)；這意味著在陶瓷表面上會(huì)出現(xiàn)小裂紋。斷裂的原因如下：不是定期切割的結(jié)果；切削材料和機(jī)器表面的最終分離是由于彈性降落造成的。其次，由變形和剪切引起的裂紋通常是沿表面的裂紋。在此期間，由于切割時(shí)的抗拉強(qiáng)度，物體與切割物體的結(jié)合以及結(jié)合過程一起導(dǎo)致破裂過程的發(fā)生。應(yīng)該注意的是，拉應(yīng)力越高，該過程破壞性越大。

2 常見氧化鋁陶瓷加工方法

氧化鋁陶瓷材料是具有高硬度和高脆性的堅(jiān)韌材料。常見的加工方法包括研磨，切割，激光加熱，高壓水射流磨損和超聲處理。

2.1 磨削加工

如今，大多數(shù)陶瓷行業(yè)主要使用研磨方法。由于氧化鋁陶瓷的硬度，通常會(huì)磨削金剛石以磨削砂輪，大部分使用B4C材料。研究表明，在氧化鋁陶瓷的研磨中，瓷器通常會(huì)使用了脆性的去除方法，在陶瓷表面產(chǎn)生裂紋，伸展它將被剝皮并折斷，玉石晶體從零件表面塌陷；在實(shí)際的磨削過程中，機(jī)器的特性，研磨和成形顆粒的所有形狀都會(huì)影響研磨過程。當(dāng)前的研究熱點(diǎn)是了解使用塑料去除機(jī)對(duì)瓷器進(jìn)行塑料磨削。當(dāng)前，微裂紋和在半粘性研磨表面上的塑料形狀的形成的組合可以減少工件的表面微裂紋并增加工件的強(qiáng)度。

表1 95氧化鋁陶瓷與金屬加工參數(shù)

2.2 切削加工

考慮到工具的可用性和有效性，在切割氧化鋁陶瓷時(shí)，通常將金剛石或立方氮化硼用作工具。根據(jù)線性斷裂的原理，日本科學(xué)家Tadashi Akira提出了三種去除陶瓷的模型。首先是裂紋的不穩(wěn)定擴(kuò)散。第二個(gè)是剩余裂縫。最后是變的塑料。研究表明，氧化鋁陶瓷的臨界切削深度為apmax=2μm。當(dāng)ap=apmax時(shí)，在切割過程中材料會(huì)被急劇去除并保留在瓷釉的表面上，這會(huì)影響瓷釉裂紋的強(qiáng)度和可靠性。性別當(dāng)ap ＜apmax時(shí)，陶瓷形成光滑的金屬狀結(jié)構(gòu)，用于切割塑料流。可以通過熱處理來進(jìn)行塑料切割。這意味著將瓷器的區(qū)域加熱到一定溫度以降低其硬度。此時(shí)這種處理可以將物理形態(tài)從衰變改變?yōu)榱炎儭Ｗ畛Ｓ玫臒嵩词且胰不鹧妫哳l等離子和激光。切割瓷器時(shí)，影響剪切力的主要因素是其剛度和脆性。

由于硬度高，難以切割切削刃。工具磨損包括機(jī)械磨損；這些包括由于使用化學(xué)藥品而引起的裂縫以及對(duì)食物邊界和熱壓的破壞。切割速度更快；更大的切削深度和進(jìn)給速度將增加設(shè)備。可以適當(dāng)?shù)卦黾庸ぞ叩那邢魅械膱A弧半徑，以增加切削刃的強(qiáng)度和散熱。

2.3 激光加工

激光維修是非接觸式更改。它使用能源，避免在加工時(shí)產(chǎn)生表面裂紋。當(dāng)大功率激光束反射到陶瓷的表面上時(shí)，局部瓷器區(qū)域的能量會(huì)超過108J/cm。陶瓷材料非常有效地吸收長波長激光，將其表面轉(zhuǎn)化為光能。熱能少量快速地升高了部件的表面溫度，并且通過蒸發(fā)部件中的液體和蒸氣而獲得了從材料表面去除的效果。由于顆粒具有較小的熱敏區(qū)，因此可以精確地加工顆粒。陶瓷行業(yè)使用兩種常見的激光器。CO2激光器具有更高的能量和更長的脈沖時(shí)間。然而，由于其高的激光吸收能力和在瓷器表面上的大量斑點(diǎn)，瓷器天花板具有高的熱導(dǎo)率。否則會(huì)損壞陶瓷表面。有效激光功率小且脈沖時(shí)間短，但由于激光束能量密度高，因此經(jīng)常用于陶瓷零件

2.4 超聲波加工

在超聲波機(jī)器中，在工具和工件之間施加研磨液或糊劑。使用超聲波振動(dòng)對(duì)脫粒作物的持續(xù)影響；被破壞的物體離開以達(dá)到切割目標(biāo)。應(yīng)該注意的是，超聲波會(huì)影響工具和工件的表面。刀具和工件之間的流體或糊料磨損只能超聲施加陶瓷。超聲波振動(dòng)在陶瓷工業(yè)中早已使用，現(xiàn)在已被廣泛使用。當(dāng)不同的孔或凹槽在超聲轉(zhuǎn)換中不同時(shí)，所需的設(shè)備也不同。更換工具會(huì)減少更換和效率；特殊設(shè)備設(shè)計(jì)會(huì)增加生產(chǎn)成本；同時(shí)，如果頻繁使用工具，則工具磨損會(huì)增加，質(zhì)量精度會(huì)降低，回波頻率的回波往往會(huì)影響質(zhì)量，最終影響變化。當(dāng)前研究的重點(diǎn)是使用各種改性和方法來獲得超聲轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)轉(zhuǎn)變以及針對(duì)各種成分的較低和較高表面積的復(fù)合材料進(jìn)行超聲改性的生產(chǎn)成本。

2.5 高壓磨料水射流加工

通過向噴射器中添加水到高壓系統(tǒng)，使水迅速增壓。它可以承受幾千巴的高壓，通過相同直徑的壓力表，在高壓耗水情況下，高壓水流速度為音速的2倍。高壓水刀切割中使用的磨料是天然巖石。侵蝕具有許多角度和不規(guī)則形狀。當(dāng)陶瓷材料與高壓水接觸時(shí)，磨料會(huì)成為沖擊壓頭。氧化鋁陶瓷是易碎的材料，碰到表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些長裂縫。隨著沖擊的增加，裂縫也會(huì)增加，它將繼續(xù)斷裂，切屑從陶瓷表面脫落實(shí)現(xiàn)加工。但是，高壓噴水需要強(qiáng)勁的增壓器，操作噪音可能高達(dá)85分貝。另外，在氧化鋁陶瓷工業(yè)中使用的技術(shù)包括電離輻射；電離輻射包括等離子熱處理和化學(xué)處理。

3 結(jié)語

磨削加工仍然是現(xiàn)代實(shí)際應(yīng)用中的主流。就研究趨勢(shì)而言，將兩種或更多種加工方法結(jié)合以創(chuàng)建諸如復(fù)合材料的超聲振動(dòng)研磨，具有放電的復(fù)合材料的超聲處理以及具有電解放電的復(fù)合材料處理的新處理方法的趨勢(shì)是趨勢(shì)。同時(shí)，在加熱后切割陶瓷以降低其硬度的新加工方法也是研究的熱點(diǎn)。該方法不僅可以提高陶瓷零件的加工質(zhì)量，而且可以大大提高加工效率。