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国内外先进陶瓷材 国内外先进陶瓷材料加工技术的进展 300072 天津大学 高温陶瓷材料及工程陶瓷加工技术教育部重点实验室 于思远 林 滨 林 彬 摘要 随着先进陶瓷材料的开发和应用 ,陶瓷材料的加工技术受到人们的普遍观注 ,本文查阅了近二十年来 有关的文献资料 ,对国内外陶瓷材料加工技术的研究成果进行了系统地综述 ,并着重从材料的去除机理 ,优质高 效加工新工艺及加工工艺装备三方面介绍了陶瓷材料的切削加工 ,磨削加工 ,研磨 ,抛光和孔加工技术的进展 。 先进陶瓷是采用优化配方和精细生产工艺制造 , 具有优良的机械 、物理性能的陶瓷材料 ,许多性能是金 属材料无法比拟的 , 而且与传统陶瓷不同 , 在 70 - 80 年代 ,先进陶瓷由于其优良的耐高温抗磨损性能在电 子和光学高科技器件中应用日益广泛 。近年来随着材 料机械性能的改进 ,先进陶瓷作为机械结构零件新材 料也显示出广阔的应用前景和巨大的市场 。CIRP 文 献报导 ,到 2000 年日本先进陶瓷材料和器件的销售额 将达到 300 亿日元 , 尤其是具有优良热性能的 Si3N4 , SiC 非氧化物陶瓷的应用 ,将有更加快速的增长 ,由此 可见这一诱人的应用前景 。 从毛坯到产品 ,陶瓷材料需要二次加工 ,但由于硬 脆特性 ,陶瓷的加工性比多属材料困难得多 ,因此需要 开发优质高效的陶瓷加工新工艺新技术 。先进陶瓷的 加工 ,涉及到陶瓷材料的性能 ,加工技术 ,检测 ,连结和 涂覆等许多方面 ,本文由于篇幅所限 ,只重点介绍先进 陶瓷的切削加工 ,磨削加工 ,研磨抛光和孔加工技术等 方面的进展 。 1 先进陶瓷材料的切削加工 1. 1 切削机理的研究 ?1980 年 ,日本学 者 杉 田 忠 彰 , 根 据 线 性 断 裂 力 学原理 ,研究了陶瓷切削过程的材料去除机理 ,提出了 材料去除的三种模型 : (1) 不稳定裂纹扩展型 , (2) 裂纹 残留型 , (3) 塑性变形型 。他研制成功微细切削装置 , 放在 SEM 中直接观察了〈30 - 1000〉倍倍率下裂纹的产 生 ,扩展和材料去除的脆性断裂过程 。 ?1983 年 ,日本 Kanazawa 大学 , K. Ueda 利用断裂 力学理论 ,初步探讨了材料的脆性断裂和塑性流动的 关系 ,研究了材料塑性流动时的切削 。 ?1990 年 ,日本 Osaka 大学 , T. Nakasuji 研究了光 学零件的镜面切削 ,根据材料特性和切削参数 ,建立了 由脆性到延性转变的模型和延性去除所需的 必 要 条 件 ,用上述观点实现了锗 ,硅和铌酸锂 (LiNbO3 ) 的镜面 加工 ,粗糙度 20nm 。 ?1991 年 ,日本 Kanazawa 大学 , K. Ueda 进一步用 弹塑性断裂力学和 J - 积分方法研究了陶瓷材料脆性 / 延性转换模式 。 ?90 年代 ,日本有几位学者开始用分子动力学仿 真方法研究有色金属的材料去除机理 ,在 1997 年 ,日 本 Nagoyo 工艺研究所 T. Inamura ,应用重组分子动力学 原理对单晶硅以不同切削深度进行微细切削 动 态 仿 真 ,研究了裂纹扩展和塑性流动的条件 。结果表明 ,在 真空条件下 ,无缺陷单晶在较大的切削范围里均可实 现延性加工 ,而在大气压条件下临界切削深度的数值 就小得多 。 1 . 2 切削工艺的研究 ?1984 年 ,鸣龙则 彦 在 日 本 春 、秋 季 学 术 演 讲 会 上介绍了切削予烧结陶瓷的研究成果 , 对 Al2O3 陶瓷 在 500 - 1000 ℃,Si3N4 陶瓷在 1100 - 1400 ℃予烧结 ,切 削成形后完全烧结 ,然后精磨制成零件 ,研究表明 : (1) 干 式 切 削 中 , CBN 刀 具 切 削 1400 ℃予 烧 结 Si3N4 寿命最长 ,陶瓷刀具切削 Al2O3500 - 1000 ℃予烧 结陶瓷存在着最佳切削速度 。 (2) 低温予烧结陶瓷 ,由于强度低 ,可用负前角刀 具大进给量切削 ,加工性最好 。 (3) 湿式切削 ,烧结金刚石刀具切削性能最佳 。 通过予烧结 ,不仅比完全烧结后再磨削的成本降 低 ,而且加工效率大大提高 ,因此是经济适用的重要工 艺 。 ?1983 年 ,中井哲男在〈工业材料〉上发表了切削 完全烧结陶瓷的研究成果 ,研究指出 : (1) 材料的硬度和断裂韧性是影响切削力的主要 因素 ,由于硬度高 ,刃口难于切入 ,故径向力远大于其 他分力达 5 - 10 倍 。 (2) 切削用量对温度有影响 ,其中切削速度影响最 大 。 (3) 切削中刀具存在机械磨损 ,他学磨损和剥落 , 刃口的剥落是由于在热应力作用下晶界损伤和破裂所 致 。 目前 ,切削完全烧结陶瓷仍处于实验