95氧化铝陶瓷加工难点分析及加工方法选择

周继光(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 郑州 450000)

1 氧化铝陶瓷加工难点分析

1.1 氧化铝陶瓷的加工硬度

AL2O3主要具有三种晶型：α，β和γ，其中α-AL2O3是最稳定的晶型。β和γ晶体1300℃左右就能完全转变为α晶体。在α-AL2O3的晶体形式中，铝和氧离子形成的原子键主要为共价键，离子键或它们的混合键，因此原子之间的键能非常高并且具有很强的方向性。该材料塑性变形小，脆性大，易开裂；其硬度是钢的几倍，相当于硬质合金的硬度，通常高纯度氧化铝陶瓷的抗拉强度可达260(MPa)，密度可以达到3980(kg/m3)，弹性模量为350至400(GPa)，抗压强度为2930(MPa)，其硬度可达到95HRA。降低了氧化铝陶瓷的强度和硬度95。根据我们对实验样品的测量，室温下硬度达到70HRA。

图1 Al(OH)3加热过程中的相转变

图2 α-AL2O3的晶体结构

1.2 氧化铝陶瓷的加工脆性

通常情况下，氧化铝陶瓷的微观结构是由离子键或共价键形成的多晶等轴晶种。因此，断裂较弱。外力作用下的压力会在陶瓷表面产生小裂纹；裂缝会迅速增长并破裂。因此切割氧化铝陶瓷时断裂经常出现；这意味着在陶瓷表面上会出现小裂纹。断裂的原因如下：不是定期切割的结果；切削材料和机器表面的最终分离是由于弹性降落造成的。其次，由变形和剪切引起的裂纹通常是沿表面的裂纹。在此期间，由于切割时的抗拉强度，物体与切割物体的结合以及结合过程一起导致破裂过程的发生。应该注意的是，拉应力越高，该过程破坏性越大。

2 常见氧化铝陶瓷加工方法

氧化铝陶瓷材料是具有高硬度和高脆性的坚韧材料。常见的加工方法包括研磨，切割，激光加热，高压水射流磨损和超声处理。

2.1 磨削加工

如今，大多数陶瓷行业主要使用研磨方法。由于氧化铝陶瓷的硬度，通常会磨削金刚石以磨削砂轮，大部分使用B4C材料。研究表明，在氧化铝陶瓷的研磨中，瓷器通常会使用了脆性的去除方法，在陶瓷表面产生裂纹，伸展它将被剥皮并折断，玉石晶体从零件表面塌陷；在实际的磨削过程中，机器的特性，研磨和成形颗粒的所有形状都会影响研磨过程。当前的研究热点是了解使用塑料去除机对瓷器进行塑料磨削。当前，微裂纹和在半粘性研磨表面上的塑料形状的形成的组合可以减少工件的表面微裂纹并增加工件的强度。

表1 95氧化铝陶瓷与金属加工参数

2.2 切削加工

考虑到工具的可用性和有效性，在切割氧化铝陶瓷时，通常将金刚石或立方氮化硼用作工具。根据线性断裂的原理，日本科学家Tadashi Akira提出了三种去除陶瓷的模型。首先是裂纹的不稳定扩散。第二个是剩余裂缝。最后是变的塑料。研究表明，氧化铝陶瓷的临界切削深度为apmax=2μm。当ap=apmax时，在切割过程中材料会被急剧去除并保留在瓷釉的表面上，这会影响瓷釉裂纹的强度和可靠性。性别当ap ＜apmax时，陶瓷形成光滑的金属状结构，用于切割塑料流。可以通过热处理来进行塑料切割。这意味着将瓷器的区域加热到一定温度以降低其硬度。此时这种处理可以将物理形态从衰变改变为裂变。最常用的热源是乙炔火焰，高频等离子和激光。切割瓷器时，影响剪切力的主要因素是其刚度和脆性。

由于硬度高，难以切割切削刃。工具磨损包括机械磨损；这些包括由于使用化学药品而引起的裂缝以及对食物边界和热压的破坏。切割速度更快；更大的切削深度和进给速度将增加设备。可以适当地增加工具的切削刃的圆弧半径，以增加切削刃的强度和散热。

2.3 激光加工

激光维修是非接触式更改。它使用能源，避免在加工时产生表面裂纹。当大功率激光束反射到陶瓷的表面上时，局部瓷器区域的能量会超过108J/cm。陶瓷材料非常有效地吸收长波长激光，将其表面转化为光能。热能少量快速地升高了部件的表面温度，并且通过蒸发部件中的液体和蒸气而获得了从材料表面去除的效果。由于颗粒具有较小的热敏区，因此可以精确地加工颗粒。陶瓷行业使用两种常见的激光器。CO2激光器具有更高的能量和更长的脉冲时间。然而，由于其高的激光吸收能力和在瓷器表面上的大量斑点，瓷器天花板具有高的热导率。否则会损坏陶瓷表面。有效激光功率小且脉冲时间短，但由于激光束能量密度高，因此经常用于陶瓷零件

2.4 超声波加工

在超声波机器中，在工具和工件之间施加研磨液或糊剂。使用超声波振动对脱粒作物的持续影响；被破坏的物体离开以达到切割目标。应该注意的是，超声波会影响工具和工件的表面。刀具和工件之间的流体或糊料磨损只能超声施加陶瓷。超声波振动在陶瓷工业中早已使用，现在已被广泛使用。当不同的孔或凹槽在超声转换中不同时，所需的设备也不同。更换工具会减少更换和效率；特殊设备设计会增加生产成本；同时，如果频繁使用工具，则工具磨损会增加，质量精度会降低，回波频率的回波往往会影响质量，最终影响变化。当前研究的重点是使用各种改性和方法来获得超声转变，生产转变以及针对各种成分的较低和较高表面积的复合材料进行超声改性的生产成本。

2.5 高压磨料水射流加工

通过向喷射器中添加水到高压系统，使水迅速增压。它可以承受几千巴的高压，通过相同直径的压力表，在高压耗水情况下，高压水流速度为音速的2倍。高压水刀切割中使用的磨料是天然岩石。侵蚀具有许多角度和不规则形状。当陶瓷材料与高压水接触时，磨料会成为冲击压头。氧化铝陶瓷是易碎的材料，碰到表面时会出现一些长裂缝。随着冲击的增加，裂缝也会增加，它将继续断裂，切屑从陶瓷表面脱落实现加工。但是，高压喷水需要强劲的增压器，操作噪音可能高达85分贝。另外，在氧化铝陶瓷工业中使用的技术包括电离辐射；电离辐射包括等离子热处理和化学处理。

3 结语

磨削加工仍然是现代实际应用中的主流。就研究趋势而言，将两种或更多种加工方法结合以创建诸如复合材料的超声振动研磨，具有放电的复合材料的超声处理以及具有电解放电的复合材料处理的新处理方法的趋势是趋势。同时，在加热后切割陶瓷以降低其硬度的新加工方法也是研究的热点。该方法不仅可以提高陶瓷零件的加工质量，而且可以大大提高加工效率。