氧化锆陶瓷的磨削工艺优化研究

陈 璐

（朔州陶瓷职业技术学院，山西 朔州 038300）

引言

中国制造2025纲领提出后，工业领域对高性能材料需求增大。工程陶瓷具有高强度、耐磨损等优点，应用于密封环、涡轮叶片等场合。由于工程陶瓷具有较高硬度，使其成为典型难加工材料。探究合适的加工方法对工程陶瓷发展具有重要意义。随着科技的快速发展，工程陶瓷材料加工表面质量要求不断提高，Wu等提出新的脆性材料表面粗糙度模型，Sanjay通过碳化硅陶瓷磨削实验研究影响磨削表面质量因素。表面粗糙度值Ra是评价磨削结果的重要指标，国内外学者对工程陶瓷精密加工进行大量研究。本文以某型号机床中氧化锆陶瓷零件为例，粗糙度要求Ra不超过0.25 μm，探究磨削工艺参数对加工表面粗糙度的影响，对确定工程陶瓷精密磨削参数具有重要指导意义。

1 氧化锆陶瓷研究

陶瓷材料具有高强度、耐磨损等系列优异性能，广泛应用于生物医疗等高技术领域。由于陶瓷材料脆性大等特点难以加工，结构复杂陶瓷零件采用胶态成型工艺制造，难以满足精细化高端产品快速制造要求[1]。氧化锆陶瓷具有优异力学性能，较高的熔点、抗化学腐蚀等因素，广泛应用于结构陶瓷等领域。单纯的氧化锆因相变难以直接作为材料应用。通过加入MgO等稳定剂使氧化锆陶瓷稳定在t-ZrO2相，不会因相变发生材料开裂等现象。

锆石是天然矿物，1789年德国化学家对宝石加热发现氧化锆，氧化锆与其他稀土氧化物混合用作陶瓷制备色料，氧化锆陶瓷存在5种已知晶体结构，随着温度升高观察到三种晶型，见图1，四方相力学性能最佳，单斜相氧化锆力学性能最差[2]。氧化锆陶瓷相变增韧机理包括微裂纹增韧，应力诱导相变增韧等。氧化锆陶瓷具有系列优异性能，由于体积密度大等特点，采用Y-TZPT陶瓷制得磨球具有卓越耐磨性。Y-TZP广泛应用于制造光纤通信用陶瓷插芯。全稳定FSZ陶瓷具有优异的热稳定性，可用作固体氧化物燃料电池电极材料等。氧化锆具有良好的耐腐蚀性，是口腔修复的理想材料[3]。70年代氧化锆显示出优良性能开始得到广泛研究，在工业生产中得到普遍应用。氧化锆粉体制制备技术形成系列成熟的工艺，新的制备工艺不断出现。氧化锆具有良好的高温稳定性，成为同类材料的主导，氧化锆泡沫陶瓷是铸钢产品性能优异材料。

图1 氧化锆三种晶型结构示意图

氧化锆是具有耐腐蚀与优良导电性的无机非金属材料，许多国家大力支持对ZrO2制造技术的研发，拓展ZrO2在材料结构中的应用。ZrO2因在不同条件下半导体特性被广泛应用于电子陶瓷等高科技领域。随着人们生活水平的提高，对装饰品色彩要求不断提高。具有优异力性能的彩色氧化锆陶瓷备受关注，相比传统金属材料，氧化锆优良光折射率具有更好的光泽，氧化锆陶瓷珠宝制品光泽近乎真品[4]。许多研究者研发各种制品彩色氧化锆陶瓷的方法，由于氧化锆烧结致密化温度在130℃以上，易发生部分不稳定着色氧化锆陶瓷。陶瓷色剂具有耐高温特点，如工业常用蓝色氧化锆色剂CoAl2O4尖晶石。开发新型耐高温尖晶石色剂具有良好前景。

2 氧化锆陶瓷加工分析

氧化锆是锆主要氧化物，高纯氧化锆为白色粉末，溶于水，对碱熔体具有良好稳定性。氧化锆高温热稳定性最佳，熔点为2 680℃，线性膨胀系数约1.0×10-5℃，高温下为导体。氧化锆陶瓷具有耐磨性好等特点[5]。陶瓷材料去除方式包括材料剥落、晶界微破碎等。材料以晶粒形式从工件表面移除，剥落去除是磨削陶瓷材料中重要的去除机理，裂纹扩展使工件机械强度降低。磨削多晶结构陶瓷去除方式以脆性断裂为主。

陶瓷轴类零件包括轴承套圈等，陶瓷零件需要有较高的强度等物理机械性能，要获得近净尺寸的陶瓷毛皮。干压成形生产性好，自动化程度高，作为氧化锆陶瓷成形法，但干压法存在分层等缺陷，采用喷雾干燥粒法提高粉料流动性，可以提高坯体致密度。烧结法采用热等静压烧结法，可以保证烧结毛坯形状精度，提高制品的性能。当前制备陶瓷品技术不断提高，制造陶瓷毛坯制品精度不断提高，但大部分零件使用配合机械结构，需要进行加工提高烧结制品尺寸精度。陶瓷材料由离子键结合呈，具有很高的抗剪切应力，其弹性模量较大，陶瓷材料在常温下为绝缘体，其特点使加工方法受限。陶瓷材料主要加工方法包括变压应力切削法，研磨抛光法等。

3 氧化锆陶瓷磨削工艺优化

氧化锆陶瓷磨削实验选用ZrO2陶瓷毛坯为试件，实验选用树脂结合剂金刚石砂轮，采用水基磨削液见图2。磨削参数、砂轮粒度是影响磨削表面质量的主要因素，选用三因素是水平L16（43）正交表进行实验，实验采用单行程切入式磨削，研究磨削参数对ZrO2陶瓷工件表面粗糙度值Ra的影响情况，正交试验基础上采用单因素实验法，研究砂轮线速度对氧化锆陶瓷磨削表面粗糙度Ra的影响。

图2 氧化锆磨削实验图

实验选用设备为BLOHM Orbit36CNC精密平面成形磨床，最小分辨率可达0.001 mm，最大砂轮线速度达70 m/s。泰勒接触式Surtron-ic25型粗糙度仪测量精度达0.001 μm。考虑砂轮沿轴向磨粒分布均匀性差异，选垂直工件进给方向测量，试件测量5组数据，最终结果采用剩余数据均值表示。依据正交实验性质对实验结果处理，根据Ra回应表得到正交实验结果。各因素对应极差值R不同，极差值R大的因素值改变对粗糙度Ra影响大。实验中需考虑极差值R最大对应因素变化对实验结果的影响，影响工件表面粗糙度因素顺序为磨削深度＞工件进给速度。砂轮对ZrO2工件表面材料去除，ZrO2工件表面粗糙度值Ra逐渐减小。随着磨削深度增加，Ra先减后增。随着工件进给速度增加，Ra先减后增变化较小。

表1 金刚石砂轮性能指标

表2 正交实验因素水平表

表3 Ra回应表

磨削加工是大量磨粒与工件表面进行微小切削作用累积结果，对磨削温度等有重要影响。工件与砂轮在模型中假定为绝对钢体，通过几何法推导轮砂与工件接触弧长度表达式。式中：de为砂轮当量直径，mm；ap为磨削深度，mm；lg为几何接触弧长度，mm。见图3。取砂轮线速度40 m/s，分析粗糙度Ra随磨削深度增大变化趋势，磨削深度为18 μm，Ra达最小值。随磨削深度增加，磨削区接触面积增加，热量积累导致磨削区温度升高，提高氧化锆陶瓷材料断裂任性。磨粒对工件表面划痕加深，氧化锆陶瓷表面材料去除机理转化为脆性去除为主。取磨削深度18 μm，分析粗糙度Ra随工件进给速度增大变化趋势，Ra随工件进给速度增加减小，工件进给速度超过300 mm/min，Ra有增大趋势。

图3 几何接触弧长度模型

4 结语

工程陶瓷具有低密度、耐腐蚀等优异特点，被广泛应用于汽车机械加工等行业，工程陶瓷具有低断裂韧性特点加大零件加工难度，研究氧化锆陶瓷加工工艺技术具有重要意义。本文研究分析氧化锆陶瓷材料特性，介绍氧化锆陶瓷加工技术；实验研究氧化锆陶瓷磨削工艺优化与粗糙度控制。氧化锆陶瓷磨削加工中，砂轮线速度影响工件表面粗糙度；磨削氧化锆陶瓷推荐最优参数组合为，砂轮线速度42～44 m/s，表面粗糙度Ra可控制在0.2 μm内。合理选择磨削参数可对氧化锆陶瓷表面粗糙度预测控制。