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陶瓷氧化锆的成型方式介绍
http://www.cut168.cn 2017-11-11 10:30:28 中国涂附磨具网
【中国刀具网】讯

  什么是陶瓷?

  以无机非金属天然矿物或人造化合物为原料,经粉碎、成形和高温烧结而制成的非金属材料。陶瓷主要分传统陶瓷和特种陶瓷两类。

  传统陶瓷以粘土(包括陶土、瓷土、高岭土等)、石英、长石等天然矿物为主要原料,经粉碎、成形和烧结而成。因具有耐火、耐酸碱、抗氧化、电绝缘性好和易于清洗等优点而被广泛应用。常见的有:日常生活中用的陶器、瓷器;建筑工业中的琉璃瓦、瓷砖、盥洗器等;化学工业中的耐酸砖、管道、容器和过滤器等;实验室中的坩埚、蒸发皿;电气工业中的绝缘子、套管、开关等。

  特种陶瓷以氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化铅、氧化钛、碳化硅、碳化硼、氮化硅、氮化硼等人造化合物为原料,采用传统的或特殊的方法进行粉碎、成形、经高温烧制而成。有的在烧成后还要进行机械加工或极化处理,以达到对尺寸和形状的精密要求,或使产品具有特定的铁电性能等。特种陶瓷大体上可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。结构陶瓷在强度、硬度、耐磨性、耐热性、耐蚀性等方面都远远超过传统陶瓷。功能陶瓷具有铁电、反铁电、磁性、气敏、热敏、快离子传导等特殊性能。这两类陶瓷广泛用于机械、化工、冶金、航空、原子能、新能源以及国防工业方面,如用氧化铝瓷可制作高速切削刀具和耐磨零件、炉管、热电偶保护管、高温器皿、电绝缘和电真空器件、射出成型机的嘴、汽缸成型用模子、卡规、轴瓦、划线台、焊接夹具、研磨夹具、机械密封零件、需要耐磨耐蚀的化工设备等。用氮化硅瓷和碳化硅瓷制成的各种泵的端面密封环,能耐各种介质的腐蚀,其寿命远比硬质合金高。氮化硅和碳化硅材料作为汽车工业零件和轴承材料的研究工作正在受到越来越多的重视。氧化锆材料作为锅炉和汽车排气系统的氧气敏感器也很有发展前途。特种陶瓷材料最具有吸引力的用途是作为热机材料,可大大提高热机效率,其中最有希望的是氮化硅、碳化硅、赛隆(SIALON)和部分稳定氧化锆等。

  陶瓷性能陶瓷是由无数无机非金属小晶体和玻璃相所组成,在晶体内部和晶界上常有气孔和杂质。陶瓷的性能在很大程度上决定于它们的显微结构,包括晶粒尺寸和分布,玻璃相的成分和含量,杂质的性质、含量和分布等。而显微结构又由原料、组成和制造工艺所决定。陶瓷的共同特点是硬度高、抗压强度大、耐高温、耐磨损、抗氧化和耐腐蚀性能好;缺点是质脆、经不起冲击、缺乏延展性、耐急冷急热性能较差。

  手机机壳用陶瓷氧化锆 陶瓷氧化锆的大致制造方法是将氧化锆(ZrO2)粉末与稳定剂和几块金属锆混合,放入盔埚内,盔埚外部有高频电管和水冷系统,氧化锆原料在高频电磁波作用下,磨擦生热而熔融,在降低功率时,熔化的溶液就结成为立方氧化锆晶体。立方氧化锆无色,呈金刚光泽,如加入微量的色素离子可呈现各种鲜艳的颜色,但色泽看上去比较柔和,因此,用它可做各种时款表件。纯氧化锆折光率为2.15,密度为5.6-6g/cm3,硬度为8.5,略有透视效应。

  由于陶瓷氧化锆硬度高,耐腐蚀,耐高温,具有良好的物理特性,适合制作细小复杂的零件。

  合成氧化锆的主要加工方式介绍

  合成氧化锆(也作syntheticzirconia)的加工方式主要有以下几种

  1、熔融加工(FusedProcess)

  将锆石(Zircon)与碳(Carbon)共同置于2800℃左右的电弧炉中熔炼。在这里,二氧化硅被还原为一氧化硅挥发掉,留下氧化锆。经过进一步加工(有时是在自己的炉内进行),则生成含二氧化硅小于0.2%的氧化锆。这种单斜晶系的氧化锆可直接使用或再加工成稳定产品。

  2、碱性加工(AlkalineProcess)

  将锆石与氢氧化钠或氧化钙(石灰)一起在600-1000℃加热条件下制成硅酸盐混合物。之后将硅酸盐滤出,经过烘干或焙烧,生产出约含二氧化硅0.10%的氧化锆。

  3、等离子加工(PlasmaProcess)

  锆石连续送入并通过一个甚高温度(15000℃)等离子电弧反应器,之后分裂为氧化锆(ZrO2)和二氧化硅(SiO2)二种成分。之后采用化学加工清除大部分氧化硅,从而得到二氧化硅品位低于0.10%的氧化锆。

  4、化学沉淀法(ChemicallyPrecipitatedProcess)

  经过热化学加工,锆石被分解并进入溶液。之后大量的锆化合物可以从溶液中沉淀出来,如氯氧化锆(zirconiumoxychloride)或氢氧化锆(zirconiumhydroxide)。这些产品再经过锻烧从而得到纯度达99.9%的二氧化锆。

  手机机壳用陶瓷氧化锆增韧处理以及存在问题

  陶瓷材料在应用中的致命弱点是其脆性,因此,近年来,增韧氧化锆陶瓷被给予了更多关注,氧化锆增韧材料通常用于制作模具,研磨介质,切削刀具,手机机壳等。

  氧化锆陶瓷的相变有体积变化和形状改变,通常出现剪切形变。新相与旧相共用的界面保持严格的位相关系,在1000℃左右发生的四方单斜相变,体积膨胀率3%到7%,纯度高的氧化锆材料更加明显,如果用此种变体来制作陶瓷,容易碎裂。因此,要考虑用于稳定相的稳定剂的种类与剂量的加入,由于体积膨胀产生裂纹,一般制造纯氧化锆烧结体是很困难的。

  应力诱导相变对温度的敏感性导致氧化锆的稳定性随温度升高而增高,相变韧性失效,致使强度和韧性急剧下降,这一缺陷使得增韧氧化锆陶瓷在高温环境下的应用受到限制。复合化是解决此问题的有效途径。所选增韧相主要为高强度高模量的晶须,片晶,纤维以及颗粒。

  其中最早尝试的是碳化硅晶须,这类复合材料的强度和断裂韧性取决于氧化锆的稳定程度,晶须含量和性能以及晶须和基本界面的结合强度。适当控制稳定剂Y2O3的含量,并选择性能优良的晶须,有效控制残余热应力和界面结合力。适当控制稳定剂Y2O3的含量,并选择性能优良的晶须,有效控制残余热应力和界面结合力[如在碳化硅晶须表面进行Al203、莫来石涂层处理,可使15%(体积分数)碳化硅/TZP复合材料的室温强度由无涂层的700MPa分别提高至1000MPa和1450MPa,能使复合材料中晶须补强与相变增韧产生协同增韧的效果,提高增韧补强效果。

  在这类复合材料中,晶须增韧主要机制为裂纹偏转、晶须桥联、界面解离、晶须拔出以及应力按模量转移等。晶须在产生以上增韧作用的同时,还将和相变增韧发生协同作用,晶须的桥联增韧和裂纹偏转增韧将延长裂纹扩展长度,使可相变体积分数增大,同时相变增韧产生的体积膨胀加强了晶须/基体界面结合,有利于载荷转移效应的实现。

  利用SiC晶须与TZP复合虽然取得了较好的效果,但由于SiC与TZP的热失配在基体中产生较大的应力.使室温强度下降,加之晶须的毒性及在基体中的分散不均匀,使这种方法受到了一定的限制。

  于是,人们尝试用高强度、高弹性模量的刚性颗粒如SiC、Al203等用于与TZP复合。通过对20%(体积分数)碳化硅和TZP复合材料的微观结构及力学性能的研究发现,尽管由于SiC的较低的热膨胀系数和较高的弹性模量降低了t—Zr0。的可相变体积分数,削弱了相变效应,但SiC颗粒对裂纹的偏转效应使材料的韧性提高。在1000℃时单相钇稳定氧化锆的强度只有室温的13%,但碳化硅/TZP的强度是室温的31%。

  利用碳化硅晶须,氧化铝片晶与TZP复合使材料的韧性的道理改善。裂纹偏转是他们的主要增韧机制。

  手机机壳氧化锆结构陶瓷生产工艺简介

  氧化锆以其优异的高温物理和力学性能而得到广泛应用,尤其被用于苛刻条件下使用的关键部件。由于氧化锆的导热性能低、热膨胀系数大,因此氧化锆制品的热稳定性较差。但采用部分稳定氧化锆原料制得的制品晶型组成的氧化锆原料制得的陶瓷制品的热稳定性最好。因此制造氧化锆结构陶瓷往往采用部分稳定氧化锆原料而不是全稳定氧化锆原料。生产氧化锆结构陶瓷一般用3mo1%y203稳定的氧化锆超细粉。下面从成型和烧成两方面论述一下氧化锆结构陶瓷生产工艺。

  一、成型

  氧化锆结构陶瓷的成型方法目前用得较多的有三种:热压铸成型、干压成型和等静压成型。

  1、热压铸成型

  对于氧化锆结构陶瓷小型产品或形状复杂的产品。一般采用热压铸成型方法。该成型方法比较简单,特别适宜于生产批量大或形状复杂的中小型产品。但氧化锆热压铸产品排蜡时易出现开裂、变形等缺陷,这是因为氧化锆陶瓷料浆颗粒粒径较小,粉料比表面积大,调制热压铸浆料时,石蜡及油酸的加人量要明显高于其它陶瓷制品,从而造成坯体收缩大,排蜡时易出现开裂、变形等缺陷。因此调试浆料时,要掌握好石蜡及油酸的加入量和加人方式,设计合理的排蜡烧成曲线及其它相关工艺参数,可以避免上述缺陷的出现。

  2、干压成型

  对形状简单、适于干压成型的中小型氧化锆陶瓷产品常采用干压方法成型。氧化锆陶瓷干压时出现的常见问题是产品分层,这是因为氧化锆超细粉造粒料的颗粒很细,因而颗粒轻、流动性差,干压成型时容易出现分层现象。从生产实践中得知,产品分层与成型模具的光洁度和配合情况、成型压力、加压方式、加压速度和保压时间、脱模方式、脱模速度均有关系,下面就上述几方面因素对干压成型的影响分述如下:

  a、模具的光洁度和配合情况

  干压成型对模具质量要求较高,首先要求模具硬度达到一定的要求。由于氧化锆稳定料的颗粒很细,流动性差,因而对模具的光洁度要求很高,若光洁度达不到要求,则干压时影响料的流动,从而导致分层的出现。同时,若模具配合不好,间隙大,则由于氧化锆粉料颗粒细,压制时粉料会从模具间隙中流出,从而造成模具四周的粉料少,这样压制时四周就不能压实,从而会因压力传递不一致而出现分层,故对模具的配合要求较高。

  b、成型压力

  成型压力在氧化锆干压成型过程中是较关键的,压力太小和太大都不能压制出理想的坯体。压力太小,则烧后产品的密度小,产品收缩大,坯体压实程度不够容易出现分层;而压力太大,坯体也容易出现裂纹、分层和脱模困难等现象。合适的成型压力需要通过生产实践来摸索。

  c、加压方式

  般干压成型时加压方式有两种,一种是单面加压,另一种是双面加压。当单面加压时,则直接受压的一端压力大,出现明显的压力梯度,粉料的流动性越差,则坯体内出现的压力差也就越大,越容易出现分层。双面加压时,坯体两端直接受压,因此两端密度大,中间密度小,其压力梯度的有效传递距离为单面加压的一半,故坯体的密度比单面加压要均匀得多。因此氧化锆陶瓷干压成型时宜采用双面加压的方式。

  d、加压速度和保压时间

  加压速度和保压时间控制不好也会造成氧化锆坯体出现分层等缺陷。压模下落的速度应缓慢一些,如加压速度过快,则坯体中气体不易排出,从而导致坯体出现分层,表面致密而中间松散,以及存在气泡等现象。如保压时间过短,则压力还未传到应有的深度时,外力就已卸掉,这样坯体中气体不易排出,就难以得到较为理想的坯体,会导致坯体出现分层以及存在气泡等现象。同时保压时间应均匀一致,否则会引起产品厚薄不均,造成废品。

  e、脱模方式和脱模速度

  干压脱模时一般采用工具将坯体从模腔中顶出,脱模速度要均匀缓慢,如不注意会引起坯体开裂。实践表明脱模时脱模工具要平整,否则会引起坯体受力不均而造成开裂。总之,干压成型和上述几方面因素都有关系,要成型出理想的坯体,以上各方面都要控制好。

  3、等静压成型

  对形状特殊和尺寸大的氧化锆结构陶瓷,需采用等静压成型。等静压成型的坯体由于各方向所受压力均匀相等,且压力大,因此成型后的坯体密度高,均匀性好,烧成收缩小,不易变形、开裂、分层。该成型方法可避免干压时易出现的分层,特别是成型较厚的氧化锆制品,干压时极易出现分层,而等静压成型则可避免,因此该成型方法是生产氧化锆制品常用的方法。但等静压成型后的坯体需要加工,因此会浪费一部分原料,同时由于坯体很硬,加工比较麻烦,且加工速度要求缓慢,否则坯体易发生断裂,生产效率不高。

  二、烧成

  氧化锆在不同温度下,存在着三种同质异形体,即立方晶系、单斜晶系和四方晶系。氧化锆晶形的转变温度如下:

  由单斜晶系转化为四方晶系时伴有7%左右的体积变化。加热时由单斜一氧化锆转变为四方一氧化锆发生体积收缩;冷却时由四方一氧化锆转变为单斜一氧化锆发生体积膨胀,这种收缩与膨胀并不发生在同一温度,前者约为1200℃,后者约为1000℃。

  氧化锆陶瓷的烧结温度随原料的制备方法、细度、添加剂种类和加入量的多少而不同,一般在1500~1650℃之间,因此氧化锆陶瓷没有统一的烧成曲线,其适宜的烧成制度要通过烧成试验能得到。氧化锆陶瓷的烧成由于伴随着体积的变化,很容易出现开裂,因此烧成曲线的选择在氧化锆陶瓷烧成过程中是非常重要的。要注意控制升温速率,特别在其晶相转变温度区域内,升温速率要放慢,对厚胎和大件制品更要注意升温速率。在1100℃以上降温速率也要控制好,不能太快,否则也会出现开裂。

  氧化锆材料有多种优异性能,特别是具有增韧的作用,因而被作为韧性陶瓷广泛地应用的。它具有高的韧性、高的抗弯强度、高的硬度和耐磨性等特点,更显示出应用的广泛性。它在机械、电子、石油、化工、航天、纺织、精密测量仪器、精密机床、生物工程和医疗器械等行业有着广泛的应用前景。日用陶瓷刀具的日益普及,也使得氧化锆结构陶瓷开始进军日用陶瓷领域。氧化锆结构陶瓷作为氧化锆的一个最重要的应用领域,目前越来越为人们所重视,行业前景光明。

  陶瓷机械有关磨具的基本特征

  磨具按其原料来源分,有天然磨具和人造磨具两类。机械工业中常用的天然磨具只有油石。人造磨具按基本形状和结构特征区分,有砂轮、磨头、油石,砂瓦和涂附磨具五类。此外,习惯上也把研磨剂列为磨具的一类。

  磨具除在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用外,还用于粮食加工、造纸工业和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡胶、木材等非金属材料的加工。

  磨具的主要特征包括磨料、粒度、硬度、组织和结合剂等五个因素。根据不同用途进行适当的选择可直接提高加工质量和生产效率。

  磨料

  磨具使用的磨料主要有棕刚玉、白刚玉、黑碳化硅和绿碳化硅等。

  棕刚玉韧性高,适宜磨削碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等抗张强度高的材料。白刚玉比棕刚玉有较高的硬度,切削性能较好,适于淬火钢、高碳钢、高速工具等材料的精磨工序。

  黑碳化硅硬度高,性脆而锋利,适于磨削、切割抗张强度低的材料,如:铸铁、玻璃、陶瓷、石料、耐火物等。

  绿碳化硅较黑硅化硅纯度高。适于磨削硬质合金、光学玻璃、宝石、玛瑙等硬脆材料。

  粒度

  粒度的选择主要取决于对工件表面的加工精度和生产效率的要求。粗粒度及中等粒度的磨具适用于粗加工及半精加工,而细粒度磨具,则应用于精加工及超精加工。被磨削的物理机械性能也系决定粒度的因素,硬度低,延展性及韧性大的材料宜用粗粒度磨具加工,而硬度高性脆的材料宜用细粒度的磨具。

  组织

  磨具的组织指组成磨具的磨料,结合剂和气孔三者的体积比例关系。磨料少、气孔率大称为松组织,反之为紧密组织。

  紧密组织的磨具,宜用于精磨,成型磨及加工留间小而表面光洁度要求高的工件。

  中等组织的磨具广泛用于一般留量工件的磨削工作。

  松组织的磨具适用于平面,内圆等接触面大的磨削加工及磨削膨胀敏感的工件及软质材料的工件。

  硬度

  磨具表面的磨料被结合剂固定在一起的强度。或在外力作用下,脱落的难易程度,称为磨具的硬度。

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