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陶瓷材料加工技术 陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热、化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材料。但由于陶瓷材料同时具有高脆性、低断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此陶瓷材料的加工难度很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，很难实现高精度、高效率、高可靠性的加工，从而限制了陶瓷材料应用范围的进一步扩展。为满足近年来科技发展对精细陶瓷、光学玻璃、晶体、石英、硅片和锗片等脆性材料制品日益增长的需要，在目前较为成熟的陶瓷材料加工技术的基础上，进一步研究开发高精度、高效率和具有高表面完整性的陶瓷材料加工技术显得尤为迫切。 　　 　　二、陶瓷材料加工技术 　　 　　金属材料的加工可根据材料种类、工件形状、加工精度、加工成本、加工效率等因素选择不同的加工方法。而对于陶瓷材料，由于其特殊的物理机械性能，最初只能采用磨削方法进行加工，随着机械加工技术的发展，目前已可采用类似金属加工的多种工艺来加工陶瓷材料。 　　 　　目前较为成熟的陶瓷材料加工技术主要可分为力学加工、电加工、复合加工、化学加工、光学加工等五大类，见下表。 　　陶瓷材料主要加工方法 　　 力学加工 磨料加工 研磨加工，抛光加工，砂带加工，滚筒加工，珩磨加工，超声加工，喷丸加工，粘弹性流动加工 塑性加工 金刚石塑性加工，金刚石塑性磨削 电加工 电火花加工，电子束加工，离子束加工，等离子束加工 复合加工 光刻加工， ELID磨削，超声波磨削，超声波研磨，超声波电火花加工 化学加工 腐蚀加工，化学研磨加工 光学加工 激光加工 　　1) 切削加工 　　 　　陶瓷材料的切削加工不仅适用于半烧结体陶瓷，也适用于完全烧结体陶瓷。半烧结体陶瓷的切削加工是为了尽可能减少完全烧结体陶瓷的加工余量，从而提高加工效率，降低加工成本。日本的研究人员使用各种刀具在不同温度下对Al2O3陶瓷和Si3N4陶瓷半烧结体进行了切削试验。试验中根据不同的加工要求，采用了干式切削与湿式切削等方法，获得了有价值的研究成果。 　　 　　国外一些研究者针对完全烧结体陶瓷的切削加工进行了试验研究。日本的研究人员在使用聚晶金刚石刀具对Al2O3陶瓷与Si3N4陶瓷进行切削试验时发现，粗粒聚晶金刚石刀具在切削过程中磨损较小，加工效果较好；在使用金刚石刀具切削ZrO2陶瓷时，达到了类似于切削金属时的效果。他们还探讨了陶瓷塑性切削极限问题，指出当Al2O3陶瓷的临界切削深度apmax＝ 2μm时， SiC陶瓷的apmax＝ 1μm， Si3N4陶瓷的apmax＝ 4μm( ap＞apmax时，陶瓷材料会产生脆性破坏；ap＜ apmax时，则为塑性流动式切削)。美国的研究人员对单晶锗进行了一系列金刚石车削试验，成功地实现了脆性材料的塑性超精密车削，并提出了临界切削厚度的计算公式。用金刚石刀具切削脆性材料并获得高质量的加工表面是近十几年来发展起来的新技术，通常称为脆性材料的超精密车削加工。 　　 　　2) 研磨、抛光加工 　　 　　研磨、抛光加工是采用游离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方法。在陶瓷材料的超精加工与光整加工中，特别是在用于陶瓷轴承的陶瓷球的精密加工中，研磨、抛光加工有着不可替代的位置。光学玻璃、蓝宝石等光学材料，硅片、GaAs基片等半导体材料，Al2O3陶瓷、Si3N4陶瓷等陶瓷材料的镜面加工大多采用研磨、抛光加工方法。从材料的去除机理上看，研磨加工是介于脆性破坏与弹性去除之间的一种加工方法，而抛光加工基本上是在材料的弹性去除范围内进行。研磨、抛光加工由于材料去除量小，加工效率低，一般只用于超精加工的最终工序。研磨、抛光加工的材料去除率与被加工材料的韧性有较大关系，韧性越高，加工效率越低。 　　 　　3) ELID磨削加工 　　 　　ELID磨削技术是由日本物理化学研究所的大森整等人于1987年提出的一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线的电解作用对金属基砂轮进行修整，即在磨削过程中在砂轮和工具电极之间浇注电解磨削液并加以直流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐性。ELID磨削技术成功地解决了金属基超硬磨料砂轮修整的难题，同时在线电解的微量修整作用使超细粒度砂轮在磨削过程中能保持锋锐性，为实现稳定的超精密磨削创造了有利条件。 　　 　　日本的研究人员使用＃8000(最大磨粒直径约为 2μ m)铸铁基金刚石砂轮对硅片进行磨削，获得了最大表面粗糙度值为0.1μm的高精表面。使用青铜基砂轮对陶瓷材料进行精