氧化鋯陶瓷的磨削工藝優化研究

陳 璐

（朔州陶瓷職業技術學院，山西 朔州 038300）

引言

中國制造2025綱領提出后，工業領域對高性能材料需求增大。工程陶瓷具有高強度、耐磨損等優點，應用于密封環、渦輪葉片等場合。由于工程陶瓷具有較高硬度，使其成為典型難加工材料。探究合適的加工方法對工程陶瓷發展具有重要意義。隨著科技的快速發展，工程陶瓷材料加工表面質量要求不斷提高，Wu等提出新的脆性材料表面粗糙度模型，Sanjay通過碳化硅陶瓷磨削實驗研究影響磨削表面質量因素。表面粗糙度值Ra是評價磨削結果的重要指標，國內外學者對工程陶瓷精密加工進行大量研究。本文以某型號機床中氧化鋯陶瓷零件為例，粗糙度要求Ra不超過0.25 μm，探究磨削工藝參數對加工表面粗糙度的影響，對確定工程陶瓷精密磨削參數具有重要指導意義。

1 氧化鋯陶瓷研究

陶瓷材料具有高強度、耐磨損等系列優異性能，廣泛應用于生物醫療等高技術領域。由于陶瓷材料脆性大等特點難以加工，結構復雜陶瓷零件采用膠態成型工藝制造，難以滿足精細化高端產品快速制造要求[1]。氧化鋯陶瓷具有優異力學性能，較高的熔點、抗化學腐蝕等因素，廣泛應用于結構陶瓷等領域。單純的氧化鋯因相變難以直接作為材料應用。通過加入MgO等穩定劑使氧化鋯陶瓷穩定在t-ZrO2相，不會因相變發生材料開裂等現象。

鋯石是天然礦物，1789年德國化學家對寶石加熱發現氧化鋯，氧化鋯與其他稀土氧化物混合用作陶瓷制備色料，氧化鋯陶瓷存在5種已知晶體結構，隨著溫度升高觀察到三種晶型，見圖1，四方相力學性能最佳，單斜相氧化鋯力學性能最差[2]。氧化鋯陶瓷相變增韌機理包括微裂紋增韌，應力誘導相變增韌等。氧化鋯陶瓷具有系列優異性能，由于體積密度大等特點，采用Y-TZPT陶瓷制得磨球具有卓越耐磨性。Y-TZP廣泛應用于制造光纖通信用陶瓷插芯。全穩定FSZ陶瓷具有優異的熱穩定性，可用作固體氧化物燃料電池電極材料等。氧化鋯具有良好的耐腐蝕性，是口腔修復的理想材料[3]。70年代氧化鋯顯示出優良性能開始得到廣泛研究，在工業生產中得到普遍應用。氧化鋯粉體制制備技術形成系列成熟的工藝，新的制備工藝不斷出現。氧化鋯具有良好的高溫穩定性，成為同類材料的主導，氧化鋯泡沫陶瓷是鑄鋼產品性能優異材料。

圖1 氧化鋯三種晶型結構示意圖

氧化鋯是具有耐腐蝕與優良導電性的無機非金屬材料，許多國家大力支持對ZrO2制造技術的研發，拓展ZrO2在材料結構中的應用。ZrO2因在不同條件下半導體特性被廣泛應用于電子陶瓷等高科技領域。隨著人們生活水平的提高，對裝飾品色彩要求不斷提高。具有優異力性能的彩色氧化鋯陶瓷備受關注，相比傳統金屬材料，氧化鋯優良光折射率具有更好的光澤，氧化鋯陶瓷珠寶制品光澤近乎真品[4]。許多研究者研發各種制品彩色氧化鋯陶瓷的方法，由于氧化鋯燒結致密化溫度在130℃以上，易發生部分不穩定著色氧化鋯陶瓷。陶瓷色劑具有耐高溫特點，如工業常用藍色氧化鋯色劑CoAl2O4尖晶石。開發新型耐高溫尖晶石色劑具有良好前景。

2 氧化鋯陶瓷加工分析

氧化鋯是鋯主要氧化物，高純氧化鋯為白色粉末，溶于水，對堿熔體具有良好穩定性。氧化鋯高溫熱穩定性最佳，熔點為2 680℃，線性膨脹系數約1.0×10-5℃，高溫下為導體。氧化鋯陶瓷具有耐磨性好等特點[5]。陶瓷材料去除方式包括材料剝落、晶界微破碎等。材料以晶粒形式從工件表面移除，剝落去除是磨削陶瓷材料中重要的去除機理，裂紋擴展使工件機械強度降低。磨削多晶結構陶瓷去除方式以脆性斷裂為主。

陶瓷軸類零件包括軸承套圈等，陶瓷零件需要有較高的強度等物理機械性能，要獲得近凈尺寸的陶瓷毛皮。干壓成形生產性好，自動化程度高，作為氧化鋯陶瓷成形法，但干壓法存在分層等缺陷，采用噴霧干燥粒法提高粉料流動性，可以提高坯體致密度。燒結法采用熱等靜壓燒結法，可以保證燒結毛坯形狀精度，提高制品的性能。當前制備陶瓷品技術不斷提高，制造陶瓷毛坯制品精度不斷提高，但大部分零件使用配合機械結構，需要進行加工提高燒結制品尺寸精度。陶瓷材料由離子鍵結合呈，具有很高的抗剪切應力，其彈性模量較大，陶瓷材料在常溫下為絕緣體，其特點使加工方法受限。陶瓷材料主要加工方法包括變壓應力切削法，研磨拋光法等。

3 氧化鋯陶瓷磨削工藝優化

氧化鋯陶瓷磨削實驗選用ZrO2陶瓷毛坯為試件，實驗選用樹脂結合劑金剛石砂輪，采用水基磨削液見圖2。磨削參數、砂輪粒度是影響磨削表面質量的主要因素，選用三因素是水平L16（43）正交表進行實驗，實驗采用單行程切入式磨削，研究磨削參數對ZrO2陶瓷工件表面粗糙度值Ra的影響情況，正交試驗基礎上采用單因素實驗法，研究砂輪線速度對氧化鋯陶瓷磨削表面粗糙度Ra的影響。

圖2 氧化鋯磨削實驗圖

實驗選用設備為BLOHM Orbit36CNC精密平面成形磨床，最小分辨率可達0.001 mm，最大砂輪線速度達70 m/s。泰勒接觸式Surtron-ic25型粗糙度儀測量精度達0.001 μm。考慮砂輪沿軸向磨粒分布均勻性差異，選垂直工件進給方向測量，試件測量5組數據，最終結果采用剩余數據均值表示。依據正交實驗性質對實驗結果處理，根據Ra回應表得到正交實驗結果。各因素對應極差值R不同，極差值R大的因素值改變對粗糙度Ra影響大。實驗中需考慮極差值R最大對應因素變化對實驗結果的影響，影響工件表面粗糙度因素順序為磨削深度＞工件進給速度。砂輪對ZrO2工件表面材料去除，ZrO2工件表面粗糙度值Ra逐漸減小。隨著磨削深度增加，Ra先減后增。隨著工件進給速度增加，Ra先減后增變化較小。

表1 金剛石砂輪性能指標

表2 正交實驗因素水平表

表3 Ra回應表

磨削加工是大量磨粒與工件表面進行微小切削作用累積結果，對磨削溫度等有重要影響。工件與砂輪在模型中假定為絕對鋼體，通過幾何法推導輪砂與工件接觸弧長度表達式。式中：de為砂輪當量直徑，mm；ap為磨削深度，mm；lg為幾何接觸弧長度，mm。見圖3。取砂輪線速度40 m/s，分析粗糙度Ra隨磨削深度增大變化趨勢，磨削深度為18 μm，Ra達最小值。隨磨削深度增加，磨削區接觸面積增加，熱量積累導致磨削區溫度升高，提高氧化鋯陶瓷材料斷裂任性。磨粒對工件表面劃痕加深，氧化鋯陶瓷表面材料去除機理轉化為脆性去除為主。取磨削深度18 μm，分析粗糙度Ra隨工件進給速度增大變化趨勢，Ra隨工件進給速度增加減小，工件進給速度超過300 mm/min，Ra有增大趨勢。

圖3 幾何接觸弧長度模型

4 結語

工程陶瓷具有低密度、耐腐蝕等優異特點，被廣泛應用于汽車機械加工等行業，工程陶瓷具有低斷裂韌性特點加大零件加工難度，研究氧化鋯陶瓷加工工藝技術具有重要意義。本文研究分析氧化鋯陶瓷材料特性，介紹氧化鋯陶瓷加工技術；實驗研究氧化鋯陶瓷磨削工藝優化與粗糙度控制。氧化鋯陶瓷磨削加工中，砂輪線速度影響工件表面粗糙度；磨削氧化鋯陶瓷推薦最優參數組合為，砂輪線速度42～44 m/s，表面粗糙度Ra可控制在0.2 μm內。合理選擇磨削參數可對氧化鋯陶瓷表面粗糙度預測控制。