精密陶瓷如何实现高附加值?挑战传统表面精加工方式!

发布时间: 03月28日 浏览次数:483

 

 

 

“整天长吁短叹、闷闷不乐没有任何意义。

与其成天不满,不如埋头于

被公司安排的特殊瓷器的研究中。”

 

——京瓷

 

 

“精密陶瓷”的名称是京瓷的创始人稻盛和夫命名的。稻盛和夫一直倡导“精密陶瓷和传统陶瓷不同,作为工业用零部件,必须具有高附加值,其价值不能用数量来衡量,无论从物理性质上来说,还是从结构上来说,都必须是精密的东西。”

 

在陶瓷中,以电子工业为首的各种工业用途中使用的瓷器需要具有高性能和高精度,在JIS R 1600:2011(精密陶瓷相关术语)中,对精密陶瓷进行了如下的定义:“主要是指对化学成分、晶体结构、微结构组织和晶界、形状、制造工艺进行精密控制而制造的、具有新功能或者特性的非金属无机物质”。

 

自从1973年被制造以来,精密陶瓷一词已经被广泛使用,高精度陶瓷的制品越来越高端繁复,从高温陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化硼陶瓷、氧化铍陶瓷、氮化铝陶瓷、金属化陶瓷、多孔性陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷,到氧化铝陶瓷加热棒、陶瓷切割刀片、陶瓷灌装泵、陶瓷反射器、热解氮化硼(PBN)、氧传感器加热器,在机械传动、电子和数据存储、医疗制药、器械、半导体、光学等尖端部件应用愈发广泛而深刻。

 

图源:Etdceramics

 

 

精密陶瓷表面精加工

精密陶瓷表面精加工是指被加工对象表面质量得到大幅度提高的同时,实现精度的稳定甚至可提高加工精度等级的一种加工技术,是绝大多数零件的最后一道工序。其主要功能有:

 

  • 去毛刺、倒圆、倒角等,陶瓷零件表面之间光滑过渡,提高零件的装配工艺性;

  • 降低陶瓷零件表面粗糙度,去除划痕、微观裂纹等表面缺陷,提高和改善零件表面质量;

  • 提高零件表面机械性能,改善零件表面应力分布状态,提高零件使用性能和寿命;

  • 改善零件表面的光泽度和光亮程度,提高零件表面清洁程度;

 

精密陶瓷表面精加工根据加工手段可分为两大类。一类是以切削加工原理为主的单纯机械作用精密陶瓷光整加工方法,被统称为传统精密陶瓷光整加工技术,其内容主要包括镜面磨削、珩磨、超精研、研磨以及抛光等。

 

另一类高能加工以及多种加工原理复合的精密陶瓷光整加工方法,称为非传统精密陶瓷光整加工技术,其内容主要包括化学机械抛光、电化学抛光、脉冲电化学精密陶瓷光整加工、电化学机械精密陶瓷光整加工以及超声波加工等。

 

图源:Precision-ceramics

 

 

高精度金刚石工具

陶瓷产品经历各种加工过程,包括切割、研磨和抛光。为了生产高质量的陶瓷产品,烧结和制造后的所有加工操作都应使用高精度金刚石工具进行。这是主要使用金刚石砂轮等工具,精密陶瓷的硬度高,因此,使用最为坚硬的金刚石砂轮进行更高尺寸精度的加工。是制作高尺寸精度的产品或者研磨成镜面的产品所需的重要工序。校准辊、金刚石薄膜、金刚石锯片、研磨刷、抛光轮和金刚石刀片,都是陶瓷制造商可靠的工具来源,旨在以一致的质量提供无与伦比的生产率。

 

金刚石磨砂轮 图源:MONTE BIANCO

陶瓷刀具 图源:Engis

金刚石海绵砂 图源:中微纳米

 

 

研磨与抛光

氧化锆陶瓷的超精加工是一种利用游离磨料去除被加工表面材料以达到加工效果的方法。磨削和抛光在先进陶瓷材料的超精加工和精加工中具有不可替代的地位,特别是在陶瓷轴承用陶瓷球的精密加工中。这两个工序的精度控制也体现了厂家的加工和定制能力。

氧化锆陶瓷的研磨和抛光 图源:东莞明瑞陶瓷

 

 

 

车削、磨削

车削加工主要是切削高硬度、高耐磨性的工业陶瓷材料,对工业陶瓷材料精车削时,使用天然单晶金刚石刀具,切削时采用微切削方式。由于陶瓷材料硬度和脆性很大故车削加工应用不多。

适用于超硬陶瓷的精加工工具 图源:三磨所/国机集团

 

由于陶瓷具有高硬度和耐磨性,其加工方法并不多,只有磨削加工是应用最多的方法,磨削加工所用砂轮一般选用金刚石砂轮。磨削液选用清洗性能好、粘度低的磨削液;经过磨削加工后,精密陶瓷表面会具有一定的光洁程度,用磨削加工工作效率较高。陶瓷精加工服务有:

 

  • 表面磨削、外径磨削、内径磨削、无心磨削。(公差范围高达+/-0.0001英寸)

  • 夹具研磨、珩磨

  • 研磨、抛光(精度为0.005毫米的表面研磨)

图源:Moresuperhard

从材料去除机理来看,磨削是介于氧化锆陶瓷脆性破坏和弹性去除之间的一种加工方法,而抛光基本是在材料弹性去除范围内进行的。由于氧化锆陶瓷材料去除量小,加工效率低,研磨抛光一般只用于氧化锆陶瓷的超精加工的最后工序。研磨抛光氧化锆陶瓷的材料去除率与添加氧化锆陶瓷的韧性密切相关。氧化锆陶瓷的韧性越高,氧化锆陶瓷的加工效率越低。

 

研磨(上)与抛光(下)对比图 图源:Kemet

 

 

磁流体抛光

全陶瓷轴承是为在极端特殊环境下运行的应用而设计的,传统轴承不适合这种环境。完全由陶瓷材料制成的抗摩擦滚珠轴承可适用极端的工作环境。其内/外环和球由氮化硅(Si3N4)、氧化锆(氧化锆)或碳化硅(碳化硅)制成的。氮化硅陶瓷球也是一样,具有高硬度、电绝缘和低密度等特性,作为精密陶瓷滚珠,充满美学的外表意味着表面粗糙度值就越低,表面缺陷也越少。

 

图源:Ortechceramics

 

对陶瓷滚珠的精密抛光来讲,磁流体抛光技术一种新兴的先进加工技术,其方法是一种将含有研磨剂的磁性流体附着至滚轮上,并利用工件与研磨剂接触时产生的剪切力进行抛光,适用于陶瓷球珠的高精度抛光以及整形。使得氮化硅陶滚珠轴承实现极高的表面精度,实现更好的机械性能——更低的摩擦阻力、更高的抗咬合性、更高的耐腐蚀性、更高的刚性,进而延长产品寿命。

 

 

电解抛光

耐磨精密陶瓷棒材料如氧化锆精密陶瓷、氧化铝精密陶瓷、这些材料是典型的电和热的绝缘体,且比金属和高分子更耐高温和腐蚀性环境。在工业领域,如石油、化工、钢铁、电子纺织和汽车等行业,以及很多尖端技术领域如航天、核工业和军事工业中有着广泛的应用价值和潜力。

 

电解加工是实现精密陶瓷棒表面质量的一种电化学加工方法。电解加工是利用金属在电解液中发生阳极溶解的电化学反应原理,将陶瓷材料加工成型的一种方法。加工是以工件为阳极,工具电极为阴极,在两极之间施加直流电压,由于电化学反应的作用,靠近电极导电端的工件表面的金属材料被溶解,直到符合加工成型要求。

 

图源:Accumet

 

电解加工不受陶瓷材料硬度、强度和韧性的限制,可加工硬质合金、氧化锆精密陶瓷、氧化铝精密陶瓷、耐热合金等难切削金属材料。同时加工过程中无机械切削力和切削热的影响,较适于易变形或薄壁零件的加工。电解加工能一次完成陶瓷形状复杂型面或型腔的加工,效率比电火花成型加工高5- 10倍。

 

 

化学机械抛光

PCB工艺性能也是越来越精湛先进。不管是硬板还是软板还是软硬结合版,陶瓷基板都是PCB产业的核心内容。目前陶瓷基板比较成熟的有氧化铝陶瓷电路板、氮化铝陶瓷电路板,特别适用于多芯片封装(MCM)和基板直接键合芯片(COB)等的封装结构,同时也可以作为其他大功率电力半导体模块的散热电路基板,大电流开关、继电器、通信行业的天线、滤波器、太阳能逆变器等。

 

图源:东莞金研精密研磨机械制造有限公司

 

陶瓷基板需要精密抛光来达到表面的理想厚度、均匀性和一致性。这就需要平坦化抛光。我们知道衬底的厚度和表面控制很重要,因为电路走线是为最佳阻抗和控制而设计的,每条走线的均匀性与衬底是否是完美载体有很大关系。将基板的弯曲度控制在小于0. 0005英寸,可以实现光掩模特征的最佳转移,表面光洁度以及片与片之间的一致性也在高频应用以及红外和可见光/紫外光应用中创造了更好的产量和更高的性能。

 

化学机械抛光目前已广泛应用于各种工程陶瓷、功能陶瓷和金属材料的超精密加工。 同晶圆片一样,陶瓷基板也需要实现平坦化精密抛光。化学机械抛光时,悬浮于液态介质中的纳米级软质磨粒,在与工件的接触点上因摩擦而产生高温高压,并在极短的时间内,发生化学反应,生成比工件材料软、更容易去除的新物质。反应产物以0.1 nm的微小单位,由工件与后续磨料及抛光盘之间的机械摩擦作用去除,从而获得超光滑表面。

 

以上是针对精密陶瓷表面精工细作的先进光整方法,您还知道哪些最新的精加工方式,能够助力提升精密陶瓷的高附加值吗?

 

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2022.12.12-14

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