CN106220149A - 超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨及其制备方法，由以下重量百分含量的原料组成：氧化铝97.5‑98.8％，纳米氧化铝1‑2％，氧化镁0.1‑0.3％，二氧化硅0.1‑0.2％。本发明体积密度低，硬度高、强度高、弹性模量大，热膨胀系数低，在超精密测量和加工领域具有独特的优势，能满足超精密工作台对结构材料的要求；本发明同时提供了简单易行的制备方法，适合工业化生产。

Description

超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。
背景技术
导轨是超精密加工和超精密测量仪器的关键部件之一，其质量和性能直接影响加工和测量的精密度。我国精密工作台和精密导轨的制造大多基于金属材料，此外还有花岗岩、大理石等天然石材为主的非金属材料。金属材料往往在使用过程中，受到温度的影响达不到结构件精度控制的要求，构件长期高速相对运动，存在磨损、腐蚀的问题。而天然石材存在的主要问题是强度、硬度、弹性模量性能偏低，含有微量气孔并具有一定的吸湿吸潮性，容易造成精密度的下降；此外，部分天然石材还具有一定的放射性，对于操作安全存在一定的威胁。目前，已有部分科研院所对氧化铝陶瓷导轨进行了积极探索，但是由于该产品对材料整体性能要求极高，其结构形状复杂，尺寸精度要求高，有大量亟待解决的的技术瓶颈工作需要完成。
发明内容
本发明的目的是提供一种超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨及其制备方法，体积密度低，硬度高、强度高、弹性模量大，热膨胀系数低，在超精密测量和加工领域具有独特的优势，能满足超精密工作台对结构材料的要求；本发明同时提供了简单易行的制备方法，适合工业化生产。
本发明所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨，由以下重量百分含量的原料组成：氧化铝97.5-98.8％，纳米氧化铝1-2％，氧化镁0.1-0.3％，二氧化硅0.1-0.2％。
所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
(1)先将氧化铝、纳米氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水混合，然后加入助剂进行球磨，得到所需浆料；
(2)将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，向所得造粒粉中加入水，混匀后陈腐1-3天，待用；
(3)将步骤(2)中制得的造粒粉采用冷等静压成型工艺，得到生坯；
(4)将步骤(3)所得生坯切割成适合加工的尺寸；
(5)将步骤(4)所得生坯烧成得氧化铝陶瓷导轨，然后对氧化铝陶瓷导轨再进行精磨加工和抛光加工，即得产品。
步骤(5)中，烧成温度为1580-1600℃，烧成保温时间为4-8h。
生坯烧成时，在生坯下面铺上一层石英砂。
助剂为粘结剂和分散剂。
粘结剂为聚氧乙烯醚、聚丙烯酸、聚乙烯醇或聚丙烯酸钠；分散剂为聚丙烯酸盐类、聚丙烯酸、聚羧酸脂类或磺酸系高分子分散剂。
粘结剂加入量为氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水的总重量的0.1-0.5％；分散剂加入量为氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水的总重量的0.5％-1.0％。
步骤(2)中造粒在喷雾干燥过程中，进风温度为300-500℃，出风温度为150-300℃；水的加入量为造粒粉的0.5-3wt％。
所用冷等静压压力曲线为：压力先由0MPa逐渐升至100-160MPa，保压5-20秒；再由100-160MPa逐渐减压70-110MPa，保压5-20秒；然后由70-110MPa减压至30-60MPa，保压5-20秒；最后由30-60MPa减压至0MPa。
精磨加工的磨削金刚石砂轮粒度100-160号，砂轮线速度20-40m/s；步骤(5)中使用金刚石盘研磨盘抛光时，从粗到细进行，采用的抛光片从300号、1200号、过渡到2000号。
氧化铝与氧化镁、二氧化硅形成了三元体系。纳米氧化铝具有极高的比表面积，具有更高的表面活性，有效促进粒子的迁移，具有显著地助烧作用；添加的氧化镁起到生长抑制剂的作用，其和氧化铝在晶界上形成尖晶石，这种晶界上第二相的形成抑制氧化铝晶粒的异常长大，从而使氧化铝晶粒更加均匀化，降低了烧结温度，减少了氧化铝烧结过程中产生的气孔，使烧结更加致密化；添加的二氧化硅和氧化铝在晶界上形成膨胀均匀、硬度大、抗化学腐蚀的微量莫来石，烧结过程中二氧化硅与氧化铝形成液相来降低了烧结温度，促进了烧结，还起到了助烧的作用。在该三元体系中，氧化铝与生成的莫来石、尖晶石进一步形成稳定相，因此在该种材料中，有少量玻璃相的存在。
球磨是使原料粉细化和均匀化的过程，在球磨过程中添加的分散剂有效改善料浆粉料表面性能，降低料浆黏度，得到流变性好、分散均匀、固含量高且稳定的浆料，从而达到提高研磨效果、减少用水量、降低动力消耗的目的。球磨过程中添加的另一种添加剂粘结剂的作用是在制品成型过程中减少颗粒间的摩擦力，增加陶瓷物料的可塑性和成型过程的高度粘结性，从而提高生坯强度。
本发明采用湿袋式冷等静压成型技术，先将粉体装入可变形的橡胶套内，通过液体施加各向均匀的压力，当压制过程结束后，再将坯体的橡胶套从容器内取出。
所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法中，采用的烧成温度为1580-1600℃，不仅节能，而且烧成的陶瓷材料粒径均匀而且较小，活性高；而国内技术所用的烧成温度都要高于1650℃。
本发明制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料具有高强度、高硬度、低热膨胀、耐摩擦磨损等优良性能，能够保证满足超精密工作台对陶瓷导轨整体性能要求极高、尺寸精度要求高、结构较复杂的使用要求，特别是大行程超精密工作台的设计制造方面，这种氧化铝陶瓷导轨材料更具优势。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明采用的原料来源广，成本低；
(2)本发明制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料，添加纳米氧化铝后，烧成温度≤1600℃，烧结温度约降低50℃，不仅环保节能，而且提高了材料的强度、硬度及断裂韧性。
(3)本发明制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料具有高强度、高硬度、低热膨胀、耐摩擦磨损等优良性能，其三点抗折强度≥380MPa，维氏硬度≥15GPa，弹性模量≥380GPa，线膨胀系数≤8.0×10-6/℃(20-500℃)；
(3)采用本发明制备的氧化铝陶瓷材料，用于超精密加工和超精密测量用陶瓷导轨时，高强度、高硬度、低热膨胀，能够有效延长陶瓷导轨的使用寿命；
(4)所述的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料的制备方法简单易行，适合工业化生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但其并不限制本发明的实施。
实施例1
超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将97.5Kg氧化铝、2Kg纳米氧化铝，0.3Kg氧化镁、0.2Kg二氧化硅的原料装入球磨机中，再加入400kg直径为6-25mm的氧化铝球石和70kg水，其中，原料、氧化铝球石和水的质量比为1:4:0.7，然后加入0.57Kg聚氧乙烯醚和5.70Kg聚丙烯酸，进行球磨，得到所需的浆料，用粒度测试仪测得浆料的平均粒度为0.5μm。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入1wt％的水，混匀后陈腐1天，待用；造粒在喷雾造粒塔中进行，进风温度设置为500℃，出风温度设置为300℃；经喷雾造粒后得到的造粒粉粒度为120μm。
(3)成型：取步骤(2)中沉浮待用的造粒粉装入模具中，采用冷等静压成型工艺，得到生坯；所用冷等静压压力曲线为：压力先由0MPa逐渐升至160MPa，保压5秒；再由160MPa逐渐减压至110MPa，保压5秒；然后由110MPa逐渐减压至60MPa，保压5秒；最后由60MPa逐渐减压至0MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用切割机切割，把大尺寸生坯切割成适合加工的尺寸；通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯的加工尺寸。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入窑中，生坯下面铺上一层石英砂，烧成温度为1600℃，保温时间为4h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
(6)精磨加工：氧化铝陶瓷导轨选用平面磨床磨削加工，磨削砂轮采用树脂结合金刚石砂轮和金属结合金刚石砂轮，磨削金刚石砂轮粒度120号，砂轮线速度约35m/s，经磨削加工后表面粗糙度为Ra＝0.6-1.0um。
(7)抛光加工：将步骤(6)所得陶瓷导轨使用金刚石盘对产品进行研磨，而且是从粗到细进行。本项目采用的抛光片从300号、1200号到2000号，抛光后的陶瓷表面粗糙度0.16-0.30。
对制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料进行性能测试，结果为：体积密度为3.88g/cm3，维氏硬度为15.96GPa，抗弯强度为390MPa，弹性模量为418Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(线膨胀系数的测试温度20-500℃)。
实施例2
超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将98.8Kg氧化铝、1Kg纳米氧化铝、0.1Kg氧化镁、0.1Kg二氧化硅的原料装入球磨机中，再加入150kg直径为6-25mm的氧化铝球石和50kg水(原料、氧化铝球石和水的质量比为1:1.5:0.5)，然后加入0.3Kg聚乙烯醇和3.0Kg聚丙烯酸钠，进行球磨，得到所需的浆料，用粒度测试仪测得浆料的平均粒度为1.0μm。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入0.5wt％的水，混匀后陈腐1天，待用；造粒在喷雾造粒塔中进行，进风温度设置为300℃，出风温度设置为150℃；经喷雾造粒后得到的造粒粉粒度为100μm。
(3)成型：取步骤(2)中沉浮待用的造粒粉装入模具中，采用冷等静压成型工艺，得到生坯；所用冷等静压压力曲线为：压力先由0MPa逐渐升至100MPa，保压15秒；再由100MPa逐渐减压至70MPa，保压15秒；然后由70MPa逐渐减压至30MPa，保压15秒；最后由30MPa逐渐减压至0MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用切割机切割，把大尺寸生坯切割成适合加工的尺寸；通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯的加工尺寸。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入窑中，生坯下面铺上一层石英砂，烧成温度为1580℃，保温时间为4h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
(6)精磨加工：氧化铝陶瓷导轨选用平面磨床磨削加工，磨削砂轮采用树脂结合金刚石砂轮和金属结合金刚石砂轮，磨削金刚石砂轮粒度120号，砂轮线速度约35m/s，经磨削加工后表面粗糙度为Ra＝0.6-1.0um。
(7)抛光加工：将步骤(6)所得陶瓷导轨使用金刚石盘对产品进行研磨，而且是从粗到细进行。采用的抛光片从300号、1200号到2000号，抛光后的陶瓷表面粗糙度约0.16-0.30。
对制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料进行性能测试，结果为：体积密度为3.88g/cm3，维氏硬度为15.53GPa，抗弯强度为386MPa，弹性模量为412Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(线膨胀系数的测试温度20-500℃)。
实施例3
超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将98Kg氧化铝、1.50Kg纳米氧化铝、0.15Kg氧化镁、0.15Kg二氧化硅的原料装入球磨机中，再加入300kg直径为6-25mm的氧化铝球石和50kg水(原料、氧化铝球石和水的质量比为1:3:0.5)，然后加入1.35Kg木质素磺酸钠和3.60Kg聚丙烯酸铵，进行球磨，得到所需的浆料，用粒度测试仪测得浆料的平均粒度为0.8μm。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉；向所得造粒粉中加入3wt％的水，混匀后陈腐1天，待用；造粒在喷雾造粒塔中进行，进风温度设置为400℃，出风温度设置为200℃；经喷雾造粒后得到的造粒粉粒度为60μm。
(3)成型：取步骤(2)中沉浮待用的造粒粉装入模具中，采用冷等静压成型工艺，得到生坯；所用冷等静压压力曲线为：压力先由0MPa逐渐升至130MPa，保压20秒；再由130MPa逐渐减压至90MPa，保压20秒；然后由90MPa逐渐减压至50MPa，保压20秒；最后由50MPa逐渐减压至0MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用切割机切割，把大尺寸生坯切割成适合加工的尺寸；通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯的加工尺寸。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入窑中，生坯下面铺上一层石英砂，烧成温度为1590℃，保温时间为4h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
(6)精磨加工：氧化铝陶瓷导轨选用燕尾导轨磨床磨削加工，磨削砂轮采用树脂结合金刚石砂轮和金属结合金刚石砂轮，磨削金刚石砂轮粒度120号，砂轮线速度约35m/s，经磨削加工后表面粗糙度为Ra＝0.6-1.0um。
(7)抛光加工：将步骤(6)所得陶瓷导轨使用金刚石盘对产品进行研磨，而且是从粗到细进行。采用的抛光片从300号、1200号到2000号，抛光后的陶瓷表面粗糙度约0.16-0.30。
对制备的超精密加工和超精密测量用氧化铝陶瓷导轨材料进行性能测试，结果为：体积密度为3.88g/cm3，维氏硬度为15.77GPa，抗弯强度为392MPa，弹性模量为418Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(线膨胀系数的测试温度20-500℃)。

Claims (10)

1.一种超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨，其特征在于：由以下重量百分含量的原料组成：氧化铝97.5-98.8％，纳米氧化铝1-2％，氧化镁0.1-0.3％，二氧化硅0.1-0.2％。
2.一种权利要求1所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)先将氧化铝、纳米氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水混合，然后加入助剂进行球磨，得到所需浆料；
(2)将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，向所得造粒粉中加入水，混匀后陈腐1-3天，待用；
(3)将步骤(2)中制得的造粒粉采用冷等静压成型工艺，得到生坯；
(4)将步骤(3)所得生坯切割成适合加工的尺寸；
(5)将步骤(4)所得生坯烧成得氧化铝陶瓷导轨，然后对氧化铝陶瓷导轨再进行精磨加工和抛光加工，即得产品。
3.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，烧成温度为1580-1600℃，烧成保温时间为4-8h。
4.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：生坯烧成时，在生坯下面铺上一层石英砂。
5.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：助剂为粘结剂和分散剂。
6.根据权利要求5所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：粘结剂为聚氧乙烯醚、聚丙烯酸、聚乙烯醇或聚丙烯酸钠；分散剂为聚丙烯酸盐类、聚丙烯酸、聚羧酸脂类或磺酸系高分子分散剂。
7.根据权利要求5或6所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：粘结剂加入量为氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水的总重量的0.1-0.5％；分散剂加入量为氧化铝、氧化镁、二氧化硅、氧化铝球石和水的总重量的0.5％-1.0％。
8.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：步骤(2)中造粒在喷雾干燥过程中，进风温度为300-500℃，出风温度为150-300℃；水的加入量为造粒粉的0.5-3wt％。
9.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：所用冷等静压压力曲线为：压力先由0MPa逐渐升至100-160MPa，保压5-20秒；再由100-160MPa逐渐减压70-110MPa，保压5-20秒；然后由70-110MPa减压至30-60MPa，保压5-20秒；最后由30-60MPa减压至0MPa。
10.根据权利要求2所述的超精密加工及超精密测量仪器用陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：精磨加工的磨削金刚石砂轮粒度100-160号，砂轮线速度20-40m/s；步骤(5)中使用金刚石盘研磨盘抛光时，从粗到细进行，采用的抛光片从300号、1200号、过渡到2000号。
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