CN106514876B - 氧化锆陶瓷的切削方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化锆陶瓷的切削方法，所述氧化锆陶瓷由氧化锆制成或由添加稳定剂的氧化锆制成，所述氧化锆陶瓷的晶体结构存在四方相和单斜相，所述氧化锆陶瓷的晶体结构由四方相向单斜相转变的温度为相变温度，使用刀具对所述氧化锆陶瓷进行切削，并控制切削时所述氧化锆陶瓷切削区的温度保持在相变温度范围内。本发明很好的利用了氧化锆陶瓷在相变温度范围内容易产生由四方相向单斜相相变的特性，而单斜相的硬度相对四方相硬度较低，因此相变过后其可以降低切削的难度，刀具使用寿命更长，切削效率更高。

Description

氧化锆陶瓷的切削方法
技术领域
本发明涉及一种切削方法，尤其涉及一种氧化锆陶瓷的切削方法。
背景技术
氧化锆陶瓷(完全烧结)是一种物理、化学性能优异的金属氧化物陶瓷材料。在各种金属氧化物陶瓷材料中，氧化锆的高温热稳定性、隔热性能最好，最适宜做陶瓷涂层和高温耐火制品；氧化锆陶瓷的热导率在常见的陶瓷材料中最低，而热膨胀系数又与金属材料较为接近，是重要的结构陶瓷材料；氧化锆陶瓷的硬度高、耐磨性好，可用于制造刀具、模具、轴承等；氧化锆陶瓷结构稳定，具有无毒、良好的生物相容性、耐腐蚀、较高的机械强度等特点，广泛应用于医疗卫生行业，尤其是口腔医学领域（就是通常说的烤瓷牙）。
以离子键和共价键为结合键的晶体结构，使得氧化锆陶瓷具有脆性大、韧性低、不易成型加工、刀具磨损严重等陶瓷材料共有的缺点。
氧化锆陶瓷加工现状：
一种方法是：先在850°下进行预烧结，得到的称为预烧结氧化锆陶瓷，这种材料比较软，韧性高，好加工。加工成型后，再在1450°下再次烧结，称为完全烧结氧化锆陶瓷。再次烧结的时候，会发生大约8%的剪切应变和3%～5%的体积膨胀，影响精度，有时候还会开裂。
另一种方法是：直接对完全烧结的氧化锆陶瓷加工以磨削加工为主，此种方法生产效率低，而且缺乏经济的方法来加工几何形状复杂的异形面，如钻孔、开槽、球形面和曲面等。直接对完全烧结的氧化锆陶瓷的铣削加工一般都用PCD(聚晶金刚石)刀具，价格贵，而且PCD刀具在800°左右变成了石墨，软化，刀具就不能用了。
从晶体结构的角度来看，氧化锆存在单斜相(m-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和立方相(c-ZrO2)三种结构。预烧结的就是以单斜相为主，硬度不高，容易切削。完全烧结的一般是以氧化钇作为稳定剂的四方相，硬度很高，不易切削。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种氧化锆陶瓷的切削方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种氧化锆陶瓷的切削方法，所述氧化锆陶瓷由氧化锆制成或由添加稳定剂的氧化锆制成，所述氧化锆陶瓷的晶体结构存在四方相和单斜相，所述氧化锆陶瓷的晶体结构由四方相向单斜相转变的温度为相变温度，其特征在于，使用刀具对所述氧化锆陶瓷进行切削，并控制切削时所述氧化锆陶瓷切削区的温度保持在相变温度范围内。
本发明一个较佳实施例中，所述刀具是由聚晶立方氮化硼材料制成的刀具。
本发明一个较佳实施例中，通过所述刀具切削产生的热量使所述氧化锆陶瓷切削区的温度保持在相变温度范围内。
本发明一个较佳实施例中，刀具的导热系数与氧化锆陶瓷的导热系数比值小于50。
本发明一个较佳实施例中，所述稳定剂为稀土氧化物或碱土氧化物。
本发明一个较佳实施例中，所述稳定剂为氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)或氧化钙(CaO)。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
（1）本发明很好的利用了氧化锆陶瓷在相变温度范围内容易产生由四方相向单斜相相变的特性，而单斜相的硬度相对四方相硬度较低，因此相变过后其可以降低切削的难度，刀具使用寿命更长，切削效率更高。
（2）采用PCBN刀具，由于其具备相对PCD刀具更高的耐热性能，因此PCBN刀具可以避免在高速切削过程中由于切削热产生的高温导致刀具软化的现象，并保证高温条件下PCBN刀具自身的硬度。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
纯氧化锆制成的陶瓷在950°左右，四方相会向单斜相相变。高速切削过程中，切削区的温度很高，能够达到甚至超过950°，从而使切削区的完全烧结的氧化锆陶瓷变成单斜相的，并且高温对材料有软化作用。PCBN(聚晶立方氮化硼)刀具能够在1400°下还保持很高的硬度，并且价格比PCD便宜。通过实验，采用PCBN刀具对完全烧结的氧化锆陶瓷进行高速铣削，结果表明：切削区的氧化锆陶瓷发生了相变，刀具磨损大大降低（与PCD刀具切削相比），加工后工件的表面质量较好。也就是说用PCBN刀具高速切削陶瓷在合适的参数组合下可以实现切削区的相变。
氧化锆是氧原子与锆原子的结合而形成的化合物，存在立方相(c-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和单斜相(m-ZrO2)三种晶体结构，在不同温度下进行转变。m-ZrO2是低温相，在1170℃以下是稳定存在的，超过此温度转变为t-ZrO2。t-ZrO2和c-ZrO2称为高温相，只能在高温下才能稳定存在。
氧化锆陶瓷可以分为稳定氧化锆陶瓷和部分稳定氧化锆陶瓷。稳定氧化锆陶瓷以m-ZrO2为主，可以在常温下稳定存在。但是氧化锆制品的生产过程往往都有一个从高温到室温的冷却过程，在这一过程中会发生t-ZrO2到m-ZrO2的相变，相变引起体积变化从而产生裂纹，甚至碎裂，因此工程意义不大。
部分稳定氧化锆陶瓷是在氧化锆中添加适量的稳定剂，置换其中的锆离子，从而形成置换型固溶体，阻碍t-ZrO2向m-ZrO2的转变，使t-ZrO2和c-ZrO2在室温下保持亚稳定状态。常见的稳定剂有氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)、氧化钙(CaO)等稀土或碱土氧化物。Y-TZP陶瓷就是以Y2O3作为稳定剂的四方氧化锆多晶体。这种材料是由非常细小的晶粒组成，力学性能是迄今为止各类氧化物陶瓷中最高的。Y2O3摩尔分数一般以2%～3%为宜，并均匀分布，这也是通常所说的2Y-TZP和3Y-TZP，也是被广泛应用的氧化锆陶瓷，牙科和人工关节等医学领域用的就是3Y-TZP。因为稳定剂的作用，部分稳定氧化锆陶瓷中存在大量的t-ZrO2。这些t-ZrO2在一定的条件下可以发生向m-ZrO2的相变。
纯氧化锆在950℃发生t-ZrO2到m-ZrO2的相变。而2Y-TZP和3Y-TZP这些常用的氧化锆陶瓷发生t-ZrO2到m-ZrO2的相变的温度，一般不超过400℃。因为氧化锆陶瓷导热系数比较低，分到的切削热比较少，所以要达到相变的温度，必须要高速切削才能产生足够的切削热。
氧化锆相变增韧：从t-ZrO2到m-ZrO2的逆向转变过程属于马氏体转变，伴随着大约8%的剪切应变和3%～5%的体积膨胀。氧化锆相变增韧正是基于这一效应来增加氧化锆陶瓷的韧性，其机理主要分为应力诱导相变增韧和微裂纹增韧。氧化锆陶瓷韧性的增加和硬度的降低有利于切削加工，降低刀具磨损。
关于导热系数：
PCD刀具导热系数为700w/m.k左右；CBN的耐热性可达1400～1500℃， CBN材料的导热系数低于金刚石但大大高于硬质合金；PCBN导热系数 82w/m.k；氧化锆陶瓷导热系数2.7w/m.k。
通过上述导热系数可知，采用PCD刀具对氧化锆陶瓷进行切削，热量很容易通过PCD刀具传导，而氧化锆陶瓷的切削区不会有热量集聚，从而氧化锆陶瓷的切削区的温度达不到相变温度，这样PCD刀具切削的是四方相晶体结构氧化锆陶瓷，刀具容易磨损；而采用PCBN刀具对氧化锆陶瓷进行切削，热量相对不容易通过PCBN刀具传导，而氧化锆陶瓷的切削区便会有热量集聚，进而氧化锆陶瓷的切削区的温度容易达到相变温度，这样PCBN刀具切削的是由四方相转变为单斜相晶体结构的氧化锆陶瓷，刀具不容易磨损。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

Claims (5)

1.一种氧化锆陶瓷的切削方法，所述氧化锆陶瓷由氧化锆制成或由添加稳定剂的氧化锆制成，所述氧化锆陶瓷的晶体结构存在四方相和单斜相，所述氧化锆陶瓷的晶体结构由四方相向单斜相转变的温度为相变温度，其特征在于，使用刀具对所述氧化锆陶瓷进行切削，并控制切削时所述氧化锆陶瓷切削区的温度保持在相变温度范围内；所述刀具是由聚晶立方氮化硼材料制成的刀具。
2.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷的切削方法，其特征在于：通过所述刀具切削产生的热量使所述氧化锆陶瓷切削区的温度保持在相变温度范围内。
3.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷的切削方法，其特征在于：刀具的导热系数与氧化锆陶瓷的导热系数比值小于50。
4.根据权利要求1所述的氧化锆陶瓷的切削方法，其特征在于：所述稳定剂为稀土氧化物或碱土氧化物。
5.根据权利要求4所述的氧化锆陶瓷的切削方法，其特征在于：所述稳定剂为氧化钇(Y2O3)、氧化镁(MgO)、氧化铈(CeO2)或氧化钙(CaO)。
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