CN113024229A - 氧化铝陶瓷导轨的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，属于陶瓷导轨制备技术领域。本发明包括以下步骤：(1)将氧化铝、助烧剂混合，再将混合物、水、分散剂、粘结剂混合，进行球磨，得到所需浆料；(2)将浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，待用；(3)将造粒粉采用冷等静压成型工艺，得素坯；(4)将素坯使用线锯设备进行内孔切割得到方孔陶瓷导轨素坯；(5)将生坯烧成得坯体，铣加工，然后进行烧结，即得到粗品；(6)将粗品再进行精磨加工和抛光加工，即得。本发明设计科学合理，制备的陶瓷导轨具有体积密度低、硬度高、弹性模量大、热膨胀系数低、高硬度、高耐磨性的优点。

Description

氧化铝陶瓷导轨的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，属于陶瓷导轨制备技术领域。
背景技术
目前陶瓷导轨是超精密加工和超精密测量设备(如半导体芯片加工的光刻机用超精密移动工作台、高精度光学器件用超精密机床、超精密三坐标测量仪等)的关键运动结构部件，研制大尺寸、高精度的高技术陶瓷导轨是制造超精密设备的关键核心技术之一。我国精密工作台和精密导轨的制造大多基于金属材料，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。目前，金属材料已经无法满足超精密加工和超精密测量设备对导轨部件的使用需求。
大尺寸、高精度的高技术陶瓷导轨，尤其是长度≥1.5米的双孔或多孔陶瓷导轨，其截面大多要求为方形，坯体尺寸较大、较厚，不合理的成型工艺会直接因为成型过程中压力不均匀，导致坯体产生严重的坯体开裂、变形等问题，多孔陶瓷导轨大多采用坯体粘结或陶瓷粘结的方式才能获得，但是这会导致陶瓷导轨整体性能下降，加工精度较低，粘结体在导轨往复运动过程中开裂等问题。
研究新型的氧化铝超精密工作台和精密导轨，对于解决国内核心技术瓶颈、提升国内高端装备制造业水平有着重要推动作用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其设计科学合理，制备的陶瓷导轨具有体积密度低、硬度高、弹性模量大、热膨胀系数低、高硬度、高耐磨性的优点，更适用于超精密测量和加工领域，能满足超精密工作台对结构材料的高强度、低密度、弹性模量高、热膨胀系数小的要求。
本发明所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
①将氧化铝、助烧剂混合，再将混合物、水、分散剂、粘结剂混合，加入到球磨机后进行球磨，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，待用；
③将步骤②中制得的造粒粉采用冷等静压成型工艺，得到圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯；
④将步骤③所得素坯使用线锯设备进行内孔切割，将圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯加工成符合尺寸要求的方孔陶瓷导轨素坯；
⑤将步骤④所得生坯烧成得氧化铝陶瓷导轨坯体，使用数控雕刻机对坯体进行铣加工，使之接近陶瓷导轨成品尺寸，然后进行烧结，即得到氧化铝陶瓷导轨粗品；
⑥将步骤⑤所得粗品再进行精磨加工和抛光加工，即得所述的氧化铝陶瓷导轨产品。
优选的，氧化铝、助烧剂按质量分数氧化铝99.5％、助烧剂0.5％比例混合。
优选的，混合物、水、分散剂、粘结剂按照质量比例1:0.5:0.02:0.003混合。
步骤③中，冷等静压成型工艺所采用的模具套件包括橡胶模具、2-5根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼，橡胶模具由橡胶套和上下两个实心橡胶塞组成。
所述橡胶套两个端口设计成方变圆的样式，以保证压制过程中的良好密封性，除此之外，为了保证内部芯轴与外部橡胶套的相对位置，设置了高分子材料的带孔定位盘，定位盘两端系有抽离绳。
所述的模具套件为本领域技术人员根据附图能够得知其整体结构以及操作使用过程。
以双孔导轨为例，具体操作如下：1)先将吊笼垂直放在平地上，把侧面打开，把一个橡胶塞置于吊笼底部，套上橡胶套，并以牛皮筋固定好，把定位盘置于橡胶套内部偏底部的位置，定位盘的抽离绳保留在胶套外面；2)再使用行车把两根不锈钢芯轴慢慢置于定位盘的圆孔中，固定好芯轴位置后，可以从顶部慢慢把造粒粉加入到胶套中，一边加料，一边敲打橡胶套外围，同时缓慢向上拉动定位盘，直到造粒粉彻底充满胶套再撤掉定位盘；3)保证造粒粉均匀填充在橡胶套和芯轴之间后，把顶部封上橡胶塞，并以牛皮筋固定。4)把吊笼关上，用行车把吊笼吊起放于等静压机内部，压力可设置为100-150兆帕，5)把经过等静压的陶瓷素坯出模即可得双圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯。
步骤④中，所述线锯设备包括支撑架，支撑架的一侧设有竖直位移传动机构，竖直位移传动机构分别与固线盘A和微调固线盘B相连，固线盘A与伺服电机相连；竖直位移传动机构的上端与伺服电机相连；支撑架的两侧对称设置；两侧的竖直位移传动机构通过同步丝杠相连；支撑架的底部设有固定底座，固定底座上设有工作台，工作台底部设有水平位移传动机构，水平位移传动机构与伺服电机相连。
优选的，固线盘A和微调固线盘B之间的距离通过设有的气动悬浮器进行调节。
所述伺服电机均与控制柜相连。
优选的，工作台上设有分度盘，用于检测氧化铝陶瓷导轨内孔的尺寸是否符合要求。
优选的，步骤⑤中，以100℃/小时进行真空烧结，烧结温度1100-1300℃，保温3小时。
所述线锯设备工作过程如下：
先将双圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯置于工作台上，金刚石锯线从圆孔中穿过，金刚石锯线两端连在两侧的固线盘A和微调固线盘B上，在伺服电机带动下固线盘A、微调固线盘B与金刚石锯线做往复运动，可起到切割素坯内孔的作用，按照“口字型”把圆孔切割成方孔，以达到双方孔导轨的成型需求。
本发明制备的氧化铝陶瓷导轨体积密度为3.88-3.92g/cm3，维氏硬度为15-16GPa，抗弯强度为400-500MPa，弹性模量为400-450Gpa，线膨胀系数≤8×10-6/℃(20-500℃)。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用冷等静压成型工艺，使用自制的模具套件，其中橡胶胶套模具采用了中间方形，两端逐渐过渡到圆形的设计，使得冷等静压过程中整体胶套模具具有良好的密封性；其次，高分子材料的带孔定位盘的设计也比较新颖，使得不锈钢芯轴与橡胶套模具的位置，稳定不变，使得冷等静压制备的陶瓷导轨素坯内孔与外壁平行，壁厚均匀；再加上金属吊笼对橡胶胶套外侧的固定作用，使得制备的氧化铝陶瓷导轨素坯外部轮廓呈规则的长方形，内孔呈圆形，坯体密度均匀，壁厚均匀，尺寸符合图纸要求；
(2)本发明进行内孔切割时，使用自制的线锯设备，使得氧化铝陶瓷导轨素坯内圆孔可加工成方形，这就为陶瓷坯体内孔加工提供了一种新的加工方式，尤其是对一些结构复杂的异形陶瓷产品，可以先用简单的方式预成型，再通过这种线锯把内孔切割成其它形状，例如三角形、六边形、V字型等，起到了降低成型难度的有益效果。此外，自制的线锯设备还能有效控制加工尺寸，使得加工后的素坯经高温烧结后具有最合适的磨余量，大大提高了陶瓷导轨的磨加工效率；
(3)本发明在烧结时，烧成温度≤1300℃，比其他烧成方式的烧结温度约降低300℃，不仅环保节能，而且提高了材料的强度、硬度及断裂韧性；
(4)本发明设计科学合理，适用于工业化生产，制备的氧化铝陶瓷导轨具有高强度、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，特别是用于大行程超精密工作台、结构较复杂的双孔/多孔陶瓷导轨。
附图说明
图1是线锯设备结构示意图；
图2是橡胶模具结构示意图；a为左视图；b为主视图；c为右视图；
图3是芯轴结构示意图；
图4是定位盘结构示意图；
其中，1、伺服电机；2、支撑架；3、同步丝杠；4、固线盘A；5、微调固线盘B；6、控制柜；7、水平位移传动机构；8、固定底座；9、分度盘；10、工作台；11、竖直位移传动机构；12、气动悬浮器；13、橡胶套；14、橡胶塞。
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
一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将99.5Kg氧化铝、0.5Kg的原料装入球磨机中，再加50kg水，2Kg聚丙烯酸铵和0.3Kg聚乙烯醇，进行球磨，得到所需的浆料。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，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，所用的模具套件包括橡胶模具(橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14)、高分子材料的带孔定位盘、2根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼。采用冷等静压成型工艺，得到双圆孔氧化铝生坯；所用的主要模具长度尺寸均≥2米，所用冷等静压压力为130MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用所述线锯设备切割内圆，切割成符合图纸尺寸的方形孔；再通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯外表面加工尺寸。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入真空烧结炉中，以每小时40℃升温至1300℃，保温时间为2h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
步骤(3)中，冷等静压成型工艺所采用的模具套件包括橡胶模具、3根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼，橡胶模具由橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14组成。
所述橡胶套13两个端口设计成方变圆的样式，以保证压制过程中的良好密封性，除此之外，为了保证内部芯轴与外部橡胶套的相对位置，设置了高分子材料的带孔定位盘，定位盘两端系有抽离绳。
所述的模具套件为本领域技术人员根据附图能够得知其整体结构以及操作使用过程。
步骤(4)中，所述线锯设备包括支撑架2，支撑架2的一侧设有竖直位移传动机构11，竖直位移传动机构11分别与固线盘A4和微调固线盘B5相连，固线盘A4与伺服电机1相连；竖直位移传动机构11的上端与伺服电机1相连；支撑架2的两侧对称设置；两侧的竖直位移传动机构11通过同步丝杠3相连；支撑架2的底部设有固定底座8，固定底座8上设有工作台10，工作台10底部设有水平位移传动机构7，水平位移传动机构7与伺服电机1相连。
所述固线盘A4和微调固线盘B5之间的距离通过设有的启动悬浮器12进行调节。
所述伺服电机1均与控制柜6相连。
所述工作台10上设有分度盘9，用于检测氧化铝陶瓷导轨内孔的尺寸是否符合要求。
对制备的氧化铝陶瓷导轨进行性能测试，结果为：
体积密度为3.88g/cm3，维氏硬度为15.96GPa，抗弯强度为411MPa，弹性模量为418Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(20-500℃)。
实施例2
一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将99.5Kg氧化铝、0.5Kg的原料装入球磨机中，再加50kg水，2Kg聚丙烯酸铵和0.3Kg聚乙烯醇，进行球磨，得到所需的浆料。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，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，所用的模具套件包括橡胶模具(橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14)、高分子材料的带孔定位盘、3根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼。采用冷等静压成型工艺，得到三圆孔氧化铝生坯；所用的主要模具长度尺寸均≥2米，所用冷等静压压力为120MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用所述线锯设备切割内圆，切割成符合图纸尺寸的方形孔；再通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯外表面加工尺寸，得到三方孔陶瓷导轨坯体。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入真空烧结炉中，以每小时30℃升温至1300℃，保温时间为2h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
冷等静压成型工艺所采用的模具套件与实施例1中的相同。
步骤(4)中，所述线锯设备与实施例1中的相同。
对制备的氧化铝陶瓷导轨进行性能测试，结果为：
体积密度为3.89g/cm3，维氏硬度为15.53GPa，抗弯强度为432MPa，弹性模量为412Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(20-500℃)。
实施例3
一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
1)球磨：先将99.5Kg氧化铝、0.5Kg的原料装入球磨机中，再加50kg水，2Kg聚丙烯酸铵和0.3Kg聚乙烯醇，进行球磨，得到所需的浆料。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，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，所用的模具套件包括橡胶模具(橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14)、高分子材料的带孔定位盘、4根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼。采用冷等静压成型工艺，得到四圆孔氧化铝生坯；所用的主要模具长度尺寸均≥2米，所用冷等静压压力为120MPa。
(4)坯体加工：将步骤(3)所得生坯用所述线锯设备切割内圆，切割成符合图纸尺寸的方形孔；再通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯外表面加工尺寸，得到四方孔陶瓷导轨坯体。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入真空烧结炉中，以每小时30℃升温至1300℃，保温时间为2h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
冷等静压成型工艺所采用的模具套件与实施例1中的相同。
步骤(4)中，所述线锯设备与实施例1中的相同。
对制备的氧化铝陶瓷导轨进行性能测试，结果为：
体积密度为3.90g/cm3，维氏硬度为15.77GPa，抗弯强度为445MPa，弹性模量为418Gpa，线膨胀系数7.9×10-6/℃(20-500℃)。
对比例1
一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
(1)球磨：先将99.5Kg氧化铝、0.5Kg的原料装入球磨机中，再加50kg水，2Kg聚丙烯酸铵和0.3Kg聚乙烯醇，进行球磨，得到所需的浆料。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，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，所用的模具套件包括橡胶模具(橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14)、2根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼。采用冷等静压成型工艺，在不使用高分子定位盘的情况下，由于内部芯轴与外部橡胶套的相对位置在压力和重力作用下发生改变，得到双圆孔氧化铝生坯内孔开裂，不易成型，即使成型，也存在内孔不平行，壁厚不均匀的情况，无法得到满足设计需求的双圆孔氧化铝生坯。
对比例2
一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，包括以下步骤：
1)球磨：先将99.5Kg氧化铝、0.5Kg的原料装入球磨机中，再加50kg水，2Kg聚丙烯酸铵和0.3Kg聚乙烯醇，进行球磨，得到所需的浆料。
(2)造粒：将步骤(1)得到的浆料进行喷雾干燥，得到造粒粉，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，所用的模具套件主要包括橡胶模具(橡胶套13和上下两个实心橡胶塞14)、高分子材料的带孔定位盘、3根圆柱形不锈钢芯轴和长方体的吊笼。采用冷等静压成型工艺，得到三圆孔氧化铝生坯；所用的主要模具长度尺寸均≥2米，所用冷等静压压力为120MPa。
(4)坯体加工：通过数控雕刻机精确控制陶瓷生坯外表面加工尺寸，得到三圆孔陶瓷导轨坯体。
(5)烧成：将步骤(4)所得生坯装入真空烧结炉中，以每小时30℃升温至1300℃，保温时间为2h，出窑即得氧化铝陶瓷导轨。
冷等静压成型工艺所采用的模具套件与实施例1中的相同。
步骤(4)中，未使用所述的线锯设备切割等静压生坯内圆，未切割成符合图纸尺寸的方形孔，需要在烧制成陶瓷后再对内孔进行磨加工，陶瓷的硬度和强度数值较高，内孔磨加工工艺非常难以实现，磨削效率非常低，极大的增加了陶瓷导轨的加工成本。由于陶瓷材料本身的脆性较大，在磨加工过程中还容易造成陶瓷内孔崩瓷，开裂等缺陷，无法获得符合图纸尺寸需求的方形孔氧化铝陶瓷导轨。

Claims (9)

1.一种氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
①将氧化铝、助烧剂混合，再将混合物、水、分散剂、粘结剂混合，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，待用；
③将步骤②中制得的造粒粉采用冷等静压成型工艺，得到圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯；
④将步骤③所得素坯使用线锯设备进行内孔切割，将圆孔氧化铝陶瓷导轨素坯加工成符合尺寸要求的方孔陶瓷导轨素坯；
⑤将步骤④所得生坯烧成得氧化铝陶瓷导轨坯体，使用数控雕刻机对坯体进行铣加工，然后进行烧结，即得到氧化铝陶瓷导轨粗品；
⑥将步骤⑤所得粗品再进行精磨加工和抛光加工，即得所述的氧化铝陶瓷导轨产品。
2.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：氧化铝、助烧剂按质量分数氧化铝99.5％、助烧剂0.5％比例混合。
3.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：混合物、水、分散剂、粘结剂按照质量比例1:0.5:0.02:0.003混合。
4.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：步骤③中，冷等静压成型工艺所采用的模具套件包括橡胶模具、圆柱形不锈钢芯轴、带孔定位盘和长方体的吊笼，橡胶模具由橡胶套(13)和上下两个实心橡胶塞(14)组成。
5.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：步骤④中，所述线锯设备包括支撑架(2)，支撑架(2)的一侧设有竖直位移传动机构(11)，竖直位移传动机构(11)分别与固线盘A(4)和微调固线盘B(5)相连，固线盘A(4)与伺服电机(1)相连；竖直位移传动机构(11)的上端与伺服电机(1)相连；支撑架(2)的两侧对称设置；两侧的竖直位移传动机构(11)通过同步丝杠(3)相连；支撑架(2)的底部设有固定底座(8)，固定底座(8)上设有工作台(10)，工作台(10)底部设有水平位移传动机构(7)，水平位移传动机构(7)与伺服电机(1)相连。
6.根据权利要求5所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：固线盘A(4)和微调固线盘B(5)之间的距离通过设有的气动悬浮器(12)进行调节。
7.根据权利要求5所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：伺服电机(1)均与控制柜(6)相连。
8.根据权利要求5所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：工作台(10)上设有分度盘(9)。
9.根据权利要求1所述的氧化铝陶瓷导轨的制备方法，其特征在于：步骤⑤中，以100℃/小时进行真空烧结，烧结温度1100-1300℃，保温3小时。
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