School of Materials Science and Engineering / WHUT第五章 陶瓷的加工及改性第一节 陶瓷的机械加工方法陶瓷加工的特点：陶瓷都有尺寸和表面精度要求，但由于烧结收缩率大，无法保证烧结后瓷体尺寸的精确度，因此烧结后需要再加工陶瓷材料有高硬度、高强度、脆性大的特性 ，属于难加工材料School of Materials Science and Engineering / WHUT分类方式加工方法机械磨料加工固结磨料加工磨削珩磨超精加工纱布砂纸加工悬浮磨料加工研磨超声波加工抛光滚筒抛光刀具加工切削加工 切割化学蚀刻 化学研磨 化学抛光光化学光刻电化学电解研磨 电解抛光电学电火花加工 电子束加工 离子束加工 等离子体加工光学激光加工陶瓷材料的加工方法School of Materials Science and Engineering / WHUT5.1.1 陶瓷的切削加工（cutting）一、陶瓷材料的切削加工特点（1）陶瓷材料具有很高的硬度、耐磨性，对于一般工程陶 瓷的切削，只有超硬 刀具材料才能够胜任（2）陶瓷材料是典型的硬脆材料（3）陶瓷材料的切削特性由于材料种类、制备工艺 不同而有很大差别二、陶瓷材料的切削加工 （1 1）选择切削性能优良的新型切削刀具）选择切削性能优良的新型切削刀具（2 2）选择合适的刀具几何参数）选择合适的刀具几何参数（3 3）切削用量的选择）切削用量的选择（4 4）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑）设计的专用夹具、缓冲震动、施冷却润滑School of Materials Science and Engineering / WHUT5.1.2 陶瓷的机械磨削加工一、磨削加工机理（grinding）陶瓷材料和金属材料的磨削机理 材料脆性剥离是通过空隙和裂纹的形成或延展、剥落及碎裂等方式来完成的 在晶粒去除过程中，材料是以整个晶粒从工件表面上脱落的方式被去除的。 陶瓷和金属的磨削过程模型如右图。金属材料依靠剪切作用产生带状或接近带状的切屑，而磨削陶瓷时，材料内部先产生裂纹，随着应力的增加，间断裂纹的逐渐增大，连接，从而形成局部剥落。 School of Materials Science and Engineering / WHUT二、磨削加工设备 砂轮（grinding wheel）和磨料（abrasives）的选择 磨削工艺及条件的选择a 砂轮磨削速度b 工件给进速度（feeding speed）c 冷却液的选择（cooling media）d 磨削深度ap（rubbing depth）e 磨削方式（rubbing way）、方向及机床刚性 （machine rigidity）School of Materials Science and Engineering / WHUT5.1.3 陶瓷的研磨、抛光加工一、陶瓷的研磨（grinding）研磨加工是利用涂敷或压嵌游离磨粒与研磨剂的混合物在一定刚性的软质研具上，研具与工件向磨粒施加一定压力，磨粒作滚动与滑动，从被研磨工件上去除极薄的余量，以提高工件的精度和降低表面粗糙度的加工方法，研磨加工示意图如下图。研磨加工示意图School of Materials Science and Engineering / WHUT研磨过程材料剥离的机理主要是以滚碾破碎为主。磨粒越粗，材料剥离率越大，研磨效率越高，但表面粗糙度增大；磨粒硬度越高，研磨效率越高，但却容易使球面出现机械损伤，导致表面粗糙度相对较低。 研磨工程陶瓷用的磨料一般采用B4C和金刚石粉，磨料粒度范围为250600目，冷却液可选用煤油或机油。但对于较大尺寸的制品，不适合采用端面研磨机加工，通常采用研磨砂布进行加工。 School of Materials Science and Engineering / WHUT二、陶瓷的抛光（polishing） 抛光是使用微细磨粒弹塑性的抛光机对工件表面进行摩擦使工件表面产生塑性流动，生成细微的切屑，材料的剥离基本上是在弹性的范围内进行。抛光的方法：一般的抛光使用软质、富于弹性或粘弹性的材料和微粉磨料。抛光加工的用途：它是制备许多精密零件如硅芯片、集成电路基板、精密机电零件等的重要工艺。抛光时在加工面上产生的凹凸，或加工变质层极薄，所以尺寸形状精度和表面粗糙度比研磨高。School of Materials Science and Engineering / WHUT第二节 陶瓷的特种加工技术5.2.1 电火花加工电火花加工的原理是基于工件和工具（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除（corrosion removing）多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状以及表面质量预定的加工要求。放电间隙示意图School of Materials Science and Engineering / WHUT电火花加工必须具备以下几个条件：（1）放电必须是瞬时的脉冲性放电。（2）火花放电必须在有较高绝缘强度的介质中进行。（3）要有足够的放电强度，以实现金属局部的熔化和气化。（4）工具电极与工件被加工表面之间要始终保持一定的放电间隙 绝缘陶瓷的电火花放电加工原理示意图和高速电火花穿孔机原理示意图 如下图所示 电火花加工示意图高速电火花穿孔机原理示意图School of Materials Science and Engineering / WHUT5.2.2 电子束加工电子束加工（electron beam machining）是在真空的条件下，利用聚焦后能量密度极高（106109W/cm2）的电子束，以极高的速度冲击到工件表面极小的面积上，在极短的时间（几分之一微秒）内，其能量的大部分转变为热能，使被冲击的大部分的工件材料达到数千度以上的高温，从而引起材料的局部融化或气化。下图为电子束加工工作原理示意图。电子束加工工作原理示意图 工件变形小、效率高、清洁 制电子束能量密度的大小与 能量注入时间，达到热处理， 焊接，打孔，切割等加工目的 光刻加工 特点：School of Materials Science and Engineering / WHUT 原理：激光加工是利用能量密度极高的激光束照射 到被加工陶瓷工件表面上，工件局部表面吸收激光能量 ，使自身温度上升，从而能够改变工件表面的结构和性 能，甚至造成不可逆的破坏。材料在高温、熔融、汽化和冲击波的作用下被蚀除 ，从而进行打孔、画线、切割以及表面处理等加工。 特点：（1）加工速度快、无噪声，能实现各种复杂面型的高 精度的加工目的。（2）可以进行微区加工，也可以进行选择性加工（3）因此其热影响区很小（4）大气中进行，便于大工件加工（5）数控机床机器人连接起来构成各种加工系统。 （6）难保证重复精度和表面粗糙度；设备复杂昂贵， 加工成本高。 激光加工原理示意图5.2.3 激光加工（laser machining）School of Materials Science and Engineering / WHUT超声波磨削加工是利用工具端面作超声频振动，通过磨料悬浮液加工硬脆材料的一种加工方法。超声波加工机理5.2.4 超声波加工（ultrasonic machining）特点：（1）适合加工各种硬脆材料，特别是不 导电的非金属材料 （2）加工设备结果简单，操作、维修方便（3）可以得到高质量的表面，而且可以加 工薄壁、窄缝零件 School of Materials Science and Engineering / WHUT第三节 施釉陶瓷的施釉是指通过高温的方式，在陶瓷体表面上附着一层玻璃态层物质。施釉的目的在于改善坯体的表面物理性能和化学性能，同时增加产品的美感，提高产品的使用性能。6.3.1 釉的作用与分类一、釉的作用（1）釉能够提高瓷体的表面光洁度。（2）釉可提高瓷件的力学性能和热学性能。（3）提高瓷件的电性能，如压电、介电和绝缘性能。（4）改善瓷体的化学性能。（5）使瓷件与金属之间形成牢固的结合。（6）釉可以增加瓷器的美感，艺术釉还能够增加陶瓷制品的艺术附加 值，提高其艺术欣赏价值。School of Materials Science and Engineering / WHUT二、釉的分类（1）按釉中主要助熔物划分：如铅釉、石灰釉、长石釉等。（2）按釉的制备方法划分：生料釉：即指釉料配方组成中未使用熟料熔块的釉。熔块釉：即指由熔块与一些生料按配比制作而成的釉料。 （3）按照釉的烧成温度划分：易熔釉或低温釉：指熔融温度一般不超过1150的釉 中熔釉或中温釉：指熔融温度一般在11501300的釉难熔釉或高温釉：指熔融温度一般达1130的釉（4）按釉烧成后外观特征和具有的特殊功能划分：透明釉、乳浊釉、画釉、结晶釉、纹理釉、无光釉、腊光釉、荧光釉、香味釉、金属光泽釉、彩虹釉、抗菌釉、自洁釉等。（5）按釉的用途划分：装饰釉、电瓷釉、化学瓷釉、面釉、底釉、钧釉等。School of Materials Science and Engineering / WHUT5.3.2 釉的特点和性质一、釉的熔融性能（1）釉的熔融温度范围 定义：我们把釉随着温度的升高，从开始出现液相的始熔温度到完全成为液相的流淌温度之间的温度区域范围称为釉的熔融温度范围。 釉的始熔温度和流淌温度的测定：釉的熔融性质通常用高温显微镜测定。首先，将待测釉料制作成高度 和直径均为3mm的圆柱体，并置于高温电炉中加热升温，升温速度为 810/mm，对釉料受热变化的行为照相记录，如下图。釉料受热变化的行为School of Materials Science and Engineering / WHUT二、釉的高温粘度（viscosity）（1）釉的高温粘度对釉面质量的影响：如果粘度过小，引起堆釉、流釉或干釉等缺陷并易使装饰纹样模糊或消失；如果粘度过大，会使釉面出现桔釉或光泽度差等缺陷。（2）影响釉高温粘度的主要因素：配方中助熔剂种类及含量；烧成温度（3）釉的高温粘度测定：首先用5g釉粉加工成圆球或小圆柱体，然后将该釉粉试样置于以45度角放置的瓷质粘度测定板的圆槽中，试样在高温炉中升温至成熟温度，然后冷却并取出试样测定其在流动槽中的流动长度L，它即代表着釉的粘度大小。School of Materials Science and Engineering / WHUT三、釉的膨胀系数及坯釉膨胀系数的适应性（1）坯釉膨胀系数互不适应时的两种表现：当釉坯时：冷却时釉层会受到坯体所给予的拉伸应力作用，即在釉层中产生张应力。当此张应力超过釉层的抗张应力极限时，釉层被拉断形成釉裂。当釉坯时：冷却时坯层收缩大于釉层，使釉层受到压应力作用，当此压应力超过一定极限时即发生釉层的剥落现象，即剥釉。（2）膨胀系数的选择确定：对于有釉面的陶瓷制品，一般希望釉的膨胀系数比坯体的略小（两者差值为1.010-6/左右较佳）。School of Materials Science and Engineering / WHUT四、釉的力学性能（1）釉层的强度：釉面机械强度与釉、坯之间的应力分布有很大关系。（2）釉的弹性：釉的弹性对釉面质量的影响：如果釉的弹性很小，有裂纹产生；釉的弹性大可以缓解机械外应力的破坏作用。釉的组成对弹性的影响：配方中引入离子半径较大、电荷较低的金属氧 化物（如Na2O、K2O等）可使弹性模量减少，而弹性值增大；反之，引入离 子半径小、极化能力强的金属化合物（BeO、MgO、Li2O等）则使弹性提高釉的弹性模量，使釉的弹性减