一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明涉及多線切割機(jī)中使用的羅拉，具體涉及一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，所述的氧化鋯陶瓷材料為復(fù)合氧化鋯，主要組成成分是按質(zhì)量百分比計(jì)的≥75%的氧化鋯和余量的添加劑，其中，所述的添加劑任選氧化釔、氧化鈣或二氧化鈰中的一種。本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有材質(zhì)的羅拉存在的耐磨性差，并因在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)產(chǎn)生大量的熱而導(dǎo)致的熱膨脹及變形問題，能完全滿足羅拉所需承受的抗壓能力，不易變形，同時(shí)達(dá)到減少損耗，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本的目的。
【專利說明】
一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及多線切割機(jī)中使用的羅拉，具體涉及一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]多線切割機(jī)是用于切割石英晶體、單晶硅、磁性材料、藍(lán)寶石等脆硬材料的高性能、高效率、高精度加工設(shè)備。
[0003]高速旋轉(zhuǎn)羅拉軸的運(yùn)動(dòng)精度，將直接影響晶片加工質(zhì)量，因此各種晶片的切割精度也都要求精確到微米。羅拉軸徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)誤差會(huì)直接影響到晶片質(zhì)量，包括表面粗糙度、切割面平面度、厚度尺寸等。
[0004]對(duì)于羅拉的使用要求是剛性必須足夠，因?yàn)檎麄€(gè)羅拉主軸系統(tǒng)需要承受幾百根張力大于20N的鋼線的抱緊和大面積切割力的作用。同時(shí)羅拉在長(zhǎng)時(shí)間的切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱。而目前使用的羅拉材質(zhì)以高分子聚乙烯為主，其性能一般，損耗量較大。
[0005]由于如今羅拉的性能不佳，導(dǎo)致?lián)p耗較大，造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi)并嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率及成本，基于此，迫切需要研究一種新的材料來實(shí)現(xiàn)符合羅拉的使用。
[0006]氧化鋯陶瓷因其擁有極好的耐磨性、耐腐蝕性、自潤(rùn)滑性以及高剛度，不易變形等優(yōu)良特性，在結(jié)構(gòu)材料等多種領(lǐng)域中，備受世界各國(guó)材料科學(xué)研究者的青睞。但由于純ZrO2在升溫時(shí)由單斜向四方轉(zhuǎn)化，有5 %的體積收縮，而降溫時(shí)由四方向單斜轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生8 %的體積膨脹，出現(xiàn)較大應(yīng)力，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生微裂紋，加之導(dǎo)熱系數(shù)小，熱膨脹系數(shù)大，使純ZrO2的力學(xué)、電學(xué)以及抗熱震等性能都很差，導(dǎo)致純ZrO2不能直接用來制造大型、異形產(chǎn)品，極大地限制了 ZrO2的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的各種問題和缺陷，本發(fā)明旨在提供一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，以期能克服現(xiàn)有材質(zhì)羅拉的不足，大大提高羅拉的耐磨性，并大大降低羅拉因在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)產(chǎn)生大量的熱而導(dǎo)致的熱膨脹及變形問題，同時(shí)該羅拉擁有高于40MPa的抗壓強(qiáng)度，能完全滿足羅拉所需承受的抗壓能力，不易變形，同時(shí)達(dá)到減少損耗，延長(zhǎng)使用壽命，降低生產(chǎn)成本。
[0008]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人提供如下的技術(shù)方案:
一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，所述的氧化鋯陶瓷材料為復(fù)合氧化鋯，主要組成成分是按質(zhì)量百分比計(jì)的多75%的氧化鋯和余量的添加劑，其中，所述的添加劑任選氧化釔、氧化鈣或二氧化鈰中的一種。
[0009]純ZrO2因其本身的局限性并不能直接用來制造大型、異形產(chǎn)品，極大地限制了ZrO2的應(yīng)用。發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，按本發(fā)明配比的比例添加氧化釔、氧化鈣或二氧化鈰這三種添加劑的一種，可以解決純的二氧化鋯在燒結(jié)中產(chǎn)生的晶型轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的不良影響，使氧化鋯陶瓷發(fā)揮出其優(yōu)良的特性，從而為生產(chǎn)出性能符合要求的羅拉打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
[0010]本發(fā)明中可根據(jù)不同的使用用途及性能要求，適當(dāng)改變復(fù)合氧化鋯的成分及其含量，添加劑含量的不同會(huì)改變產(chǎn)品的力學(xué)性能。以氧化釔為例，當(dāng)氧化釔的添加量達(dá)到3%的時(shí)候，復(fù)合氧化鋯的各方面性能都達(dá)到最優(yōu)，如相對(duì)密度達(dá)到98.113%，抗彎強(qiáng)度接近300MPa，硬度接近340MPa。但是并不是所有產(chǎn)品都需要那么優(yōu)的性能，而且大批量生產(chǎn)時(shí)需要考慮實(shí)際生產(chǎn)條件，燒成溫度，成本等各個(gè)方面的因素，所以根據(jù)需要達(dá)到產(chǎn)品所需就可以了，在本發(fā)明配方的比例范圍內(nèi)做出調(diào)整即可。
[0011]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的氧化鋯的粉體粒徑小于ΙΟμπι，添加劑的粉體粒徑小于6μπι。粉料固相反應(yīng)速率常數(shù)反比于顆粒半徑的平方，因此粉料越細(xì)越有利于燒結(jié)。進(jìn)一步的研究證明，粉料的粒度也是改善材料顯微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的重要因素。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的復(fù)合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量<8%，松裝密度多1.lg/cm3，水分彡6%。若灼燒減量過大，將會(huì)導(dǎo)致燒成后質(zhì)量過輕，收縮過大，燒成后內(nèi)部空隙過多，影響產(chǎn)品力學(xué)性能。松裝密度過小意味著粉料中顆粒較大，間隙過大，導(dǎo)致調(diào)試模具時(shí)會(huì)增加裝料量甚至原模具不適用，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)造成不便的影響。
[0013]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的羅拉包括并不限于多線切割機(jī)用羅拉等。
[0014]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的羅拉按下述方法制備:
(1)將復(fù)合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿，避免等靜壓成型時(shí)收縮過大，影響產(chǎn)品尺寸，
(2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機(jī)中，在60MPa?200MPa的成型壓力下進(jìn)行等靜壓成型，此目的在于將初步成型的坯體進(jìn)一步致密化，既防止產(chǎn)品在干壓過程中出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，也減少產(chǎn)品在燒結(jié)過程中尺寸產(chǎn)生較大變化，
(3)再經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工，使產(chǎn)品完全成型，
(4)然后在最高溫度為1350°01600°C溫度下燒結(jié)而成。
[0015]研究證明，正是基于陶瓷羅拉經(jīng)過嚴(yán)格的工藝實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的材料革命。
[0016]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的等靜壓成型的保壓時(shí)間為10s?200s。
[0017]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的燒結(jié)的時(shí)間為35h~50h。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明的陶瓷羅拉與現(xiàn)有羅拉相比，耐磨性從原材質(zhì)的40h左右提升到400小時(shí)以上，耐磨性提升了 10倍以上，具有極好的耐磨性，及高剛度、熱穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)良、耐腐蝕等優(yōu)良性能。
[0019]2、本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，能制備出的高性能陶瓷羅拉，優(yōu)選的耐磨性為400小時(shí)以上，抗壓強(qiáng)度為40MPa以上，抗彎強(qiáng)度為200MPa以上，熱膨脹系數(shù)15 X 10—6/°C以下，斷裂韌性為5MPa/m2以上，這就大大提高了羅拉的使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)了降低生產(chǎn)成本的目的。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合實(shí)施例，更具體地說明本發(fā)明的內(nèi)容。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施并不局限于下面的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發(fā)明保護(hù)范圍。
[0021]在本發(fā)明中，若非特指，所有的設(shè)備和原料等均可從市場(chǎng)購(gòu)得或是本行業(yè)常用的。下述實(shí)施例中的方法，如無特別說明，均為本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0022]本發(fā)明所提供的氧化鋯陶瓷材料，可以根據(jù)不同的需要制作不同型號(hào)的陶瓷羅拉并應(yīng)用在不同設(shè)備上。為了更好的理解本發(fā)明，以一種多線切割機(jī)用的氧化鋯陶瓷羅拉為例做出具體說明。
[0023]需要說明的一點(diǎn):實(shí)際生產(chǎn)中不會(huì)有100%的純凈的復(fù)合氧化鋯，所以存在質(zhì)量百分比彡0.7%的雜質(zhì)，雜質(zhì)以氧化鋁為主。
[0024]實(shí)施例1
本實(shí)施例中采用的復(fù)合氧化鋯，主要組成成分為質(zhì)量百分比多94%的氧化鋯和質(zhì)量百分比為5.30 5%氧化乾。氧化錯(cuò)的粉體粒徑小于6μηι，氧化乾的粉體粒徑小于4μηι。復(fù)合氧化錯(cuò)滿足:粉料的灼燒減量<4%，松裝密度多1.3g/cm3，水分彡3%。
[0025]—種多線切割機(jī)用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復(fù)合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為150MPa的環(huán)境下的等靜壓機(jī)中進(jìn)行等靜壓成型，保壓時(shí)間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，使產(chǎn)品完全成型，
(4)燒結(jié)得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1500°C的環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，從開始到結(jié)束的整個(gè)燒結(jié)時(shí)間為40h。
[0026]經(jīng)過上述四個(gè)步驟后便能得到所需的多線切割機(jī)用氧化鋯陶瓷羅拉，經(jīng)檢測(cè)該陶瓷羅拉的耐磨性為535h，抗壓強(qiáng)度為52MPa，抗彎強(qiáng)度為280MPa，熱膨脹系數(shù)為10X10—6/°C，斷裂韌性為8.5MPa/m2。
[0027]實(shí)施例2
本實(shí)施例中采用的復(fù)合氧化鋯，主要組成成分為質(zhì)量百分比多94.5%的氧化鋯和質(zhì)量百分比為5.101%氧化鈣。氧化鋯的粉體粒徑小于5.3μπι，氧化鈣的粉體粒徑小于3.5μπι。復(fù)合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量< 3.1%，松裝密度多1.26g/cm3，水分< 2.6%。
[0028]—種多線切割機(jī)用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復(fù)合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為170MPa的環(huán)境下的等靜壓機(jī)中進(jìn)行等靜壓成型，保壓時(shí)間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，使產(chǎn)品完全成型，
(4)燒結(jié)得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1464°C的環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，從開始到結(jié)束的整個(gè)燒結(jié)時(shí)間為38h。
[0029]經(jīng)過上述四個(gè)步驟后便能得到所需的多線切割機(jī)用氧化鋯陶瓷羅拉，經(jīng)檢測(cè)該陶瓷羅拉的耐磨性為46511，抗壓強(qiáng)度為4310^，抗彎強(qiáng)度為24010^，熱膨脹系數(shù)為9.2\10一6/°C，斷裂韌性為7.3MPa/m2。
[0030]實(shí)施例3
本實(shí)施例中采用的復(fù)合氧化鋯，主要組成成分為質(zhì)量百分比多80%的氧化鋯和質(zhì)量百分比為19.254%二氧化鋪。氧化錯(cuò)的粉體粒徑小于4.4μηι，二氧化鋪的粉體粒徑小于2.7μηι。復(fù)合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量<6.6%，松裝密度多1.12g/cm3，水分<5%。
[0031]—種多線切割機(jī)用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復(fù)合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為ISOMPa的環(huán)境下的等靜壓機(jī)中進(jìn)行等靜壓成型，保壓時(shí)間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，使產(chǎn)品完全成型，
(4)燒結(jié)得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1523 °C的環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，從開始到結(jié)束的整個(gè)燒結(jié)時(shí)間為40h。
[0032]經(jīng)過上述四個(gè)步驟后便能得到所需的多線切割機(jī)用氧化鋯陶瓷羅拉，經(jīng)檢測(cè)該陶瓷羅拉的耐磨性為420h，抗壓強(qiáng)度為46MPa，抗彎強(qiáng)度為260MPa，熱膨脹系數(shù)為8X10—6/°C，斷裂韌性為15.4MPa/m2。
[0033]以上3個(gè)實(shí)施例所描述的僅僅為某一種多線切割機(jī)的氧化鋯陶瓷羅拉，實(shí)驗(yàn)證明，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)產(chǎn)品性能需求，在本發(fā)明的配方比例和制備方法下制備羅拉，都可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，有效解決現(xiàn)有羅拉抗磨性差、容易熱膨脹、易變性等問題。此處不再一一贅述。
[0034]比較例I現(xiàn)有材質(zhì)的羅拉(環(huán)氧樹脂基)
一種多線切割機(jī)用的羅拉，按下述步驟制備:
(I)預(yù)壓:將一定比例的雙酸A型環(huán)氧樹脂與固化劑、碳纖維、石墨以及導(dǎo)熱材料按比例混合后，在壓機(jī)上壓成一定形狀和質(zhì)量的錠料。
[0035](2)加料:將一定質(zhì)量的環(huán)氧樹脂膠粘劑倒入玻璃燒杯中，然后均勻地加入10%?20%左右的碳纖維，同時(shí)緩慢地加入20%?30%左右的石墨粉和10%青銅粉，攪拌均勻，待混合物完全均勻混合，倒入模具前按照其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1:1的比例加入聚酰胺(PA66)固化劑。
[0036](3)合模:當(dāng)凸模未接觸環(huán)氧樹脂混合物前應(yīng)快速合模，而凸模接觸混合物之后應(yīng)慢速合模，以使模具型腔中的空氣充分排除。
[0037](4)排氣:熱固性塑料在成型時(shí)，必須排除水分和揮發(fā)物變成的氣體及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物，以避免產(chǎn)生成型缺陷而影響制品的性能和表面質(zhì)量。為此，在合模之后要卸壓排氣。
[0038](5)固化:熱固性塑料在一定溫度和壓力下要保持一定的時(shí)間，使高分子交聯(lián)反應(yīng)充分，才能達(dá)到制品性能好、生產(chǎn)效率高的目的。
[0039](6)脫模:若冷卻不均勻會(huì)導(dǎo)致制品內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，因此，脫模后的軸承需放入80 V的恒溫烘箱中進(jìn)行緩慢冷卻。
[0040](7)清模:脫模后需用銅刀或銅刷去除殘留在模具型腔內(nèi)的塑料廢料，然后用壓縮空氣吹凈。
[0041](8)機(jī)械加工:經(jīng)過壓縮成型的羅拉利用數(shù)控機(jī)床在其壁部切割V型槽。槽的寬度尺寸以不影響軸承的基體強(qiáng)度為準(zhǔn)，一般取2_。
[0042](9)浸泡:將羅拉在SAE40潤(rùn)滑油中浸泡24?48h，保證在使用前充分浸油。軸承在工作狀態(tài)由于受熱而使油漬滲出，起潤(rùn)滑作用。
[0043]經(jīng)過上述九個(gè)步驟后便能得到所需的多線切割機(jī)用環(huán)氧樹脂基羅拉，經(jīng)檢測(cè)該環(huán)氧樹脂基羅拉的耐磨性為42h，抗壓強(qiáng)度為23MPa，熱膨脹系數(shù)為9.4\10—6/°(:，硬度60!?。
[0044]比較例2單一氧化鋯陶瓷材料的羅拉一種氧化鋯陶瓷材料羅拉，按下述步驟制備:
(1)將氧化鋯含量在98%以上的單一氧化鋯粉料，放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿，
(2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機(jī)中，在150MPa的壓力下進(jìn)行等靜壓，保壓時(shí)間為
120so
[0045](3)將等靜壓完成后的坯體，用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，使產(chǎn)品完全成型。
[0046](4)將完全成型后的坯體在最高溫度為1500°C的環(huán)境下進(jìn)行燒結(jié)，從開始到結(jié)束的整個(gè)燒結(jié)時(shí)間為40h。
[0047]上述四個(gè)步驟后產(chǎn)出的羅拉，大多數(shù)由于其晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生裂縫，不僅導(dǎo)致形變，而且出現(xiàn)裂紋，為不合格品。少數(shù)外觀合格的，其抗壓強(qiáng)度為26MPa，耐磨性在80小時(shí)以內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于所述的氧化鋯陶瓷材料為復(fù)合氧化鋯，主要組成成分是按質(zhì)量百分比計(jì)的多75%的氧化鋯和余量的添加劑，其中，所述的添加劑任選氧化釔、氧化鈣或二氧化鈰中的一種。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的氧化鋯的粉體粒徑小于10M1，添加劑的粉體粒徑小于6μπι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的復(fù)合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量<8%，松裝密度多1.lg/cm3，水分<6%。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的羅拉是指多線切割機(jī)用羅拉。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的羅拉按下述方法制備: (1)將復(fù)合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時(shí)需要將模具裝滿， (2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機(jī)中，在60MPa?200MPa的成型壓力下進(jìn)行等靜壓成型， (3)再經(jīng)數(shù)控機(jī)床加工，使產(chǎn)品完全成型， (4)然后在最高溫度為1350°01600°C溫度下燒結(jié)而成。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的等靜壓成型的保壓時(shí)間為10s?200s。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應(yīng)用，其特征在于，所述的燒結(jié)的時(shí)間為35h~50h。
【文檔編號(hào)】B28D5/00GK105906342SQ201610233015
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年4月15日
【發(fā)明人】王平進(jìn), 金海潮, 王凱翔, 張其燦, 李國(guó)安
【申請(qǐng)人】橫店集團(tuán)浙江英洛華電子有限公司