一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用
【專利摘要】本發(fā)明涉及半導體技術領域，本發(fā)明涉及多線切割機中使用的羅拉，具體涉及一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，所述的氧化鋯陶瓷材料為復合氧化鋯，主要組成成分是按質量百分比計的≥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)有材質的羅拉存在的耐磨性差，并因在高速運轉的時產生大量的熱而導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，同時達到減少損耗，延長使用壽命，降低生產成本的目的。
【專利說明】
一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及多線切割機中使用的羅拉，具體涉及一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用。
【背景技術】
[0002]多線切割機是用于切割石英晶體、單晶硅、磁性材料、藍寶石等脆硬材料的高性能、高效率、高精度加工設備。
[0003]高速旋轉羅拉軸的運動精度，將直接影響晶片加工質量，因此各種晶片的切割精度也都要求精確到微米。羅拉軸徑向跳動和軸向竄動誤差會直接影響到晶片質量，包括表面粗糙度、切割面平面度、厚度尺寸等。
[0004]對于羅拉的使用要求是剛性必須足夠，因為整個羅拉主軸系統(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。同時羅拉在長時間的切割過程中會產生大量的熱。而目前使用的羅拉材質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，導致?lián)p耗較大，造成材料的嚴重浪費并嚴重影響了生產效率及成本，基于此，迫切需要研究一種新的材料來實現(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、自潤滑性以及高剛度，不易變形等優(yōu)良特性，在結構材料等多種領域中，備受世界各國材料科學研究者的青睞。但由于純ZrO2在升溫時由單斜向四方轉化，有5 %的體積收縮，而降溫時由四方向單斜轉化，產生8 %的體積膨脹，出現(xiàn)較大應力，結構中會產生微裂紋，加之導熱系數小，熱膨脹系數大，使純ZrO2的力學、電學以及抗熱震等性能都很差，導致純ZrO2不能直接用來制造大型、異形產品，極大地限制了 ZrO2的應用。

【發(fā)明內容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術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用，以期能克服現(xiàn)有材質羅拉的不足，大大提高羅拉的耐磨性，并大大降低羅拉因在高速運轉的時產生大量的熱而導致的熱膨脹及變形問題，同時該羅拉擁有高于40MPa的抗壓強度，能完全滿足羅拉所需承受的抗壓能力，不易變形，同時達到減少損耗，延長使用壽命，降低生產成本。
[0008]為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，發(fā)明人提供如下的技術方案:
一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，所述的氧化鋯陶瓷材料為復合氧化鋯，主要組成成分是按質量百分比計的多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、異形產品，極大地限制了ZrO2的應用。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中產生的晶型轉變所產生的不良影響，使氧化鋯陶瓷發(fā)揮出其優(yōu)良的特性，從而為生產出性能符合要求的羅拉打下堅實基礎。
[0010]本發(fā)明中可根據不同的使用用途及性能要求，適當改變復合氧化鋯的成分及其含量，添加劑含量的不同會改變產品的力學性能。以氧化釔為例，當氧化釔的添加量達到3%的時候，復合氧化鋯的各方面性能都達到最優(yōu)，如相對密度達到98.113%，抗彎強度接近300MPa，硬度接近340MPa。但是并不是所有產品都需要那么優(yōu)的性能，而且大批量生產時需要考慮實際生產條件，燒成溫度，成本等各個方面的因素，所以根據需要達到產品所需就可以了，在本發(fā)明配方的比例范圍內做出調整即可。
[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。粉料固相反應速率常數反比于顆粒半徑的平方，因此粉料越細越有利于燒結。進一步的研究證明，粉料的粒度也是改善材料顯微結構和力學性能的重要因素。
[0012]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的復合氧化鋯滿足: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，將會導致燒成后質量過輕，收縮過大，燒成后內部空隙過多，影響產品力學性能。松裝密度過小意味著粉料中顆粒較大，間隙過大，導致調試模具時會增加裝料量甚至原模具不適用，對實際生產造成不便的影響。
[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)將復合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時需要將模具裝滿，避免等靜壓成型時收縮過大，影響產品尺寸，
(2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機中，在60MPa?200MPa的成型壓力下進行等靜壓成型，此目的在于將初步成型的坯體進一步致密化，既防止產品在干壓過程中出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象，也減少產品在燒結過程中尺寸產生較大變化，
(3)再經數控機床加工，使產品完全成型，
(4)然后在最高溫度為1350°01600°C溫度下燒結而成。
[0015]研究證明，正是基于陶瓷羅拉經過嚴格的工藝實現(xiàn)了產品的材料革命。
[0016]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的等靜壓成型的保壓時間為10s?200s。
[0017]作為優(yōu)選，本發(fā)明中，所述的燒結的時間為35h~50h。
[0018]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
1、本發(fā)明的陶瓷羅拉與現(xiàn)有羅拉相比，耐磨性從原材質的40h左右提升到400小時以上，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)明制備方法簡單，能制備出的高性能陶瓷羅拉，優(yōu)選的耐磨性為400小時以上，抗壓強度為40MPa以上，抗彎強度為200MPa以上，熱膨脹系數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，從而實現(xiàn)了降低生產成本的目的。
【具體實施方式】
[0020]下面結合實施例，更具體地說明本發(fā)明的內容。應當理解，本發(fā)明的實施并不局限于下面的實施例，對本發(fā)明所做的任何形式上的變通和/或改變都將落入本發(fā)明保護范圍。
[0021]在本發(fā)明中，若非特指，所有的設備和原料等均可從市場購得或是本行業(yè)常用的。下述實施例中的方法，如無特別說明，均為本領域的常規(guī)方法。
[0022]本發(fā)明所提供的氧化鋯陶瓷材料，可以根據不同的需要制作不同型號的陶瓷羅拉并應用在不同設備上。為了更好的理解本發(fā)明，以一種多線切割機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:實際生產中不會有100%的純凈的復合氧化鋯，所以存在質量百分比彡0.7%的雜質，雜質以氧化鋁為主。
[0024]實施例1
本實施例中采用的復合氧化鋯，主要組成成分為質量百分比多94%的氧化鋯和質量百分比為5.30 5%氧化乾。氧化錯的粉體粒徑小于6μηι，氧化乾的粉體粒徑小于4μηι。復合氧化錯滿足:粉料的灼燒減量<4%，松裝密度多1.3g/cm3，水分彡3%。
[0025]—種多線切割機用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為150MPa的環(huán)境下的等靜壓機中進行等靜壓成型，保壓時間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數控機床進行加工，使產品完全成型，
(4)燒結得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1500°C的環(huán)境下進行燒結，從開始到結束的整個燒結時間為40h。
[0026]經過上述四個步驟后便能得到所需的多線切割機用氧化鋯陶瓷羅拉，經檢測該陶瓷羅拉的耐磨性為535h，抗壓強度為52MPa，抗彎強度為280MPa，熱膨脹系數為10X10—6/°C，斷裂韌性為8.5MPa/m2。
[0027]實施例2
本實施例中采用的復合氧化鋯，主要組成成分為質量百分比多94.5%的氧化鋯和質量百分比為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]—種多線切割機用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為170MPa的環(huán)境下的等靜壓機中進行等靜壓成型，保壓時間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數控機床進行加工，使產品完全成型，
(4)燒結得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1464°C的環(huán)境下進行燒結，從開始到結束的整個燒結時間為38h。
[0029]經過上述四個步驟后便能得到所需的多線切割機用氧化鋯陶瓷羅拉，經檢測該陶瓷羅拉的耐磨性為46511，抗壓強度為4310^，抗彎強度為24010^，熱膨脹系數為9.2\10一6/°C，斷裂韌性為7.3MPa/m2。
[0030]實施例3
本實施例中采用的復合氧化鋯，主要組成成分為質量百分比多80%的氧化鋯和質量百分比為19.254%二氧化鋪。氧化錯的粉體粒徑小于4.4μηι，二氧化鋪的粉體粒徑小于2.7μηι。復合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量<6.6%，松裝密度多1.12g/cm3，水分<5%。
[0031]—種多線切割機用的氧化鋯陶瓷羅拉，按下述步驟制備:
(1)裝料
將復合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時需要將模具裝滿，
(2)等靜壓成型
將裝好粉料的橡膠模放入壓力為ISOMPa的環(huán)境下的等靜壓機中進行等靜壓成型，保壓時間為120s，
(3)加工成型
將等靜壓成型完成后的坯體，用數控機床進行加工，使產品完全成型，
(4)燒結得到成品
將完全成型后的坯體在最高溫度為1523 °C的環(huán)境下進行燒結，從開始到結束的整個燒結時間為40h。
[0032]經過上述四個步驟后便能得到所需的多線切割機用氧化鋯陶瓷羅拉，經檢測該陶瓷羅拉的耐磨性為420h，抗壓強度為46MPa，抗彎強度為260MPa，熱膨脹系數為8X10—6/°C，斷裂韌性為15.4MPa/m2。
[0033]以上3個實施例所描述的僅僅為某一種多線切割機的氧化鋯陶瓷羅拉，實驗證明，在實際生產過程中，根據產品性能需求，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)有材質的羅拉(環(huán)氧樹脂基)
一種多線切割機用的羅拉，按下述步驟制備:
(I)預壓:將一定比例的雙酸A型環(huán)氧樹脂與固化劑、碳纖維、石墨以及導熱材料按比例混合后，在壓機上壓成一定形狀和質量的錠料。
[0035](2)加料:將一定質量的環(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量分數為1:1的比例加入聚酰胺(PA66)固化劑。
[0036](3)合模:當凸模未接觸環(huán)氧樹脂混合物前應快速合模，而凸模接觸混合物之后應慢速合模，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，必須排除水分和揮發(fā)物變成的氣體及化學反應產生的副產物，以避免產生成型缺陷而影響制品的性能和表面質量。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間，使高分子交聯(lián)反應充分，才能達到制品性能好、生產效率高的目的。
[0039](6)脫模:若冷卻不均勻會導致制品內部產生較大的內應力，因此，脫模后的軸承需放入80 V的恒溫烘箱中進行緩慢冷卻。
[0040](7)清模:脫模后需用銅刀或銅刷去除殘留在模具型腔內的塑料廢料，然后用壓縮空氣吹凈。
[0041](8)機械加工:經過壓縮成型的羅拉利用數控機床在其壁部切割V型槽。槽的寬度尺寸以不影響軸承的基體強度為準，一般取2_。
[0042](9)浸泡:將羅拉在SAE40潤滑油中浸泡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，起潤滑作用。
[0043]經過上述九個步驟后便能得到所需的多線切割機用環(huán)氧樹脂基羅拉，經檢測該環(huán)氧樹脂基羅拉的耐磨性為42h，抗壓強度為23MPa，熱膨脹系數為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，裝粉料時需要將模具裝滿，
(2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機中，在150MPa的壓力下進行等靜壓，保壓時間為
120so
[0045](3)將等靜壓完成后的坯體，用數控機床進行加工，使產品完全成型。
[0046](4)將完全成型后的坯體在最高溫度為1500°C的環(huán)境下進行燒結，從開始到結束的整個燒結時間為40h。
[0047]上述四個步驟后產出的羅拉，大多數由于其晶型轉變產生裂縫，不僅導致形變，而且出現(xiàn)裂紋，為不合格品。少數外觀合格的，其抗壓強度為26MPa，耐磨性在80小時以內。
【主權項】
1.一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于所述的氧化鋯陶瓷材料為復合氧化鋯，主要組成成分是按質量百分比計的多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.根據權利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，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.根據權利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于，所述的復合氧化鋯滿足:粉料的灼燒減量<8%，松裝密度多1.lg/cm3，水分<6%。4.根據權利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于，所述的羅拉是指多線切割機用羅拉。5.根據權利要求1所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于，所述的羅拉按下述方法制備: (1)將復合氧化鋯放入選好的橡膠模中，裝粉料時需要將模具裝滿， (2)將裝好粉料的橡膠模放入等靜壓機中，在60MPa?200MPa的成型壓力下進行等靜壓成型， (3)再經數控機床加工，使產品完全成型， (4)然后在最高溫度為1350°01600°C溫度下燒結而成。6.根據權利要求5所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于，所述的等靜壓成型的保壓時間為10s?200s。7.根據權利要求5所述的一種氧化鋯陶瓷材料在制備羅拉上的應用，其特征在于，所述的燒結的時間為35h~50h。
【文檔編號】B28D5/00GK105906342SQ201610233015
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】王平進, 金海潮, 王凱翔, 張其燦, 李國安
【申請人】橫店集團浙江英洛華電子有限公司