氧化鋁陶瓷基片是目前制造和加工技術最成熟的陶瓷基片材料,它是在96%~99%氧化鋁陶瓷材料中添加了適量的礦物原料燒結而成的電子陶瓷基片,對膜電路元件及外貼切元件起支撐底座的作用。
但在投以應用前,需要先對燒結獲得的氧化鋁陶瓷進行加工。因為這種剛燒結出來的氧化鋁陶瓷,由于燒結通常會帶來變形與收縮,其平面度和厚度無法保證,表面粗糙度也難以控制;另一方面,氧化鋁陶瓷基片燒結后常在其表面覆蓋一層非晶態玻璃體,但由于氧化鋁陶瓷的工業應用要求,需要對其進行金屬化處理,為此也需要先去除陶瓷表面的非晶態玻璃體。
目前氧化鋁陶瓷基片的機械加工難度主要體現在加工硬度和加工脆性上。
01加工硬度
α-Al2O3結晶形態多數為鋁離子與氧離子形成的共價鍵或離子鍵,因此原子間的結合能很高且具有很強的方向性,其具體表現為塑性變形小、材料脆性大、易產生裂紋;其硬度相當于碳化物硬質合金的硬度,比鋼的硬度高幾倍,通常高純度氧化鋁陶瓷的密度可達3980kg/m-3,抗拉強度達260MPa,抗壓強度為2930MPa,彈性模量在350---400GPa之間,特別是其硬度可達95HRA。
02加工脆性
另一方面,一般情況下氧化鋁陶瓷的顯微組織結構為等軸晶粒,是由共價鍵或離子鍵所組成的多晶結構,因此具體表現為斷裂韌性較低,在外部載荷的作用下,應力會使陶瓷表面產生細微的裂紋,而裂紋會快速擴展進而出現脆性斷裂。因此在氧化鋁陶瓷切削加工過程中,經常會出現崩豁現象,即在陶瓷表面出現崩裂的小豁口。當切削拉應力越大時,造成的崩豁現象就會越嚴重,這可能會導致整個工件的浪費。
常用的加工方法
目前氧化鋁基片的常見加工方法包括磨削加工、切削加工、激光加熱加工、高壓磨料水射流加工以及超聲波加工等。詳情及注意要點如下:
01磨削加工
氧化鋁陶瓷材料硬度高,因此磨削砂輪通常以金剛石材料為磨具磨料,而在研磨加工中則采用B4C作為研磨的磨料。磨削過程中,材料去除方式主要包括晶粒去除、脆性斷裂、材料剝離、晶界微破碎等。陶瓷表面的空隙與裂紋經過成型、延展、剝離、破裂這四個階段,使整個晶粒從工件表面上脫落,完成材料的脆性去除過程。
要點:在實際磨削過程中,機床的特性、磨削參數和磨削形狀對磨削加工效果均有影響。
02切削加工
氧化鋁陶瓷的切削加工通常采用金剛石或立方氮化硼作為刀具材料。陶瓷切削加工時,材料的硬度和斷裂韌性是影響切削力的主要因素,由于硬度高,刃口難于切入,故徑向力遠大于其他分力達5~10倍。
要點:刀具的磨損包括機械磨損、化學磨損和由于晶界損傷和破裂所致的刃口剝落。切削速度高、切削深度和進給量大都會增加刀具磨損,可適當加大刀尖圓弧半徑,以增加刀尖強度和散熱性。
03激光加工
激光加工是以激光作為加工能源的非接觸式加工,因此避免了材料脆性去除時產生的表面裂紋。當高能量的激光作用在被加工零件的加工面上時,工件加工表面上經過光能轉變成的熱能會讓工件的表面小范圍內的溫度快速升高,并使工件材料融化、汽化,從而達到去除工件表面的材料的效果。由于聚焦光斑小,其熱影響區域小,因此可以實現氧化鋁陶瓷精密加工。
要點:激光加工參數、加工環境等因素對陶瓷材料表面孔加工尺寸(如直徑、深度和錐度等)有明顯影響。
04超聲波加工
超聲波加工實質是在工具和被加工工件的空隙之間加入液態或者糊狀的磨料,利用超聲波的振動作用,使得磨料顆粒高速連續地撞擊、打壓并拋磨被加工材料的表面,使得被撞擊磨削的材料流出,從而實現切削的目的。
要點:超聲波施加在加工工具與被加工工件表面上,在工具和被加工工件的空隙之問存在液態或糊狀的磨料,需要給加工工具施加微小的壓力,使其壓住被加工工件,才能實現對加工工件的超聲波加工。
05高壓磨料水射流加工
水射流加工是將經過特殊處理的水注入高壓系統進行增壓,然后再將這種高壓水通過一個直徑很小的噴嘴噴出,磨料與流經噴嘴的水混合,沖擊被加工陶瓷材料。一般采用天然石榴石為磨料,在高壓水的帶動下對陶瓷工件進行沖擊時,由于氧化鋁陶瓷是脆性材料,將產生一定長度的裂紋,裂紋擴展形成切屑,切屑從陶瓷表面脫落實現加工。
要點:磨料水射流不僅加工精度低而且噪聲大。
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