一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法
阅读：125发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 硼 化物陶瓷材料表面磨削的方法，它涉及一种 硼化物 陶瓷材料的磨削方法。本 发明 目的是要解决传统的硼化物陶瓷材料的磨削方法存在磨削效率低的问题，方法：一、超声清洗，得到清洗后硼化物陶瓷材料；二、表面加热 氧 化，得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；三、将表面氧化后硼化物陶瓷材料在 抛光 机上进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。优点：磨削加工速率提高了50％～300％，减少 磨料 用量20％～60％。本发明主要用于硼化物陶瓷材料表面磨削。，下面是一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法专利的具体信息内容。
1.一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于硼化物陶瓷材料表面磨削的方法是按以下步骤完成的：
一、超声清洗：以无水乙醇为清洗剂对硼化物陶瓷材料进行超声清洗5min～60min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至400～1500℃，并在温度为400～1500℃下加热保温1min～120min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒或碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为100转/min～1000转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
2.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤一中以无水乙醇为清洗剂对硼化物陶瓷材料进行超声清洗20min～40min，得到清洗后硼化物陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤一中所述的清洗剂与硼化物陶瓷材料的体积比为(4～10):1。
4.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤一中所述的硼化物陶瓷材料为硼化物陶瓷制品。
5.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤二中将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至600～1400℃，并在温度为600～
1400℃下加热保温30min～90min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料。
6.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤三中将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒或碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为200转/min～800转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
7.根据权利要求1所述的一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，其特征在于步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为0.5微米～10微米。
一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法
技术领域
背景技术
[0002] 随着飞行器性能的不断提升，飞行器关键热部位在能够胜任极端气动热环境服役的同时还需满足飞行器对热防护系统结构完整性的严格要求，这对热防护材料提出了严峻的挑战。超高温陶瓷材料被视为一种非常有前途的非烧蚀型结构材料，而以ZrB2、HfB2为代表的硼化物陶瓷材料是超高温陶瓷材料主要研究方向。硼化物陶瓷材料具有极高的熔点，较高的高温强度，优异的抗氧化烧蚀性能及抗化学腐蚀性能。由于其出众的综合性能，今年来硼化物陶瓷材料受到广泛关注，并取得了显著的研究成果。
[0003] 同其他陶瓷材料一样，硼化物陶瓷材料的本征脆性使得其对表面缺陷极其敏感，较小尺寸的表面缺陷会造成材料强度显著下降。而硼化物陶瓷材料及结构件在制备、加工的过程中不可避免的在表面引入大量缺陷，因此十分必要对加工后的材料表面进行磨削、抛光。然而硼化物陶瓷材料较高的硬度(>20GPa)使得对其表面进行磨削非常困难，对磨料、设备、磨削参数也提出了较高的要求。表面磨削已经成为限制硼化物陶瓷材料广泛应用的主要因素之一。
[0004] 传统的硼化物陶瓷材料的磨削方法，是通过利用比陶瓷材料硬度更高的磨料来实现材料表面摩擦、挤压、切削的过程，达到减少材料表面粗糙度的目的。整个磨削过程是个纯机械过程，磨削效率低。
发明内容
[0005] 本发明目的是要解决传统的硼化物陶瓷材料的磨削方法存在磨削效率低的问题，而提供一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法。
[0006] 一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0008] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至400～1500℃，并在温度为400～1500℃下加热保温1min～120min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0009] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒或碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为100转/min～1000转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0010] 本发明优点：传统的硼化物陶瓷材料的磨削方法，是通过利用比陶瓷材料硬度更高的磨料来实现材料表面摩擦、挤压、切削的过程，达到减少材料表面粗糙度的目的。整个磨削过程是个纯机械过程，磨削效率低。本发明提供一种硼化物陶瓷材料表面快速磨削方法，将硼化物陶瓷置于有氧高温环境下，利用材料表面处的化学反应显著改变了表面组分、形貌及其基本物化性质，通过氧化来实现材料表面的改性可大大改善硬质硼化物陶瓷材料的可磨削性。本发明所述的硼化物陶瓷材料表面磨削方法与传统的表面磨削方法相比，磨削加工速率提高了50％～300％，减少磨料用量20％～60％。附图说明
[0011] 图1是试验一得到ZrB2-SiC陶瓷材料表面形貌图。
具体实施方式
[0012] 具体实施方式一：本实施方式是一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0013] 一、超声清洗：以无水乙醇为清洗剂对硼化物陶瓷材料进行超声清洗5min～60min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0014] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至400～1500℃，并在温度为400～1500℃下加热保温1min～120min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0015] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒或碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为100转/min～1000转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0016] 本实施方式是一种硼化物陶瓷材料表面快速磨削方法，将硼化物陶瓷置于有氧高温环境下，利用材料表面处的化学反应显著改变了表面组分、形貌及其基本物化性质，通过氧化来实现材料表面的改性可大大改善硬质硼化物陶瓷材料的可磨削性。
[0017] 具体来说，ZrB2、HfB2等硼化物陶瓷材料在中低温短时间氧化时，会在材料表面生成一层较薄的氧化产物，而陶瓷材料内部并没受到影响。表面生成的氧化产物晶粒较细小、结构疏松，且生成的氧化物的本征硬度远低于硼化物。经这种中低温短时间氧化处理后，极大的提高了硼化物陶瓷材料的磨削效率，降低了对陶瓷表面磨削工艺的要求。
[0018] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中以无水乙醇为清洗剂对硼化物陶瓷材料进行超声清洗20min～40min，得到清洗后硼化物陶瓷材料。其他与具体实施方式一相同。
[0019] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一中所述的清洗剂与硼化物陶瓷材料的体积比为(4～10):1。其他与具体实施方式一或二相同。
[0020] 本实施方式确定清洗剂与硼化物陶瓷材料的体积比目的是保证将硼化物陶瓷材料清洗干净。
[0021] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤一中所述的硼化物陶瓷材料为硼化物陶瓷制品或含硼化物陶瓷结构件。其他与具体实施方式一至三相同。
[0022] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤二中将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至600～1400℃，并在温度为600～1400℃下加热保温30min～90min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料。其他与具体实施方式一至四相同。
[0023] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤三中将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒或碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为200转/min～800转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。其他与具体实施方式一至五相同。
[0024] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为0.5微米～10微米。其他与具体实施方式一至六相同。
[0025] 本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
[0026] 采用下述试验验证本发明效果
[0027] 试验一：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0028] 一、超声清洗：以100mL无水乙醇为清洗剂对30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0029] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至800℃，并在温度为800℃下加热保温30min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0030] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0031] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0032] 传统的磨削方法：
[0033] 将30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0034] 传统的磨削方法与试验一相比，ZrB2-SiC陶瓷制品没有经过超声清洗和表面加热氧化直接进行磨削，试验一ZrB2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为37cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为14cm2/小时，磨削速率提高幅度为164％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，可知碳化硼颗粒用量节省45％。
[0035] 利用扫描电子显微镜对试验一得到ZrB2-SiC陶瓷材料进行表征，如图1所示，图1是试验一得到ZrB2-SiC陶瓷材料表面形貌图，通过图1试验一得到ZrB2-SiC陶瓷材料通过加热氧化处理后，可以发现材料表面生成大量细小的ZrO2晶粒，其微观结构疏松不致密，且硬度较低，有利于材料表面的磨削。
[0036] 试验二：本试验与试验一的不同点是：步骤二中将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至1000℃，并在温度为1000℃下加热保温40min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料。其它步骤及参数与试验一相同。
[0037] 传统的磨削方法：
[0038] 将30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0039] 试验二ZrB2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为40cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为14cm2/小时，磨削速率提高幅度为186％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省45％。
[0040] 试验三：本试验与试验一的不同点是：步骤三中将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为300转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削；步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为2微米。其它步骤及参数与试验一相同。
[0041] 传统的磨削方法：
[0042] 将30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为300转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为2微米。
[0043] 试验三ZrB2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为28cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为12cm2/小时，磨削速率提高幅度为133％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省40％。
[0044] 试验四：本试验与试验一的不同点是：步骤一中以45mL无水乙醇为清洗剂对10个尺寸为 的ZrB2-SiC陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料。其它步骤及参数与试验一相同。
[0045] 传统的磨削方法：
[0046] 将10个尺寸为 的ZrB2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0047] 试验四ZrB2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为43cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为18cm2/小时，磨削速率提高幅度为139％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省41％。
[0048] 试验五：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0049] 一、超声清洗：以18mL无水乙醇为清洗剂对5个尺寸为3mm×4mm×36mm的HfB2陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0050] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至1400℃，并在温度为1400℃下加热保温5min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0051] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0052] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0053] 传统的磨削方法：
[0054] 将5个尺寸为3mm×4mm×36mm的HfB2陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0055] 试验五HfB2陶瓷制品磨削方法磨削速率为30cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速2
率为12cm/小时，磨削速率提高幅度为150％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省30％。
率为12cm/小时，磨削速率提高幅度为150％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省30％。
[0056] 试验六：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0057] 一、超声清洗：以100mL无水乙醇为清洗剂对30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC-ZrC陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0058] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至800℃，并在温度为800℃下加热保温30min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0059] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0060] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为1微米。
[0061] 传统的磨削方法：
[0062] 将30个尺寸为3mm×4mm×36mm的ZrB2-SiC-ZrC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为1微米。
[0063] 试验六ZrB2-SiC-ZrC陶瓷制品磨削方法磨削速率为32cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为15cm2/小时，磨削速率提高幅度为113％，通过磨削前后金刚石颗粒质量变化来估算，金刚石颗粒用量节省37％。
[0064] 试验七：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0065] 一、超声清洗：以15mL无水乙醇为清洗剂对1个尺寸为30mm×30mm×2mm的ZrB2-SiC-C陶瓷制品进行超声清洗30min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0066] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至800℃，并在温度为800℃下加热保温10min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0067] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0068] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0069] 传统的磨削方法：
[0070] 将1个尺寸为30mm×30mm×2mm的ZrB2-SiC-C陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0071] 试验七ZrB2-SiC-C陶瓷制品磨削方法磨削速率为55cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为15cm2/小时，磨削速率提高幅度为267％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省55％。
[0072] 试验八：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0073] 一、超声清洗：以75mL无水乙醇为清洗剂对15个尺寸为 的TiB2陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0074] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至600℃，并在温度为600℃下加热保温120min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0075] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为800转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0076] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0077] 传统的磨削方法：
[0078] 将15个尺寸为 的TiB2陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为800转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为10微米。
[0079] 试验八TiB2陶瓷制品磨削方法磨削速率为80cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为35cm2/小时，磨削速率提高幅度为129％，通过磨削前后碳化硼颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省33％。
[0080] 试验九：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0081] 一、超声清洗：以15mL无水乙醇为清洗剂对20个尺寸为2mm×3mm×16mm的HfB2-SiC陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0082] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至900℃，并在温度为900℃下加热保温30min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0083] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0084] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为5微米。
[0085] 传统的磨削方法：
[0086] 将20个尺寸为2mm×3mm×16mm的HfB2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为金刚石颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为500转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为5微米。
[0087] 试验九HfB2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为25cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为10cm2/小时，磨削速率提高幅度为150％，通过磨削前后金刚石颗粒质量变化来估算，金刚石颗粒用量节省40％。
[0088] 试验十：一种硼化物陶瓷材料表面磨削的方法，具体是按以下步骤完成的：
[0089] 一、超声清洗：以300mL无水乙醇为清洗剂对1个尺寸为20mm×30mm×60mm的ZrB2-MoSi2-SiC陶瓷制品进行超声清洗20min，得到清洗后硼化物陶瓷材料；
[0090] 二、表面加热氧化：将清洗后硼化物陶瓷材料置于马弗炉中，从室温加热至1200℃，并在温度为1200℃下加热保温30min，冷却至室温得到表面氧化后硼化物陶瓷材料；
[0091] 三、磨削：将表面氧化后硼化物陶瓷材料在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为200转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削。
[0092] 本试验步骤三中所述的磨料颗粒尺寸为5微米。
[0093] 传统的磨削方法：
[0094] 将1个尺寸为20mm×30mm×60mm的ZrB2-MoSi2-SiC陶瓷制品在抛光机上，以磨料为碳化硼颗粒、磨削介质为水、抛光机盘转速为200转/min条件下进行磨削处理，即实现硼化物陶瓷材料表面磨削，所述的磨料颗粒尺寸为5微米。
[0095] 试验十ZrB2-MoSi2-SiC陶瓷制品磨削方法磨削速率为15cm2/小时，而传统的磨削方法磨削速率为8cm2/小时，磨削速率提高幅度为88％，通过磨削前后金刚石颗粒质量变化来估算，碳化硼颗粒用量节省20％。
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