一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用
【专利摘要】本发明涉及半导体技术领域，本发明涉及多线切割机中使用的导线轮，具体涉及一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，所述的氧化锆陶瓷材料为复合氧化锆，主要组成成分是按质量百分比计的≥75%的氧化锆和余量的添加剂，其中，所述的添加剂任选氧化钇、氧化钙或二氧化铈中的一种。本发明有效解决了现有材质的导线轮存在的耐磨性差，并因在高速运转的时产生大量的热而导致的热膨胀及变形问题，能完全满足导线轮所需承受的抗压能力，不易变形，同时达到减少损耗，延长使用寿命，降低生产成本的目的。
【专利说明】
一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用
技术领域
[0001]本发明涉及多线切割机及其他需要导线轮的器械领域，具体涉及一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用。
【背景技术】
[0002]氧化锆陶瓷因其拥有极好的耐磨性、耐腐蚀性、自润滑性以及高刚度，不易变形等优良特性，在结构材料等多种领域中，备受世界各国材料科学研究者的青睐。但由于纯ZrO2在升温时由单斜向四方转化，有5 %的体积收缩，而降温时由四方向单斜转化，产生8 %的体积膨胀，出现较大应力，结构中会产生微裂纹，加之导热系数小，热膨胀系数大，使纯ZrO2的力学、电学以及抗热震等性能都很差，导致纯ZrO2不能直接用来制造大型、异形产品，极大地限制了 ZrO2的应用。
[0003]同时最近几年多线切割机以其极高的生产效率和出片率，在生产中大量出现，并在磁性材料及大直径硅片加工领域逐渐取代内圆切片机，但在小规模多品种领域与内圆切割机并驾齐驱。而导线轮是控制片厚的关键部件。
[0004]在多线切割机以及各类需要导线轮的器械中，均要求制作导线轮的材料具有较好的耐磨性，优良的耐腐蚀性，高刚度，在较大压力下或者如在多线切割机中切割张紧时不会变形。而目前大多数制作导线轮的材料以高分子材料为主，其成分为聚酯多元醇/二苯基甲烷二异氰酸酯(LM98-1/MDI)型热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，其耐磨性一般，在高强度作业下40小时左右就需要更换了，且价格不菲。
[0005]由于如今导线轮的性能不佳，导致损耗较大，造成材料的严重浪费和严重影响了生产效率以及使成本增加，基于此，迫切需要研究一种新的材料来实现符合导线轮的使用。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术存在的各种问题和缺陷，本发明旨在提供一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，以期能克服现有材质导线轮的不足，大大提高导线轮的耐磨性，并大大降低导线轮因在高速运转的时产生大量的热而导致的热膨胀及变形问题，同时该导线轮拥有较高的抗压强度，能完全满足导线轮所需承受的抗压能力，不易变形，同时达到减少损耗，延长使用寿命，降低生产成本。
[0007]为实现本发明的目的，发明人提供如下的技术方案:
一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，所述的氧化锆陶瓷材料为复合氧化锆，主要组成成分是按质量百分比计的2 75%的氧化锆和余量的添加剂，其中，所述的添加剂任选氧化钇、氧化钙或二氧化铈中的一种。
[0008]纯ZrO2因其本身的局限性并不能直接用来制造大型、异形产品，极大地限制了ZrO2的应用。发明人研究发现，按本发明配比的比例添加氧化钇、氧化钙或二氧化铈这三种添加剂的一种，可以解决纯的二氧化锆在烧结中产生的晶型转变所产生的不良影响，使氧化锆陶瓷发挥出其优良的特性，从而为生产出性能符合要求的导线轮打下坚实基础。
[0009]本发明中可根据不同的使用用途及性能要求，适当改变复合氧化锆的成分及其含量，添加剂含量的不同会改变产品的力学性能。以氧化钇为例，当氧化钇的添加量达到3%的时候，复合氧化锆的各方面性能都达到最优，如相对密度达到98.113%，抗弯强度接近300MPa，硬度接近340MPa。但是并不是所有产品都需要那么优的性能，而且大批量生产时需要考虑实际生产条件，烧成温度，成本等各个方面的因素，所以根据需要达到产品所需就可以了，在本发明配方的比例范围内做出调整即可。
[0010]作为优选，本发明中，所述的氧化锆的粉体粒径小于ΙΟμπι，添加剂的粉体粒径小于6μπι。粉料固相反应速率常数反比于颗粒半径的平方，因此粉料越细越有利于烧结。进一步的研究证明，粉料的粒度也是改善材料显微结构和力学性能的重要因素。
[0011]作为优选，本发明中，所述的复合氧化锆满足:粉料的灼烧减量<8%，松装密度21.lg/cm3，水分< 6%。若灼烧减量过大，将会导致烧成后质量过轻，收缩过大，烧成后内部空隙过多，影响产品力学性能。松装密度过小意味着粉料中颗粒较大，间隙过大，导致调试模具时会增加装料量甚至原模具不适用，对实际生产造成不便的影响。粉料中水分过多容易结块，颗粒容易团聚，对干压成型造成影响。
[0012]作为优选，本发明中，所述的导线轮包括并不限于多线切割机用导线轮等。
[0013]作为优选，本发明中，所述的导线轮按下述方法制备:
(1)根据要求选用不同的模具，将复合氧化锆在20KN?200KN的成型压力下干压成型，此目的在于将该多线切割机用陶瓷导线轮初步成型，
(2)再在10MPa?250MPa的成型压力下进行等静压成型，此目的在于将初步成型的坯体进一步致密化，既防止产品在干压过程中出现不均匀的现象，也减少产品在烧结过程中尺寸产生较大变化，
(3)再经数控机床加工，使产品完全成型，
(4)然后在最高温度为1350°01600°C温度下烧结而成。
[0014]研究证明，正是基于陶瓷导线轮经过严格的工艺实现了产品的材料革命。
[0015]作为优选，本发明中，所述的等静压成型之前还包括选用-0.05MPa—0.1MPa真空度抽真空，抽真空时间为5s以上。比如实施例中采取:将初步成型后的坯体放入塑料袋中，选用-0.8MPa真空度经5s将塑料袋中的空气完全抽出，使塑料袋完全紧贴坯体。此目的在于防止在下一步等静压成型中水浸湿坯体，导致坯体报废。
[0016]作为优选，本发明中，所述的等静压成型的保压时间为10s?200s。
[0017]作为优选，本发明中，所述的烧结的时间为25h~50h。
[0018]本发明中可以根据不同的槽间宽度定制不同厚度的导线轮。
[0019]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
1、本发明的陶瓷导线轮与现有导线轮相比，耐磨性提升了 10倍以上，具有极好的耐磨性，及高刚度、热稳定性好、力学性能优良、耐腐蚀等优良性能。
[0020]2、本发明制备方法简单，能制备出的高性能陶瓷导线轮，优选的耐磨性为400小时以上，抗压强度为40MPa以上，抗弯强度为200MPa以上，断裂韧性为5MPa/m2以上，热膨胀系数15X10—6/°C以下，这就大大提高了导线轮的使用寿命，从而实现了降低生产成本的目的。
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例，更具体地说明本发明的内容。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
[0022]在本发明中，若非特指，所有的设备和原料等均可从市场购得或是本行业常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
[0023]本发明所提供的氧化锆陶瓷材料，可以根据不同的需要制作不同型号的陶瓷导线轮并应用在不同设备上。为了更好的理解本发明，以一种多线切割机用的氧化锆陶瓷导线轮为例做出具体说明。
[0024]需要说明的一点:实际生产中不会有100%的纯净的复合氧化锆，所以存在质量百分比< 0.7%的杂质，杂质以氧化铝为主。
[0025]实施例1
本实施例中采用的复合氧化锆，主要组成成分为质量百分比2 94%的氧化锆和质量百分比为5.30 5%氧化乾。氧化错的粉体粒径小于6μηι，氧化乾的粉体粒径小于4μηι。复合氧化错满足:粉料的灼烧减量< 4%，松装密度? 1.3g/cm3，水分< 3%。
[0026]—种多线切割机用的氧化锆陶瓷导线轮，按下述步骤制备:
(1)干压成型
将复合氧化锆在120KN的压力下用干压成型机进行干压成型，
(2)抽真空处理
将初步成型后的坯体放入塑料袋中，选用-0.8MPa真空度经5s将塑料袋中的空气完全抽出，使塑料袋完全紧贴坯体，
(3)等静压成型
将步骤(2)中已装袋的坯体放入等静压机中，在240MPa的压力下进行等静压成型处理，保压时间为120s，
(4)加工成型
将等静压成型完成后的坯体，用数控机床进行加工，使产品完全成型，
(5)烧结得到成品
将完全成型后的坯体在最高温度为1500°C的环境下进行烧结，从开始到结束的整个烧结时间为40h。
[0027]经过上述五个步骤后便能得到所需的多线切割机用氧化锆陶瓷导线轮，经检测该陶瓷导线轮的耐磨性为52011，抗压强度为5010^，抗弯强度为28010^，热膨胀系数为10乂10—V0C，断裂韧性为8.5MPa/m2。
[0028]实施例2
本实施例中采用的复合氧化锆，主要组成成分为质量百分比2 94.5%的氧化锆和质量百分比为5.101%氧化钙。氧化锆的粉体粒径小于5.3μπι，氧化钙的粉体粒径小于3.5μπι。复合氧化锆满足:粉料的灼烧减量< 3.1%，松装密度之1.26g/cm3，水分<2.6%。
[0029]—种多线切割机用的氧化锆陶瓷导线轮，按下述步骤制备:
(1)干压成型
将复合氧化锆在120KN的压力下用干压成型机进行干压成型，
(2)抽真空处理
将初步成型后的坯体放入塑料袋中，选用-0.8MPa真空度经5s将塑料袋中的空气完全抽出，使塑料袋完全紧贴坯体，
(3)等静压成型
将步骤(2)中已装袋的坯体放入等静压机中，在230MPa的压力下进行等静压成型处理，保压时间为120s，
(4)加工成型
将等静压成型完成后的坯体，用数控机床进行加工，使产品完全成型，
(5)烧结得到成品
将完全成型后的坯体在最高温度为1464°C的环境下进行烧结，从开始到结束的整个烧结时间为38h。
[0030]经过上述五个步骤后便能得到所需的多线切割机用氧化锆陶瓷导线轮，经检测该陶瓷导线轮的耐磨性为48011，抗压强度为4210^，抗弯强度为23010^，热膨胀系数为9.2乂10—6/°C，断裂韧性为7.3MPa/m2。
[0031]实施例3
本实施例中采用的复合氧化锆，主要组成成分为质量百分比I 80%的氧化锆和质量百分比为19.254%二氧化铺。氧化错的粉体粒径小于4.4μηι，二氧化铺的粉体粒径小于2.7μηι。复合氧化锆满足:粉料的灼烧减量< 6.6%，松装密度? 1.12g/cm3，水分< 5%。
[0032]—种多线切割机用的氧化锆陶瓷导线轮，按下述步骤制备:
(1)干压成型
将复合氧化锆在120KN的压力下用干压成型机进行干压成型，
(2)抽真空处理
将初步成型后的坯体放入塑料袋中，选用-0.8MPa真空度经5s将塑料袋中的空气完全抽出，使塑料袋完全紧贴坯体，
(3)等静压成型
将步骤(2)中已装袋的坯体放入等静压机中，在240MPa的压力下进行等静压成型处理，保压时间为120s，
(4)加工成型
将等静压成型完成后的坯体，用数控机床进行加工，使产品完全成型，
(5)烧结得到成品
将完全成型后的坯体在最高温度为1523 °C的环境下进行烧结，从开始到结束的整个烧结时间为40h。
[0033]经过上述五个步骤后便能得到所需的多线切割机用氧化锆陶瓷导线轮，经检测该陶瓷导线轮的耐磨性为42011，抗压强度为4810^，抗弯强度为26010^，热膨胀系数为8\10—6/°C，断裂韧性为15.4MPa/m2。
[0034]以上3个实施例所描述的仅仅为某一种多线切割机的氧化锆陶瓷导线轮，实验证明，在实际生产过程中，根据产品性能需求，在本发明的配方比例和制备方法下制备导线轮，都可以实现本发明的发明目的，有效解决现有导线轮抗磨性差、容易热膨胀、易变性等问题。此处不再一一赘述。
[0035]比较例I现有材质的导线轮
基本制备工艺为:先合成聚酯多元醇/ 二苯基甲烷二异氰酸酯(LM98-1/MDI)型热塑性聚氨酯弹性体(TPU)，再用TPU连续法生产TPU颗粒，接着注塑制备导线轮，最后进行后处理。具体如下:
(1)制备TPU，将在100?110°C下真空脱水3?4h的LM98-1降温到60°C后与一定比例的抗氧剂、催化剂、消泡剂及耐磨剂混合均匀后加入浇注机的B罐中，将B罐抽真空并通入高纯N2进行保护，
(2)将加热并融化的MDI加入浇注机的A罐中，将A罐抽真空并通入高纯N2进行保护。
[0036](3)将脱过水的BDO加入浇注机的C罐中，将C罐抽真空并通入高纯N2进行保护。
[0037](4)待浇注机按配方校对好后即可连续将混合后的原料浇入双螺杆挤出机的加料漏斗中。双螺杆挤出机要事先设定好各段的加热温度、熔体栗转速、切刀速度、螺杆转速以及冷却水的水温，以保证螺杆的加料口处既不积料也不断料，连续生产出稳定的TPU粒料。
[0038](5 )将间歇法制备的TPU样块破碎后在100 °C烘箱内烘4?6h后加入注塑机的加料漏斗中，按事先设定好的各段温度，注射及保压的压力、流量与时间，储料量，冷却时间等参数进行注塑，即可得到导线轮制品。
[0039]经检测硬度最大为邵A硬度98，即为软塑级别；抗压强度为20MPa，拉伸强度为45.7MPa，耐磨性在40小时以内。
[0040]比较例2单一氧化锆陶瓷材料的导线轮
一种氧化锆陶瓷材料的导线轮，按下述步骤制备:
(I)将氧化锆含量在98%以上的单一氧化锆粉料，在120KN的压力下用干压成型机进行干压成型。
[0041 ] (2)将初步成型后的坯体放入塑料袋中，选用-0.8MPa真空度经5s将塑料袋中的空气完全抽出，使塑料袋完全紧贴坯体。
[0042](3)将步骤(2)中已装袋的坯体放入等静压机中，在240MPa的压力下进行等静压，保压时间为120s。
[0043](4)将等静压完成后的坯体，用数控机床进行加工，使产品完全成型。
[0044](5)将完全成型后的坯体在最高温度为1500°C的环境下进行烧结，从开始到结束的整个烧结时间为40h。
[0045]上述五个步骤后产出的导线轮，大多数由于其晶型转变产生裂缝，不仅导致形变，而且出现裂纹，为不合格品。少数外观合格的，其抗压强度为30MPa，耐磨性在100小时以内。
【主权项】
1.一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于所述的氧化锆陶瓷材料为复合氧化锆，主要组成成分是按质量百分比计的2 75%的氧化锆和余量的添加剂，其中，所述的添加剂任选氧化钇、氧化钙或二氧化铈中的一种。2.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的氧化错的粉体粒径小于I Oym，添加剂的粉体粒径小于6μηι。3.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的复合氧化锆满足:粉料的灼烧减量< 8%，松装密度2 1.lg/cm3，水分< 6%。4.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的导线轮是指多线切割机用导线轮。5.根据权利要求1所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的导线轮按下述方法制备: (1)复合氧化锆在20KN?200KN的成型压力下干压成型， (2)再在10MPa?250MPa的成型压力下进行等静压成型， (3)再经数控机床加工， (4)然后在最高温度为1350°01600°C温度下烧结而成。6.根据权利要求5所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的等静压成型之前还包括选用-0.05MPa~-0.1MPa真空度抽真空，抽真空时间为5s以上。7.根据权利要求5所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的等静压成型的保压时间为10s?200s。8.根据权利要求5所述的一种氧化锆陶瓷材料在制备导线轮上的应用，其特征在于，所述的烧结的时间为25h~50h。
【文档编号】C04B35/48GK105884349SQ201610233014
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】王平进, 金海潮, 王凯翔, 张其灿, 李国安
【申请人】横店集团浙江英洛华电子有限公司