Welche Schwierigkeiten gibt es bei der Verarbeitung von Ringen aus Zirkonoxidkeramik?

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Ringe aus Zirkoniumdioxid-Keramikmit ihren hervorragenden Eigenschaften wie hohe Festigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit sind zu Schlüsselkomponenten in Bereichen wie 5G-Kommunikation, neue Energiefahrzeuge, Luft- und Raumfahrt und Biomedizin geworden. Ihre Verarbeitung ist jedoch mit vielen Herausforderungen verbunden, und schon ein kleiner Fehler kann zu Produktausschuss führen.

Materialeigenschaften: hohe Sprödigkeit, leichte Phasenumwandlung, Verarbeitung wie "Messerspitze tanzen"
Die Mohs-Härte von Zirkoniumdioxid-Keramik erreicht die Stufe 9 (die zweithöchste nach der von Diamant), mit einer Biegefestigkeit von über 1000 MPa, aber es ist extrem spröde und neigt bei der Verarbeitung aufgrund der Spannungskonzentration zu Kantenbruch und Fragmentierung. Noch problematischer ist, dass seine Kristallstruktur bei Temperaturänderungen Phasenübergänge durchläuft:
Phasenübergang bei niedriger Temperatur: Wenn die Temperatur unter 1170 ℃ liegt, wandelt sich Zirkoniumdioxid von der tetragonalen in die monokline Phase um, mit einer Volumenausdehnung von etwa 4%, was zu Mikrorissen im Inneren des Materials führt.
Thermische Auswirkung der Bearbeitung: Wird die während des Schleifprozesses erzeugte Wärme nicht rechtzeitig abgeleitet, kann ein lokaler Temperaturanstieg einen Phasenübergang auslösen, was zu "versteckten Rissen" auf der Oberfläche des Werkstücks führt und die Festigkeit des Endprodukts verringert.
Schmerzpunkte der Industrie: Bei der Verarbeitung von Keramikringen für 5G-Basisstationen können Oberflächenrisse, die durch Phasenübergänge verursacht werden, den Signalübertragungsverlust erheblich erhöhen; Risse können bei der Herstellung von Isolierringen für Batterien für neue Energiefahrzeuge das Risiko eines Kurzschlusses darstellen.
Lösung:
Technologie der Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen: Verwendung von flüssigem Stickstoff zur Kühlung der Schleifscheibe, wobei die Verarbeitungstemperatur unter -196 ℃ gehalten wird, um einen Phasenübergang zu verhindern.
Segmentierter Schleifprozess: In der Grobschleifstufe werden Diamantschleifscheiben verwendet, um überschüssiges Material schnell abzutragen, während in der Feinschleifstufe keramisch gebundene Schleifscheiben eingesetzt werden, um den Wärmestau zu verringern.
Online-Überwachungssystem: Echtzeit-Überwachung der Temperatur im Verarbeitungsbereich durch ein Infrarot-Thermometer, das den Kühlmitteldurchsatz dynamisch anpasst.

Ultradünne Struktur: mit einer Dicke von nur 0,1-1mm kann es wie eine "Einfädelnadelmine" verarbeitet werden
Die Dicke von Zirkoniumdioxid-Keramikringen liegt in der Regel im Millimeter- oder sogar Submillimeterbereich, und bei der Verarbeitung müssen gleichzeitig die folgenden Anforderungen erfüllt werden
Ebenheitsfehler ≤ 1 μ m (entspricht 1/100 einer Haarsträhne);
Oberflächenrauhigkeit Ra ≤ 0,05 μ m (nahe dem Spiegeleffekt);
Es gibt keine eingefallenen Kanten oder Grate an den Rändern.
Schmerzpunkte der Industrie: Bei der Verarbeitung von Lagerringen in Halbleiter-Wafer-Schneideanlagen kann eine zu große Ebenheit Kratzer auf der Wafer-Oberfläche verursachen; bei der Herstellung von Dichtungsringen für künstliche Gelenkprothesen kann eine mangelhafte Oberflächenrauheit den Gelenkverschleiß beschleunigen.
Lösung:
Spezielles Design der Halterung: Die Fixierung durch Vakuumadsorption und elastische Membranen vermeidet lokale Spannungskonzentrationen, die durch herkömmliche mechanische Vorrichtungen verursacht werden. So kann beispielsweise die von einem bestimmten Unternehmen entwickelte "bionische Kraken-Saugnapf"-Vorrichtung die Verformung des Werkstücks innerhalb von 0,5 μm kontrollieren.
Ultrapräzisions-Schleifmaschine: mit einer luftgelagerten Spindel (mit einer Drehzahl von 20000 Umdrehungen pro Minute) in Kombination mit einer Diamantschleifflüssigkeit im Nanobereich, um eine Abtragung auf atomarer Ebene zu erreichen. Eine 5-Achsen-Schleifmaschine eines japanischen Herstellers kann Keramikringe mit einer Oberflächenrauhigkeit Ra von 0,01 μm bearbeiten.
Optimierung des Polierprozesses: Durch das dreistufige Verfahren "Grobpolieren (Kupferplatte + Diamant-Mikropulver) → Halbpräzisionspolieren (Eisenplatte + Aluminiumoxid-Mikropulver) → Präzisionspolieren (Keramikplatte + Kieselsol)" kann der endgültige Oberflächenglanz über 90% erreichen.

Anpassung der Ausrüstung: Herkömmliche Werkzeugmaschinen sind für die örtlichen Gegebenheiten nicht geeignet und müssen individuell angepasst werden
Die Bearbeitung von Zirkonoxidkeramik stellt hohe Anforderungen an die Steifigkeit der Geräte, die Spindelgenauigkeit und die Schutzleistung:
Steifigkeit der Werkzeugmaschine: Es ist notwendig, den durch die Schleifkraft erzeugten Vibrationen zu widerstehen, da es sonst leicht zu Werkstückvibrationen kommen kann, die zu einer übermäßigen Oberflächenwelligkeit führen.
Spindelgenauigkeit: Der Rundlauf muss ≤ 1 μ m sein, da er sich sonst auf die Oberfläche des Werkstücks überträgt und periodische Fehler bildet.
Schutz vor Staub: Keramikpulver hat eine hohe Härte und neigt zum Verschleiß von Werkzeugmaschinenführungen, Schrauben und anderen Bauteilen, was die Lebensdauer der Geräte verkürzt.
Schmerzpunkte der Industrie: Bei der Bearbeitung von Keramikringen für Brennkammerauskleidungen in Luft- und Raumfahrtmotoren weisen herkömmliche Werkzeugmaschinen aufgrund unzureichender Steifigkeit eine hohe Ausschussrate von bis zu 40% auf; bei der Herstellung von Dichtungen für Brennelementhüllen in Kernreaktoren hat die Verschmutzung durch Keramikstaub zu einem Anstieg der Ausfallraten bei Werkzeugmaschinen um 300% geführt.
Lösung:
Spezialisierte keramische Schnitz- und Fräsmaschine: ausgestattet mit einem Marmorbett (niedriger thermischer Verformungskoeffizient), Linearmotorantrieb (kein mechanischer Übertragungsfehler), vollständig geschlossener Schutzabdeckung (IP67), in der Lage, Zirkoniumdioxid-Keramikringe kontinuierlich 24 Stunden lang zu bearbeiten. Zum Beispiel hat eine inländische Anlage eine jährliche Produktionskapazität von 100000 Stück pro Einheit erreicht, mit einer Durchlaufrate von 98,5%.
Innovation der Werkzeuge: Verwendung von Werkzeugen aus polykristallinem Diamant (PKD), die eine 10-mal höhere Härte als Hartlegierungen und eine 50-mal längere Lebensdauer haben. Das von einem bestimmten Unternehmen entwickelte "PKD-Schneidwerkzeug mit Mikrozähnen" kann die Schnittkraft erheblich verringern und das Risiko eines Kantenbruchs minimieren, indem es 0,1 mm tiefe Mikrorillen in die Schneide ritzt.
Intelligentes Bearbeitungssystem: Integration von Kraftrückkopplungssensoren und Vibrationsüberwachungsmodulen, Echtzeitanpassung von Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe. Bei einer bestimmten 5G-Filterkeramikring-Produktionslinie konnte die Bearbeitungszeit durch dieses System von 120 Minuten auf 45 Minuten reduziert werden.

Wie können Ringe aus Zirkonoxidkeramik die Probleme der Branche lösen?
Trotz der extrem hohen Verarbeitungsschwierigkeiten machen die Leistungsvorteile von Zirkonoxid-Keramikringen diese zu einem unersetzlichen Schlüsselelement:
5G-Kommunikation: Seine Hochfrequenz- und verlustarmen Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante 25, Verlustfaktor10 Ω- cm wird die Feuerisolationseffizienz des Batteriefachs um das Fünffache erhöht und das Risiko eines Kurzschlusses um 90% reduziert.
Biomedizin: Die Biokompatibilität (keine Zytotoxizität) und die ultraglatte Oberfläche (Ra<0,01 μ m) verlängern die Lebensdauer künstlicher Gelenke auf über 20 Jahre und übertreffen damit die 10-jährige Lebensdauer von Metallgelenken bei weitem.
Luft- und Raumfahrt: Mit einer Zugfestigkeit von 700 MPa und einer Temperaturwechselbeständigkeit (Δ T=1000 ℃/s) hält es den extremen Bedingungen in den Brennkammern von Raketentriebwerken stand und gewährleistet die Flugsicherheit.

Die Verarbeitung von Zirkoniumdioxid-Keramikringen ist eine "Präzisionskunst", bei der drei große Herausforderungen zu bewältigen sind: Materialien, Verfahren und Ausrüstung. Mit den Durchbrüchen bei der Niedertemperaturverarbeitung, dem Ultrapräzisionsschleifen, intelligenten Geräten und anderen Technologien sind die Verarbeitungskosten von Tausenden von Yuan pro Stück auf Hunderte von Yuan gesunken, was die beschleunigte Modernisierung von Branchen wie 5G, neue Energie und Gesundheitswesen fördert.

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