陶瓷導(dǎo)軌的技術(shù)發(fā)展第1頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日陶瓷導(dǎo)軌的技術(shù)發(fā)展

秦杰夏飛

廣東工業(yè)大學(xué)

2011-12-19第2頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日

陶瓷導(dǎo)軌概說陶瓷導(dǎo)軌的技術(shù)發(fā)展陶瓷導(dǎo)軌的關(guān)鍵技術(shù)陶瓷導(dǎo)軌技術(shù)展望第3頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日1、陶瓷導(dǎo)軌概說

1.1陶瓷材料的發(fā)展前景

陶瓷材料是人類應(yīng)用最早的材料之一。它是一種天然或人工合成的粉狀化合物，經(jīng)過成型或高溫?zé)Y(jié)，由金屬元素和非金屬的無機(jī)化合物構(gòu)成的多相固體材料。陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、原料豐富、成本低廉等諸多優(yōu)點而被人一直關(guān)注?，F(xiàn)在陶瓷材料、金屬材料、高分子材料被稱為三大主要固體材料。

第4頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日1.2陶瓷材料為何能成為導(dǎo)軌材料

機(jī)床導(dǎo)軌表面的耐磨性和抗擦傷能力是影響其精度和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。導(dǎo)軌面的材質(zhì)及其匹配對導(dǎo)軌運動副的摩擦學(xué)特性和機(jī)床（尤其在重載低速運行情況下）的動態(tài)穩(wěn)定性影響甚大。陶瓷材料因為其高硬度、高耐磨性、成本低廉而成為很好的導(dǎo)軌材料

第5頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日2陶瓷導(dǎo)軌的技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)的導(dǎo)軌副的配對形式為鑄鐵-鑄鐵組成。因其使用后極易產(chǎn)生不均勻磨損甚至變形等，經(jīng)過一段時間使用后導(dǎo)軌需要進(jìn)行維修，以恢復(fù)其集合精度和加工精度。而后在70年代左右，出現(xiàn)了塑料導(dǎo)軌。由于價格便宜、應(yīng)用工藝簡單、剛性好以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此得到了廣泛的運用。

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然而，隨著導(dǎo)軌耐磨性、精度的要求不斷提高，之前的導(dǎo)軌滿足不了要求，于是，在近代，在國外首先出現(xiàn)了陶瓷導(dǎo)軌，陶瓷導(dǎo)軌開始用在各種機(jī)床、醫(yī)療器械等機(jī)器上。比如，THK成功開發(fā)出軌道、滑輪及滾珠的轉(zhuǎn)動面均為陶瓷的直線導(dǎo)軌“陶瓷制LM導(dǎo)軌”（如圖1）。面向納米級加工機(jī)和醫(yī)療器械等需要非磁性環(huán)境的用途。

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該導(dǎo)軌由于非透磁率低于1.001，所以磁性較低。此外，比重只有該公司不銹鋼產(chǎn)品的1/2，因此可高速驅(qū)動。第8頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日

3陶瓷導(dǎo)軌的關(guān)鍵技術(shù)結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌基體材料確定及其來源進(jìn)一步改善A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的力學(xué)性能降低A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的無壓燒結(jié)溫度提高A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的摩擦磨損性能添加相的確定第9頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日3.1、結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌基體材料確定及其來源隨著機(jī)床的發(fā)展，對導(dǎo)軌材料的要求越來越高。常用的陶瓷材料包括碳化硅(sic)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋯(Zr02)和氧化鋁(A1203)等；其中，A1203陶瓷是目前研究較為廣泛的陶瓷材料之一，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕和耐磨損等優(yōu)點，其原料豐富、價格低廉，是其它陶瓷材料無法比擬的。

第10頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日3.2、進(jìn)一步改善A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的力學(xué)性能

純A1203陶瓷材料的韌性很低，約為3．2～3．6MPa．M1/2，這在一定程度上限制了A1203陶瓷的應(yīng)用；陶瓷材料的力學(xué)性能，如硬度、韌性等，對其摩擦磨損性能具有重要的影響。因此，進(jìn)一步提高A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的力學(xué)性能是首要設(shè)計目標(biāo)。優(yōu)化設(shè)計A1203基陶瓷材料的組分和配比可以改善其強(qiáng)度、韌性等力學(xué)性能；適當(dāng)?shù)臒Y(jié)工藝能夠迸一步提高A1203基陶瓷材料的力學(xué)性能。

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3.3、降低A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的無壓燒結(jié)溫度

由于A1203的熔點高達(dá)2050℃，因此A1203陶瓷產(chǎn)品的無壓燒結(jié)溫度普遍較高，其制備要求使用高溫發(fā)熱體及高級耐火材料作為窯具，這在一定程度上提高了A1203陶瓷產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。由于A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的空間尺寸比較大，燒結(jié)一爐產(chǎn)品往往需要幾天甚至一個星期的時間，制備周期長，生產(chǎn)成本高。因此，從推動A1203基陶瓷導(dǎo)軌的產(chǎn)業(yè)化角度來講，要制備出高性能的A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌，實現(xiàn)其低溫致密化燒結(jié)是關(guān)鍵。在保證獲得良好性能的同時，盡可能使其在較低的燒結(jié)溫度下達(dá)到較高致密度，則可以大幅度降低A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的生產(chǎn)成本。

第12頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日3.4、提高A1203基結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的摩擦磨損性能

機(jī)床導(dǎo)軌的失效形式主要是由于導(dǎo)軌工作面的磨損和擦傷而導(dǎo)致其自身喪失平直度和表面粗糙度粗化。因此，機(jī)床導(dǎo)軌的摩擦磨損性能對機(jī)床剛度、加工精度和使用壽命具有很大的影響。陶瓷材料的摩擦磨損性能不僅與其力學(xué)性能有關(guān)，還在一定程度上與其微觀組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。因此，本文在組分、配比和燒結(jié)工藝優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，改善A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步改善其摩擦磨損性能。

第13頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日3.5添加相的確定

對于空間尺寸大、形狀較為復(fù)雜的A1203基大型結(jié)構(gòu)陶瓷導(dǎo)軌材料，由于昂貴的增韌補(bǔ)強(qiáng)添加相，在改善其力學(xué)性能的同時也提高了其生產(chǎn)成本。因此，在保證綜合力學(xué)性能優(yōu)良的前提下盡可能地降低陶瓷導(dǎo)軌的生產(chǎn)成本，除了選擇合適的成型工藝和燒結(jié)工藝以外，添加相的選擇應(yīng)該符合既能夠起到增韌補(bǔ)強(qiáng)的作用、價格上又較為低廉的原則。

第14頁，共16頁，2023年，2月20日，星期日4陶瓷導(dǎo)軌技術(shù)展望

陶瓷導(dǎo)軌這種新材料和新技術(shù)正在被越來越多的人所認(rèn)識和掌握。它在機(jī)床工業(yè)及其他機(jī)器生產(chǎn)部門中正產(chǎn)生巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。可以預(yù)料，在未來十年中，陶瓷導(dǎo)軌材料將朝著系列化和專業(yè)生產(chǎn)化的方向發(fā)展。以后將會有更多的機(jī)床及醫(yī)療器械等機(jī)器采用這項新技術(shù)