制造技术的进步使得由二氧化锆 (ZrO₂) 组成的氧化锆陶瓷得到普及，并引发了“陶瓷钢”这一术语。 氧化锆陶瓷具有令人印象深刻的机械性能，例如韧性和强度，以及出色的耐磨性、耐腐蚀性和耐热冲击性。值得注意的是，陶瓷原料粉末能够被制造成能够承受航空航天、医疗和半导体领域最苛刻环境的精密结构部件。
以下几页将介绍 ZrO₂ 陶瓷制造的整体情况（从粉末选择到陶瓷的后期生产质量保证），并展示 UPCERA 等公司的先进制造能力，这些能力可提供多个领域广泛要求的精度、公差和复杂的几何形状。
步骤1：选择和加工高纯陶瓷粉末
粉末是所有ZrO₂陶瓷的起点。不仅仅是任何粉末，而是高纯度、精心设计的氧化锆粉末，具有受控的粒度和形状。
•氧化钇稳定的氧化锆 (Y-TZP) 是行业标准：Y-TZP 是生产氧化锆结构零件最常用的粉末。为了形成坚韧、室温、抗断裂的氧化锆，通过添加氧化钇 (Y₂O₃) 来稳定四方晶相。
•最终粉末特性受粒度分布的影响：亚微米粉末（<1微米）通常是致密烧结的，产生易于细化的微观结构。为了保持一致的收缩率并降低缺陷发生的风险，均匀的颗粒分布至关重要。
拥有卓越的粉末工程系统使企业在行业中处于领先地位：例如，UPCERA就采用了双核粉末工程系统。该系统确保颗粒分布均匀，颗粒形态受控。由于粉末阶段的精度，成品零件的机械和光学特性大大增强。
步骤2：成形和整形
粉末必须成型为近似的最终形状。有许多不同的成型技术。可以根据部件的几何形状或生产量来选择特定的一种。
等静压
• 通常选择等静压来形成氧化锆环和类似的圆柱形部件。在等静压中：
•干压使用单轴压力在模具中压实粉末。
•冷等静压(CIP) 使用流体介质从各个方向施加压力，从而获得更均匀的密度。 CIP 可减少裂纹和分层等常见缺陷。
陶瓷注射成型 (CIM)
•当部件的几何形状复杂且生产量较大时，选择CIM。
•原料制备：氧化锆粉末与有机粘合剂混合，生产出更均匀、更具塑性的原料。
•注射成型：原料在成型压力下被注射到模具中。
•脱脂：除去有机粘合剂，得到“棕色”部件。
•CIM 对于具有复杂内部几何形状以及薄壁和特征的组件非常有用。使用传统压制技术很难生产这些设计。
增材制造
正在开发的技术，如粘合剂喷射和自由注塑成型，大大提高了氧化锆陶瓷的潜在工程能力。这些方法的优点是：
•无需任何工具即可快速制作原型的能力
•制造具有更复杂设计的组件
•为小批量、高价值的产品线制造具有大量定制功能的组件
步骤3：烧结——实现全密度的过程
烧结是通过将颗粒焊接在一起制造完全致密的固体陶瓷的过程。该过程是通过将成型（绿色或棕色）部件加热到高温来完成的。
氧化锆的烧结温度为 1400 °C 至 1520 °C。在这些温度下，氧化锆颗粒进行扩散结合，完全消除所有孔隙并实现全密度。
氧化锆烧结是一种微妙的平衡。烧结速率、保温温度和冷却温度都会极大地影响烧结件的最终微观结构和力学性能。烧结太快会导致开裂。加热不均匀会使零件变形。
正在利用先进的烧结技术：
•两步烧结使晶粒生长与致密化分开，并产生更细化的微观结构。
•射频感应烧结利用氧化锆在1400 °C 以上的金属到绝缘体的转变，并将传统8 小时的烧结时间缩短至40 分钟。
•闪速烧结可以在低得多的温度下在几秒钟内实现完全致密化。
氧化锆可以进行更紧密的设计。控制烧结过程以实现接近 0% 的孔隙率，这使得氧化锆在整个较长的使用寿命期间在热冲击期间保持高水平的稳定性。
步骤4：精密加工
烧结后可能需要进行精密加工，以满足零件公差的要求。
为什么要先烧结再机加工？ 氧化锆在烧结过程中收缩20-25%。虽然通过改变烧结周期可以在一定程度上可靠地控制这种收缩，但亚毫米公差通常需要烧结后加工。
CNC加工是一个不错的选择：CNC加工是加工烧结氧化锆的唯一可行的方法。它是用金刚石工具高精度执行的。金刚石工具是唯一可用于加工烧结氧化锆的工具。
其他一些非常相关的加工参数包括：
•步距和进给：必须针对陶瓷脆性断裂的阈值进行优化，以避免因碎裂而损坏零件。
•冷却剂和热管理：保持完整性并最大限度地减少变形。
•自适应夹具：控制脆弱、薄壁结构的振动。
该行业高度重视精度：先进制造商正在实现 Ra0.02 至 Ra0.2 之间的表面粗糙度、0.002mm 的圆度和同心度公差以及 0.1mm 的壁厚。由于所需的配合质量和产品的可重复性，这种精度对于电子、光学、航空航天等先进产品的组装至关重要。
步骤 5：质量控制和检验
最后一步是严格检查以满足所有组件规格。
•过程中计量：通过闭环测量在长期生产过程中监控变化，同时将公差保持在中心。
•统计过程控制：我们开发了严格的系统来管理每批产品的质量。使用仪表和光学测量来检查关键尺寸。
•环境控制：对于半导体和医疗设备来说，控制污染管理的能力至关重要。
UPCERA优势：全链整合
顶级制造商有能力执行每一步，尤其是整合整个流程链的能力。
全产业链每一步都受控。完全的垂直整合保证了从粉末到精密加工产品的产品质量。
• 制造和材料控制作为一个系统：UPCERA 等制造商有能力集成系统特性，如韧性、抛光性、介电性能和尺寸稳定性，所有这些特性都可以协调一致。
•设计协助：尽早将制造商整合到设计概念或原型中，有助于平衡和合理化设计、厚度、圆角半径和表面光洁度，以保护设计的功能并控制成本。
•直接从工厂采购，质量有保证：消除中间体，确保大批量质量一致。
从粉末到精密：整个过程
ZrO₂陶瓷从原料粉末到精密结构部件的彻底转变需要对从粉末工程到最终质量控制的每一步（包括成型、烧结和精密加工）的掌握和专业知识。每一步都必须非常小心地执行，才能实现氧化锆的卓越特性，满足世界上最苛刻的应用需求。
是否设计必须承受极端振动和温度的航空航天零件；医疗植入物必须具有生物相容性和耐用性；或必须具有化学清洁度和尺寸稳定性的半导体元件；这些示例中的每一个都取决于制造是否允许氧化锆的理论特性变得实用。
对于需要定制氧化锆结构部件的工程师和采购专家来说，最好的选择是与拥有从粉末到高精度成品的整个过程控制的制造商合作，并且这些制造商在这种特殊材料的关键应用方面拥有丰富的经验和对客户的热情。
对于定制 ZrO₂ 结构陶瓷部件，我们是最佳选择，并且具有快速响应、短交货时间、定制设计、定制材料、复杂设计和大型几何形状的最佳组合；一切都达到最精细的公差。
常见问题
Q 1：ZrO₂陶瓷结构件的常用制造方法是什么？
答：通常的方法包括粉末制备、成型（压制或注塑）、高温烧结、精密数控加工和最终检验。
问 2：结构氧化锆的典型氧化钇含量是多少？
答：最常见的牌号是 3 mol% 钇稳定四方氧化锆 (3Y-TZP)，它呈现出强度、韧性和耐磨性的理想组合。
问 3：氧化锆元件可以达到的最佳精度是多少？
答：0.002 mm 的圆度和同心度、Ra0.02 至 Ra0.2 的表面粗糙度、0.1 mm 的壁厚是 UPCERA 可以达到的公差。
问 4： 氧化锆零件是否可以制造包含复杂内部特征的零件？
答：是的，陶瓷注射成型 (CIM) 可以生产具有内部结构的复杂形状，而这些形状很薄且难以或无法通过传统压制生产。
问 5：是什么使得烧结对于氧化锆的性能如此重要？
答：烧结将粉末体转变为接近完全致密的物体，在此过程中良好控制温度将可以控制最终的晶粒尺寸、孔隙率和物体的机械性能。